Bitcoin Lightning-Netzwerk – Die Entwicklung von Bitcoin zum Tauschmittel

Einführung

Blockchains sind konstruktionsbedingt schwer zu skalieren. Sie erfordern die Speicherung ganzer Transaktionsbücher und die Echtzeit-Validierung neuer Datensätze über ein stark verteiltes Netzwerk von Knoten. Stellen Sie sich als Analogie eine Welt vor, in der Computer jede jemals gesendete E-Mail speichern und gleichzeitig die Authentizität neuer E-Mails bestätigen müssen, bevor sie an ihr Ziel versendet werden. Skalierbarkeit ist nur ein Faktor innerhalb des „Blockchain-Trilemmas“ oder einer Reihe von Kompromissen zwischen Skalierbarkeit, Dezentralisierung und der Sicherheit eines Blockchain-Netzwerks. Die Optimierung der Skalierbarkeit erfordert zum Beispiel oft eine Blockchain, um Dezentralisierung oder Sicherheit herabzusetzen. Diese Herausforderung gilt für alle Blockchain-Protokolle, einschließlich Bitcoin.

Entwickler auf der ganzen Welt haben über viele Jahre hinweg Maßnahmen ergriffen, um den Transaktionsdurchsatz auf dem Bitcoin-Protokoll zu skalieren. Insbesondere nehmen es diese Entwickler auf sich, herkömmliches Denken in Frage zu stellen und Funktionen einzuführen, die die Dezentralisierung und Sicherheit des Netzwerks nicht gefährden. Tatsächlich stärken viele dieser Änderungen diese Kernprinzipien. Eine dieser Funktionen ist das Lightning Network, ein „Layer 2“-Protokoll zur Skalierung und Beschleunigung von Transaktionen, die auf einer Blockchain abgewickelt werden. Das Lightning Network-Protokoll ergänzt das Bitcoin-Protokoll und umgeht dessen Einschränkungen, um sofortige, nahezu kostenlose und endgültige Bitcoin-Zahlungen zu liefern.

Der Zugriff auf Bitcoin über Lightning erfordert nichts weiter als ein Mobiltelefon, wodurch Milliarden von Menschen der dezentralisierten Wirtschaft beitreten können. Lightning bietet Marktteilnehmern weltweit immense Möglichkeiten in aufstrebenden Märkten wie El Salvador. Da 70 % der erwachsenen Bevölkerung in El Salvador kein Bankkonto haben, verbessert Lightning die Chancengleichheit, da es die finanzielle Inklusion erheblich erhöht.

Rückblickend auf seine Geschichte hat Lightning die frühe Aufregung seit dem Start im Jahr 2018 nur langsam befriedigt. In den letzten Jahren befand sich das Protokoll in der Beta-Phase und richtete sich an technische Entwicklungsgemeinschaften, die sich auf Nischenanwendungen wie Brieftaschen und Point-of-Sale-Terminals konzentrierten. Während Lightning noch recht im Entstehen begriffen ist, hat die Benutzerakzeptanz seit Ende 2020 erheblich zugenommen, und das Protokoll macht BTC nun für Menschen weltweit zugänglicher. Trotz seiner Entstehung steht Lightning kurz davor, BTC zu Milliarden von Personen ohne Bankverbindung zu bringen, die es ihnen ermöglichen, finanzielle Souveränität gepaart mit größtmöglicher Privatsphäre zu erreichen. In diesem Deep Dive bietet Kraken Intelligence einen Überblick über das Lightning-Protokoll, seinen historischen Hintergrund, sein technisches Design und den Zustand des Netzwerks.

Was ist das Bitcoin Lightning-Netzwerk?

Seit fast anderthalb Jahrzehnten braut sich ein erheblicher Hype um das Potenzial der Blockchain-Technologie zusammen. Einige Marktteilnehmer behaupten, dass dezentrale Blockchains immer besser sind als zentralisierte Datenbanken. Diese Argumente beruhen auf Behauptungen, dass Blockchains mehrere gesellschaftliche Themen verbessern. Diese Themen reichen vom Geldsystem über Lieferketten bis hin zum Eigentum an digitalen Urheberrechten. Die Wahrheit ist jedoch komplexer. Während es scheint, dass der Krypto-Raum einen Wendepunkt bei der Etablierung der nativen Transaktionsschienen des Internets erreicht, sind noch viele Verbesserungen erforderlich, damit Kryptoassets ein globales Publikum unterstützen, insbesondere im Hinblick auf die Skalierbarkeit.

Das Bitcoin-On-Chain-Skalierbarkeitsproblem

Blockchains sind von Natur aus ineffizient

Dezentrale Blockchains und zentralisierte Datenbanken unterscheiden sich hauptsächlich in Bezug auf Zugriff, Zensurresistenz und Unveränderlichkeit. Insbesondere erlaubt ein gut funktionierendes Blockchainnetwork keine Anpassung von Datensätzen in der Ledger-Historie. Diese Unterschiede erfordern, dass dezentralisierte Blockchains ständig einen Konsens zwischen einer hochgradig verteilten Gruppe von Knoten bilden, ein Aufwand, der beim zentralisierten Datenbankdesign nicht erforderlich ist. Aus diesem Grund können zentralisierte Systeme wie VISA Berichten zufolge mehr als 24.000 Transaktionen pro Sekunde (TPS) verarbeiten, während Bitcoin etwa 7 TPS verwaltet.

Kurz gesagt, es gibt erhebliche Kompromisse zwischen dezentralisierten Systemen und zentralisierten Systemen. Es gibt keine One-Size-Fits-All-Lösung.

Diese Skalierbarkeitsprobleme sind besorgniserregend, da BTC als weltweit führendes Kryptoasset eine entscheidende Rolle als Mittel zur Werttransaktion spielt. Während es jedem freisteht, BTC zu halten, zu senden und zu empfangen und von einem kodifizierten Währungsschema zu profitieren, erfüllt der geringe Transaktionsdurchsatz der Blockchain nicht die Standards, um ein eigenständiges globales Peer-to-Peer-Tauschmittel zu werden. Dies widerspricht der betitelten Philosophie im wegweisenden Whitepaper Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System. Derzeit ist Bitcoin mit den folgenden erheblichen Einschränkungen konfrontiert:

• Transaktionsdurchsatz – Das Bitcoin-Protokoll unterstützt ungefähr 7 TPS. Darüber hinaus führen Miner im Durchschnitt alle 10 Minuten Bitcoin-Blöcke ein, was bedeutet, dass Benutzer BTC-Transfers nicht sicher sofort abwickeln können.
• Gebühren – Der Blockplatz ist begrenzt und die Netzwerkgebühren, die erforderlich sind, um eine Transaktion in einen Block aufzunehmen, können je nach Nachfrage nach Blockplatz stark schwanken.
• Netzwerküberlastung – Variable Blockzeiten und erhöhte Netzwerknutzung können zu Transaktionsrückständen führen, die Abwicklungsbestätigungen verzögern.

Das Lightning Network von Bitcoin zielt darauf ab, diese Skalierbarkeitsbeschränkungen durch die Einführung des Lightning Network zu lösen, das sofortige und kostengünstige Transaktionen mit einer Rate von Millionen von TPS verspricht.

Überblick über das Lightning-Netzwerk

Das Layer 2 (L2) Lightning Network ergänzt die Blockchain von Bitcoin, um „Offchain“-Transaktionen oder Transaktionen zwischen Parteien zu ermöglichen, die ursprünglich nicht in der Blockchain aufgezeichnet wurden. L2-Transfers erfolgen über ein unabhängiges Netzwerk von Knoten, die durch Peer-to-Peer-Zahlungskanäle verbunden sind, die in der Bitcoin-Blockchain verankert sind. Indem Transaktionen Off-Chain durchgeführt werden, können Benutzer kostengünstige, nahezu sofortige Zahlungen durchführen, die über verbundene Lightning-Knoten über ein vertrauenswürdiges L2-Netzwerk geleitet werden. Da dieses Design sicherstellt, dass Zahlungskanäle die Sicherheit der zugrunde liegenden Bitcoin-Blockchain oder des „Layer 1“ (L1)-Netzwerks erben, können Benutzer die sofortigen Off-Chain-Abwicklungen getrost nutzen.

Insbesondere ist Lightning ein Overlay-Netzwerk, das von Bitcoin Smart Contracts und nicht von einer unabhängigen Blockchain angetrieben wird. Lightning führt kein neues Token ein und teilt ein ähnliches Wertesystem wie Bitcoin: Dezentralisierung, Erlaubnisfreiheit, Zensurresistenz und Open Source.

Unter Verwendung herkömmlicher Bitcoin Multi-Signatur (Multisig) Smart Contracts ermöglicht das Lightning-Protokoll Benutzern, Zahlungskanäle mit anderen Benutzern zu öffnen. Benutzer führen Peer-to-Peer-Transaktionen in diesen Off-Chain-Kanälen durch, ohne jede Transaktion an die Bitcoin-Blockchain zu senden. So verspricht Lightning nahezu sofortige und nahezu gebührenfreie Transaktionen.

Benutzer können aufgrund der Unveränderlichkeit dieser Off-Chain-Transaktionen und der Möglichkeit, ihren Zahlungskanal in der Bitcoin-Blockchain zu „schließen“, sicher auf Lightning Transaktionen durchführen, was zu einer vollständigen Endgültigkeit ihrer Abrechnungen führt. Mit anderen Worten, Lightning umgeht die Skalierbarkeitsherausforderung der Bitcoin-Blockchain, indem Transaktionsmetadaten aus der L1-Blockchain entfernt werden, bis ein Benutzer seine Salden endgültig begleichen möchte. Obwohl Lightning die Einführung von täglichen BTC-Zahlungen vorantreiben soll, bringt die Öffnung von Zahlungskanälen mehrere andere Vorteile mit sich. Beispielsweise ermöglicht der LN Mikrozahlungen im Bruchteil eines Cents.

Mikrozahlungen im L1-Bitcoin-Netzwerk sind nicht durchführbar, da die Transaktionsgebühren oft den Transaktionsbetrag selbst übersteigen. Stattdessen verlangten andere Mikrozahlungslösungen von den Benutzern, Gelder bei Drittverwahrern zu halten. Lightning ermöglicht sofortige Mikrozahlungen, ohne dass Benutzer ein Kontrahentenrisiko bei einer zentralen Depotbank eingehen müssen.

Lightning führt auch mehr Datenschutz bei Transaktionen ein, insbesondere mit dem neuesten Taproot-Upgrade. Zuvor konnten Bitcoin-On-Chain-Analysten das Öffnen und Schließen von Lightning-Zahlungskanälen identifizieren, da die Metadaten intelligente Vertragstransaktionen aufdecken, die verschiedene öffentliche Schlüssel und Signaturen enthalten. Jetzt ermöglichen es Taproot-fähige Lightning-Kanäle Benutzern, Zahlungskanäle zu öffnen und zu schließen, während sie als standardmäßige BTC-Transaktionen mit einer einzigen Signatur angezeigt werden. Dies macht es für Einzelpersonen schwierig, Zahlungskanäle mit transaktionierenden Benutzern im Netzwerk zu verknüpfen.

Die Geschichte des Lightning-Netzwerks

Obwohl Lightning in den letzten 7 Jahren der Entwicklung und Einführung einen langen Weg zurückgelegt hat, hat das Netzwerk noch viel Raum zum Wachsen und Reifen. In diesem Abschnitt werden wir die Geschichte des Lightning-Netzwerks und die verschiedenen Funktionsänderungen erörtern, die zu anhaltendem Akzeptanzwachstum und technischer Robustheit geführt haben. Die folgende Zeitleiste zielt darauf ab, die Entwicklungs- und Einführungsmeilensteine von Lightning seit der Gründung von Bitcoin zusammenzufassen, um besser zu verstehen, wo Lightning im Gesamtbild steht, obwohl die Leser beachten sollten, dass der Teil der Geschichte, der sich auf Bitcoin selbst bezieht, verwendet wird, um einen breiteren Kontext zu bieten.

Februar 2015 – Joseph Poon und Tadge Drya veröffentlichen das Whitepaper des Ligntning Network.

Januar 2016 – Poon und Dryja veröffentlichen das aktualisierte Whitepaper.

Mai 2017 – Erste Lightning-Transaktion auf Litecoin von Christian Decker von Blockstream.

März 2018 – Lightning Labs veröffentlicht Beta-Testnet für Entwickler und der ehemalige Twitter-CEO Jack Dorsey unterstützt das Protokoll.

Januar 2019 – Die „Lightning Torch“ wurde geschaffen, um den Wert und die Leistungsfähigkeit des Lightning Network zu demonstrieren.

September 2021 – El Salvador übernimmt BTC als gesetzliches Zahlungsmittel und führt eine Wallet auf Lightning-Basis ein.

Obwohl Lightning in den letzten 7 Jahren der Entwicklung und Einführung einen langen Weg zurückgelegt hat, hat das Netzwerk noch viel Raum zum Wachsen und Reifen. In diesem Abschnitt werden wir die Geschichte des Lightning-Netzwerks und die verschiedenen Funktionsänderungen erörtern, die zu anhaltendem Akzeptanzwachstum und technischer Robustheit geführt haben. Die folgende Zeitleiste zielt darauf ab, die Entwicklungs- und Einführungsmeilensteine von Lightning seit der Gründung von Bitcoin zusammenzufassen, um besser zu verstehen, wo Lightning im Gesamtbild steht, obwohl die Leser beachten sollten, dass der Teil der Geschichte, der sich auf Bitcoin selbst bezieht, verwendet wird, um einen breiteren Kontext zu bieten.

2009: Zahlungskanäle von Satoshi Nakamoto

Zahlungskanäle, ein grundlegender Baustein des Lightning Network, sind wohl so alt wie die erste Bitcoin-Software, die am 3. Januar 2009 von Satoshi Nakamoto veröffentlicht wurde. Die Bitcoin-Version 0.1 enthielt einen groben Codeentwurf, mit dem Benutzer eine Transaktion aktualisieren konnten, bevor sie veröffentlicht wurde Bestätigt.

Während dieser Code ein grober Entwurf war, ging Satoshi weiter ins Detail, um zu beschreiben, wie Zahlungskanäle in der privaten Kommunikation mit dem ehemaligen Bitcoin-Entwickler Mike Hearn funktionieren könnten. Dennoch war Satoshis Design für Zahlungskanäle nicht völlig vertrauenswürdig, da es Benutzern erlaubte, mit Bergleuten zusammenzuarbeiten, um alte Kanalzustände zu bestätigen und Transaktionsgegenparteien im Kanal zu betrügen. Mit anderen Worten, eine Partei könnte mit einem Miner zusammenarbeiten, um eine nicht endgültige Version einer Transaktion zu bestätigen, mehr BTC beanspruchen, als das Kanalguthaben zulässt, und Gelder von der anderen Gegenpartei stehlen.

2011–2014: Zahlungskanäle machen kleine Schritte

Im Juli 2011, kurz nach Satoshis Verschwinden aus dem Bitcoin-Projekt, schlug der Benutzer „hashcoin“ von bitcointalk.org einen zweistufigen Zahlungskanal vor, bei dem die Teilnehmer mehrere teilweise signierte Multisig-Transaktionen und Transaktionen austauschen müssen. Die Lösung von Hashcoin zielte darauf ab, Zahlungskanäle widerstandsfähig gegen geheime Angriffe von Bergleuten zu machen und sicherzustellen, dass beim Verschwinden eines Kanalteilnehmers der andere nach Ablauf einer bestimmten Zeit alle Gelder im Zahlungskanal beanspruchen konnte.12 Dieses Design war jedoch nicht perfekt, weil sie konnte nur einseitig arbeiten, was bedeutete, dass „Bob“ „Alice“ bezahlen konnte, aber „Alice“ konnte „Bob“ nicht über denselben Kanal bezahlen.

Viele Iterationen dieser Idee entstanden in den folgenden Jahren aus der Bitcoin-Community von Christian Decker, Corné Plooy, Meni Rosenfeld, Alex Akselrod, Jeremy Spillman, Roger Wattenhofer und anderen. Lightning Labs-Ingenieur Akselrod gelang 2014 der nächste Durchbruch, als er den ersten bidirektionalen Zahlungskanal vorschlug. Entwickler haben diese Lösung jedoch nie in den Code von Bitcoin implementiert.

2015: Veröffentlichung des Lightning Network Whitepapers

Die Forscher Joseph Poon und Tadge Dryja stellten sich das Lightning Network ursprünglich in einem Whitepaper-Rohentwurf vom Februar 2015, Version 0.5, vor, um die Skalierungsbeschränkungen von Bitcoin zu lösen. In dem Entwurf skizzierten Poon und Dryja:

„Die Blockchain als Zahlungsplattform allein kann den weltweiten Handel in naher Zukunft nicht abdecken. Wenn jeder Knoten im Bitcoin-Netzwerk über jede einzelne Transaktion Bescheid wissen muss, die weltweit stattfindet, kann dies die Fähigkeit des Netzwerks, alle globalen Finanztransaktionen zu umfassen, erheblich beeinträchtigen […] Wenn Bitcoin alle elektronischen Zahlungen in der ersetzen soll Zukunft, nicht nur Visa, wie es derzeit implementiert wird, kann es nur einen kleinen Teil davon erreichen oder bestenfalls mit extremer Zentralisierung einiger weniger kapitalintensiver Bitcoin-Knoten und Miner skalieren.“

Während die Forscher das Whitepaper damals als Work in Progress veröffentlichten, stellte sich die vorgeschlagene Verwendung von Hashed Timelock Contracts (HTLCs) für das Routing von Zahlungen über mehrere Kanäle als die bisher beste Lösung heraus. Später in diesem Monat präsentierten Poon und Dryja auf dem SF Bitcoin Devs Seminar die erste öffentliche Präsentation des Lightning Network.

2017: Das Segregated Witness (SegWit) Soft Fork-Upgrade

Bei der Veröffentlichung des Whitepapers von Lightning wurde die Verformbarkeit von Transaktionen als große Herausforderung angesehen. Das Transaktionsformbarkeitsproblem von Bitcoin ermöglichte es jedem, die eindeutige ID einer BTC-Transaktion (TXID) vor der Bestätigung in der Blockchain zu ändern.

Während dies keine Bedrohung für die Bitcoin-Blockchain für native Transaktionen darstellte, ermöglichte es schlechten Akteuren, fiktiv vorzuschlagen, dass die ursprüngliche Transaktion, die durch die TXID identifiziert wurde, nicht stattgefunden hat, wodurch Dritte wie Krypto-Börsen oder ein Lightning-Kanal ausgetrickst wurden.

Theoretisch könnte dies einem schlechten Akteur ermöglichen, effektiv Gelder von einer Gegenpartei zu stehlen, indem er sie auffordert, eine weitere Transaktion zu buchen, um die „fehlgeschlagene“ ursprüngliche Transaktion zu ersetzen. Bei einer Börse würde ein Angreifer eine Auszahlungsanfrage stellen und die Börse auffordern, die angeforderte Auszahlung zu verarbeiten und die Transaktions-ID (TXID) in ihrer Datenbank zu speichern.

Der Angreifer würde dann die Transaktions-ID ändern und eine andere Transaktion mit einer anderen TXID erneut übermitteln, die ebenfalls in der Blockchain abgebaut wird. Die Börse erkennt nie, dass die ursprüngliche Auszahlung im Netzwerk erfolgreich bestätigt wurde, weil der Angreifer die TXID geändert hat. Effektiv gibt der Angreifer sein Börsenguthaben doppelt aus, indem er eine Schwachstelle in der internen Datenbankverwaltung der Börse ausnutzt.

Im Fall von Lightning müssen zwei Benutzer eine 2-von-2-Multisig-„Finanzierungstransaktion“ unterzeichnen, bevor sie einen Kanal öffnen. Wenn Bitcoin-Knoten die Finanzierungstransaktion übertragen, bevor beide Parteien die Multisig-Transaktion unterzeichnet haben, könnte eine der Gegenparteien des Kanals die Transaktion ändern, um die doppelt signierte Transaktion ungültig zu machen und dem schlechten Akteur zu ermöglichen, Gelder von ihrer Gegenpartei zu stehlen.

Der Soft Fork Segregated Witness (SegWit) von 2017 auf der Bitcoin-Blockchain beseitigte die Formbarkeit von Transaktionen, eine grundlegende Voraussetzung für die Implementierung von Lightning.

2018: Offizieller Start von Lightning

Am 15. März 2018 ging Lightning durch die Veröffentlichung von LND 0.4-beta durch Lightning Labs offiziell für technisch versiertere Benutzer in einer Beta-Phase im Bitcoin-Mainnet live.

2019: Lightning Torch – Die Blitzfackel

Im Januar 2019 schickte die pseudonyme Twitter-Persönlichkeit Hodlonaut 0,001 £ (oder 100.000 Satoshis) an eine vertrauenswürdige Lightning-Geldbörse, wo jeder Empfänger 10.000 Satoshis (damals 0,34 $) hinzufügte, um sie an den nächsten vertrauenswürdigen Empfänger zu senden. Ziel der „Blitzfackel“ war es, einen spielerischen Werbetest des Netzwerks anzustoßen. Viele sahen die Übung als effektives Beispiel dafür, wie reibungslos Benutzer Lightning-Zahlungen weltweit senden konnten, zu einer Zeit, als Lightning noch in den Kinderschuhen steckte und selten verwendet wurde.

Die „Fackel“ wurde insgesamt 292 Mal übertragen, darunter an den ehemaligen CEO von Twitter, Jack Dorsey, CEO von Lightning Labs, Elizabeth Stark, und den führenden Bitcoin-Strategen von Kraken, Pierre Rochard, bevor sie das hartcodierte Limit von 4.390.000 Satoshis (0,0439 ₿) erreichte wie groß die Fackel werden könnte. Die Schlusszahlung der Blitzfackel am 13. April 2019 in Höhe von 4.290.000 Satoshis (damals 217,78 $) ging an Bitcoin Venezuela, eine gemeinnützige Organisation, die Bitcoin in Venezuela fördert.

2021: El Salvador nimmt BTC als Zahlungsmittel an und veröffentlicht ein Lightning Wallet

Auf der Bitcoin 2021-Konferenz in Miami am 5. Juni 2021 kündigte der salvadorianische Präsident Nayib Bukele, ein technisch versierter Millennial, Pläne an, BTC als Zahlungsmittel zu legalisieren und es über Lightning in die Wirtschaft des Landes zu integrieren.21 Bukele schlug vor, dass die Legalisierung von BTC als Zahlungsmittel Ansporn wäre Investitionen im Land und helfen den rund 70 % der Erwachsenen in Salvador, die keinen Zugang zu traditionellen Finanzdienstleistungen haben.

Um die Einführung voranzutreiben, versprach Präsident Bukele 30 US-Dollar an BTC für jeden Benutzer des bevorzugten LN-basierten Wallet-Anbieters des Landes, Chivo, und die Regierung versprach einen Fonds in Höhe von 150 Millionen US-Dollar, um Transaktionen zwischen USD und BTC zu erleichtern. Weniger als einen Monat später gab Präsident Bukele am 1. Oktober 2021 bekannt, dass sich bereits 2,7 Millionen Salvadorianer für das Lightning-basierte Chivo-Wallet angemeldet hatten.

Layer 1: Die Bitcoin-Blockchain

Ausgestattet mit oberflächlichem Wissen über den LN und seine Geschichte sollten sich die Leser mit der Abrechnungsmethode des Bitcoin-Basislayers vertraut machen, bevor sie weiter in die technischen Details von Lightning eintauchen. Für Leser, die bereits ein grundlegendes Verständnis des UTXO-Modells (Unspent Transaction Output) von Bitcoin haben, können Sie diesen Abschnitt gerne zu „Schicht 2: Lightning Network Channels“ auf Seite 15 überspringen.

Das UTXO-Modell (Unspent Transaction Output).

Bitcoin verwendet das Unspent Transaction Output (UTXO)-Modell, um die Verteilung von Coins unter den Benutzern zu berücksichtigen. Im Kern ist jeder UTXO eine Menge BTC, die durch eine Adresse mit einem privaten Schlüssel verknüpft ist. Bitcoin-Transaktionen bestehen aus Eingaben und Ausgaben; Eingaben beziehen sich auf UTXOs, die von einer Transaktion verbraucht werden (d. h. ausgegebene UTXOs), während Ausgaben die UTXOs sind, die von einer Transaktion erstellt werden (d. h. empfangene UTXOs).

Eine digitale Signatur – das Ergebnis der kryptografischen Anwendung eines privaten Schlüssels auf Daten, die den Besitz von UTXO nachweist, ohne den privaten Schlüssel offenzulegen – ist erforderlich, um UTXOs freizuschalten und auszugeben. Da nur ungenutzte Ausgaben als Eingaben für eine Transaktion dienen können, können Benutzer UTXOs nur einmal ausgeben. Wenn jemand versuchen würde, eine zuvor ausgegebene Ausgabe in einer anderen Transaktion zu verwenden, würden die Knoten die Transaktion ablehnen.

Außerdem werden UTXOs unter keinen Umständen teilweise ausgegeben. Es ist hilfreich, sich UTXOs als eine Quittung vorzustellen, die den Saldobetrag oder die Änderung in einer bestimmten Transaktion zeigt. Stellen Sie sich zum Beispiel vor, Bob möchte eine Tasse Kaffee kaufen, die 3 $ kostet. Da es keine 3-Dollar-Scheine gibt, kann der Käufer mit einem 5-Dollar-Schein oder mehreren Schüssen, die zusammen 3 Dollar ergeben, bezahlen (z. B. drei 1-Dollar-Scheine bezahlen). UTXOs funktionieren ähnlich, indem Benutzer sie immer vollständig ausgeben müssen.

Wenn Bob diesen Kaffee mit BTC kaufen wollte, würde ihn das ungefähr 6.800 Satoshis oder 0,00006833 ₿ (~ 3 $) kosten. Stellen Sie sich nun vor, Bobs Brieftasche hat nur einen einzigen UTXO, der 7.000 Satoshis enthält. In diesem Fall würde Bob die vollen 7.000 Satoshis im UTXO ausgeben und eine Ausgabe mit 6.800 Satoshis an die Adresse des Verkäufers und eine zweite Ausgabe mit 200 Satoshis an eine Änderungsadresse erstellen, die dem Käufer gehört.

Wenn dieser Käufer jedoch verschiedene UTXOs von 1.000 Satoshis, 5.000 Satoshis und 800 Satoshis hätte, würden alle drei UTXOs als Eingaben der Transaktion verwendet werden. Das Protokoll würde dann die Eingaben in dieser Transaktion zu einem einzigen UTXO mit 6.800 Satoshis addieren.

Beispiel einer Standard-Bitcoin-Transaktion:

1. Bob schuldet seinem örtlichen Café 6.800 Satoshis für einen Kaffee.
2. Das Café sendet Bob eine Adresse aus seiner Brieftasche, um die Zahlung zu erhalten.
3. Bob erstellt mit seinem privaten Schlüssel eine digitale Signatur, um 6.800 Satoshis von UTXOs, die mit seiner Brieftasche verknüpft sind, zu entsperren und an die Adresse des Cafés zu senden.
4. Angenommen, Bobs Brieftasche hat nur zwei UTXOs mit 6.000 Satoshis und 1.000 Satoshis, würde er beide UTXOs als Eingaben für die Transaktion ausgeben.
5. Die Transaktion erzeugt zwei UTXOs als ungenutzte Ausgaben: Ein UTXO, das mit 6.800 Satoshis verbunden ist, geht an die Brieftasche des Cafés, und ein UTXO im Wert von 200 Satoshis wird als Wechselgeld an Bob zurückgesendet.

Layer 2: Das Lightning-Netzwerk

Zahlungskanäle

Die Abrechnungsmethode von Lightning unterscheidet sich vom UTXO-basierten Modell der Bitcoin-Basisschicht durch die Verwendung von sogenannten „State Channels“. Zahlungskanäle waren die erste Art von staatlichen Kanälen, die Off-Chain-Interaktionen nutzten, um das Eigentum an gesperrten BTC zu ändern, um „Off-Chain-Zahlungen“ zu ermöglichen. Ein Zahlungskanal, der primäre Baustein des gesamten L2-Netzwerks, ist eine bidirektionale Zahlungsverbindung zwischen zwei Lightning-Knoten.

Das Öffnen eines Kanals zwischen zwei oder mehr Personen im Lightning-Netzwerk beginnt mit dem Senden einer On-Chain-Transaktion. Diese anfängliche Finanzierungstransaktion erstellt den Kanal, den beide Parteien kontrollieren. Sie können diesen Kanal dann verwenden, um BTC sofort untereinander zu senden, mit nahezu null Gebühren und ohne jede Transaktion an die Basisschicht der Bitcoin-Blockchain senden zu müssen.

Jede Partei kann sich auf die Bitcoin-Blockchain einigen und den Kanal jederzeit schließen. Wenn der Kanal geschlossen und auf der Basisschicht-Blockchain abgewickelt wird, werden die Gelder an jede Partei gemäß der Übertragungshistorie des Kanals gesendet, die in ihrer Gesamtheit als eine einzige Transaktion auf der Bitcoin-Blockchain zusammengefasst ist.

Der direkte Zahlungskanal zwischen den beiden Parteien kann auch Teil des größeren Lightning-Netzwerks werden. Wenn zwei Parteien nicht direkt über einen Zahlungskanal verbunden sind, können Transaktionen zwischen diesen beiden Parteien das Lightning Network über miteinander verbundene Pfade nutzen. In diesem Fall suchen Lightning-Knoten nach der besten Route, um die Transaktion abzuschließen, und führen sie gegen diese Route aus.

Zum Beispiel möchte Bob Geld an Alice senden, hat aber keinen offenen Kanal mit ihr. Allerdings haben sowohl Bob als auch Alice ihre eigenen Kanäle mit Mary geöffnet. In diesem Szenario könnte Bob die Zahlung über ihre gegenseitige Verbindung mit Mary an Alice weiterleiten, ohne einen neuen Kanal direkt zwischen Bob und Alice öffnen zu müssen.

Zahlungsrouting über Hash Time-Locked Contracts (HTLCs)

Während das obige Beispiel einen bidirektionalen Zahlungskanal demonstriert, erfordern globale Zahlungsnetzwerke mehr Komplexität. Aus diesem Grund verwendet der LN eine Technik namens Hash Time-Locked Contracts (HTLCs), damit Zahlungen über einen Pfad von Zahlungskanälen laufen können, anstatt einen direkten Zahlungskanal zu jeder anderen Person im Netzwerk einzurichten.

Diese Arten von Smart Contracts verwenden eine Hash-Verifizierung (d. h. Hashlock) und eine zeitliche Ablaufverifizierung (d. h. Timelock), um die Zahlungssicherheit zu gewährleisten, sodass LN-Benutzer Zahlungen mit einem bestimmten „Ablaufdatum“ erstellen können. Hashlocks schränken die Ausgabe eines UTXO ein, bis ein bestimmtes Datenelement öffentlich bekannt gegeben wird, sodass Benutzer Zahlungen über Dritte leiten können, ohne das Risiko einzugehen, dass Dritte die Zahlungen entgegennehmen

1. Das Café würde eine Zufallszahl generieren, sie durch die SHA-256-Hashing-Funktion laufen lassen, um sie zu komprimieren, und das gehashte Ergebnis mit Alice teilen.
2. Alice nutzt ihren Zahlungskanal mit Bob, um ihm 6.000 Satoshis für einen Kaffee zu zahlen, einschließlich des Hashes, das das Café ihr für die Zahlung gegeben hat, und einer zusätzlichen Bedingung, die Bob dazu verpflichtet, die Daten bereitzustellen, die zur Erzeugung dieses Hashs verwendet wurden, um die Zahlung einzufordern.
3. Bob nutzt seinen Zahlungskanal zum Café, um dem Geschäft 6.000 Satoshis zu zahlen, und Bob fügt eine Kopie derselben Bedingung hinzu, die Alice auf die Zahlung gestellt hat, die sie Bob gegeben hat.
4. Das Café verfügt über die Originaldaten, die zur Erstellung des Hashs oder des „Pre-Image“ verwendet wurden, sodass das Café diese verwenden kann, um seine Zahlung abzuschließen und die Zahlung vollständig von Bob zu erhalten. Dadurch stellt das Café Bob zwangsläufig das Vorabbild zur Verfügung.
5. Bob verwendet das Pre-Image, um seine Zahlung von Alice abzuschließen.

Einführung des Lightning-Netzwerks

In diesem Abschnitt misst das Team die Akzeptanz von Lightning Network, indem es das Wachstum mehrerer wichtiger Kennzahlen analysiert, darunter die Gesamtkanalkapazität, die Anzahl der Knoten und die Anzahl der Kanäle. Wie Abbildung 2 zeigt, ist Lightning seit seiner Gründung Jahr für Jahr gewachsen.

Die Daten zeigen jedoch, dass sich das Wachstum des Lightning Networks in den letzten Jahren beschleunigt hat. Die Nutzung von Blitzen befindet sich seit Ende 2020 auf einem steilen Aufwärtstrend und nahm im September 2021 parabolisch zu, was der Einführung von BTC als gesetzliches Zahlungsmittel in El Salvador entspricht. Dennoch beschreiben öffentliche Metriken nicht das volle Ausmaß der Einführung von Lightning, da die Anzahl der Benutzer im Lightning-Ökosystem private Kanäle nutzt.

Die Kapazität des Lightning Network, die Gesamtheit aller öffentlich indexierten Fonds in Lightning-Kanälen, ist seit Januar 2021 um +226 % auf über 3.451 ₿ gestiegen. In US-Dollar ausgedrückt bedeutet dies, dass die Netzwerkkapazität um fast +386 % oder 119,6 Millionen US-Dollar auf gestiegen ist mehr als 150,5 Millionen US-Dollar während des Zeitraums. Zum Vergleich: Von Januar 2018 bis Januar 2020 stieg die Netzwerkkapazität um insgesamt 7,4 Millionen US-Dollar, ist aber in den zwei Jahren seitdem um 144,4 Millionen US-Dollar gewachsen.

Lightning umfasst derzeit 86.203 Kanäle, eine Steigerung von +132 % seit Anfang 2021. Die Anzahl der Kanäle und die Netzwerkkapazität implizieren auch eine durchschnittliche Kanalgröße von fast 0,04 ₿ oder etwa 1.750 $ zum Zeitpunkt des Verfassens dieses Artikels. Obwohl diese Zahl um +36 % gestiegen ist, stieg das USD-Äquivalent der durchschnittlichen Kanalkapazität um fast +61 % von etwa 870 $ im Januar 2021 auf etwa 1.400 $ zum Zeitpunkt des Verfassens dieses Artikels, was die Aufwertung von BTC erklärt.

Darüber hinaus zeigt das Wachstum der schieren Anzahl von Lightning-Knoten, dass das Netzwerk beginnt, viele neue Teilnehmer zu sehen. Die Nodes verzeichneten von 2018 bis Ende August 2020 ein kontinuierliches Wachstum und stiegen von 206 auf 6100. Seitdem ist das Node-Wachstum jedoch parabolisch verlaufen und zum Zeitpunkt des Schreibens auf 20.100 Nodes gestiegen. Das Wachstum von Lightning-Knoten hat so schnell zugenommen, dass es jetzt etwa 500 Lightning-Knoten mehr als Bitcoin-Knoten gibt.

Sollte die Akzeptanz in diesem Tempo weiter zunehmen, könnte das Lightning-Netzwerk das Potenzial von BTC als Tauschmittel ausschöpfen – ein wesentliches Merkmal für globales Geld, das zuvor ein Engpass für den Mainstream von BTC war.

Fazit

Das Lightning Network ist ein Protokoll zur Skalierung von Blockchains für ein globales Publikum. Lightning umgeht die Engpässe des netzwerkweiten Konsenses, indem es Transaktionen außerhalb der Kette abwickelt und Latenzen und Rechenredundanzen vermeidet, die Blockchains behindern. Darüber hinaus bewältigt die L2-Lösung diese Skalierbarkeitsprobleme, die Blockchains plagen, ohne die Sicherheit oder Dezentralisierung der L1-Blockchain zu gefährden, wodurch Kompromisse innerhalb des Blockchain-Trilemmas effektiv vermieden werden.

Lightning wurde erstmals vor 7 Jahren im Jahr 2015 vorgeschlagen, kam aber erst 3 Jahre später nach ausgiebiger Entwicklung und Tests auf den Markt. Obwohl das Netzwerk seit seiner Einführung im Jahr 2018 nur langsam an Dynamik gewonnen hat, verzeichnet das Lightning Network nun eine wachsende Akzeptanz und ermöglicht es BTC, als Tauschmittel zu dienen. Dies wird durch den Anstieg der Anzahl der Knoten um +127 %, den Anstieg der Kanäle um +125 % und die Erhöhung der Netzwerkkapazität um 120 Millionen US-Dollar belegt.

Die revolutionäre Technologie macht BTC für Menschen weltweit zugänglicher und ermöglicht Marktteilnehmern, Geld sofort über internetnative globale Transaktionen mit immensen Möglichkeiten in Schwellenländern wie El Salvador zu senden, dessen Bevölkerung zu etwa 70 % kein Bankkonto hat. Während Lightning noch viel Arbeit braucht, löst es derzeit reale Probleme für die Menschen, die es am dringendsten brauchen, indem es Personen ohne Bankverbindung globalen finanziellen Zugang bietet.