Artikel

Lightning im Bitcoin Netzwerk

von Kilian Thalhammer / vom 28. März 2018

Die Problematik bei Bitcoin als Zahlungsmittel

Heute geht es mal um das Thema Lightning im Bitcoin Netzwerk. Der Artikel soll einen Einblick über die aktuellen Probleme von Bitcoin als Zahlungsmittel aufzeigen und einen Einblick über den möglichen Ritter in der goldenen bzw. leuchtenden Rüstung geben.

Lightning im Bitcoin Netzwerk
Photo credit: vmax137 on Visual Hunt / CC BY-NC-ND

Was bedeutet Lightning?

Nachdem der Bitcoinkurs sich nach dem rasanten Anstieg bis Mitte Dezember vergangenen Jahres auf sein Allzeit-Hoch von 16.892,33 Euro pro Coin hochgekämpft hatte, sind die Stimmen über die Schwächen von Bitcoin als Zahlungsmittel lauter denn je. Zudem ist der Bitcoinkurs nicht das Einzige geblieben, was immer weiter in die Höhe geschossen ist. Transaktionsgebühren von bis zu 55 Dollar pro Transaktion, eine Transaktionsdauer von mehreren Tagen bis Wochen als auch der hohe Energiebedarf fürs Minen zeigen deutlich das größte Defizit der ersten digitalen Währung von Satoshi Nakamoto auf. Die Dezentralisierung. Dezentralisierung?! Ja, richtig gelesen. Die Eigenschaft, welche Bitcoin 2009 bei der Einführung so einzigartig und interessant machte und weswegen Bitcoin heutzutage Millionen von Anhängern hat, ist der Grund, weswegen Bitcoin aktuell als Zahlungsmittel versagt.

Das Hauptproblem der Dezentralisierung ist der Umstand, wie Transaktionen mit Hilfe des Proof of Works auf der Blockchain gespeichert werden. Um die Funktionsweise von Lightning zu verstehen, kommt nochmal ein kleiner Exkurs über den Prozessverlauf einer Transaktion als auch die Grundsätze vom Proof of Work und Proof Stake auf der Blockchain.

Ablauf einer Transaktion vor Lightning:

  • Ein Benutzer kreiert mit seiner Wallet eine Transaktion und sendet diese in das Bitcoin-Netzwerk (zu einem Fullnode)
  • Der Fullnode (auch Knoten genannt) überprüft diese Transaktion mit Hilfe einer Checkliste (u.a. auch ob derjenige auch das „Geld“ hat, was er überweisen will)
  • Falls sich bei der Überprüfung herausstellt, dass etwas nicht stimmt, verwirft der Knoten die Transaktion. Wenn jedoch die Transaktion valide ist, wird die Transaktion an andere Fullnodes weitergesendet und gleichzeitig wird die Transaktion in seinem Transaktionspool gespeichert.
  • Jede Fullnode, die eine Transaktion zugesandt bekommt, hat demnach genau dieselbe Transaktionshistorie wie sein Vorgänger, dadurch hat bald jeder Knoten die neue Transaktion in seinem Transaktionspool (ziemlich viele Transaktionen in einem Satz – nicht wahr).
  • Ein Miner (der i.d.R. seinen einen eigenen Fullnode betreibt) stellt sich aus dem (seinem) Transaktionspool (Mem-Pool) dann einen Block aus mehreren Transaktionen zusammen und wendet den Proof-of-Work-Algorithmus an, anschließend sendet er ihn dann wieder ins Netzwerk zu einem Fullnode (der i.d.R. zu seinem).
  • Der Fullnode überprüft diesen Block wiederum mit Hilfe einer Checkliste.
  • Sobald etwas nicht stimmt, verwirft der Fullnode diesen Block einfach. Ist der Block valide, wird dieser an andere Fullnodes weitergesendet, gleichzeitig hängt er den Block an seine Blockkette.
  • Jeder Fullnode, der einen Block bekommt, macht genau dasselbe wie sein Vorgänger, dadurch hat bald jeder Fullnode den neuen Block in seiner Blockchain.
  • Ein Block mit Transaktionen wird erst auf der Blockchain gespeichert und somit wirksam, wenn mindestens 50% der Miner den Block geprüft und validiert haben – Konsensregelung.

Lightning im Bitcoin Netzwerk
Quelle: https://en.bitcoinwiki.org/wiki/Mining

Was genau passiert beim minen? Was genau ist dieses „Proof of Work“?

Mit Hilfe des Proof of Work (PoW) werden Miner, die eine komplizierte kryptografische Aufgabe, damit Bitcointransaktionen validieren und somit neue Blöcke auf der Blockchain generieren, belohnt.

Genauer gesagt: Um einen Block zu schürfen, werden alogorithmische Funktionen(Hashfunktion) vom Miner genutzt, um einen bestimmten Wert zu finden. Da die Hashfunktionen nicht umkehrbar sind, kann man nicht etwa einfach berechnen, welches X man in die Funktion einsetzen muss, um das gewünschte Y zu erhalten. Stattdessen lösen die Miner das Problem durch Ausprobieren von vielen Werten.

Lightning im Bitcoin Netzwerk
Die Miner versuchen mit Hilfe der Hashfunktion zu einem vorgegebenen Output den zugehörigen Input zu finden

Um es einfacher auszudrücken: Wenn Fritz eine Matheaufgabe von seinem Mathelehrer richtig löst, ist es ein Indiz dafür, dass er den Rechenweg verstanden hat und damit bewiesen, wie ein Prinzip funktioniert (Proof of Work). Die anderen Kinder in der Klasse, prüfen die Aufgabe mit der Gegenprobe auf die Richtigkeit und verifizieren somit die Aussage von Fritz.

Nachteil des PoW-Algorithmus ist ein hoher Rechenaufwand, der zu einem starken Aufwand an Zeit und Energieressourcen führt.

Gibt es Alternativen zum Proof of Work?

Anders als im Proof of Work, indem der Anteil der Rechenkapazität im gesamten Netzwerk der Miner ausschlaggebend für die Wahrscheinlichkeit ist, einen Block erfolgreich zu minen, ist im Proof of Stake(PoS) die Anzahl von Coins im Gesamtnetzwerks maßgeblich verantwortlich für die Schürfung des Blockes.

Hält ein Anleger einer Währung (Beispiel: Etherum) 5% der Gesamtmenge an Tokens, so kann er 5% Prozent aller Transaktionen im Netzwerk validieren und trägt somit zur Sicherheit des Netzwerks bei. Dafür erhält der Anleger im Gegenzug eine Art Zinsen, die sich je nach Kryptowährung unterscheiden und sich meist zwischen 2 und 10 % pro Jahr bewegen.

Lightning im Bitcoin Netzwerk
Quelle: https://blockgeeks.com/guides/proof-of-work-vs-proof-of-stake/

Wie oben beschrieben hat jeder Knoten des verteilten Netzwerkes eine Kopie über jede Transaktion, die er speichert, um die Datengleichheit des Netzwerkes zu gewährleisten. Dies wiederrum führt zu einem immensen Anstieg an Daten auf dem Datenregister. Aktuell sind es 200 Gigabyte bei einer Blockgröße von nur 1 MB. Tendenz steigend. Effizienz sieht anders aus.

Da mit der aktuellen Technologie nur 7 Transaktionen pro Sekunde getätigt werden können, gleichzeitig auch das Interesse an Bitcoin immer weiter steigt, werden die Anfragen an Transaktionen sich weiter erhöhen. Das Interesse an Bitcoin in den breiten Medien wird zudem weitere Full Nodes erzeugen. Somit wird das Problem der Skalierbarkeit nicht kleiner. Ganz im Gegenteil. Jede Transaktion muss von mindestens 50 Prozent der Miner bestätigt werden, bevor diese vollzogen ist. Das bedeutet bei einer höheren Anzahl von Teilnehmern im Netzwerk auch gleichzeitig mehr Nodes, die eine Transaktion bestätigen müssen. Diesem Umstand ist es zu verdanken, dass Transaktionsgebühren von 55 Dollar und mehrere Tage Wartezeit entstanden sind. Miner suchen sich zunächst die Blöcke aus, welche die höchsten Gebühren pro Transaktion haben. Zahlungen mit niedrigen Gebühren werden spät oder erstmal gar nicht beachtet. Alles in Allem machen diese Rahmenbedingungen Bitcoin zu keiner ernsthaften Alternative für Zahlungsvorgänge und erst recht nicht wie vorher gedacht für die Revolution im Micropayment-Bereich.
Klingt komisch, ist aber so.

Super und warum jetzt der Artikel, wenn Bitcoin keine Alternative ist?

Um diesen Problemen zu trotzen und eine unmittelbare, zuverlässige, sichere und günstige als auch private Zahlungsform, wie Bitcoin seit 2009 angepriesen wird, anzubieten, haben sich Joseph Poon and Thaddeus Dryja im Jahre 2015 was ganz besonders ausgedacht.
Das Lightning Netzwerk. Die Idee des White Papers vom Lightning Netzwerk wird aktuell von drei unabhängigen Unternehmen versucht zu implementieren (Blockstream, Lightning Labs und AcinQ). Aktuell sind mehrere Stimmen in der Kryptoszene im Umlauf, welche behaupten, dass Lightning alle Skalierungsprobleme von Bitcoin löst. Des Weiteren verspricht das Lightning eine verbesserte Privacy als auch sofortige Transaktionen.

Wie soll sowas gehen? Und wie lange braucht man für die Umsetzung?

Da Lightning Network als ein Ansatz gilt, um das Problem der Skalierbarkeit innerhalb des Bitcoin-Netzwerkes zu beheben, werden bei Lightning Zahlungs-Kanäle errichtet. Bei Entwurf eines Payment-Channels von zwei Parteien wird zu Beginn eine Eröffnungstransaktion auf der Blockchain getätigt. In dieser Transaktion wird mit Hilfe der Multi-Signature-Adresse zunächst eine beliebige Menge an Bitcoin transferiert. Diese Adresse gilt in diesem Zusammenhang als eine Art Bilanz, in welcher jederzeit Informationen erhalten sind, wie viele Bitcoins auf der Seite des Empfängers und des Senders stehen. Die Anzahl an Bitcoins werden am Anfang festgelegt, sodass nur maximal die Menge an Bitcoin hin und transferiert werden können, die am Anfang „eingezahlt“ worden sind. Nach Einrichten des Channels können nun die Parteien mit dem eingezahlten Geld beliebig viele Transaktionen durchführen. Da die Transaktionen off-chain passieren und sich nur die Verteilung der Bilanz an Bitcoin innerhalb des Channels ändert, müssen keine neue Eintragungen auf der Blockchain getätigt werden. Der Payment Channel wird jeweils immer im Einverständnis von beiden Parteien „aktualisiert“ und gibt den aktuellen Bitcoinstand der jeweiligen Parteien an. Wenn nun eine der Parteien keine weiteren Transaktionen tätigen will, muss der Payment-Channel geschlossen werden. Genauso wie bei der Öffnung des Kanals, ist auch bei der Schließung eine Änderung der Blockchain nötig. Hier wird die aktuellste Bilanz an die Bitcoin Blockchain gesendet. Sobald die Bilanz an das Netzwerk gesendet wird, muss eine Transaktion erfolgen. Somit wird der aktuelle Stand der Bilanz von off-chain zu on-chain. Mit Lightning wären somit nur 2 Zahlungen auf der Blockchain vermerkt, welche zu einer starken Entlastung der Rechenleistungs für das Minen führen würde. Verschiedene Krypto-Experten schätzen die Einführung des Lightning Networks im gleichen Maße wie die Erfindung des Webs für das Internet ein. Nachdem die Version 1.0 im Dezember online ging, steht mit der Einführung der Beta Version von der amerikanischen Unternehmung Lightning Labs am 15 März nun erstmals eine offizielle Version zur Verfügung, welche von den Entwicklern als sicher und nutzbar eingestuft wird. Die Beta-Version wird anders als ihrer Vorgänger mit mehreren Programmiersprachen kompatibel sein. Um das Lightning Netzwerk nutzen zu können, muss man aktuell aktiv am Bitcoinnetzwerk beteiligt sein. Da aktuell 400 Menschen weltweit das Netzwerk nutzen und die Beta gerade erst eingeführt wurde, sollte man trotzdem mit Bedacht handeln.

Lightning im Bitcoin Netzwerk
Quelle: https://www.investinblockchain.com/lightning-network-bitcoin-scaling/

Vorteile des Lightning Netzwerkes:

  • Skalierbarkeit: Da jeder Knoten jede Transaktion empfangen, prüfen und bestätigen muss, kann die Bitcoin-Technologie als Netzwerk keine ausreichende Skalierbarkeit liefern. Je mehr Teilnehmer im Netzwerk enthalten sind, desto höher ist die gesamte Datenlast, die produziert wird, welches Bitcoin nicht gerade effektiver macht. Wenn man das Transaktionsvolumen von Bitcoin mit dem von Alipay, Visa oder Paypal vergleicht, wird einem schnell klar, dass Bitcoin aktuell nicht wettbewerbsfähig ist und es ohne technologischer Veränderung nicht sein wird. Bitcoin schafft aktuell 7 Transaktionen pro Sekunde, Paypal erreicht 450; Visa kann theoretisch ganze 56.000 pro Sekunde. Nur Alipay am Cyber Monday kann mit bis zu 256.000 Transaktionen pro Sekunde Visa in die Schranken weisen. Da ein großer Teil der Transaktionen off-chain stattfinden würden, würde sich das Transaktionsvolumen um ein etliches steigern und somit konkurrenzfähig werden.
  • Umweltfreundlichkeit: Da zum Minen der Blöcke die Full Nodes eine große Menge an Rechenleistung brauchen, würde die Datenverringerung auf der Blockchain eine Verringerung der genötigten Rechenleistung resultieren. Dies hat den Vorteil, dass der Energieaufwand für die Aufrechterhaltung des Blockchain Netzwerkes erheblich verringert wird. Laut einer Studie von Morgan Stanley verbraucht Bitcoin im Jahre 2017 über 0,6 Prozent des Gesamtaufkommens an Elektrizität. 140 Terrawattstunden sind mehr als der Verbrauch von Irland oder 116 Staaten zusammen auf dieser Erde. Interessanterweise ist Deutschland mit knapp 2000 Full Nodes auf Platz drei der Welt. Knapp davor ist China mit 2100 Full Nodes und die U.S.A. mit 2700 Knoten im Land.
  • Geschwindigkeit: Laut dem Whitepaper von Nakamoto kann eine Bitcoin-Transaktion fast augenblicklich geschehen, wird aber heutzutage erst nach einigen Minuten bis mehreren Stunden bestätigt. Wie vorher schon beschrieben, hängt dies von der Auslastung der Miner und den aktuellen Gebühren pro Bitcointransaktion ab. Zahlst du eine höhere Transaktionsgebühr als jemand anderes, geht dein Bitcoin auch schneller von A nach B. Mit der flächendeckenden Einführung des Lightning-Netzwerk hingegen werden Transaktionen augenblicklich gültig.

Nachteile des Lightning Netzwerkes

Jede Medaille hat zwei Seiten, dies haben wir schon als Kinder gelernt. Was im Kindesalter der Wahrheit entspricht, ändert sich auch nicht im Erwachsenendasein und erst recht nicht im volatilen Kryptomarkt.

Der Verlust der Dezentralisierung:

Mit Bitcoin hat Satoshi Nakamoto den Zeitgeist getroffen. Viele wünschten sich die Vermittlung von Daten ohne Intermediär. Mit Bitcoin wurde dieser Traum wahr. Auch wenn der Traum sehr lange dauert und hohe Gebühren hat. Wenn es jedoch dazu kommt, dass Lightning weltweit verwendet wird, können große Firmen wie Amazon oder Alibaba hunderttausende von Zahlungskanälen zu ihren Kunden offen haben. Die Transaktionen zwischen den Usern würden dann dementsprechend zu einem großen Teil bei Amazon und Co. durchlaufen und diese somit zu Zahlungszentralen machen. Das kann man jedoch verhindern, wenn direkte Kanäle zu den Herstellern aufgebaut werden. Nur wird sich zeigen, ob Anbieter wie Amazon damit einverstanden sind.

Routing:

Aktuell sind Zahlungen von ein bis drei Parteien eindeutig erklärt und können via Algorithmen überwacht und richtig gehandelt werden. Was passiert aber, wenn mehrere Parteien dazustoßen? Wir stellen uns jetzt vor, dass Person A mit Person B in einer Geschäftsbeziehung ist und B 1 Bitcoin an A sendet, weil B Person C 1 Bitcoin schuldet und somit die offene Schuld an C direkt an A transferiert. Hier springen die Algorithmen der Blockchain ein und bestimmen den sicheren und richtigen Tathergang. Was passiert aber nun, wenn noch Person D, E und F hinzustoßen. Wie sehen die optimalen Zahlungsverbindungen aus?

 Ausblick

Das Lightning-Netzwerk ist also das Konzept von Payment-Channels, in denen wir der Gegenpartei nicht vertrauen müssen, um sicher zu sein, dass der aktuellste Transaktionsentwurf der Einzige ist, der gültig sein wird.

Lightning im Bitcoin Netzwerk
Quelle:www.iconfinder.com/icons/360100/financial_graph_market_stock_success_icon

Nun die Frage aller Fragen: Kann Lightning Bitcoin zu einer akzeptablen Währung machen, welches es uns ermöglicht, umgehend Zahlungen zu tätigen? Auf der technischen Seite – ja. Jedoch darf der Fokus nicht auf die politischen Entwicklungen gegenüber des Bitcoin gesetzt werden und wie sich der Zahlungsmarkt in Zukunft generell verändert. Wenn Bitcoin den Wettbewerbsvorteil der Dezentralisierung verliert, können auch die technischen Entwicklungen Banken mit Echtzeit-Zahlungen für User interessant sein. Eins ist sicher, Lightning wird den Markt nochmals stark ins Positive beeinflussen, was uns als User herzlich willkommen ist. Langeweile herrscht eher weniger auf dem Kryptomarkt und mit der Implementierung von Lightning wird das auch so bleiben.


Autor(en)

Kilian Thalhammer

Kilian Thalhammer ist seit mehr als 15 Jahren im Bereich Payment/ FinTech/ eCommerce & Loyalty unterwegs. Nach seiner Rolle als Director Solutions für die Swiss Post war er CPO bei RatePay (Otto ) und GF bei PAYMILL (Rocket Internet). Im...mehr


Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert.

* Die Checkbox für die Zustimmung zur Speicherung ist nach DSGVO zwingend.

Ich akzeptiere