区块链的共识机制存在严重的扩展问题，当前比特币系统无法满足高吞吐量的要求。比特币区块链的吞吐量是每秒钟7个交易，每分钟只有1个1M的块可以加入到链上，而Visa支付可以支持每秒钟47000个交易。因此，有两个解决的方案：

一是引入更快的共识机制，比如拜占庭协议。但这会引入不同的信任问题，与当前系统不兼容。

二是引入二层支付信道来改善区块链扩展性，这种方案与大多数现有的区块链系统是兼容的。

基于区块链的灵活的即时支付系统

系统设计

研究人员提出一种新的基于区块链的灵活的即时支付系统（FIPS）系统来改善区块链系统链下支付的灵活性。主要方法是加入了一个depositor来锁定链上的token，并对支付者链下支付进行监管。因此，支付者可以在不双花的情况下进行链下支付。

系统模型

如图所示，FIPS系统由4类参与者：节点（矿工）、depositor储户、payer付款人、多个收款人payee。FIPS系统的关键特征是在区块链中加入了depositor储户。在FIPS系统中，depositor储户会在区块链上锁定足够数量的token，然后depositor储户可以作为交易进行的监督者，必须确保付款人payer在链下支付时避免双花。如果付款人payer双花了，收款人payee可以从depositor储户中锁定的token中收回token。

付款人能够构建一个新的支付信道，锁定一定数量的token（要链下付给多个收款人的token）。在执行交易前，付款人payer必须要向depositor储户发送支付请求。支付请求中含有收款人的地址和token数量。如果付款人payer付款少于prepayment，depositor储户就会同意交易。收款人就会验证锁定的token和交易的有效性，并接收交易。因为收款人可以从储户的锁定token中取回token，所以无需单位双花攻击。最后，节点（矿工）可以构建区块加入到区块链中，区块中含有有效的锁定的交易和完成的交易。在完成所有交易后，锁定的token就会被解锁。depositor储户可以从每笔交易中收取一定的交易费。

FIPS系统中包含6个部分：

• 建立信道：由支付者和节点运行的协议

• 押金：depositor和节点之间运行的协议

• 支付请求：支付者和depositor之间运行的协议

• 支付：支付者运行的过程

• 收集collect：payee收款人运行的过程

• 处理settlement：payee收款人和depositor之间运行的协议

用数字签名方案构建了FIPS系统。并证明了底层区块链系统、智能合约和数字签名都是安全的，因此形式化证明了 FIPS系统的安全性。

FIPS形式化证明

FIPS系统的特征包括灵活性、安全性、即时支付性、可扩展性和效率。

灵活性。链下信道中锁定的押金可以在不双花的情况下支付给n个收款人中的任一个，这改善了FIPS系统的灵活性，用户无需提前决定要支付给谁，以及花多少，在构建信道之前。此外，支付者可以将收款人分成不同的类型。付款人可以在支付信道中锁定这些公开的账户。当需要交易时，付款人可以支付给任一个公告账户，然后公共账户支付给付款人指定的地址。因此，完成交易只需要一跳one hop。FIPS具有高扩展性。

安全性。利用了区块链系统的智能合约、数字签名，因此FIPS系统具有高安全性。

即时支付性。在FIPS系统中建立支付信道后，可以进行快速快死。此外，用户无需使用复杂的路由算法来找到最短路径，因为每个付款人有N个付款对象，因此完成交易只需要一跳。FIPS系统只需要一跳就可以完成交易，因此与现有的链下支付系统相比，支付速度更快。

可扩展性。FIPS系统是具有高扩展性的。首先，如果depositor是一个中心化的可信第三方，FIPS就是一个中心化的数字货币系统。其次，FIPS系统与现有的信道重平衡算法适配。在FIPS系统中找到reviving cycle要比链下系统更容易。最后，在支付请求阶段，付款人的两个签名（发送支付请求签名给depositor储户，depositor储户发送允许签名给付款人）可以以加密或安全信道的形式传输。此外，还可以使用同态加密方案来隐藏每个交易的数量，因此，FIPS系统可以与现有的隐私保护系统相协调。

效率。大多数的接收者可以在构建链下信道时锁定一个交易，如地铁、超市、酒店等，FIPS可以锁定n个收款人。因此，减少了支付信道的需求，并节省了区块链的存储资源。此外，付款人有多个收款人因此链下支付网络只需要一跳就可以完成交易，降低了链下支付网络的复杂度。整个处理的过程是链下进行的，节省了区块链的资源，并且与现有的链下支付系统相比，处理更快。

更多细节参见ACISP 2019上发表的论文：A Flexible Instant Payment System Based on Blockchain

链接：https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-030-21548-4_16

本文作者：ang010ela

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