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Sofortige, kostengünstige Transaktionen für Bitcoin – das ist das Versprechen des Bitcoin Lightning Network. Dieses erweitert die Möglichkeiten von Bitcoin erheblich. Eine Erklärung der Funktionsweise und Vorteile.

Bitcoin und die Bitcoin-Blockchain geraten häufig in die Kritik, dass das Protokoll nur sehr langsam funktionieren würde und nicht über ein gewisses Maß hinaus skalierbar sei. Bis ein neuer Block mit Transaktionen im Bitcoin-Netzwerk gefunden wird, der als eine Bestätigung einer Transaktion gesehen wird, vergehen im Schnitt 10 Minuten. Gleichzeitig existiert ein fixes Blocklimit an Daten in Höhe von 1 MB. Daraus ergibt sich eine Begrenzung von ca. 7 Transaktionen pro Sekunde bei Bitcoin. Für ein globales Zahlungssystem sind diese Zahlen tatsächlich nicht sehr geeignet. Häufig wird der Vergleich von Bitcoin mit dem globalen Zahlungsdienstleister VISA gemacht, welche 65,000 Transaktionen pro Sekunde abbilden können.

Das Bitcoin Lightning Network (LN) ist ein Layer 2-Zahlungsprotokoll, das die Technologie von Bitcoin und der Bitcoin-Blockchain erweitert. Der Entwurf des Lightning Network-Whitepapers wurde von Joseph Poon und Thaddeus Dryja im Februar 2015 veröffentlicht. Das LN verwendet spezielle Zahlungskanäle (Payment Channels), die eine große Anzahl von Bitcoin Zahlungen abseits der Blockchain auslagern. Der Vorteil: Die Transaktionen innerhalb des Zahlungskanals müssen nicht auf die Layer 1-Blockchain geschrieben werden, sondern werden im Kanal verwaltet. Dadurch entstehen wesentliche Verbesserungen, die sehr kostengünstige und schnelle weltweite Transaktionen für Bitcoin ermöglichen (u.a. auch Micropayments).

Quelle: TheBlockPro

Der Vergleich von VISA und dem Ligthning Network lässt VISA wiederum verblassen. Das LN ist in der Lage Milliarden an Transaktionen pro Sekunde bei extrem geringen Transaktions- und Energiekosten durchzuführen.

Lightning has 15,384x the throughput of Visa despite consuming over 242 times less energy. (…) This calculation estimates Bitcoins Lightning network is over 3.7 million times more efficient than Visa.

Luka

Micropayments sind seit einigen Jahren auf der Layer 1-Blockchain von Bitcoin nicht mehr durchführbar. Mit der Auslagerung in eine Layer 2-Lösung wie dem Lightning Network sind Micropayments jedoch wieder nachhaltig möglich und werden sogar zu einer sog. Killer App. Lightning erlaubt das Senden und Empfangen von Bicoin-Transaktionen bis hinunter zu 0,00000001 ฿. Das entspricht 1 Satoshi und damit der kleinsten verfügbaren Einheit von Bitcoin, mit 8 Stellen nach dem Komma. Zum Zeitpunkt der Veröffentlichung dieses Artikels entspricht 1 Satoshi ca. $0.0004775123. (Quelle: https://www.btcsatoshi.com/). Lightning Network-Gebühren, die sich von den Blockchain-Gebühren unterscheiden, werden direkt zwischen den Teilnehmer:innen innerhalb des Kanals gezahlt. Mit den Gebühren werden der Zeitwert des Geldes (gelagerte Bitcoin) für die Nutzung des Kanals für einen bestimmten maximalen Zeitraum und das Counterparty Risk der Nichtkommunikation einer Partei bezahlt.

Bitcoin hat Grenzen, Layer 2 schafft Abhilfe

Die durchschnittlichen Bitcoin-Transaktionsgebühren auf Layer 1 können in Zeiten von hoher Auslastung des Netzwerks in die Höhe schießen. Während des Krypto-Booms 2017 erreichten diese fast 60 USD für eine Transaktion. Solche hohen Transaktionsgebühren können dafür sorgen, dass sehr viele Anwendungsfälle innerhalb des Bitcoin-Ökosystems unrentabel und/oder nicht mehr sinnvoll durchführbar werden. Während vor einigen Jahren noch problemlos selbst kleinste Mikrotransaktionen ohne Kosten durch das Bitcoin-Netzwerk gesendet werden konnten, sorgte die immer stärker werdende Nutzung von Bitcoin dafür, dass es zu „Stau“ im Netzwerk kommt. Die Reaktion auf Netzüberlastungen in der Bitcoin-Blockchain ist, dass Bitcoin-Miner nur noch Transaktionen mit einer gewissen minimalen Höhe an zugehöriger Transaktionsgebühr in die Blöcke aufnehmen. Die Transaktionsgebühren für alle im Netzwerk beginnen zu steigen. Für alle Teilnehmer:innen, die nur kleinere Beträge versenden möchten, werden die Transaktionsgebühren zu einer (unüberwindbaren) Hürde. 

Skalierung ist ein Problem, dass viele Blockchain-Ökosysteme betrifft und unter anderem ganz besonders bei Ethereum ein wichtiges Thema ist. Auch hier wird über Layer 2-Lösungen wie Optimism oder Arbitrum Abhilfe geboten.

Interessant hierbei: Die Skalierungsdebatte ist so alt wie Bitcoin selbst – und zwar im wahrsten Sinne des Wortes. Denn das erste Kommentar, das jemals unter das Bitcoin Whitepaper von Satoshi Nakamoto kurz nach dessen Veröffentlichung gepostet wurde, sprach die begrenzte Skalierung an. 

Der anonyme kanadische Cypherpunk James A. Donald kommentierte im Jahr 2008: 

We very, very much need such a system, but the way I understand your proposal, it does not seem to scale to the required size… To detect and reject a double spending event in a timely manner, one must have most past transactions of the coins in the transaction, which, naively implemented, requires each peer to have most past transactions, or most past transactions that occurred recently. If hundreds of millions of people are doing transactions, that is a lot of bandwidth – each must know all, or a substantial part thereof.

Es gab in der Vergangenheit unterschiedlichste Lösungsvorschläge und hitzige Debatten über notwendige Änderungen an Bitcoin. Diese mündeten in die Bildung unterschiedliche Lager und entsprechende Grabenkämpfe. Einige Zersplitterungen des Bitcoin-Netzwerks in unterschiedliche Forks wie z.B. Bitcoin Cash (BCH) oder Bitcoin SV (BSV) waren die Folge. 

Einer der heute am meisten wachsenden und aussichtsreichen Skalierungslösungen ist das Bitcoin Lightning Network. Dieses gilt auch als eine der Überlegungen von Satoshi Nakamoto und James A. Donald und bietet:

  • Layer 2-Protokoll
  • Marginale Transaktionsgebühren
  • Ermöglichung von Micropayments
  • Privatsphäre

Das Ergebnis ermöglicht Transaktionen selbst minimalster Beträge in extrem schneller Form, während die Sicherheitsgarantien der Bitcoin-Blockchain weiter geboten sind.

Die Funktionsweise des Lightning Networks 

Das Lightning Network verwendet sogenannte Bidirectional Price Channels, die aus zwei Parteien bestehen und einen Multisignatur-Algorithmus zur gemeinsamen digitalen Signatur durch mehrere Teilnehmer:innen einsetzen. Um einen Zahlungskanal zwischen Partei A und B zu eröffnen, müssen sich beide über eine 2-2-Multisignatur-Wallet zusammentun und Bitcoin auf diese überweisen (Funding Transaction). Der aufrechte Zahlungskanal verwaltet nun Transaktionen „off-chain“, also ohne Nutzung der Blockchain. Wird der Kanal nach einer gewissen Zeit wieder geschlossen, wird der finale Stand in die Blockchain geschrieben (Closing Transaction).

Die Funktionsweise von Bidirectional Price Channels:

  1. Beide Parteien transferieren Bitcoins in eine Multisignature-Wallet, die dem Zahlungskanal zugeordnet ist
  2. Innerhalb des Zahlungskanals selbst werden keine Bitcoins transferiert. Diese bleiben während jeder Interaktion im Kanal in der Multisignature-Wallet.
  3. Bei einer Transaktion zwischen den Parteien wird ein Update des jeweiligen Saldos innerhalb des Kanals vorgenommen.
  4. Die solche Transaktion erfolgt sofort und ist unverzüglich gültig. Diese wird aber an dieser Stelle nicht in die Bitcoin-Blockchain geschrieben.
  5. Zu einem gewissen Zeitpunkt wird das aktuellste Saldo beider Parteien aus der Multisignature-Wallet and die Wallets der beiden Parteien zurücküberwiesen. 

Innerhalb der Zahlungskanäle können eine große Anzahl an Transaktionen geschehen, die nicht auf der Bitcoin-Blockchain gespeichert werden. Das kann erhöhte Privatsphäre für die Nutzer:innen bedeuten. Die Bitcoin-Transaktionen, welche während der Nutzung des Zahlungskanals anfallen werden als Commitment Transactions bezeichnet. Diese bauen aufeinander auf und stellen immer den jeweils aktuellsten Stand des Saldos innerhalb des Kanals dar.

Verbundene bidirektionale Zahlungskanäle leiten Transaktionen wie ein Blitz weiter

Die beschriebenen Bidirectional Price Channels entfalten ihr wahres Potential durch die Verbindung untereinander zu einem globalen Netzwerk. Denn sollte jemand anderes als Partei A und B den Zahlungskanal mit nutzen wollen, ist das durch Onion-Routing möglich. Durch die Verkettung vieler Parteien mit Peers und Micropayment-Kanälen lässt sich so ein Netz von Transaktionswegen schaffen. Das bedeutet, dass es nicht notwendig ist, dass Teilnehmer:innen für jede Transaktion mit neuen Parteien einen neuen Channel mit diesen öffnen müssen.

Um als externe Person einen bestehenden Zahlungskanal von Partei A und B zu nutzen, kann diese Person eine Transaktion an Partei A senden, bei welcher ein simpler Bitcoin-Smart Contract verlangt, dass Partei A den erhaltenen Betrag weiter an Partei B transferieren muss. Partei A kann den zu transferierenden Betrag nicht behalten, da das Bitcoin Script die Zahlung der externen Partei an Partei A erst dann ermöglicht, wenn Partei A den Betrag aus seinen bestehenden Bitcoin-Geldmitteln an Partei B transferiert hat. Auf diese Weise wird die Trustlessness der Bitcoin-Blockchain aufrecht erhalten und Bitcoin können nicht von Dritten entwendet werden. Diese Logik ist darüber hinaus auch skalierbar, und funktioniert über eine Chain of Contracts vieler Zwischen-Parteien, welche garantiert, dass die Transaktion letztendlich immer bei Partei B ankommen wird. 

So entsteht ein wachsendes Netzwerk aus Zahlungskanälen, welche über die ganze Welt verteilt sind. Zum Zeitpunkt der Veröffentlichung dieses Artikels bestand das Lightning Network weltweit aus aus 25,622 Nodes (öffentlich bekannte Nodes) und 67,888 offenen Zahlungskanälen. 

Bild

Quelle: Lightning Network Explorer

Eine Killer App für Bitcoin

Das Lightning Network ist eine der wichtigsten Bestandteile des Bitcoin-Ökosystems. Es befindet sich derzeit in einer starken Wachstumsphase und wird auch in nächster Zeit Teil der erstmaligen Einführung von Bitcoin als gesetzliches Zahlungsmittel in einem Land (El Salvador). Eine weitere mögliche Nutzung könnte auf der Social Media Plattform Twitter in Kürze Realität werden. 

Das Bitcoin Lightning Network ist eine Killer App als Layer 2 auf dem größten und sichersten dezentralen Netzwerk der Welt und wir sind gespannt, wie sich dieses Ökosystem in den nächsten Jahren weiter entwickeln wird.

Instead, using a network of these micropayment channels, Bitcoin can scale to billions of transactions per day with the computational power available on a modern desktop computer today

– Lightning Network Whitepaper, p. 4

 

Für eine weiterführende Informationen empfehlen wir die Lightning Network Overview Folge des The Pomp Letter Podcasts und das folgende Video:

 

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Quellen:

Lightning Network Explorer: https://explorer.acinq.co/
Lightning Network Whitepaper: https://lightning.network/lightning-network-paper.pdf
Lightning Network Whitepaper Summary: https://lightning.network/lightning-network-summary.pdf
Bitcoin Whitepaper: https://bitcoin.org/bitcoin.pdf
The Pomp Letter Lightning Network Episode: https://pomp.substack.com/p/lightning-network-overview
Lightning is 3.7 million times more efficient than Visa: https://lb256.medium.com/lightning-is-3-7-million-times-more-efficient-than-visa-87065d13eea9
TheBlockPro: http://theblockpro.com/cryptocurrency/bitcoin/lightning-network-beta-launched-bitcoin-mainnet-first-time/
The Mail Archive: https://www.mail-archive.com/cryptography@metzdowd.com/msg09964.html

Lukas Leys

Mag. Lukas Leys, MSc ist bereits seit dem Jahr 2013 fasziniert von Kryptowährungen, Blockchain und Smart Contracts. Er besitzt viele Jahre an Erfahrung in diesen Bereichen und ist heute Unternehmer, Berater, Educator, Vortragender und Speaker in diesem Bereich.