Zukunft des Bitcoin – Bitcoin Lightning Network und seine Bestandteile

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Bitcoin Lightning
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Nach Jahren der Konzeption und Entwicklung sind die ersten Lightning-Implementierungen nun in der Beta-Phase. Seither erscheinen jeden Tag mehr Nodes, eine wachsende Zahl von Benutzern eröffnen Kanäle miteinander und einige Händler haben sogar begonnen, Zahlungen via Bitcoin Lightning zu akzeptieren.

Aber das sind natürlich noch die Anfänge des Bitcoin Lightning Networks. Während die wichtigsten Implementierungen, einige Wallets und andere Anwendungen bereits verfügbar sind, wird sich das Zahlungsnetzwerk in den nächsten Jahren in Bereichen wie Netzwerkarchitektur, Sicherheit und Benutzerfreundlichkeit verbessern. Nachfolgend findet Ihr die wichtigsten Bitcoin Lightning Projekte, die sich derzeit in der Entwicklung befinden.

 

Dual – Funded Channels

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Das Lightning Network besteht aus einer Reihe von Zahlungskanälen. Jeder Zahlungskanal besteht zwischen zwei Benutzern, sodass Gelder zwischen ihnen hin- und hergeschickt werden können.

In diesem frühen Stadium der Entwicklung können die Zahlungskanäle jedoch nur von einer der beiden Parteien finanziert werden. Die finanzierende Partei muss zunächst eine Zahlung mit der Gegenpartei abschließen, erst dann kann die Gegenpartei eine Zahlung innerhalb des Zahlungskanals tätigen.

Das Whitepaper des Lightning Network schlug jedoch Dual – funded Channel vor, für die nun auch ACINQ, das Unternehmen hinter eclair, einen Spezifikationsvorschlag gemacht hat. Wie der Name schon sagt, könnten beide Nutzer einen Zahlungskanal durch die Einzahlung von Bitcoin finanzieren. Dies sollte dem Bitcoin Lightning-Benutzer mehr Flexibilität bieten, da er nach dem Öffnen eines Kanals auch sofort bezahlen kann.

 

Submarine – Swaps

Um eine Lightning Zahlung vornehmen zu können, müssen Benutzer Geld in Form von Bitcoin in einem Zahlungskanal einzahlen. Einmal in einem Kanal, können diese Gelder nicht an reguläre (on-chain) Bitcoin-Adressen gesendet werden (es sei denn, der Kanal wird geschlossen). Dies bedeutet, dass Bitcoin in einem Lightning-Kanal anders zu sehen sind als Bitcoin in einem normalen Wallet. Aber es gibt Vorschläge, um den Wechsel zwischen Lightning und On-Chain-Zahlungen nahtloser zu gestalten.

Eine Lösung sind Submarine Swaps. Entwickelt von Alex Bosworth (aber schon vorher von Lightning Labs CTO Olaoluwa Osuntokun konzipiert), erlaubt Submarine Swaps im wesentlichen, Lightning Zahlungen an einen Zwischenhändler im Lightning Network zu senden; dieser Zwischenhändler wird somit eine entsprechende Menge Bitcoin an eine reguläre (on-chain) Bitcoin-Adresse senden.

Es funktioniert auch andersherum: Benutzer können regelmäßige On-Chain-Zahlungen an den Zwischenhändler senden; dieser Zwischenhändler sendet dann eine entsprechende Menge an Bitcoin an einen empfangenden Lightning Node. Wichtig ist, dass diese Umwandlung bei Submarine Swaps “atomar” erfolgt. Mit einem Trick, der bereits im Lightning Network eingebettet ist, können die Lightning-Bezahlung und die On-Chain-Bezahlungen effektiv miteinander verknüpft werden. Dies macht es dem Vermittler unmöglich, Gelder zu stehlen, indem er die Zahlung nicht weiterleitet.

 

Splicing

Eine weitere Lösung, um das Lightning-Anwendererlebnis einfacher zu gestalten, heißt “Splicing”. Im Wesentlichen würde das Splicing einem Benutzer erlauben, Gelder in einem bestehenden Blitzkanal “aufzuladen”, oder Gelder, unter Beibehaltung des Kanals,  abzuziehen.

Jeder Lightning-Kanal beginnt mit einer Eröffnungstransaktion, die sicherstellt, dass beide Benutzer mit der Bewegung der Gelder im Kanal einverstanden sind. Der Rest des Lightning-Kanals besteht aus einer Reihe von nachfolgenden Transaktionen, die zwischen den Benutzern ausgetauscht werden und normalerweise nicht in das Bitcoin-Netzwerk übertragen werden. Die Fonds in der Eröffnungstransaktion bewegen sich erst, wenn der Kanal geschlossen wird.

Beim “Splicing” nehmen Benutzer die Eröffnungstransaktion, um stattdessen Gelder von einem oder beiden Benutzern an eine Ersatzeröffnungstransaktion zu senden, die mehr Bitcoin enthält. Sobald diese neue Öffnungstransaktion auf der Blockchain bestätigt wird, wird der Kanal aufgeladen. Umgekehrt geht das ebenfalls beim “Splice-out”.

 

Eltoo

Sobald eine neue Zahlung getätigt wird, werden die Lightning Kanäle zwischen den Nutzern aktualisiert, um ihre gegenseitigen Salden widerzuspiegeln. Der Trick, der verwendet wird, um dies zu erreichen, beinhaltet derzeit eine Strafe für Benutzer, die versuchen zu betrügen, indem sie ein älteres Guthaben senden. Betrüger können alle Gelder, die sie in einem Channel haben, verlieren.

Das Problem ist, dass die Übertragung alter Kontostände nicht immer ein Betrugsversuch sein kann. Es gibt eine Reihe von Szenarien, in denen Benutzer versehentlich einen älteren Stand senden könnten, z.B. wegen eines Softwarefehlers oder eines fehlgeschlagenen Backups. In solchen Szenarien ist ein vollständiger Verlust von Coins eine schwere und unfaire Strafe.

Erstmals am 30. April 2018 veröffentlicht, zeigt eltoo den neuesten Vorschlag. Entwickelt von Blockstreams c-lightning Entwicklungsteam – Dr. Christian Decker und Rusty Russell – und Lightning Labs’ Osuntokun, aktualisiert eltoo einen Kanal, indem es eine Kette von zeitlich-gesperrten Transaktionen aufbaut, bei denen jede Transaktion Einlagen von der vorherigen ausgibt, um die aktuelle Bilanz des Zahlungskanals wiederzugeben.

Wenn ein Benutzer eine ältere Transaktion (die eine ältere Kanalbilanz darstellt) sendet, hat seine Gegenpartei etwas Zeit, um die letzte Transaktion zu übertragen.

Es würde erfordern, dass die gesamte Transaktionskette über die Bitcoin-Blockchain übertragen und aufgezeichnet wird, was dem Zweck des Lightning Network mehr oder weniger zuwiderläuft. Decker schlug daher eine Änderung des Bitcoin-Protokolls vor, um eine Art Hierarchie in diese Art von Transaktionen einzuführen: Jede neuere Transaktion kann jede ältere Transaktion außer Kraft setzen, ohne dass alle Transaktionen übertragen werden müssen. Wenn diese Soft-Fork in das Bitcoin-Netzwerk übernommen und aktiviert wird, können Lightning-Benutzer Kanäle sowohl im aktuellen Stil als auch mit Hilfe von eltoo erstellen, je nachdem, was sie bevorzugen.

 

Compact Client-Side Block Filtering

Während das Lightning Network ein Second-Layer-Protokoll ist, ist die Bitcoin-Blockchain selbst für Lightning-Anwender aus Sicherheitsgründen immer noch relevant. Insbesondere müssen Lightning-Benutzer die Blockchain im Auge behalten, um zu sehen, ob bestimmte Transaktionen enthalten sind. Dies kann insbesondere für mobile Nutzer ressourcenintensiv sein.

Eine Lösung hierfür heißt Simplified Payment Verification (SPV) und wurde im Bitcoin White Paper beschrieben. Aktuelle SPV-Wallets verwenden einen Trick namens “Bloom-Filter“, um herauszufinden, ob relevante Transaktionen stattgefunden haben. Leider sind Bloom-Filter eher unfreundlich, da Wallets im Wesentlichen alle ihre Adressen an Nodes im Bitcoin-Netzwerk preisgeben. Sie haben auch einige Skalierungs- und Benutzerfreundlichkeits-Probleme, da jedes einzelne SPV-Wallet Ressourcen von mindestens einem vollständigen Bitcoin-Node in Anspruch nimmt.

Um diese Probleme zu lösen, haben Lightning Labs’ Osuntokun und Alex Akselrod zusammen mit dem Coinbase Entwickler Jim Posen eine neue Lösung namens “compact client side block filtering” entwickelt, die sie im Neutrino Wallet implementieren.

Die kompakte Client-seitige Blockfilterung kehrt im Wesentlichen den Trick um, den aktuelle SPV-Wallet verwenden. Anstelle von Wallets, die für sie relevante Transaktionen anfordern, indem sie einen Bloom-Filter erstellen und an Full Nodes senden, erstellen Full Nodes einen Filter für alle Neutrino-Wallets. Der Neutrino-Wallet verwendet dann diesen Filter, um festzustellen, dass die entsprechende Transaktion nicht stattgefunden hat – das ist wirklich alles, was die Benutzer wissen müssen, um sicher zu sein, dass sie nicht betrogen werden. Interessanterweise wurde dies zwar mit Blick auf die Lightning-Erfahrung entwickelt, er könnte aber auch für gewöhnliche Light Wallets verwendet werden.

 

Watchtowers

Um Betrügereien zu vermeiden, müssen Lightning-Anwender potenzielle On-Chain-Transaktionen im Auge behalten, die für sie relevant sein könnten. Während die kompakte Client-seitige Blockfilterung die Dinge viel einfacher machen sollte, müssen Benutzer ab und zu “einchecken”, um sicherzustellen, dass sie nicht betrogen werden. Wenn sie die Überprüfung vergessen, entsteht ein Sicherheitsrisiko.

“Watchtowers” sind eine mögliche Lösung, die auf das Lightning Network White Paper zurückzuführen sind und seither von Lightning Network White Paper Co-Autor und Lit-Entwickler Tadge Dryja verbessert wurde. Ein Watchtowers (Wachturm) kann die Überwachung von der Blockchain an Dritte auslagern.

Aktuelle Watchtower-Designs sind nicht in Stein gemeißelt, würden aber in etwa so funktionieren: Immer wenn Benutzer einen Kanal aktualisieren, senden sie ein kleines Datenpaket an einen Watchtower. Der erste Teil dieses Pakets ist ein “Hinweis” auf eine Transaktion, auf die sie achten sollten, als wäre es ein Puzzleteil. Dieser Hinweis allein verrät nichts über den Inhalt der Transaktion, auf den der Watchtower achten muss, sodass die Privatsphäre nicht eingeschränkt wird.

Wenn die entsprechende Transaktion jedoch in der Bitcoin-Blockchain auftaucht, kann der Watchtower sie anhand des Hinweises erkennen. Dann, mit den Transaktionsdaten auf der Blockchain selbst, kann der Wachtturm den zweiten Teil des Pakets, das er erhalten hat, verwenden, um die Straftransaktion zu rekonstruieren. Diese Straftransaktion sendet alle Gelder im Channel an den Benutzer, der betrogen wird. (Oder im Falle von eltoo nur die richtige Zahlungskanal – Bilanz.) Die Straftransaktion kann auch so gestaltet werden, dass der Watchtower einen Teil der Gelder als Belohnung erhält, als Anreiz, um seine Arbeit zu tun. Benutzer können die Überwachung des Zahlungskanals an mehrere Watchtower auslagern.

 

Atomic Multi-Path Payments

Was das Lightning Network zu einem Netzwerk macht, ist, dass die Zahlungs Kanäle zwischen den Nutzern miteinander verbunden sind. Benutzer können über Zahlungs-Kanäle, über Peers, die als “Zwischenhändler” fungieren, an Nutzer zahlen, mit denen sie keinen direkten Kanal haben. Im Moment muss jedoch eine einzige Zahlung über eine einzige Route geleitet werden.

Wenn ein Benutzer 5 mBTC an einen anderen zahlen will, muss er nicht nur 5 mBTC in einem einzigen Kanal haben, sondern alle Zwischenhändler auf der Route müssen auch 5 mBTC in einem Kanal zum Weiterleiten parat haben. Je größer eine Zahlung ist, desto geringer sind die Chancen, dass dies tatsächlich der Fall ist.

Atomic Multi-Path Payments (AMPs) könnten eine Lösung dieser Einschränkung geben. Vorgeschlagen von Lightning Labs’ Osuntokun und Conner Fromknecht, ist die Idee einfach: Größere Zahlungen können in kleinere Stücke “zerlegt” werden, die alle ihren eigenen Weg vom Zahler zum Zahlungsempfänger über verschiedene Peers (Zwischenhändler) finden.

Eine Herausforderung bei der Realisierung dieser Lösung ist, dass Lightning Zahlungen scheitern können, was in diesem Fall bedeuten würde, dass eine Zahlung nur teilweise erfolgt. Teilzahlungen können jedoch ein größeres Problem darstellen als gar keine Zahlung: Ein Händler wird mit einer Teilzahlung nicht zufrieden sein, während ein Kunde nicht gerne umsonst Geld ausgibt.

Die Lösung für dieses Problem besteht darin, dass AMPs eine Erweiterung der Hash-Time-Locked-Verträge verwenden, die bereits entlang von Lightning-Routen verwendet werden und die Weitergabe geheimer Daten über ein Netzwerk beinhalten. Mit einem ähnlichen Trick wie bei deterministischen Wallets können die kleineren Anteile einer größeren Zahlung nur dann vom Zahlungsempfänger eingelöst werden, wenn wirklich alle verfügbar sind: Wenn die Anteile nicht vollständig eintreffen und es nicht durch die gesamte Lightning – Route schaffen, schlägt die gesamte Zahlung fehl.

 

Atomare Swaps

Das Lightning Network ist als Skalierungsschicht für Bitcoin konzipiert. Da aber viele Altcoins software Forks von Bitcoins Code sind, ist es nicht schwer, ähnliche Skalierungsschichten für diese Altcoins zu erstellen. Es gibt bereits ein Litecoin Lightning Network, und weitere Lightning Networks werden wahrscheinlich folgen. Interessanterweise müssen diese Netzwerke auch in Zukunft nicht getrennt bleiben.

Mit Hilfe eines grundlegenden Bausteins des Lightning Network, genannt “Atomic Swaps” ( von Tier Nolan vorgeschlagen ), können Zahlungskanäle über verschiedene Blockchains hinweg verknüpft werden. Mit anderen Worten, ein Benutzer kann Bitcoin senden, und solange ein Node im Netzwerk bereit ist, den Austausch durchzuführen, kann ein anderer Benutzer die Zahlung als Litecoin erhalten.

Das bedeutet natürlich auch, dass die Nutzer solche Zahlungen an sich selbst senden können: Sie können Bitcoin versenden und Litecoin erhalten. In der Tat könnte das Lightning Network als eine vertrauenswürdigen Krypto-Börse (solange ein reiner Kryptoaustausch vorliegt) aufbauen.

 

Channel-Factories

Der Hauptvorteil des Lightning Network ist wohl sein Potenzial, das Limit der Bitcoin-Transaktionen erheblich zu erhöhen, ohne das Bitcoin-Netzwerk zu belasten. Solange zwei Benutzer über Gelder in einem Kanal verfügen, können sie sich gegenseitig praktisch unbegrenzt oft bezahlen, während sie nur zwei On-Chain-Transaktionen benötigen: Eine, um einen Zahlungskanal zu öffnen und eine, um ihn zu schließen. Dennoch könnten sich zwei Transaktionen pro Zahlungskanal summieren, wenn Bitcoin und das Lightning Network im Laufe der Zeit mehr Akzeptanz finden.

Ein Vorschlag der ETH-Zürich Forscher Christian Decker (ebenfalls von Blockstream), Roger Wattenhofer und Conrad Burchert namens “Channel Factories” könnte die durchschnittliche Anzahl der pro Zahlungskanal benötigten On-Chain-Transaktionen weiter senken, vielleicht sogar deutlich.

Channel Factories sind eine Art Zahlungskanal, der bei vielen Nutzern existieren kann. Inzwischen benötigt eine Channel Factory wie jeder andere Zahlungskanal nur noch zwei On-Chain-Transaktionen. Die Channel Factories können sich wiederum wie “Sub-Channels” für das Lightning Network verhalten. Teilnehmer innerhalb einer Channel Factory können eine nahezu unbegrenzte Anzahl von Lightning-Kanälen miteinander öffnen und schließen, ohne dass zusätzliche On-Chain-Transaktionen erforderlich sind. Dadurch könnten sie theoretisch die Anzahl der erforderlichen On-Chain-Transaktionen für das Lightning Network um ein Vielfaches reduzieren.

 

Quelle: Bitcoinmagazine, Image: pixabay, CC0

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