Lightning Network: принцип работы и особенности

Биткойн, первая в мире криптовалюта, был описан в документе, опубликованном в октябре 2008 года анонимным лицом под псевдонимом Сатоши Накамото. В документе "Биткоин: одноранговая система электронных денег" была представлена децентрализованная цифровая валюта, позволяющая осуществлять безопасные и прямые транзакции между сторонами без участия посредников, таких как банки.

Уже в январе 2009 года была запущена сеть Bitcoin, что положило начало блокчейну Биткойна.

Технология блокчейн представляет собой "учетную книгу", в которой хранится постоянно растущий список транзакций, называемых блоками. Каждый блок содержит набор транзакций, ссылку на предыдущий блок и уникальный идентификатор (хеш). Хеш каждого блока создается с помощью криптографических алгоритмов, благодаря чему обеспечивается целостность данных.

Технология блокчейн позволяет использовать децентрализованный механизм proof-of-work (PoW), где участники сети (майнеры) конкурируют в решении сложных математических задач для подтверждения и добавления новых блоков в блокчейн. Этот процесс требует значительных вычислительных мощностей и энергопотребления.

За годы своего существования Биткойн приобрел популярность как цифровой актив и средство обмена. Его децентрализованная природа привлекла инвесторов и энтузиастов по всему миру.

Однако одной из основных проблем, с которыми сталкивается Биткойн, является масштабируемость. Блокчейн Биткойна имеет ограничение на размер блока в 1 мегабайт (МБ), что означает, что в каждый блок может быть включено только ограниченное количество транзакций. По мере роста популярности криптовалюты количество транзакций превысило емкость блоков, что привело к перегрузкам и задержкам в подтверждении транзакций.

Для решения проблемы масштабируемости было выдвинуто несколько предложений. Одним из решений является увеличение размера блока, что позволяет обрабатывать больше транзакций в каждом блоке. Однако этот подход вызвал споры и опасения относительно централизации сети, поскольку большие блоки требуют больше вычислительных ресурсов и хранилищ.

Другим решением является внедрение внецепочечных решений для масштабирования, таких как Lightning Network.

Что такое Lightning Network?

Lightning Network - это решение второго уровня для масштабирования сетей блокчейн. Идея создания лайтнинга была предложена Джозефом Пуном и Таддеусом Дриджа и в последующем реализована для Биткойна. Цель Lightning Network - решить проблемы масштабируемости сетей блокчейн, обеспечив быстрые, недорогие и масштабируемые внецепочечные транзакции.

Lightning Network история

• 2015. В документе под названием "Сеть Bitcoin Lightning Network: Масштабируемые внецепочечные мгновенные платежи" представлена концепция сети Lightning.
• 2018. Сеть Lightning привлекла к себе значительное внимание. Компания Lightning Labs под руководством Элизабет Старк, Олаолува Осунтокуна и других получила $2,5 млн финансирования, среди инвесторов Джек Дорси.
• 2019. В конце года пользователь Twitter hodlonaut начал рекламное тестирование Lightning Network в игровой форме, отправив 100 000 сатоши (0,001 Биткоина) доверенному получателю, где каждый получатель добавлял 10 000 сатоши ($0,34 на тот момент) для отправки следующему доверенному получателю.
• 2021. Сеть Lightning Network в связи с расширением получает все большую поддержку со стороны крупных криптовалютных бирж и поставщиков кошельков.

На момент написания статьи сеть Lightning уже выросла до размера 16 000+ узлов, 69 000+ каналов и общей ликвидности 5 000+ BTC. Рост продолжается, так как все больше людей во всем мире учатся отправлять и принимать быстрые и удобные микроплатежи через лайтнинг.

Как работает Lightning и особенности сети

Основная цель Lightning Network - обеспечить быстрые, масштабируемые и недорогие транзакции путем их проведения вне цепи. Она использует сеть двунаправленных платежных каналов, которые устанавливаются между пользователями. Эти каналы позволяют проводить несколько транзакций без записи каждой из них в основной блокчейн.

Смарт-контракты

Сеть Lightning Network использует смарт-контракты для обеспечения безопасности и достоверности транзакций. То есть в процессе транзакций обеспечивается необходимый уровень защиты.

Также стоит отметить, что в работе LN используются HTLC, или смарт-контракты с хэш-таймером. Они могут создаваться с помощью секретных кодов каждой стороны, участвующей в платежах, которые впоследствии преобразуются в уникальное хэш-значение. Более подробно о работе HTLC в статье “Lightning Network: основные понятия и принцип работы”.

Принцип работы Lightning Network

Платежный канал, благодаря которому пользователи и могут проводить транзакции, является кошельком с мультиподписью 2-из-2х (2-of-2 MultiSig wallet). Мультиподпись гарантирует, что лишь после согласия обеих сторон возможно использование средств.

Для запуска платежного канала, обе стороны должны зафиксировать определенную сумму в Биткойнах, которая будет удерживаться и не может быть “выпущена”, пока канал оплаты остается открытым.

LN работает, устанавливая платежный канал между двумя сторонами с установлением ликвидности, где только первая и последняя транзакция учитываются в блокчейн Биткойн. Любое количество транзакций между первой и последней будет происходить вне цепочки. Именно благодаря отсутствию ограничений внутри блокчейна все промежуточные транзакции происходят намного быстрее.

Таким образом, когда канал закрывается в блокчейне учитывается окончательое состояние смарт-котракта и лишь первоначальная операция и финальный баланс обеих сторон.

Особенности работы LN

Благодаря такому принципу работы LN имеет следующие особенности:

• Благодаря обработке транзакций вне цепи, Lightning Network позволяет быстро проводить большое количество транзакций, не перегружая основную цепь блокчейна.
• Транзакции в в сети Lightning могут быть практически мгновенными, поскольку они не требуют подтверждения в блокчейне. Это делает ее подходящей для микротранзакций и повседневных платежей.
• Сеть значительно снижает комиссионные сборы за транзакции, поскольку большинство операций происходит вне цепи. Пользователи платят комиссию только при открытии или закрытии платежных каналов, а также при маршрутизации транзакций через посредников.
• Транзакции LN являются приватными, поскольку не требуют трансляции (учета) каждой операции в публичный блокчейн. Детали отдельных платежей известны только участвующим сторонам. Каждый узел, участвующий в транзакции, знает лишь предыдущий и следующий по маршруту, что исключает возможность получить больше конфиденциальной информации.
• Сеть LN децентрализована, что делает ее доступной для владельцев разных кошельков.
• Транзакции осуществляются вне блокчейн, Lightning Network снижает потребление энергии, необходимой для работы узлов. Это имеет значительное влияние на окружающую среду, поскольку потребность в энергии для поддержки этих транзакций ниже, чем если бы они осуществлялись традиционным путем в сети Биткойн.

Какие цифровые монеты работают с Lightning Network?

Lightning Network, как решение масштабирования второго уровня, изначально было предложено именно для блокчейн Bitcoin.

Ethereum, Litecoin, Dogecoin и все остальные криптовалюты являются альткоинами. Многие альтернативные Биткойну криптовалюты адаптировали технологию Lightning Network от Bitcoin в свои собственные сети. При этом Lightning Labs запустила протокол на Litecoin. С тех пор в сети блокчейна Litecoin наблюдается еще более высокая скорость транзакций и более низкие комиссии, чем раньше.

Стоит отметить, что есть пример похожего решения для криптовалюты Zcash. Rомпания Bolt Labs создала Blind Off-chain Lightweight Transactions (BOLT), ориентированный на конфиденциальность протокол платежей вне сети, вдохновленный Lightning Network. Единственный минус реализации - невозможность проверить законность получения и отправления транзакции, которая может быть связана с преступной деятельностью.

Безопасность сети Lightning

Что касается безопасности, то в Lightning Network предусмотрены различные меры защиты. Использование смарт-контрактов, например, гарантирует, что транзакции будут выполняться “как задумано”, а средства будут доступны только их законным владельцам.

Хотя сеть прошла всесторонний аудит и тестирование, с любой технологией всегда связана определенная степень риска.

Несмотря на преимущества сети, Lightning Network не лишена недоработок. Хотя сеть лайтинг повышает эффективность транзакций после создания платежных каналов, сам процесс их создания является дорогостоящим. Пользователям необходимо перевести средства в Lightning Network и зафиксировать их в канале, что также занимает время. Более того, сохраняются риски со стороны контрагентов, участвующих в цепочках, несмотря на наличие смарт-контрактов.

Проблема контрагентов и застревания средств в цепочке из-за выхода кого-то в оффлайн решается наличием “сторожевых башен”, благодаря которым решаются споры. Однако это вносит толику централизации в децентрализованную сеть.

Варианты использования Лайтнинг

Итак, как стало понятно из изначальной задумки LN, данная сеть позволяет осуществлять практически мгновенные транзакции со значительно меньшими комиссиями по сравнению с обычными операциями. Это делает ее подходящей для повседневных платежей, таких как покупка товаров и услуг, где скорость и экономичность имеют решающее значение. Такое применение LN нашла не только в блокчейне Биткойн и на централизованных биржах (Kraken, Bitfinex, OKX, OKCoin и др.), но и в социальной сети Twitter и в государстве Сальвадор.

Быстрые платежи

В 2021 году генеральный директор Twitter Джек Дорси рассказал, что Биткойн будет фигурировать в будущем компании, поскольку он считает это очевидной необходимостью. Twitter позволяет пользователям отправлять и получать "чаевые" в Биткойнах через Lightning Network. Через совместимое с Lightning Network приложение для платежей Strike многие из пользователей Twitter могут мгновенно и бесплатно отправлять Bitcoin-платежи на другие аккаунты Twitter.

Сальвадор стал первым государством, сделавшим Биткойн законным платежным средством. Созданный правительством кошелек Chivo совместим с Lightning и предназначен для беспрепятственного проведения крипто-платежей. Конечно, это стало отправной точкой популяризации криптовалюты в стране и увеличению подобных платежей. В 2021 году, когда правительство Сальвадора объявило о признании Биткойна платежным средством наравне с долларом США, было также заявлено о намерениях создать официальный криптокошелек для хранения Биткойнов на сумму в $150 млн в трастовом фонде на базе Банка развития Сальвадора, чтобы гарантировать возможность автоматического и мгновенного обмена BTC на доллар США.

В 2021 году также стали появляться кричащие новостные заголовки:

• “McDonald’s в Сальвадоре начал продавать еду за Биткойны”;
• “Власти Сальвадора раздают жителям Биткойны просто так”;
• “Убытки Western Union от легализации Биткойна в Сальвадоре оценены в $400 млн в год”.

Однако у этой истории не получилось продолжения как в сказке. В конце июня 2022 года криптовалютная казна правительства сократилась вдвое, а внедрение Биткойна по всему Сальвадору не набрало достаточного оборота. Таким образом государство ощутило острую нехватку наличных денег для осуществления долговых выплаты в размере более $1 млрд в 2023 году. Данная ситуация стала следствием падения стоимости Биткойна. Стоит отметить, что в начале 2023 года Сальвадор стал постепенно решать вопрос с долговыми обязательствами.

Lightning Network Zap

Zap - это популярный кошелек Lightning Network и платформа для приложений, которая предоставляет удобный интерфейс для управления каналами Lightning Network и осуществления платежей. Она предлагает дополнительные возможности, такие как оптимизация маршрутизации, сетевая аналитика и совместимость с различными сервисами, построенными на Lightning Network. Кстати, недавно мы рассказывали про децентрализованную социальную сеть Nostr, где также можно пользоваться “запами”.

Zap позволяет подключаться к любому своему узлу Lightning, управлять несколькими кошельками, осуществлять платежи on-chain и off-chain, просматривать баланс в Биткойнах, сатоши, фиатах, и, в целом, удобно управлять платежными каналами.

Приложение доступно для Windows, MacOS, Linux и благодаря открытому исходному коду и сообществу разработчиков постоянно развивается.

Помимо кошелька Zap доступны и другие решения, поддерживающие Lightning Network:

• Eclair Wallet;
• BlueWallet;
• Wallet of Satoshi.

Межцепочечные атомарные свопы

Сеть LN может облегчить некоторые транзакции благодаря функции под названием межцепочечные атомарные свопы, которые впервые были описаны в 2013 году. Они позволяют пользователям обменивать криптовалюты напрямую между различными сетями блокчейн без посредников или централизованных бирж. Межцепочечные атомарные свопы имеют потенциал для повышения операционной совместимости и облегчения децентрализованной торговли между различными криптовалютами, однако первое практическое применение было реализовано гораздо позже.

Атомарные свопы могут работать напрямую между блокчейнами разных криптовалют и за пределами блокчейна. Первый обмен при помощи атомарных свопов был осуществлен 19 сентября 2017 года между Decred и Litecoin.

Как это работает? В атомарных свопах используется хэш-контракт (смарт-контракт) с временной блокировкой (HTLC). Данный контракт основан на использовании конкретного времени и предполагает генерацию криптографической хэш-функции, которая может быть проверена сторонами свопа.

То есть для работы смарт-контракта HTLC требуется подтверждение получателем. Подтверждение необходимо дать путем генерации криптографического доказательства платежа до истечения установленного срока. В противном случае транзакция признается недействительной, а средства возвращаются отправителю.

Стоит отметить, что использование сети Lightning не обязательное условие для осуществления обмена криптовалюты через атомарные свопы. Однако интеграция LN позволит сделать такие транзакции более быстрыми и удобными. Лучше всего использование LN понятно, когда транзакции необходимо осуществить вне блокчейн (off-chain)

Среди известных реализаций атомарных свопов - биржа BarterDEX. Команда Komodo заявила, что после успешной связки блокчейнов Bitcoin и Ethereum и внедрения поддержки токенов формата ERC-20, их биржа BarterDEX теперь поддерживает p2p-обмены между 95% всех существующих монет и токенов.

Кроме того, Lightning Network можно использовать для кредитных платформ, децентрализованных сберегательных счетов (на биржах DEX) и других финансовых услуг.

Проблемы и критика сети Lightning

Проблемы централизации возникают не только из-за контролирующих сторожевых башен, но и из-за существования нескольких крупных узлов, созданных организациями, что приводит к своеобразному доминированию в сети. Некоторые считают, что подобное следствие роста может подорвать децентрализованный характер криптовалют и потенциально привести к таким проблемам, как цензура или контроль над транзакциями. В данный момент нет какого-то определенного решения данной потенциальной проблемы.

Наличие ликвидности и пропускной способности каналов может стать ограничивающим фактором, особенно для широкомасштабного внедрения или когда речь идет о крупных транзакциях. Вероятно, данный вопрос упирается в возможности масштабирования Lightning Network.

Что касается пользовательского опыта, то существует мнение, что сеть Lightning, будучи решением второго уровня, создает дополнительные сложности по сравнению с традиционными транзакциями. То есть сеть еще недостаточно проста и удобна для массового внедрения. Настройка и управление платежными каналами, поиск маршрутов для платежей и поддержание достаточной ликвидности каналов могут быть сложными для пользователей, не знакомых с технической документацией. Более того, проблема конфиденциальности все еще существует и для LN. Известно, что с помощью анализа шаблонов транзакций и топологии сети можно установить участников каналов и распознать их поведение.

Перегрузка сети злоумышленниками и взлом каналов все еще является возможным при использовании Lightning. Если платежные каналы перегружены и осуществляется злонамеренный взлом или атака, участники могут оказаться не в состоянии достаточно быстро получить свои деньги, а канал будет заморожен.

Lightning Network не идеальна, по-прежнему подвергается критике и, хоть и стала все чаще внедряться в сторонние от бирж сервисы, требует доработок и, в некоторой степени, упрощения. Однако учитывая техническую подкованность заядлых пользователей криптовалютных бирж, для них это не становится проблемами.

Будущее развитие Лайтнинг

Новые разработки, как и Lightning Network, постоянно совершенствуются. А поскольку данная сеть стала решением крупной проблемы блокчейна Bitcoin и стала популярна среди держателей данной криптовалюты, ей необходимо развиваться почти семимильными шагами, успевая за возрастающими требованиями безопасности, конфиденциальности и удобства использования.

Сеть Lightning Network может выиграть от усовершенствований протоколов в базовом блокчейне, таких как Schnorr Signatures и Taproot. Эти усовершенствования могут повысить конфиденциальность, эффективность и безопасность транзакций Lightning Network, а также обеспечить новые возможности и оптимизацию.

Одним из правильных векторов развития также является улучшение концепции и реализации сторожевых башен, для создания более безопасного пространства для совершения транзакций и уверенности в правильности их проведения.

Несколько предложенных расширений протокола Lightning Network, таких как Eltoo и Channel Factories, направлены на решение различных проблем масштабируемости, удобства использования и ликвидности. Eltoo, например, предлагает улучшенные механизмы штрафов и упрощает обновление каналов, а Channel Factories позволяют более эффективно создавать каналы и управлять ими. Эти расширения способны расширить возможности и повысить производительность сети Lightning Network.

Тем не менее, средняя стоимость транзакции составляет 0,0016 сатоши ($0,000000443), что делает сеть LN чрезвычайно жизнеспособной для микротранзакций и привлекательной для новых пользователей. Появление все большего количества поддерживающих лайтнинг кошельков и криптовалютных бирж, приложений для DeFi, поставщиков ликвидности, нефункционирующих токенов (NFT) и игр, аналогичных приложениям на блокчейне Ethereum также играют в пользу развития сети.

В целом, возможности интеграции LN в другие блокчейн и расширение функциональности позволит сети выйти на совершенно новый уровень.

Влияние сети Lightning Network на криптовалютную экосистему

Lightning Labs, Джозеф Пун и Таддеус Дридж создали решение второго уровня, моментально вызвавшее отклик у аудитории.

Lightning Labs неуклонно развивает свою экосистему для будущего, привлекая инвестиции и совершенствуя сеть, а также значительно повлияло на экосистему блокчейн Биткойн:

• Одной из основных проблем, с которой сталкиваются криптовалюты на основе блокчейна, является масштабируемость. Сеть Lightning Network помогает решить эту проблему, позволяя пользователям открывать платежные каналы вне сети.
• Традиционные транзакции в блокчейне могут быть медленными, особенно в периоды высокой перегрузки сети. С помощью Lightning Network транзакции могут обрабатываться мгновенно вне сети, что устраняет необходимость в подтверждении.
• Благодаря переносу транзакций за пределы сети Lightning Network резко снижаются комиссии за транзакции. Микротранзакции, которые ранее были нецелесообразны из-за высоких комиссий, становятся осуществимыми и экономически выгодными.
• Транзакции Lightning Network являются приватными и не отображаются в основном блокчейне.

Lightning Network ресурсы

Lightning Labs - одна из ведущих компаний, участвующих в разработке Lightning Network. На их сайте представлены ресурсы, документация и инструменты для разработчиков, заинтересованных в создании приложений Lightning Network. А последние новости непосредственно от Lightning Labs можо узнать здесь.

Различные реализации на основе LN:

• Lnd - реализация Lightning Network Daemon, разработанная Lightning Labs. Это проект с открытым исходным кодом, доступный на GitHub, предоставляющий разработчикам надежную платформу для создания приложений с поддержкой Lightning Network.
• c-lightning, еще одна реализация протокола Lightning Network с открытым исходным кодом, разработана компанией Blockstream. c-lightning предлагает богатый набор инструментов и библиотек для разработки Lightning Network.
• Eclair - это реализация Lightning Network на языке Scala от компании ACINQ. Целью Eclair является предоставление доступной и надежной платформы для разработчиков, заинтересованных в создании приложений LN.

Незаменим в работе Lightning Network 1ML, предоставляющий в реальном времени информацию об узлах, каналах и пропускной способности Lightning Network. Его можно использовать для мониторинга статистики сети и отслеживания роста и внедрения LN. Для получения дополнительной статистики во временном разрезе полезен Bitcoin Visuals.

Сообщество разработчиков Lightning Network, представленное в виде платформы для совместной работы, позволяет разработчикам и другим заинтересованным взаимодействовать, делиться знаниями и обсуждать развитие сети. При этом на платформе можно найти множество полезных ресурсов, форумов и чат-каналов.

В качестве дополнительных ресурсов, можете воспользоваться этим сайтом. Там можно найти гайды, историю, статистику, видео-презентации, документацию и инструменты для разработчиков.

Эти ресурсы и инструменты могут послужить отправной точкой для заинтересованных в изучении экосистемы Lightning Network и внесении в нее своего вклада в роли как разработчиков, так и инвесторов.