Das Lightning Netzwerk oder andere Versionen von Netzwerken aus Payment Channels gelten als die – notwendige und hervorragende – Zukunft der Skalierung von Bitcoin. Ein Paper von Christian Decker bringt nun eine Zwischenschicht ins Spiel, die die letzten Grenzen der Skalierbarkeit einreissen kann …
Es mag sein, dass man Bitcoin, so wie es ist, noch ein Stückchen weiter skalieren kann. Aber ab einem gewissen Punkt wird man grundlegende Eigenschaften des Systems aufgeben, um die Kapazität weiter zu erhöhen. Um dies zu vermeiden, haben einige Wissenschaftler und Entwickler das Konzept der offchain Payment Channels entwickelt: Transaktionen werden nicht mehr „auf der Blockchain“ getätigt, wo sie Platz brauchen, sondern „offchain“, in sogennanten Payment Channels.
Wer mit dem Konzept nicht vertraut ist, dem sei dieser Artikel über Lightning empfohlen, der beschreibt, wie ein solcher Payment Channel aufgebaut wird. Grob gesagt kann man sich Payment Channels wie einen Überweisungsschein vorstellen, den man nie einwirft, aber bei dem man die Beträge verändert. Die beiden Parteien in einem solchen Channel aktualisieren eine unbestätigte Transaktion.
Eigentlich verbinden solche Payment Channels nur zwei Parteien. Indem sie aber zu einem Netzwerk verbunden werden, wie dem Lightning Netzwerk, können theoretisch unbegrenzt viele Menschen über mehrere „Hops“ miteinander interagieren. Auch hier gibt es einen Artikel für diejenigen, die gerne mehr darüber erfahren wollen, wie aus den Channels ein Netzwerk entsteht. Vorstellen kann man es sich ein wenig wie die alten Postreiter, die an den Stationen ihre Pferde gewechselt haben.
Grenzen von Lightning und Co.
Noch gibt es solche Netzwerke von Payment-Channels nicht, und noch ist nicht klar, ob sie ökonomisch sinnvoll genug sind, um sich jemals auf freien Märkten zu bilden. Christian Decker, Blockstream-Mitarbeiter und eventuell der erste „Doktor Bitcoin“, erkundet jedoch bereits heute die möglichen Grenzen des Lightning-Netzwerks und sucht nach Lösungen, um sie zu überwinden. Gemeinsam mit Conrad Burchert und Roger Wattenhofer, beide an der ETH Zürich, hat Decker nun ein neues Paper veröffentlicht.
Zunächst erklären die Forscher, welche Schwierigkeiten Lightning und andere offchain-Netzwerke derzeit noch haben: Erstens ist die Skalierbarkeit weiterhin begrenzt. „Sogar mit einer größeren Blocksize reicht die Blockchain-Kapazität schätzungsweise nur für 800 Millionen User von Micropayment-Channels, da sie eine gewisse Anzahl von onchain Transaktionen brauchen, um diese Channels zu öffnen und zu schließen.“ Flächendeckende Micropayment-Anwendungen, wie etwa das Internet-of-Things sie brauchen könnte, würden die Blockchain gegen ihr Limit treiben, da jeder Channel mehrere Blockchain-Transaktionen braucht.
Zweitens müssen beide Parteien eines Payment Channels Guthaben in einem geteilten Account einfrieren. „Diese eingeschlossenen Funds sollten ausreichend sein, um genügend Kapazität für Spitzen im Transaktionsvolumen zu haben. Es gibt einen Interessenskonflikt der beiden Ziele, geringe Guthaben in einen Channel einzuschließen, aber zur selben Zeit flexibel für diese Spitzen zu bleiben.“
Die meisten, die sich in das Thema eingelesen haben, dürften zustimmen, dass diese Probleme nur schwer zu beseitigen sind. Decker und seine Ko-Autoren finden jedoch eine Lösung, die gleich beide Probleme zerschlagen kann.
Aus Layer-2 wird Layer-3
„Payment Channels werden nicht auf der Blockchain erscheinen, außer im Falle einer Uneinigkeit,“ so die Autoren, „User werden in der Lage sein, das System mit einer einzelnen Blockchain-Transaktion zu betreten und dann viele Channels ohne weiteren Blockchain-Kontakt öffnen können.“
Anstatt je Channel eine Transaktion zu benötigen, soll also eine Transaktion ausreichen, um an mehreren Channels zu partizipieren. Wie das möglich ist? Der Trick besteht darin, dass die Guthaben nicht mit einem einzelnen Partner – mit dem man den Channel eröffnet – eingefroren werden, sondern mit einer Gruppe von Partnern. Man überweist seine Guthaben nicht auf eine Multisig-Adresse, die man mit einer Partei teilt, sondern auf eine, in der zahlreiche Parteien drin stecken. So können alle Channels, die alle Teilnehmer an dieser Adresse haben, für alle offenstehen, und wenn es gut läuft, kann man mit einer einzelnen Transaktion Zugang zu Dutzenden, wenn nicht gar hunderten von Channels erhalten.
Die Forscher nennen ihre Innovation „Channel Factories.“ Diese sind „eine neue Schicht zwischen der Blockchain und dem Payment-Netzwerk, womit wir ein System aus drei Schichten bekommen.“
Zwischen Blockchain und Payment-Channels soll also eine weitere Schicht entstehen. Man kann sich das ein wenig wie einen Flughafen vorstellen. Die bisherige Idee war, dass die Passagiere einen Direktflug in ihrem Garten starten, um zu hoffen, mit einigen Umstiegen ans Ziel zu kommen. Nun gehen die Passagiere auf den Flughafen, um sich eine von vielen Flugverbindungen auszusuchen.
Fast grenzenlose Kapazität
Diese Architektur löst auch ein weiteres Problem von Offchain-Netzwerken wie Lightning: Ein User kann entweder wenige – oder nur einen – Payment Channel bilden, womit er sich von großen Hubs mit vielen Channels abhängig macht. Wenn er hingegen viele Channels aufbaut, muss er in jedem Channel Geld einfrieren. Aus diesem Grund gibt es Hinweise, dass das Lightning Netzwerk vermutlich eine zentralisierte Topologie haben wird. Mit den Channel Factories von Decker und Co. könnte ein User mit einer einzigen Transaktion Zugang zu vielen verschiedenen Channels erhalten, was eventuell hilft, das Netzwerk dezentral zu halten – sofern man die Factories nicht selbst als Zentren ansieht.
Im Detail erhöhen die Channel Factories die ohnehin schon hohe Komplexität von offchain-Lösungen wie Lightning. Vermutlich sind sie nicht für den direkten Einsatz in naher Zukunft geplant, sondern als spätere Optimierung, wenn sich die ersten Knoten und Fäden des Lightning-Netzwerks bereits etabliert haben. Der Gewinn durch sie kann, zumindest in den Berechnungen von Christian Decker und Co., immens sein:
Wenn sich bereits drei Parteien zusammentun, um gemeinsam drei Payment Channels zu benutzen, fällt der notwendige Platz auf der Blockchain um 50 Prozent. Wenn man hingegen annimmt, das sich 20 Parteien zusammenschließen, um 100 Channels zu verwenden, sparen die Channel Factories sogar 90 Prozent. Geht man noch davon aus, dass mithilfe von Schnorr-Signaturen die Input-Signaturen aggregiert werden können, steigt die Ersparnis sogar auf 96 Prozent. Anders gesagt: Es gibt vielleicht die Möglichkeit, mit einer dritten Layer alle Transaktionen dieser Welt, sowohl von Menschen als auch Maschinen, auf einer einzigen Blockchain zu settlen.
Natürlich ist das Konzept, zumindest im Paper, eher rudimentär beschrieben. Die Wissenschaftler skizzieren die Mechanismen, mit denen man eine Schicht der Channel Factories aufbauen kann, bleiben aber sehr vage, wenn es um die Topologie des gesamten Netzwerks geht. Auch ökonomische Fragen sind kein Thema. Aber darum geht es zu diesem Zeitpunkt auch noch nicht. Wichtiger ist, dass es offenbar eine Möglichkeit gibt, auch die fernen Beschränkungen von Lightning zu überwinden.