Bitcoin Lightning Network – Alles was man wissen muss

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Das Lightning Network ist eine Off-Chain-Lösung für die Bitcoin-Blockchain. Es handelt sich um eine „Second Layer Solution“. Mit solchen Technologien können Aktionen für eine Blockchain ausgelagert und in einem externen System abgewickelt werden. Für die Skalierung von Blockchains sind solche Technologien eine der bekanntesten und besten Lösungen.

Während die Bitcoin-Blockchain etwa 7 Transaktionen pro Sekunde abwickeln kann, ist es möglich mit dem Lightning Network bis zu 1.000.000 Transaktionen pro Sekunde innerhalb eines Kanals abzuwickeln. Was ein Kanal ist, erläutern wir in diesem Beitrag. Die Transaktionen sind nahezu in Echtzeit übertragbar und kosten fast nichts, teilweise sogar überhaupt nichts.

Daher ist Lightning auch ideal zum Bezahlen von Mikrotransaktionen oder dem regelmäßigen Bezahlen von bestimmten Diensten. Die Abläufe sind schnell, günstig, sicher und anonym. Auch internationale Finanztransaktionen sind mit Lighting Network möglich. Hier profitieren die Teilnehmer ebenfalls von der Geschwindigkeit und den sehr geringen Transaktionsgebühren. Das ist innerhalb von Sekunden möglich, auch über das Umtauschen von echten Währungen.

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Titelbild zum Artikel: Bitcoin Hashrate: -50 Prozent in etwas mehr als einem Monat

Was ist der Sinn des Lightning Networks?

Außerhalb der Blockchain ist die Skalierbarkeit kein Problem, und Skalierung ist außerhalb auch schnell umsetzbar, als in einer riesigen Blockchain wie Bitcoin. Gleichzeitig kann die Bitcoin-Blockchain maximal sicher bleiben. Die geringe Geschwindigkeit und die hohe, notwendige Rechenleistung stellt sicher, dass die Bitcoins und die damit verbundenen Transaktionen maximal gesichert sind. Spezielle Lösungen wie das Lightning Network nutzen die Sicherheit der Bitcoin-Blockchain und integrieren eigene Funktionen, wie zum Beispiel eine höhere Geschwindigkeit bei der Übertragung von Transaktionen.

Das Bitcoin Lightning Network wurde offiziell 2015 vorgestellt und ist seit etwa 2018 für das Bitcoin-Mainnet verfügbar. Die öffentliche Alpha-Freigabe erfolgte am 10. Januar 2017. Seit seiner offiziellen Vorstellung wächst das Lightning Network immer weiter und immer mehr Anwender nutzen Lightning für das schnelle Abwickeln ihrer Transaktionen. Bereits 2017 kam die Bitcoin-Blockchain an Ihre Grenzen, da nicht alle Transaktionen in der notwendigen Zeit abgewickelt werden konnten.

Die Situation war eine Gefahr für die komplette Blockchain, da sie unter diesen Umständen nicht als weltweite Währung nutzbar war. Das Lightning Network (LN) ist ein Werkzeug, das gegen solche Probleme nutzbar ist. Einfach ausgedrückt, lassen sich mit LN Transaktionen senden, ohne die Blockchain zu benötigen und damit zu belasten. Die Transaktionen finden in einer Zwischenschicht statt, entlasten die Blockchain und sorgen gleichzeitig für eine enorme Transaktionsgeschwindigkeit.

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Was ist Bitcoin Lightning?

Das Lightning Network ist ein „Second Layer“-Zahlungsprotokoll, das auf einer Blockchain (meist Bitcoin) arbeitet. Es ermöglicht sofortige Transaktionen zwischen teilnehmenden Knoten und wurde als Lösung für das Bitcoin-Skalierbarkeitsproblem entwickelt. Zwei Parteien können über Lightning schnell und kostengünstig Transaktionen durchführen. Durch die Peer-to-Peer-Technik können aber auch mehr Teilnehmer integriert werden, die jeweils untereinander Bitcoins austauschen.

Das Lightning Network kann Transaktionen in der Blockchain von Bitcoin abwickeln, ohne energiehungriges Mining zu erfordern. Damit das funktioniert, ist die Verwendung von Off-Chain-Technologien nahezu unerlässlich. Lightning Network ist im Grunde genommen ein weiteres Bezahlnetzwerk für Bitcoin. Auch für das Versenden von kleineren Transaktionen ist das Lightning Network ideal, da die Gebühren wesentlich geringer sind, als in der herkömmlichen Blockchain.

Mehr Anonymität im Lightning Network

Dazu kommt die umfassende Anonymität bei der Verwendung. Lightning Network ist hochsicher. Gleichzeitig bleibt die Sicherheit in der Bitcoin-Blockchain maximal hoch. Die Anonymität ist durch Lightning gegeben. Hier gibt es zum Beispiel keine Transaktionshistorie. Natürlich kann jeder Anwender selbst eine solche Historie anlegen, im Netzwerk selbst gibt es eine solche allerdings nicht. Wer nicht Teil eines Kanals ist, kann Bezahlvorgänge nicht nachverfolgen. Die Anonymität ist damit sehr hoch.

Transaktionen werden in der Bitcoin-Blockchain mit Satoshis (SAT) abgewickelt. Ein SAT entspricht dem 100.000.000-Teil eines Bitcoins. Durch den steigenden Wert des Bitcoins kann es in Zukunft sinnvoll sein, SAT weiter aufzuteilen. Das ist in der Bitcoin-Blockchain kaum umsetzbar, da die Aufteilung viel zu kompliziert wäre. Im Lightning Network ist das aber problemlos möglich, da Lightning sehr viel flexibler ist.

Entwicklung der Blitz-Zahlmethode

Wer sich tiefgehender mit dem Thema auseinandersetzen will, kann sich das Lightning White Paper von Joseph Poon und Thaddeus Dryja durchlesen. Die Spezifikation des Bitcoin Lightning Network basiert auf dem Whitepaper. Das Network wird von mehreren Parteien entwickelt, darunter Elements Project, Lightning Labs und ACINQ

Blockchains funktionieren so, als müsste ein Computer jede Mail die er empfängt, speichern. Das Lightning Network ermöglicht es hingegen, Blockchain-Transaktionen durchzuführen und nur die Daten zu speichern, um die sich die Nutzer kümmern – ihr eigenes Token. Das Network ist damit ein Protokoll zur Skalierung und Beschleunigung von Blockchains. Es wurde entwickelt, um einige der technischen Einschränkungen der Bitcoin-Blockchain zu lösen.

Das Lightning Network in einfachen Worten erklärt

In einfachen Worten: Um Transaktionen mit dem Lightning Network schneller abzuwickeln, senden Anwender Transaktionen nicht in die Blockchain, sondern in das Lightning Network. Damit das funktioniert, ist ein Lightning-Wallet notwendig. Durch das Senden von Transaktionen vom herkömmlichen Wallet zum Lightning Wallet kann die Transaktion im Lightning Network genutzt werden. Nach der Verbindung des Lightning Wallets mit einem Node im Lightning Network öffnet sich ein Kanal zum Lightning Network und zwischen den beiden Teilnehmern ein Zahlungskanal.

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Wir kommen in diesem Beitrag noch auf diese Kanäle. Die Transaktionen in diesem Zahlungskanal sind zunächst kein Bestandteil der Bitcoin-Blockchain. Innerhalb eines Zahlungskanals können Anwender beliebige Transaktionen durchführen, die nicht in der langsameren Bitcoin-Blockchain umgesetzt werden, sondern im Lightning Network. Erst am Ende aller Transaktionen übertragen die Anwender ihre Bitcoins aus dem Lightning Wallet zurück in ihr Bitcoin Wallet und dadurch zurück in die Bitcoin-Blockchain. Das macht schnell klar, dass Lightning bei mehreren Transaktionen, die zwischen Partnern gleichzeitig durchgeführt werden, besonders hilfreich ist.

Die eigentlichen Bitcoins bleiben natürlich wo sie sind: In der Bitcoin-Blockchain. Durch das Verwenden von Lightning sperrt die Blockchain die verwendeten Bitcoins für die weitere Verwendung, und in Lightning wird nur der Gegenwert der Bitcoins gehandelt. Nach Abschluss der Transaktionen verrechnet Lightning den Gegenwert mit den tatsächlichen Bitcoins in der Blockchain.

Die Zahlungskanäle ermöglichen es den Teilnehmern Geld zu überweisen, ohne dass alle Transaktionen in der Blockchain veröffentlicht werden müssen. Beim Öffnen eines Kanals müssen die Teilnehmer einen Betrag festlegen. Zeitbasierte Skripterweiterungen wie CheckSequenceVerify und CheckLockTimeVerify überwachen die Vorgänge. In einem großen Netzwerk von Kanälen in der Bitcoin-Blockchain, in dem mindestens ein Kanal der Blockchain geöffnet ist, ist es möglich, eine nahezu unbegrenzte Anzahl von Transaktionen in diesem Netzwerk zu erstellen. Das erleichtert das Senden von größeren Transaktionen, beschleunigt Vorgänge und ist gleichzeitig eine ideale Vorgehensweise, wenn Geschäftspartner regelmäßig Transaktionen in der Bitcoin-Blockchain durchführen.

Schnellere und günstigere Transaktionen

Skalierbarkeit war der erste wichtige Motivator für Lightning, da die Transaktionsrate des Netzwerks durchaus Verbesserungspotential bietet. Während das Unternehmen Visa Zehntausende von Transaktionen pro Sekunde verarbeiten kann, ist das Netzwerk von Bitcoin auf weniger als 10 pro Sekunde beschränkt.

Ein weiterer Beweggrund für die Entwicklung von Lightning ist, dass die “Blockbestätigungszeit” der Bitcoin-Blockchain etwa 10 Minuten beträgt. Das bedeutet, dass es 10 Minuten dauert, bis die Transaktion bestätigt wird. Das ist bei Bezahlvorgängen natürlich nicht ideal. Darüber hinaus können die Gebühren recht hoch sein. Das Lightning Network hingegen kann nahezu sofortige Transaktionen mit einer Rate von Tausenden bis Millionen pro Sekunde und Gebühren von einem Bruchteil eines Cent (oder sogar kostenlos) ermöglichen.

Im Lightning Network lassen sich Transaktionen in Bruchteilen von Sekunden abwickeln. Der Einsatz ist also nicht nur sinnvoll, um große und umfassende Transaktionen durchzuführen, sondern auch interessant für Geschäftsfelder, in denen Transaktionen sehr schnell ablaufen müssen. Anstatt 10 Minuten müssen die Teilnehmer der Transaktionen nur wenige Sekunden oder noch kürzer warten.

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Wie funktionieren Bitcoin Lightning Transaktionen?

Das Network basiert auf den bereits erwähnten Zahlungskanälen. Ein Zwei-Parteien-Zahlungskanal wird angelegt, wenn beide Parteien eine 2-aus-2-Mehrfachsignaturtransaktion auf der Blockchain anlegen, wobei mindestens eine Partei Mittel für die 2-aus-2-Ledgerbuchung bereitstellt.

Jeder Teilnehmer hat einen privaten Schlüssel. Die Ausgaben aus der Ledgerbuchung können nur getätigt werden, wenn beide Schlüssel bestätigt sind. Diese erste Transaktion zum Öffnen eines Kanals dauert 10 Minuten (oder wie auch immer die normale Blockzeit ist). Danach können die Teilnehmer sofort mit den im Kanal zugewiesenen Bitcoins miteinander handeln. Diese sofortigen Transaktionen werden durchgeführt, indem unterzeichnete Transaktionen hin- und hergereicht werden, wobei die Ausgaben aus dem 2-aus-2-Ledger gebucht werden.

Jede Transaktion ist gültig, wenn sie in das Netzwerk übertragen und von den Knoten des Netzwerks in die Blockchain aufgenommen wird. In einem Zahlungskanal werden diese signierten Transaktionen erst dann übertragen, wenn die Teilnehmer wollen, dass der Kanal geschlossen wird. Signierte, aber nicht übertragene Transaktionen werden über direkte Peer-to-Peer-Kommunikation ausgetauscht und von den Teilnehmern wie einlösbare Quittungen gehalten.

Die Bitcoin-Blockchain bündelt Transaktionen und führt diese in Blöcken für die Verarbeitung aus. Das ist ein Unterschied zum Lightning Network. Dieses führt jede Transaktion sofort aus. Die Transaktionen können dabei über mehrere Nodes laufen.

Praxisbeispiel für Kanäle zwischen mehreren Teilnehmern in Lightning

Um Lightning zu nutzen, erstellen zwei Teilnehmer, Alice und Bob, eine erste Transaktion auf der Blockchain für $20, wobei jede Partei $10 des Wertes hat. Basis ist ein neuer Zahlungskanal im Lightning Network. Die erste Transaktion ist das Öffnen des Kanals und das Definieren der Bitcoins, die im Zahlungskanal gehandelt werden sollen und können. Die Bitcoin-Blockchain sperrt sozusagen diese Bitcoins.

Die Transaktion in der Bitcoin-Blockchain hat eine Multisignatur. Die beiden Teilnehmer haben Schlüssel für die durchgeführte Transaktion. Jeder Teilnehmer kann die Menge an Bitcoins zum anderen Partner senden, die er im Rahmen der ersten Transaktion in der Bitcoin-Blockchain für den Kanal definiert hat und auch besitzt.

Diese anfängliche Zuweisung kann aktualisiert werden, sodass Alice $5 des Gesamtwertes von $20 bekommt und Bob $15. Diese Transaktionen finden jetzt zunächst im Zahlungskanal statt. Das heißt, die Abläufe sind schneller und günstiger als in der Bitcoin-Blockchain. Die Bitcoins, die in diesem Beispiel Alice und Bob mit Lightning handeln wollen, sind durch die erste Transaktion in der Bitcoin-Blockchain gesperrt. Es gibt keine Einschränkung bei der Anzahl der Transaktionen.

Diese Aktionen finden außerhalb der Blockchain statt, innerhalb des Lightning Networks. Wenn die Teilnehmer ihre Transaktionen abgeschlossen haben, wird die zuletzt ausgetauschte Transaktionssignatur an das Netzwerk gesendet, wodurch die Bewegung der Tokens im Kanal abgeschlossen wird – einige zu einer Partei und (falls vorhanden) einige zurück zur anderen. Nur die abgeschlossene, letzte Transaktion ist in der Bitcoin-Blockchain zu sehen. Alle weiteren Transaktionen verbleiben in der Blockchain. Die beiden Teilnehmer des Kanals können die Summe an gesperrten Blockchain beliebig hin und her senden. Alle Aktionen verbleiben im Lightning Network.

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Transaktionen sind in Lightning auch mit mehr als zwei Parteien möglich

Das macht schnell klar, wie das Bitcoin-Netzwerk entlastet wird. Die ganzen Transaktionen zwischen Alice und Bob werden nicht durch Bitcoin abgewickelt, sondern im Lightning Network. Das spart enorm Ressourcen in der Bitcoin-Blockchain ein, die zum Beispiel für andere Transaktionen zur Verfügung stehen. Gleichzeitig profitieren die Teilnehmer von einer wesentlich schnelleren Abwicklung der Geschäfte, vor allem dann, wenn nicht nur eine Transaktion ablaufen soll, sondern mehrere.

Lightning übernimmt die Technologie hinter den Zahlungskanälen und schafft ein Netzwerk aus diesen Kanälen, das mit Smart Contracts dafür sorgt, dass das Netzwerk dezentral und ohne Gegenparteirisiko funktionieren kann. Als Beispiel kann Alice einen Kanal mit Bob öffnen, der wiederum einen Kanal mit Carol hat, der einen mit Dave hat. Wenn Alice mit Dave Geschäfte machen will, kann sie Tokens über Bob und Carol schicken und Dave wird sie schließlich erhalten. Aber aufgrund der Multi-Signatur und der intelligenten Verträge, die dem Design von Lightning innewohnen, muss Alice Bob und Carol nicht als Vermittler vertrauen – das Protokoll verwendet Kryptografie, um sicherzustellen, dass die Tokens entweder über Bob und Carol zu Dave gelangen oder automatisch an Alice zurückerstattet werden.

Es entsteht also ein gemeinsames Mesh-Netzwerk, indem Transaktionen außerhalb der Blockchain schnell umsetzbar sind. Es muss keine direkte Verbindung zu dem Teilnehmer im Kanal bestehen, mit dem ein anderer Teilnehmer Transaktionen durchführen will. Es reicht aus, wenn jeder Teilnehmer mit einem anderen einen Kanal hat, und die Verbindung über die verschiedenen Kanäle hergestellt werden kann. Abgedeckt werden diese Transaktionen durch die einzelnen Bitcoins, die wiederum zwischen den Kanälen existieren.

Mit dem Peer-to-Peer-Netzwerk ist es also möglich Bitcoins zwischen den Teilnehmern zu versenden. Dabei führen immer nur die beiden Teilnehmer der Kanäle direkt Geschäfte miteinander aus, die auch miteinander verbunden sind. Wenn zum Beispiel Alice mit Bob einen Kanal hat und Bob mit Mike, kann Alice mit Mike handeln. Dabei handelt Alice aber erst mit Bob und dann Bob mit Mike, um die Transaktion zwischen Alice und Mike durchzuführen.

Hier kann nur maximal die Menge an Bitcoin geschickt werden, die zwischen zwei Teilnehmern in einem Kanal auch zur Verfügung stehen. Wenn in diesem Beispiel Alice einen Bitcoin zu Mike schicken will, aber Bob mit Mike nur eine Verbindung von einem halben Bitcoin hat, dann kann Alice auch nur diesen halben Bitcoin versenden, unabhängig davon, wieviele Bitcoins sie mit Bob im Kanal verankert hat.

Beim Schließen eines Zahlungskanals werden die Bitcoins wieder in die Blockchain zurückgeschrieben, da das Lightning-Wallet wiederum die Bitcoins an das jeweilige Wallet zurück überträgt.

Nachteile und Probleme mit Lightning

Um das Lightning Network nutzen zu können, benötigen Anwender nicht nur ein Wallet für Bitcoin, sondern auch ein Wallet für Lightning. Gleichzeitig müssen diese Wallets so verknüpft sein, dass zwischen Wallet und Lightning Wallet Transaktionen möglich sind.

Das Netzwerk lässt sich nicht mit herkömmlichen Wallets nutzen, sondern nur mit kompatiblen. Das macht es für Anwender natürlich nicht einfacher, Bitcoins zu nutzen. Dazu kommt der Aufwand zum Öffnen von neuen Zahlungskanälen. Das ist leider immer noch nicht sehr benutzerfreundlich gelöst.

Damit Lightning funktioniert, müssen die Lightning-Knoten dauerhaft online sein. Das Schließen eines Kanals dauert einige Zeit damit die beiden Teilnehmer rechtzeitig informiert werden können. Zum Vermeiden von Betrug ist eine dauerhafte Verbindung zum Netzwerk notwendig.

Die Liquidität in Lightning funktioniert nur, wenn innerhalb der Route alle verbundenen Teilnehmer auch über genügend Liquidität verfügen. Dieses Problem löst sich mit der Zeit, wenn am Netzwerk immer mehr Teilnehmer mitmachen. Das ändert aber nichts daran, dass Lightning ein enormer Vorteil von Bitcoin ist und eine Lösung für das offensichtliche Skalierungsproblem der Blockchain.

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