Руководство для начинающих по сети Bitcoin Lightning

Ключевые особенности

• Layer 2-решения созданы для решения проблем масштабируемости, заложенных в саму технологию блокчейн.

• Lightning Network — Layer 2-решение для масштабирования, позволяющее мгновенно проводить транзакции без ожидания подтверждения блоков. Это делает микроплатежи удобными и эффективными.

• Lightning Network обеспечивает безопасность и масштабируемость платежей через мультиподписи (multisig) и хеш-таймлок контракты.

Введение

Криптовалюты имеют ряд уникальных свойств. Они защищены от взлома и отключения, позволяют переводить ценности по всему миру без участия третьих сторон.

Сохранение этих преимуществ требует компромиссов. Из-за поддержки сети большим количеством узлов её пропускная способность ограничена. Поэтому количество транзакций в секунду (TPS), которое способен обработать блокчейн, относительно невелико для технологии массового применения.

Для решения этих ограничений разработчики создали различные методы масштабирования, чтобы увеличить объём обрабатываемых транзакций. В этой статье рассматривается Lightning Network — одно из ключевых расширений протокола Bitcoin.

Что такое Lightning Network?

Lightning Network работает поверх блокчейна, обеспечивая быстрые p2p-транзакции. Bitcoin — одна из криптовалют, внедривших такую технологию.

"Работает поверх блокчейна" означает, что Lightning — off-chain-решение второго уровня. Это позволяет пользователям проводить операции без необходимости записывать каждую из них в блокчейн.

Lightning Network не зависит от сети Bitcoin, она использует собственные узлы и программное обеспечение, однако взаимодействует с базовым блокчейном. Чтобы войти или выйти из Lightning Network, необходимо выполнить специальные транзакции в основной сети.

Начальная транзакция фактически создаёт смарт-контракт с другим пользователем. Таким образом, вы и ваш контрагент ведёте приватный учёт — доступный только вам двоим — и фиксируете все необходимые операции. Эта схема исключает возможность мошенничества со стороны одной из сторон.

Такой мини-баланс называется каналом. К примеру, Алиса и Боб отправляют по 5 BTC в смарт-контракт — в канале у каждого по 5 BTC. Алиса может записать "заплатить Бобу 1 BTC", после чего у неё останется 4 BTC, а у Боба станет 6 BTC. Затем Боб может отправить 2 BTC обратно Алисе, и балансы изменятся. Такой процесс может продолжаться сколько угодно долго.

В любой момент любая сторона может опубликовать текущее состояние канала в блокчейне. Сеть распределит средства в соответствии с финальными балансами в канале.

Lightning оправдывает своё название: транзакции проходят практически мгновенно. Платежи обрабатываются с максимальной скоростью, разрешённой соединением, и не требуют ожидания подтверждения блоков.

Зачем нужен Lightning Network?

Сегодня Lightning Network (LN) считается наиболее практичным способом масштабирования Bitcoin. Применение изменений протокола во всей экосистеме сложно и рискованно — всегда есть риск хардфорка или крупных ошибок, что особенно опасно при больших суммах.

Внецепочные эксперименты обеспечивают гибкость. В случае проблем это не затрагивает основную сеть Bitcoin. Layer 2-решения также сохраняют ключевые свойства безопасности, защищающие сеть уже более 15 лет.

Важно, что пользователи не обязаны отказываться от традиционных транзакций. Операции в основной цепи всегда доступны, а off-chain-платежи — лишь дополнительная опция.

Lightning Network даёт ряд преимуществ, которые перечислены ниже.

Масштабируемость

Новые блоки Bitcoin выпускаются примерно каждые десять минут и содержат ограниченное количество транзакций. Размер блока ограничен, поэтому пользователи конкурируют за место, устанавливая размер комиссии. Майнеры выбирают транзакции с наибольшей комиссией.

Если пользователей немного, система работает без проблем — для подтверждения достаточно небольшой комиссии. Но когда многие отправляют транзакции одновременно, комиссии резко растут, иногда превышая $10. Во время роста рынка в 2017 году комиссии превышали $50, а в начале 2021 года средняя комиссия за транзакцию достигала $60.

Для крупных переводов такие комиссии не критичны, но для небольших сумм они недопустимы — никто не станет платить $10 комиссии за кофе за $3.

В Lightning Network комиссия взимается только при открытии и закрытии каналов. После открытия канала можно провести тысячи транзакций практически бесплатно. Для финального расчёта достаточно опубликовать итоговое состояние канала в блокчейне.

Массовое внедрение off-chain-решений, таких как Lightning Network, позволит эффективнее использовать блокчейн. Частые мелкие переводы будут происходить внутри платёжных каналов, а блокчейн будет использоваться для крупных переводов и управления каналами. Это сделает сеть доступнее и масштабируемее.

Микроплатежи

Минимальная on-chain-транзакция Bitcoin — около 0,00000546 BTC (примерно 38 центов по текущему курсу). Lightning Network поддерживает переводы до одного сатоши (0,00000001 BTC), расширяя границы возможного.

Lightning делает микроплатежи реальными. Комиссии основной сети делают мелкие переводы невыгодными, но в Lightning-канале можно отправлять минимальные суммы почти без комиссии.

Микроплатежи открывают новые модели — например, оплату по использованию вместо подписки, когда пользователь платит небольшую сумму за каждую сессию.

Приватность

Lightning Network также повышает приватность. Участникам не нужно объявлять свои каналы всей сети. Любой может увидеть открытие канала в блокчейне, но внутренние операции канала остаются приватными, если сами участники их не раскрывают.

Если у Алисы канал с Бобом, а у Боба — с Кэрол, Алиса и Кэрол могут платить друг другу через Боба. Если Дэн связан с Кэрол, Алиса может отправить платёж Дэну через сеть каналов. Такая система образует сеть платёжных каналов и практически исключает отслеживание конечного получателя средств Алисы после закрытия канала.

Как работает Lightning Network?

Мы рассмотрели общий принцип платёжных каналов Lightning. Теперь перейдём к внутренним механизмам этой системы.

Адреса с мультиподписью

Мультиподписной (multisig) адрес требует для перевода средств несколько приватных ключей. При создании такого адреса указываются общее количество ключей и число необходимых подписей. Например, схема "1 из 5" позволяет тратить средства любой одной подписью из пяти. В "2 из 3" — необходимы две подписи из трёх.

Для открытия Lightning-канала участники блокируют средства на мультиподписном адресе 2 из 2 — требуются оба приватных ключа. Например, Алиса и Боб могут внести по 3 BTC на общий адрес. Ни один не сможет перевести средства без согласия другого.

Это похоже на ведение баланса на листе бумаги: у каждого по 3 BTC. Если Алиса платит Бобу 1 BTC, балансы изменяются. Такой учёт продолжается, пока они не решат вывести средства.

Однако здесь есть риск: если одна из сторон (например, Боб) не мотивирована сотрудничать, он может заблокировать средства второй стороны.

Hash Timelock Contracts (HTLC)

Такая базовая схема ограничена, поэтому в Lightning используются Hash Timelock Contracts (HTLC) для обеспечения честного поведения. HTLC объединяет две технологии — hash-lock и timelock — чтобы предотвратить мошенничество в платёжных каналах.

Хеш-лок требует знания секрета для получения средств. Отправитель хеширует некоторое значение и включает его в транзакцию. Получатель должен раскрыть исходный секрет, чтобы разблокировать средства.

Таймлок запрещает тратить средства до наступления определённого времени или достижения нужного блока.

HTLC совмещает оба механизма: получатель должен раскрыть секрет в течение заданного срока, иначе отправитель сможет вернуть средства себе. Рассмотрим это на примере Алисы и Боба.

Открытие и закрытие каналов

Допустим, Алиса и Боб подготовили транзакции для пополнения мультиподписного адреса. Эти транзакции пока не опубликованы. До продолжения требуется ещё один шаг.

Единственный способ потратить средства с мультиподписного адреса — подписи обеих сторон. Если Алиса хочет перевести все 6 BTC, она формирует и подписывает транзакцию, но без подписи Боба она недействительна.

Пока нет обязательств к честному сотрудничеству — если кто-то не подпишет, средства будут заблокированы. Чтобы этого избежать, каждая сторона генерирует секрет (например, As и Bs), хранит его в секрете, а второй стороне передаёт только хеш. Затем формируется набор commitment-транзакций с защитой на случай удержания средств.

Каждая commitment-транзакция отображает текущие балансы. Алиса готовит транзакцию с выводами на себя и новый мультиподписной адрес, подписывает и передаёт её Бобу. Боб поступает аналогично. Эти частично подписанные транзакции действительны только после пополнения мультиподписного адреса.

Для новых мультиподписных выводов средства можно потратить при выполнении одного из условий:

1. Обе стороны подписывают транзакцию вместе.

2. Одна сторона (например, Боб) действует самостоятельно по истечении таймлока.

3. Другая сторона (например, Алиса) узнаёт секрет контрагента (например, B) и может сразу забрать средства.

Сначала ни одна сторона не знает секрет другой, поэтому третий вариант невозможен. Если кто-то подпишет и опубликует транзакцию, контрагент сможет немедленно получить эти средства. Для доступа нужно либо сотрудничество, либо ожидание окончания таймлока.

После публикации исходных транзакций на адрес 2 из 2 канал считается открытым, средства защищены даже при исчезновении контрагента.

После подтверждения канал становится активным. Первая пара транзакций фиксирует баланс по 3 BTC у Алисы и Боба. Для каждого нового платежа создаются новые commitment-транзакции и генерируются секреты. В любой момент любая сторона может рассчитаться, подписав и опубликовав последнюю транзакцию, зафиксировав итоговые балансы в блокчейне. Публикующий ждёт окончания таймлока, а контрагент может забрать средства сразу. Совместное закрытие канала — самый быстрый способ, но даже если одна сторона не отвечает, другая сможет вернуть средства после таймлока.

Как Lightning Network предотвращает мошенничество?

Что мешает Бобу попытаться обмануть, опубликовав старую транзакцию с большим балансом на себя? Технически это возможно, но он рискует потерять всю сумму. Если Боб публикует устаревшую транзакцию, Алиса сразу получает свою долю, а средства Боба блокируются по таймлоку. В этот период Алиса, зная нужный секрет, может забрать остаток. Такой штраф эффективно останавливает мошенничество, поскольку нарушитель теряет весь баланс канала.

Маршрутизация платежей

Каналы могут быть связаны, что позволяет использовать Lightning для реальных платежей. Нет нужды блокировать средства с каждым продавцом или пользователем. Если у Алисы есть канал с Бобом, а у Боба — с Кэрол, Алиса может отправить платёж Кэрол через Боба. Платежи могут проходить через несколько каналов.

Промежуточные участники могут брать небольшую комиссию за маршрутизацию, но рынок комиссий ещё формируется и зависит от ликвидности в каналах.

В основной сети комиссии зависят от размера блока, а не суммы. В Lightning есть понятия локального и удалённого баланса: локальный баланс — то, что вы можете отправить, удалённый — что можете получить.

Например, если у каналов Алиса <> Кэрол <> Фрэнк лимит 1 BTC, локальный баланс Алисы — 0,7 BTC. Чтобы отправить 0,3 BTC Фрэнку, Алиса переводит 0,3 BTC Кэрол, которая затем переводит 0,3 BTC Фрэнку. Общий баланс Кэрол не меняется, но ликвидность смещается между каналами, что может ограничить возможности для дальнейшей маршрутизации. За компенсацию потери гибкости Кэрол может взимать комиссию.

Некоторые готовы к снижению ликвидности или открывают каналы только для получения платежей. Сейчас обязательных комиссий за маршрутизацию нет.

Ограничения Lightning Network

Хотя Lightning Network решает многие проблемы масштабируемости, это не универсальное решение и у него есть свои ограничения.

Пользовательский опыт

Bitcoin может быть сложен для новичков: адреса и комиссии часто непонятны. Для работы с Lightning нужно установить совместимый кошелёк и открыть канал, что требует понимания таких понятий, как входящая и исходящая ликвидность. Для пользователей без технических знаний это непросто, но постоянные улучшения делают процесс доступнее.

Ликвидность

Главное ограничение — нельзя потратить больше, чем заблокировано в ваших каналах. Если все средства на удалённой стороне, придётся закрывать канал или ждать новых поступлений. Ёмкость канала ограничивает максимум перевода: если в одном канале 5 BTC, а в следующем — 1 BTC, можно провести только 1 BTC, и только при правильном распределении ликвидности. Это ограничивает доступные средства и гибкость сети.

Централизованные хабы

Ограничения по ликвидности подталкивают к созданию крупных, хорошо связанных хабов с большим капиталом. Крупные переводы могут идти только через такие хабы, что ведёт к централизации. Если хаб выключится, многие каналы прекратят работу, а точки централизации могут стать целью для цензуры.

Текущее состояние развития Lightning Network

В начале 2024 года Lightning Network стабильно развивается: работает более 13 000 узлов, свыше 52 000 активных каналов, более 4 570 BTC в сети.

Существуют разные реализации узлов, включая c-lightning (Blockstream), Lightning Network Daemon (Lightning Labs) и Eclair (ACINQ). Для простоты доступны plug-and-play-решения — достаточно включить устройство и пользоваться Lightning Network.

Итоги

С момента запуска в основной сети в 2018 году Lightning Network быстро развивается. Несмотря на то что для самостоятельного запуска узла всё ещё нужны технические знания, развитие технологий снижает барьеры для входа и повышает удобство работы.

FAQ

Что такое Bitcoin Lightning Network? Какую проблему она решает?

Bitcoin Lightning Network — Layer 2-решение, позволяющее совершать быстрые и дешёвые транзакции вне основной цепи. Оно решает проблему масштабируемости Bitcoin, снижает нагрузку на блокчейн, ускоряет переводы и уменьшает комиссии.

Чем отличается Lightning Network от основной сети Bitcoin?

Основная сеть Bitcoin даёт максимальную безопасность, но работает медленно и с высокими комиссиями. Lightning Network, как Layer 2-платёжный канал, обеспечивает быстрые и дешёвые операции, но использует mainnet для финального расчёта. Вместе они образуют единую экосистему Bitcoin.

Как работает Lightning Network? Каков принцип платёжных каналов?

Lightning Network создаёт платёжные каналы между пользователями, блокируя средства в основной сети и позволяя проводить неограниченное число мгновенных off-chain-транзакций. На основной цепи фиксируется только финальный баланс. Смарт-контракты защищают каналы, поэтому каждую операцию не нужно записывать в блокчейне.

Как совершать транзакции в Lightning Network? Какие инструменты или кошельки нужны?

Скачайте Lightning-кошелёк (например, Blue Wallet или Muun), пополните его Bitcoin и создайте платёжный канал. Подключившись к узлам сети, вы сможете отправлять микроплатежи быстро, с минимальными комиссиями и без ожидания подтверждений блоков.

Безопасны ли транзакции Lightning Network? Какие риски есть для пользователей?

Транзакции Lightning Network используют сквозное шифрование и очень безопасны. Основные риски — контрагентский риск, риск ликвидности и технические уязвимости. Эффективные штрафные механизмы предотвращают мошенничество: публикация устаревших транзакций приводит к серьёзным санкциям. В целом модель безопасности надёжна.

В чём преимущества Lightning Network по сравнению с другими Layer 2-решениями?

Lightning Network обеспечивает Bitcoin высокую скорость транзакций и почти нулевые комиссии, мгновенные расчёты через state channel-технологию и безопасность Layer 1. По сравнению с другими Layer 2-решениями Lightning легче, приватнее и поддерживает больший объём транзакций.

Как новичку начать пользоваться Lightning Network? Какой минимальный порог?

Для старта скачайте Lightning-кошелёк. Минимальный депозит зависит от провайдера, обычно достаточно 0,001 BTC. Откройте канал, внесите средства и совершайте мгновенные платежи с низкой комиссией.