Was ist Bitcoin Lightning und wie funktioniert es?

Schon bald nach ausreichender Verbreitung von Bitcoin war klar, das Netzwerk hat Skalierungsprobleme. Das System ist so ausgelegt, dass im Schnitt alle 10 Minuten ein Block generiert wird und die Blockgröße ist auf 1 MB begrenzt. Dies hat Gründe, denn nur so funktioniert das dezentrale System. Neben dem Hochfahren der Blockgröße wurde das Lightningprotokoll diskutiert. Weil letzteres nicht zügig genug umgesetzt wurde, forkte man Bitcoin Cash von Bitcoin und erweiterte die Blockgröße auf 32 MB. Inzwischen ist auch die Skalierungslösung Lightning so weit, dass man sie verwenden kann.

Was ist Bitcoin Lightning

Lightning ist eine sogenannte Second-Layer Lösung. Alle Bezahlvorgänge im Lightingnetzwerk finden abseits der Bitcoinblockchain statt. Schauen wir uns an, wie das genau funktioniert.

Der Lightningkanal (Channel)

Als ersten Schritt eröffnen zwei Parteien einen Kanal (Channel). Dabei überweisen zwei Parteien Bitcoin auf eine 2 von 2 Multisigadresse. Sprich von dieser Adresse können nur Transaktionen getätigt werden, die von beiden Parteien signiert werden.

Frank und Maria eröffnen einen Lightningkanal. Frank überweist 5 Bitcoin auf die Multisigadresse und Maria überweist 5 Bitcoin auf die Multisigadresse. Es entsteht folgendes Problem, der erste, der die Bitcoin überweist, könnte erpresst werden. Maria könnte zu Frank sagen: “Ich überweise keine Bitcoin auf die Multisigadresse und unterschreibe auch nicht die Transaktion, die die 5 Bitcoin an dich zurückgibt, es sei denn, du gibst mir welche!”. Um dies zu verhindern wird schon im Vorfeld die Transaktion gezeichnet, die die Bitcoin Frank zurück gibt, dann überweist Frank die 5 Bitcoin, unterzeichnet für Maria so eine Transaktion und Maria überweist ihre 5 Bitcoin.

Nun haben Frank und Maria einen Lightningkanal offen. Wenn Maria Frank einen Bitcoin über Lightning überweist, signieren beide die Transaktion: “4 Bitcoin an Maria und 6 Bitcoin an Frank”. Nun will Frank Maria 3 Bitcoin überweisen. Also wird die Transaktion: “3 Bitcoin an Frank und 7 Bitcoin an Maria” von beiden unterzeichnet. Solange der Lightningkanal offen ist, werden diese Transaktionen nicht an die Blockchain gesendet und die 10 Bitcoin bleiben in der Multisigadresse liegen. Im Lighnigkanal werden also für jede Überweisung die Bilanzen geändert.

Um den Kanal zu schließen, wird die letzte Transaktion an die Blockchain gesendet und die Bitcoin an Frank und Maria, je nachdem was in der Transaktion stand, zurückgegeben.

Man könnte jetzt denken:” Moment mal, was ist wenn eine alte Transaktion an die Blockchain gesendet wird?” Nehmen wir an, die letzte Transaktion TL war:” Frank hat 7 Maria 3 Bitcoins. Frank sendet 4 an Maria.” Also steht nun in der letzten Transaktion :” 3 für Frank und 7 für Maria.” Nun könnte Frank TL an die Blockchain senden und 7 Bitcoin erhalten. Das geht natürlich nicht. Die Multisigadresse auf der Blockchain hat ein Zeitschloss. Das heißt, die Transaktion wird erst ausgeführt, sobald eine vorgegebene Zeit verstrichen ist. Dies gibt Maria die Möglichkeit zu kontrollieren, ob alles mit rechten Dingen zugeht. Außerdem sind die “wenn dann” Bedingungen auf der Multisigadresse so gesetzt, dass bei Eingang einer neueren Transaktion in der Zeit zwischen Eingang der ersten Transaktion und Ablauf des Zeitschlosses, alle Bitcoin, in unserem Fall 10, zur Strafe an den Absender von dieser neueren Transaktion gehen. Dies wird gewährleistet indem nach jeder neuer Bilanzveränderung ein Schlüssel erstellt wird mit dem die alte Transaktion ggf. eingelöst und das ganze Guthaben auf sich umgelenkt werden kann, falls sie die Gegenpartei fälschlicherweise an das Bitcoinnetzwerk ausstrahlt. Somit ist das System vertrauenslos und sicher. Schwindeln bzw. Betrug wird bestraft.

Lightning Routing

Der Kanal ist der Grundbaustein im Lightning Netzwerk. Aus diesen Kanälen lässt sich ein Netzwerk formen. Jeder Lightningknoten hat ein oder mehrere Kanäle, die ihn zu anderen Knoten verbinden.

Wie kommt nun ein Bitcoin von A nach B obwohl kein direkter Kanal vorhanden ist? Das funktioniert ähnlich wie bei Atomic Swaps mit Hash und Zeitschlössern (HTLC für Hash Timelocked Contracts).

Frank ist mit Marcel über einen Kanal verbunden, Marcel mit Jana und Jana mit Maria. Frank möchte Maria 1 Bitcoin senden. Wir nehmen an, die Route über die genannten ist die günstigste. Nun errechnet Maria von einem Geheimnis x den Hashwert h. Diesen sendet sie zu Frank. Frank erstellt eine Transaktion von einem Bitcoin im Kanal zu Marcel, die nur gültig ist, wenn x von h bekannt ist. Diese Transaktion hat eine zeitliche Gültigkeitsbegrenzung. Wenn x nicht in dieser Zeit verfügbar ist, verfällt die Transaktion und die vorige im Kanal ist die letzte gültige. Als nächstes erstellt Marcel eine Transaktion von einem Bitcoin in seinem Kanal zu Jana mit genau denselben Bedingungen aber einer niedrigeren Gültikeitsdauer. Als letztes erstellt Jana eine Transaktion von einem Bitcoin im Kanal zu Maria. Auch diesmal wird ist die Gültigkeitsdauer kleiner als bei der Transaktion von Marcel zu Jana.

Im nächsten Schritt gibt Maria x frei, um die Transaktion einzulösen. Nun hat Jana x und nutzt es um die Transaktion im Kanal zu Marcel einzulösen. Dieser wiederum löst damit die Transaktion von Frank zu ihm ein. Der Vorgang ist abgeschlossen, das Guthaben aller Beteiligten wieder hergestellt und ein Bitcoin ist von Frank zu Maria gewandert.

Auf diese Weise lassen sich Bitcoins im Lightningnetzwerk sicher und vertrauenslos über x-beliebig viele Kanäle versenden. Adressiert wird über die Hosts, jeder Host kann mehrere Lightningkanäle besitzen. Das Protokoll soll dann in Zukunft den günstigsten Kanal wählen.

Transaktionen im Lightingnetzwerk sind vom Prinzip her kostenlos. Dennoch kann es sein, dass große Hubs kleine Gebühren für ihre Dienste als Liquiditätsanbieter verlangen.

Vorteile

• Das Lightningnetzwerk ist äußerst günstig und in der Theorie skalierbar. Mikrozahlungen werden dadurch möglich sein.
• Die Transaktionen sind sehr schnell, sofortig.
• Die Anonymität ist in der Theorie höher als bei Bitcoin, da alles offchain von statten geht.
• Die Hauptchain von Bitcoin wird entlastet. Damit werden die Transaktionskosten sinken.

Nachteile

• Beim Routen der Transaktionen müssen in jedem Knoten auf der Route genügend Bitcoins vorhanden sein. Hätte in unserem Beispiel Marcel keinen Bitcoin auf seiner Seite, wäre die Route über ihn nicht möglich. Dieser Sachverhalt kann das Routen in einem großen Netzwerk enorm verkomplizieren. Die Routingalgorithmen stehen noch ganz am Anfang in ihrer Entwicklung, es ist sehr wahrscheinlich, dass es bald effiziente Lösungen für dieses Problem geben wird.

[QUIZ] Lightning channels are beads on a string stretched between two people. For the network below, what is the maximum amount Alice can send to Frank in one LN transactions? Assume 1 bead = 1 coin, ignore fees, and AMP is not supported. Answer in the poll below. pic.twitter.com/z0Ea4FFH7s

Fazit

Das Lightningnetzwerk ist ein wichtiger Schritt in Richtung Skalierbarkeit von Bitcoin. Der BTC-Gemeinde ist es äußerst wichtig, dass die Hauptchain einwandfrei funktioniert. Deshalb werden Änderungen mit großer Sorgfalt vorgenommen und dauern in der Regel sehr lange. Durch Lightning fallen massive Eingriffe in das, sich schon seit 10 Jahren bewährende, Protokoll, wie die Erweiterung der Blockgröße oder die Senkung der Blockzeit, weg.

Die Entwicklungen gehen rasant voran, jeden Tag kommen neue Knoten hinzu und das Volumen in den Kanälen steigt stetig. Im Großen und Ganzen kann man das Projekt als vielversprechend einstufen und in eine spannende Zukunft blicken.

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• Es ist noch nicht abzusehen, wie sich die Netzwerktopologie entwickeln wird. Man kann nicht ganz ausschließen, dass das Netzwerk durch Riesenknoten zentralisiert wird.
• Ein Lightningknoten muss immer Online sein, damit Bezahlungen entgegen genommen werden können. Dies ist beim Hauptnetz nicht der Fall.
• Das Lightningnetzwerk ist noch relativ jung und unerprobt. Es wird noch einige Zeit vergehen, bis die zu Massenanwendung nötige Sicherheit gewährleistet ist.