Das Lightning-Netzwerk wird im Dokument The Bitcoin Lightning Network als dezentrales System beschrieben, bei dem Transaktionen über ein Netzwerk von Mikrozahlungskanälen gesendet werden, deren Wertübertragung ausserhalb der Blockchain und somit off-chain erfolgt. Damit wir verstehen, was das bedeutet, müssen wir zuerst wissen, wie Kryptowährungen funktionieren und was für Probleme bei Transaktionen mit Kryptowährung auftreten.

Kryptowährungen

Eine Kryptowährung ist eine digitale oder virtuelle Währung, die Transaktionen mittels Kryptografie, genauer Blockchain oder anderen digitalen Signaturen sichert. Da der Markt ständigen Schwankungen unterliegt, sind auch die Kurse der Kryptowährungen unbeständig. Dies ist auch der Grund, warum viele Händler Kryptowährungen nicht als Zahlungsmittel anerkennen. Der Markt ist ihnen zu unsicher. Inzwischen haben sich dieser Marktnische diverse Dienstleister angenommen. Diese übernehmen die Zahlungsabwicklung mit Kryptowährungen und bieten den Händlern einen zu diesem Zeitpunkt aktuellen Wechselkurs. Damit wird das Risiko der Kursschwankung reduziert. Der Hauptunterschied zu normalem Geld ist, dass keine Ausgabe- oder Regulierungsbehörde existiert. Die Regierung und finanzielle Institutionen haben keinen Einfluss. Eine Kryptozahlung geht also nicht über ein zentrales Computersystem, sondern über ein dezentrales System, das für die Verifikation von Transaktionen nicht auf Banken angewiesen ist.

Blockchain

Eine Blockchain ist eine verteilte, öffentliche Datenbank. Im Kontext von Bitcoin oder anderen Kryptowährungen wird diese Technologie in Form einer dezentralen Datenbank eingesetzt, um Vermögenstransaktionen zu verwalten. Dadurch reduzieren sich die Risiken und Kosten für alle Beteiligten deutlich. Blockchain ist von grosser Bedeutung. Je schneller Informationen übermittelt werden können und je präziser sie sind, desto besser. Blockchain liefert Informationen sofort gemeinsam für die Teilnehmer eines Netzwerkes nutzbar und transparent. Da alle Nutzer wahrheitsgetreue Details einer Transaktion durchgängig abrufen können, ist das Vertrauen grösser, die Effizienz steigt und es eröffnen sich neue Möglichkeiten. Eine gewöhnliche Bankzahlung wird meistens über ein zentrales Computersystem abgewickelt. In diesem Fall muss man dem Anbieter dieses Systems seine sensiblen Daten anvertrauen. Bei einer Blockchain hingegen tritt man bei einer Transaktion nicht mit seinem Namen, sondern mit dem sogenannten Public Key oder auf Deutsch öffentlichen Schlüssel auf, der aus einer langen Abfolge von Buchstaben und Zahlen besteht. Eine Transaktion wird, anders als bei einer gewöhnlichen Bankzahlung über die Computer aller Blockchain-Teilnehmer synchronisiert. Bevor eine Transaktion abgeschlossen wird, muss sie für alle Mitglieder sichtbar in einem Block abgelegt werden. Dies geschieht je nach Art der Blockchain anders.

Bitcoin

Bitcoin gehört zu den bekanntesten Kryptowährungen weltweit und basiert auf der Bitcoin-Blockchain. Im Bitcoin-Netzwerk kann das Erzeugen eines Blocks grundsätzlich von jedem Blockchain-Nutzer, der in diesem Fall als Miner bezeichnet wird, ausgeführt werden. Dabei werden mithilfe einer mathematischen Funktion aufgelaufene Transaktionen zu einem Block berechnet. Der Miner, der den Block als Erstes berechnet, erhält einen sogenannten Mining-Reward in Form einer vordefinierten Anzahl Bitcoins. Dadurch entsteht zwischen den Minern ein Wettbewerb. Ist der Block berechnet, wird er unveränderbar auf verschiedenen Computern abgelegt. Die Berechnung dieser Blöcke benötigt eine hohe Rechenleistung, viel Strom und ist damit nicht besonders ökologisch. Eine weitere Problematik besteht darin, dass pro Block nur ein gewisser Speicherplatz für Transaktionen zur Verfügung steht und per Definition ca. alle 10 Minuten ein Block geschaffen wird. Damit finden je nach Auslastung nicht alle Transaktionen im nächsten Block Platz. Dies führt dazu, dass es zu Verzögerungen im Zahlungsprozess kommt. Obwohl Bitcoin als anonym gilt, ist es möglich, anhand des Public Keys Rückschlüsse auf die Identität einer Person zu ziehen. Der Public Key lässt sich nicht eindeutig einem konkreten Nutzer zuordnen. Zudem besteht kein zentrales Register, welches Auskunft über den Inhaber eines Public Keys gibt. Anders bei der Kryptowährung Monero, die ihre Transaktionen zusätzlich verschlüsselt und damit die Transaktionsdetails nicht eingesehen werden können. Dadurch wird ein höherer Grad an Anonymisierung erreicht.

Problem

Im Kontext von Kryptowährungen und damit auch Bitcoin wird oft das sogenannte Blockchain-Trilemma referenziert. Die drei konkurrierenden Bereiche sind Skalierbarkeit, Dezentralisierung und Sicherheit. Da es sich um Gegensätze handelt, stehen diese in dauernder Konkurrenz, was dazu führt, dass die Erhöhung eines Bereiches zwangsweise auf Kosten der anderen geht. Am Beispiel Bitcoin ist eine hohe Dezentralisierung und eine hohe Sicherheit implementiert – allerdings leidet die Skalierbarkeit darunter. Will man die Skalierbarkeit erhöhen, müssen Abstriche im Bereich Sicherheit oder eine grössere Zentralisierung gemacht werden. So kann Bitcoin ein zensurresistentes Netzwerk mit unveränderlichen Regeln und den geringstmöglichen Angriffsvektoren gewährleisten. Das Problem der Skalierbarkeit muss allerdings vernachlässigt werden. Das Bitcoin-Netzwerk bewältigt pro Sekunde lediglich sieben Transaktionen. Liegt eine höhere Nutzung vor, so steigen auch die Gebühren. Da bei hoher Auslastung nicht alle Transaktionen in einem Block Platz finden, kommt es zu einem Konkurrenzkampf, welcher über die Höhe der Gebühr ausgetragen wird. Das macht kleinere Zahlungen oder Micropayments unwirtschaftlich. Wenn jeder Knoten im Netzwerk über jede stattfindende Transaktion Bescheid wissen muss, kann dies die Fähigkeit des Netzwerkes, alle globalen Finanztransaktionen zu erfassen, erheblich verlangsamen. Transaktionen sollen so erfasst werden können, dass Dezentralisierung und Sicherheit nicht beeinträchtigt werden. Um die Problematik der beschränkten Anzahl Transaktionen und den damit verbundenen steigenden Transaktionsgebühren zu lösen, ohne auf Sicherheit und Dezentralisierung zu verzichten, wurde das Bitcoin-Lightning-Netzwerk entwickelt.

The Bitcoin Lightning Network

Ein Lightning-Netzwerk erhöht den Transaktionsdurchsatz pro Sekunde. Die Idee von Lightning-Netzwerken ist es, dass, wenn sich zwei Mitglieder für eine Transaktion interessieren, alle anderen Knoten nichts davon wissen müssen. Das Lightning-Netzwerk ermöglicht Peer-to-Peer-Zahlungen, die ausserhalb der Bitcoin-Blockchain über Zahlungskanäle zwischen Einzelpersonen erfolgen. Sobald die Beteiligten ihre Kanäle schliessen, erfolgt eine Abrechnung, um zu klären, wem was gehört. Das Lightning-Netzwerk kann so Millionen von Transaktionen pro Sekunde ausführen und ist nahezu gebührenfrei. Dieses Netzwerk ist ein Peer-to-Peer-Mesh-Network, indem jeder Knoten gleichgestellt ist (ohne zentrale Instanz), das Bitcoin-Konsensregeln verwendet, um Transaktionen abzuschliessen. Im Dokument The Bitcoin Lightning Network wird die Grundidee wie folgt erklärt. Wenn niemand das Fallen eines Baumes hört, spielt es keine Rolle, ob das Fallen ein Geräusch verursacht oder nicht. Ähnlich funktioniert es bei der Blockchain. Wenn sich nur zwei Nutzer für eine wiederkehrende Transaktion interessieren, müssen nicht alle anderen Knoten im Bitcoin-Netzwerk davon wissen. Besser ist es, wenn nur das absolute Minimum an Informationen in der Blockchain sind. Indem es aufgeschoben wird, die ganze Welt über jede Transaktion zu informieren, ermöglicht man den Nutzern, viele Transaktionen durchzuführen, ohne die Blockchain aufzublähen oder Vertrauen in eine zentralisierte Gegenpartei zu schaffen.

Transaktionen über das Bitcoin-Lightning-Netzwerk

Damit über das Bitcoin-Lightning-Netzwerk eine Transaktion ausgeführt werden kann, muss zuerst ein Zahlungskanal zwischen dem Sender und Empfänger eröffnet werden. Dieser Zahlungskanal ist eine Multisignaturadresse, die vom Bitcoin-Netzwerk verwendet wird. Sowohl der Sender als auch der Empfänger muss signieren, wenn eine Transaktion von der Multisignaturadresse gesendet werden soll. Zur Eröffnung eines Zahlungskanals wird eine Finanzierungstransaktion genauer eine reguläre Transaktion auf der Blockchain hinzugefügt. Dabei muss angegeben werden, wie viele Satoshis im Zahlungskanal sein sollen. Mit den Satoshis kann man so viele Transaktionen hin und her schicken, wie man möchte, solange sich noch Satoshis im Kanal befinden. Der Zahlungskanal hält den Überblick über die Kontostände der Nutzer. Das Erstellen einer Transaktion hat dabei immer zwei Ausgänge. Wenn man 100’000 Satoshis im Kanal hat und dem Empfänger 10’000 Satoshis senden möchte, werden einem selbst 90’000 Satoshis und dem Empfänger die 10’000 Satoshis verbucht. Erst wenn beide die Transaktion bestätigt haben, werden die Kontostände angepasst. Ausser den Beteiligten selbst kann niemand diese Peer-to-Peer-Transaktion zuordnen. Erst wenn der Kanal geschlossen wird, werden die finalen Kontostände öffentlich auf die Bitcoin-Blockchain zurückgeschrieben.

Netzwerkeffekte

Was, wenn eine Transaktion an einen Empfänger gehen soll, mit dem kein Zahlungskanal aufgebaut wurde? Allenfalls hat jemand, mit dem ein Kanal besteht, einen Zahlungskanal mit dem ersuchten Empfänger. So kann man seinem Kanalpartner den gewünschten Betrag innerhalb des aufgebauten Zahlungskanals senden und er leitet den Betrag an den gewünschten Endempfänger weiter. Das Netzwerk wird polynomial nützlicher, je mehr Knotenpunkte beteiligt sind. Damit sich der Aufwand für die Mittelsperson auszahlt, kann sie eine Gebühr, die sogenannte Routing Fee erheben. Dank des Hash-Time-Lock-Contracts, der die Durchführung zeitgebundener Transaktionen ermöglicht, kann das Gegenparteirisiko eliminiert werden. Das bedeutet, dass der Empfänger einer Transaktion die Zahlung innerhalb eines bestimmten Zeitrahmens durch einen kryptografischen Beweis bestätigen muss, damit die Transaktion zustande kommt. Wessen Kanäle genau benutzt werden, ist unbekannt. Denn es wird alles über Onion- und Host-Privacy-Technologien abgewickelt.

Wachstum

Alle relevanten Zahlen wie Knotenpunkte, Kanäle und die Kapazität steigen stetig. Das Lightning-Netzwerk ist nicht mehr Zukunft, sondern bestimmt bereits die Gegenwart. Dies zeigt auch die Visualisierung der Knotenpunkte und Kanäle auf LnRouter. Immer mehr Unternehmen beginnen, Bitcoin zu akzeptieren, wobei die vom Lightning-Netzwerk bereitgestellte Infrastruktur entscheidend dazu beiträgt. Das Lightning-Netzwerk kann ausserdem auch auf anderen Kryptowährungen implementiert werden. Die einzigen Bedingungen sind Multisignatur-Funktion und Hash-Time-Lock-Contracts. Das Lightning-Netzwerk ermöglicht Währungsumtausch in Echtzeit ohne Gebühren und innerhalb einer Sekunde. Über Sphinx, einem Echtzeit-Chat, können dank der Lightning-Technologie nicht nur Nachrichten für Aussenstehende komplett unsichtbar und dezentral versendet, sondern auch Zahlungen sofort getätigt werden. Das Lightning-Netzwerk revolutioniert auch andere Bereiche wie Twitter, Geschenkgutscheine (Bitrefill und Fold) oder Zahlungen über Geräte, die Visa-Debitkarten akzeptieren (Moon). Etwas, was mit dem Banksystem aktuell nicht möglich ist, ist das Geld-Streaming. Damit kann sekündlich eine Zahlung ausgeführt werden, was Möglichkeiten für künftige Business-Modelle eröffnet. Diese Liste ist nicht abschliessend und wird immer länger.

Probleme

Das Lightning-Netzwerk ist nicht frei von Problemen. Diese sind technisch herausfordernd, aber nicht unlösbar. Ein Problem ist die Liquidität der Kanäle und die damit verbundenen Grenzen. Es ist nicht intuitiv, dass zuerst ein Zahlungskanal mit Liquidität gefüllt werden muss, bevor eine Transaktion überhaupt möglich ist. Nur wenn genügend Knoten vorhanden sind, die genügend Liquidität haben, kann das System funktionieren. Weitere Risiken sind sogenannte Superknoten oder Hubs, die wie Banken agieren können und so die Dezentralisierung gefährden. Eine potenzielle Gefahr stellen ausserdem die fast gebührenfreien Transaktionen dar, die dazu führen, dass Miner weniger verdienen und damit die Basis (darunterliegende Bitcoin-Blockchain) gefährdet ist. Das bedeutet, dass der Markt ein Gleichgewicht finden muss, was über das Lightning-Netzwerk und was über die Blockchain abgerechnet wird. Weiter kann es schwierig sein, eine passende Route zu finden. Je mehr Knotenpunkte und Liquidität vorliegen, desto geringer die Gefahr, dass ein Routing scheitert. Das Braess-Paradoxon sagt im weiteren Sinne hingegen aus, dass je mehr Knoten hinzugefügt werden, desto langsamer der Fluss durch das Netz. Weiter müssen Lightning-Knoten (fast) immer online sein. Ausserdem sind Angreifer schwierig zu identifizieren, da nicht bekannt ist, wer wem Geld schickt. Es sind verschiedenste Angriffe auf das Netzwerk möglich, was sich auf die Sicherheit auswirkt. Viele Probleme sind aktuell noch gar nicht bekannt, diese werden erst im Laufe der Zeit zum Vorschein kommen. Allerdings kann man zuversichtlich sein, dass Lösungen gefunden werden, da sich täglich Fachspezialisten damit auseinandersetzen.

Zusammenfassung

Kryptowährungen sind digitale oder virtuelle Währungen und basieren auf der Blockchain-Technologie, so auch eine der bekanntesten Kryptowährungen Bitcoin. Weil eine Transaktion mit allen sich im Netzwerk befindenden Nutzern geteilt wird und eine hohe Rechenleistung braucht, nur ca. alle 10 Minuten ein Block erstellt wird und die Anzahl Transaktionen pro Block limitiert ist, dauert es lange, bis eine Transaktion abgeschlossen ist. Dadurch steigen die Gebühren. Weil alle Nutzer die Transaktionsdetails in der Blockchain einsehen können, kann Zahlungsströmen gefolgt und auf Beteiligte zurück geschlossen werden. The Bitcoin Lightning Network löst insbesondere die genannten Schwächen von klassischen Bitcoin-Zahlungen wie die lange Wartezeit und hohe Gebühren. Dazu werden sogenannte Zahlungskanäle zwischen zwei Parteien eröffnet und alle weiteren Zahlungen off-chain auf einem neuen Netzwerk (dem Lightning-Netzwerk) durchgeführt. Erst wenn die Parteien den Kanal schliessen, werden die finalen Kontostände wieder mit einer Transaktion auf der Bitcoin-Blockchain synchronisiert. The Bitcoin Lightning Network ist noch in einer experimentellen Phase und weisst einige Probleme sowie Angriffsmöglichkeiten auf. Diese sind allerdings nicht unlösbar. Fachspezialisten setzen sich täglich mit deren Lösung auseinander. Das Netzwerk ist nicht nur auf Bitcoin anwendbar, sondern auch auf andere Kryptowährungen, welche die Multisignatur-Funktion und Hash-Time-Lock-Contracts besitzen. In einigen Jahren ist es durchaus denkbar, dass das Lightning-Netzwerk als weltweites Hauptzahlungsmittel fungiert.

Über die Autorin

Michèle Trebo hat an der ZHAW einen Bachelor in Informatik sowie einen Master in Wirtschaftsinformatik erworben und war sechs Jahre lang als Polizistin, unter anderem zur Aufklärung und Auswertung von Cybercrime, tätig. Sie zeichnet sich im Bereich Forschung für kriminalistische Themen wie Darknet, Cyber Threat Intelligence, Ermittlungen und Forensik verantwortlich. (ORCID 0000-0002-6968-8785)

Links

• https://bitinfocharts.com/de/crypto-kurs/
• https://bwl-wissen.net/definition/kryptowaehrung
• https://hub.hslu.ch/informatik/blockchain-einfach-erklaert/
• https://lightning.network/lightning-network-paper.pdf
• https://lnrouter.app/graph
• https://www.bitcoinmag.de/bitcoin-wiki/was-ist-ein-satoshi
• https://www.bitpanda.com/academy/de/lektionen/was-ist-bitcoin-mining-und-wie-funktioniert-es/
• https://www.investopedia.com/terms/m/micropayment.asp
• https://www.youtube.com/watch?v=E1n3sKKPD_k
• https://www.youtube.com/watch?v=W4SckKWn3n8