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Krypto-Zahlungen Wie funktioniert Bitcoin Lightning technisch?

In ihrem Gastbeitrag erläutern Jonas Groß, Jonathan Knoll und Denis Scheller die technische Funktionsweise von Bitcoin Lightning.

Jonas Gross
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Bitcoin Lightning

Beitragsbild: Shutterstock

| Wie funktionieren Krypto-Zahlungen mit dem Bitcoin-Lightning-Netzwerk?

In den ersten beiden Teilen dieser Artikelserie haben die Autoren aufgezeigt, was das Lightning-Netzwerk ist, wofür es eingesetzt werden kann und wie man eine Wallet einrichten und Transaktionen durchführen kann. In diesem dritten Artikel der Artikelserie widmen sie sich der technischen Funktionsweise des Lightning-Netzwerkes. Sie erklären die wichtigsten Fachbegriffe und technischen Konzepte, die im Lightning Netzwerk eingesetzt werden, um schnelle, skalierbare und kostengünstige Transaktionen zu ermöglichen.

Den ersten Artikel der Reihe lest ihr hier, den zweiten hier.

Wichtige technologische Konzepte von Bitcoin Lightning

Die technische Funktionsweise von Lightning scheint aufgrund der einfachen Durchführung von Zahlungen (siehe Artikel 2) relativ intuitiv. Allerdings ist Lightning im Hintergrund höchst komplex. Die Erschaffung eines weltweiten Zahlungssystems ohne Intermediäre ist kein einfaches Unterfangen. Das Lightning Netzwerk greift dabei auf zahlreiche innovative technische Konzepte zurück, die miteinander verbunden und ineinander integriert günstige weltweite Zahlungen mit Abwicklung in Echtzeit ermöglichen. Grundlage hierfür ist ein globales Netzwerk aus Zahlungskanälen, das auf Multisig-Wallets, Commitment Transactions und Hash Time-locked Contracts basiert.

Multisig-Wallets

Technologisch gesehen ist ein Lightning-Zahlungskanal zwischen zwei Personen bzw. zwischen einer Person und einem Händler eine Multisignature-Wallet (oder auch “Multisig-Wallet”genannt). Wenn Geld in einen Zahlungskanal durch eine sogenannte “Funding Transaction” auf der Bitcoin Blockchain eingezahlt wird, kann das Geld nur nach Zustimmung beider (!) Zahlungskanal-Parteien ausgegeben werden. Beide Parteien müssen somit Updates der Kontostände bestätigen. Wenn eine Transaktion über Lightning durchgeführt wird, werden im Hintergrund letztlich neue Kontostände verhandelt. 

Angenommen Alice hat 0.5 BTC in einen Zahlungskanal mit Bob eingezahlt, dann hat dieser Zahlungskanal eine maximale Kapazität von 0.5 BTC. Wenn Alice zum Beispiel nun 0.1 BTC per Lightning an Bob senden möchte, dann wird Bobs Kontostand im Zahlungskanal um 0.1 BTC erhöht (neuer Kontostand Bob: 0.1 BTC) und Alices um 0.1 BTC reduziert (neuer Kontostand Alice: 0.4 BTC). Um die Zahlung der 0.1 BTC via Lightning letztendlich durchzuführen, muss dieses Kontoupdate sowohl von Alice als auch von Bob bestätigt, d.h. signiert, werden. Allerdings wird dieses signierte Kontoupdate nicht als Transaktion über die Bitcoin-Blockchain veröffentlicht, sondern wird als sog. Commitment Transaction erstellt und zurückgehalten.  

Commitment Transaction

Bei einer Commitment Transaction wird für jeden Channel Partner die Auszahlung des zuletzt abgestimmten Kontostandes festgelegt. Dadurch wird sichergestellt, dass sich die Zahlungspartner nicht vertrauen müssen. Durch Signieren der Commitment Transactions verpflichten sich die Zahlungskanal-Partner zum aktuellen Kontostand und ermöglichen es der anderen Partei, ihr Geld bei Bedarf auszuzahlen, ohne dass eine erneute Zustimmung der anderen Partei notwendig ist. 

Ein Beispiel zur Verdeutlichung der Funktionsweise: Nachdem Alice 0.1 BTC an Bob gesendet hat, reagiert Bob nicht mehr auf Alice Nachrichten. Er meldet sich Tage lang nicht zurück und ist offline. Die aktuellen Kontostände betragen für Bob 0.1 BTC und für Alice 0.4 BTC. Da bei neuen Transaktionen auch Bob zustimmen muss, könnte Alice ihre 0.4 BTC nicht zurückerhalten. Sie wären folglich in deren Zahlungskanal “gesperrt” – Alice wäre auf Bobs Kooperation angewiesen. Um dieses Vertrauensproblem zu lösen, haben Alice und Bob vorher Commitment Transactions erstellt. Die Commitment Transaction ermöglicht es Alice nun auch ohne die Kooperation von Bob den letzten abgesprochenen Kontostand zurückzuerhalten (d.h. Bob: 0.1 BTC, Alice 0.4 BTC). So kann Alice nun eine On-Chain-Transaktion auslösen, durch die die Auszahlung der 0.4 BTC veranlasst wird. Hierbei ist zu beachten, dass die Commitment Transactions nur im Extremfall veröffentlicht werden – also z.B. dann, wenn die Gegenpartei nicht mehr erreichbar ist. Dies liegt darin begründet, dass für eine On-Chain-Durchführung einer Commitment Transaction in der Regel hohe Transaktionskosten und eine relativ lange Wartezeit zur Transaktionsdurchführung anfallen. Commitment Transactions dienen somit  eher als Sicherheit im Notfall – können aber bei Bedarf jederzeit veröffentlicht werden.

Hash Time-locked Contracts

Ein weiterer technischer Kernbestandteil des Lightning Netzwerks sind sogenannte Hash Time-locked Contracts (HTLCs). Diese sind vor allem beim Routing von besonderer Wichtigkeit. Nehmen wir an, Alice möchte Geld an eine weitere Person, nämlich Charles, senden. Wie wir aus dem obigen Beispiel bereits wissen, hat Alice bereits einen Zahlungskanal mit Bob. Wir nehmen nun an, dass Bob bereits einen Kanal mit Charles unterhält. Alice kann nun den Kanal von Bob mit Charles nutzen, um Geld an Charles zu versenden. Sie muss keinen eigenen Zahlungskanal mit Charles eröffnen. Bob fungiert hierbei als eine Art “Mittelsmann” im Zahlungsprozess. Diesen Prozess nennt man Routing. Damit Bob einen Anreiz hat, die Zahlung an Charles weiterzuleiten, wird Bob in Form einer Transaktionsgebühr vergütet. In diesem Zusammenhang spielt auch die eingangs erwähnte Kapazität eines Zahlungskanals eine wichtige Rolle. Um eine Transaktion von z.B. 0.5 BTC von einer Partei zur anderen zu senden, müssen alle Kanäle auf dem Weg über diese Kapazität verfügen.

Im Lightning Netzwerk läuft der Routing-Prozess wie folgt ab. Alice möchte Geld an Charles senden. Charles denkt sich ein Geheimnis aus, das zu Beginn nur er kennt: Bei Lightning ist dieses Geheimnis typischerweise eine sehr lange Zahl, die man nicht einfach erraten kann. Charles sendet im Anschluss einen Hash des Geheimnisses an Alice und Bob. Die Zahlungskette wird nun “von hinten nach vorne” aufgerollt: Bob sendet an Charles Geld, wenn er das Geheimnis erhalten hat. Alice wiederum sendet Geld nur an Bob, wenn sie das Geheimnis erhalten hat. Somit handelt es sich um eine konditionale Auszahlung: Auszahlung erfolgt nur, wenn Alice und Bob das Geheimnis kennen.

Was passiert, wenn Charles das Geheimnis nicht weiterleitet? Dann würde keine Zahlung stattfinden, da die Bedingungen für die Zahlung nicht erfüllt sind. Bei Lightning gibt es eine Deadline zur Weiterleitung des Geheimnisses. Wird das Geheimnis nicht innerhalb der spezifizierten Frist weitergeleitet, wird die Zahlung storniert. Technologisch wird dies über HTLCs umgesetzt. Dieser HTLC läuft nach einer gewissen Zeit ab (typischerweise 2 Wochen). Die Zahlung wird nur dann ausgeführt, wenn das Geheimnis innerhalb der Zeit korrekt eingegeben wird. Sollte die Zeit ablaufen oder das Geheimnis falsch sein, wird die Zahlung storniert. Dieser Mechanismus ist sehr wichtig, sodass das Netzwerk nicht verstopft und die Liquidität den Personen wieder zur Verfügung steht. Während das Geld in HTLCs eingesperrt ist, kann diese Liquidität nämlich nicht anderweitig verwendet werden.

Bitcoin Lightning: Fazit

Das Lightning-Netzwerk verbindet technisch höchst anspruchsvolle Konzepte miteinander, um Nutzern ein internationales Zahlungssystem ohne Intermediäre zu ermöglichen. Die Grundlage des Konzepts besteht aus einem Netzwerk von Zahlungskanälen. Kryptografische Ideen wie Multisig-Wallets und Commitment Transactions stellen sicher, dass Kontostände in Zahlungskanälen aktualisiert und jederzeit von den Parteien des Zahlungskanals ausgezahlt werden können. HTLCs sorgen dafür, dass Transaktionen effizient von Sender zu Empfänger gesendet werden, wenn kein direkter Kanal zwischen den Parteien besteht. Im nächsten Artikel zeigen wir praktische Beispiele auf, wie das Lightning-Netzwerk eingesetzt wird.

Über die Autoren

Dr. Jonas Groß ist Head of Digital Assets and Currencies der etonec GmbH. Jonas hält einen Doktortitel in Economics der Universität Bayreuth und seine Hauptinteressengebiete sind digitale Zentralbankwährungen, Stablecoins, Kryptowährungen und Geldpolitik. Darüber hinaus ist Jonas Vorsitzender der Digital Euro Association (DEA), Co-Host des Podcasts “Bitcoin, Fiat, & Rock’n’ Roll” und Mitglied des Expert Panels des European Blockchain Observatory and Forum.

Jonathan Knoll ist Gründer und Geschäftsführer der etonec GmbH. Er verfügt über mehr als 25 Jahre Erfahrung in der #Payment & #Banking- und #Blockchain-Branche und arbeitete für innovative Unternehmen wie Sun Microsystems, PayPal/eBay und Libra/Diem, wo er Head of Strategic Partnerships war. Bei etonec freut er sich darauf, Lösungen an der Schnittstelle von Krypto, Payments & Banking sowie Regulierung zu entwickeln.

Denis Scheller ist Senior Manager Bitcoin Suisse Pay bei Bitcoin Suisse. Denis hat einen Abschluss in Internationaler Betriebswirtschaftslehre von der Dualen Hochschule Mannheim (Deutschland) und ist seit vielen Jahren im Zahlungsverkehr und E-Commerce tätig. Bei Bitcoin Suisse Pay hilft Denis beim Aufbau einer Krypto-Zahlungsinfrastruktur. Er interessiert sich für Makroökonomie und wie Bitcoin und Lightning-Technologie eine gerechtere Gesellschaft ermöglichen können.

Dieser Artikel stellt keine Finanzberatung, Werbung oder Ähnliches dar.

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