Что такое Lightning Network

Первые блокчейны, в том числе bitcoin, были призваны решить задачу прозрачности, безопасности и независимости от третьих сторон, таких как центральные банки. Они не были рассчитаны на высокую пропускную способность: каждую транзакцию записывали в общую цепь блоков и перекрестно проверяли участниками сети. С увеличением числа пользователей и объемов транзакций блокчейн сталкивается с проблемами: высокие комиссии и замедление обработки платежей, так как сеть не может обрабатывать большой поток данных в реальном времени. 

Lightning Network (LN) решает этот вопрос: создает второй уровень поверх основного блокчейна. Сеть использует специальные платежные каналы, которые позволяют проводить транзакции почти мгновенно и со значительно меньшими комиссиями, сохраняет при этом их безопасность и записывает только окончательные данные в блокчейн.

Что такое Lightning Network

Это решение, разработанное для bitcoin, призванное преодолеть ограничения масштабируемости и сделать криптовалютные транзакции быстрыми, дешевыми и доступными для повседневного использования. Lightning Network — так называемая технология второго уровня, которая работает поверх основного блокчейна, дополняет, а не заменяет его. Она использует каналы платежей, где пользователи могут обмениваться средствами напрямую, не записывать каждую транзакцию в блокчейн. Это помогает существенно снизить нагрузку на сеть и увеличить скорость обработки.

Основной принцип Lightning Network заключается в том, что пользователи создают между собой двухсторонние каналы платежей, открывают и закрывают их через основные транзакции в блокчейне bitcoin. Пока канал открыт, участники могут беспрепятственно переводить средства друг другу, а эти переводы не требуют подтверждений в блокчейне, что делает их практически мгновенными. Вся информация о транзакциях хранится только между участниками канала и не попадает в блокчейн до момента его закрытия, когда записывается только финальный баланс. Такой подход позволяет сэкономить ресурсы, значительно уменьшить комиссии и сделать возможными микроплатежи, которые ранее были нерентабельны из-за высоких затрат.

Lightning Network выполняет важную роль, создает основу для более масштабного и гибкого использования bitcoin. Она делает возможными повседневные транзакции с криптовалютой, такие как покупка товаров и услуг, где высокая скорость перевода и низкие комиссии обязательны.

Как работает bitcoin и lightning network: детали

LN основывается на системе платежных каналов, которые позволяют пользователям обмениваться средствами напрямую, без записи каждой транзакции в блокчейне. Эти каналы работают как безопасные временные «туннели» для транзакций, позволяют пользователям переводить средства практически мгновенно и с минимальными комиссиями. Рассмотрим подробнее, как работают каналы и в чем заключается принцип транзакций вне основной цепи блокчейна.

Основной принцип каналов платежей

Lightning Network позволяет двум участникам открыть между собой канал платежей, который фиксирует начальные условия, например, баланс обеих сторон. Этот канал действует как двухсторонний контракт, по которому пользователи могут обмениваться средствами неограниченное количество раз, пока канал открыт. Каждая такая транзакция внутри канала фиксируется только между этими двумя участниками и не попадает сразу в блокчейн. Это позволяет проводить быстрые и недорогие переводы, так как блокчейн не участвует в каждом из них.

Для обеспечения безопасности и прозрачности обменов используют криптографические методы и специальные механизмы, такие как хеш-таймлок контракты (HTLC), о которых подробнее расскажем ниже. Они позволяют гарантировать, что перевод завершится, либо средства автоматически вернутся отправителю, если одна из сторон не подтверждает получение.

Открытие и закрытие каналов

Чтобы этот механизм заработал, нужны некоторые технические процедуры, чем-то схожие с тем, как в компьютерных сетях устанавливают соединение. Для начала работы нужно открытие канала, а для завершения — закрытие. 

1. Открытие канала. Процесс открытия канала начинается с того, что обе стороны создают специальную транзакцию, которая записывается в блокчейн. В этой транзакции фиксируют начальные балансы каждой из сторон. Например, если пользователь A вносит 1 bitcoin, а пользователь B — 0,5 bitcoin, эти суммы блокируют в канале как «депозиты» для будущих транзакций. С помощью этой транзакции устанавливают начальное распределение средств и создают основу для последующих обменов между A и B.

При открытии канала каждый из участников подписывает договор о первоначальных суммах и условиях канала. Эта транзакция — один из немногих моментов, когда надо записать данные в основной блокчейн, чтобы зафиксировать открытие канала. Как только канал открыт, пользователи могут начать обмениваться средствами, не задействуя основную цепочку блокчейна.

2. Закрытие канала. Когда пользователи завершают взаимодействие или хотят зафиксировать итоговый баланс в блокчейне, они закрывают канал. Закрытие канала происходит в виде финальной транзакции, которая записывает общий итог балансов. Например, если пользователь A и пользователь B завершили несколько транзакций между собой, итоговые суммы будут отражены в блокчейне только один раз при закрытии канала. Это финальная транзакция фиксирует, сколько средств осталось у каждого пользователя после всех обменов, которые происходили внутри канала.

Закрытие канала может инициировать любая из сторон. Это требует их обоюдного согласия. Если по каким-то причинам стороны не могут прийти к согласию, в Lightning Network есть механизмы для безопасного закрытия канала и возврата средств.

Поскольку открытие и закрытие канала приводят к записи транзакции в блокчейн, то идут они по стандартным протоколам и занимать могут значительное время. Зато между этими транзакциями обмен криптовалютой происходит очень быстро. 

Принцип транзакций вне основной цепи блокчейна и их завершение на блокчейне

LN позволяет проводить транзакции вне блокчейна, как раз для этого и используют каналы платежей. В отличие от традиционных переводов bitcoin, Lightning Network хранит информацию о транзакциях только внутри канала. Это снимает нагрузку с сообщества, задействует вычислительные ресурсы только пользователей открытого канала. Это радикально снижает нагрузку на основную цепь блоков и позволяет системе масштабироваться.

Когда один пользователь переводит средства другому внутри канала, происходит обновление балансов участников, но эти изменения остаются локальными и недоступны для остальной сети. Каждую транзакцию подписывают обе стороны и защищают криптографически, чтобы никто не мог изменить баланс в свою пользу без согласия второго участника. Благодаря этому транзакции охраняют от двойного расходования или мошенничества.

Фактически, пользователи проводят не одну, а несколько операций вне блокчейна, пока канал открыт. При закрытии канала в блокчейне фиксируют только итоговый результат: общий баланс, который остался у каждого участника после всех обменов.

Технические особенности

Lightning Network использует хеш-таймлоки, криптографическую защиту данных, систему узлов и маршрутизации, а также протоколы, предотвращающие двойное расходование. Подробно рассмотрим каждую из этих особенностей.

Хеш-таймлоки (HTLC) и криптографические механизмы безопасности

Хеш-таймлок контракты (HTLC) — это один из базовых криптографических механизмов, на которых построена Lightning Network. HTLC позволяет пользователям проводить безопасные и условные транзакции, которые зависят от выполнения двух условий:

1. Транзакцию можно завершить, только если получатель предоставляет уникальный секретный ключ, известный как пре-образ. Этот ключ служит доказательством того, что получатель действительно принимает средства. Хеш этого пре-образа изначально известен обеим сторонам, но сам пре-образ хранится только у получателя до тех пор, пока он не будет готов принять средства. Этот метод гарантирует, что средства переводят только тогда, когда получатель фактически может их принять.

2. Таймлок — это временное ограничение, которое позволяет аннулировать транзакцию, если она не завершена в течение определенного времени. Если получатель не предоставляет пре-образ в указанный срок, средства автоматически возвращают отправителю. Это защищает его от ситуации, когда получатель не принимает средства, но и не отдает их.

HTLC делает возможными безопасные переводы даже между незнакомыми пользователями, обеспечивает защиту от недобросовестных действий обеих сторон. Криптографическую защиту используют также для обеспечения конфиденциальности всех данных, которые передают через канал, а каждое изменение баланса в канале подписывают оба участника, что исключает возможность подделки транзакций.

Роли узлов и маршрутизации платежей

Сеть Lightning представляет собой распределенную пиринговую сеть узлов, которые играют две ключевые роли — отправителей и маршрутизаторов платежей. Узлы могут открывать каналы платежей друг с другом и передавать транзакции по сети, используя концепцию маршрутизации.

Каждый узел может как отправлять, так и принимать платежи через свои каналы. Если у одного узла есть открытый канал с другим узлом, он может выступать как «промежуточное звено» для передачи средств. Таким образом, сеть строит маршруты между конечными точками, позволяет передавать средства даже между теми пользователями, у которых нет прямого канала друг с другом.

При передаче средств по сети Lightning Network используют концепцию многозвенной маршрутизации, где платежи проходят через несколько узлов, каждый из которых добавляет свою часть данных, не зная всей цепочки. Маршрут строят так, чтобы конечные точки соединялись с минимальными затратами, а также, чтобы узлы не видели точного маршрута средств, за исключением своих прямых соседей. Это становится механизмом обеспечения дополнительной конфиденциальности. Каждый узел получает только минимально необходимую информацию для передачи платежа, что защищает данные о транзакции и конечных пользователях.

Маршрутизация также использует HTLC, позволяет промежуточным узлам гарантировать, что они не потеряют средства в случае, если получатель не примет платеж.

Протоколы защиты от двойного расходования

Lightning Network использует ряд протоколов для защиты от двойного расходования — ситуации, когда один и тот же биткоин тратят дважды. В LN это достигают несколькими уровнями защиты:

1. Закрытие канала и единственная запись в блокчейн. При открытии и закрытии канала происходит фиксация начальных и конечных балансов обеих сторон. Все транзакции, которые проводят внутри канала, остаются за его пределами, пока не надо будет записать финальную сумму. Таким образом, только итоговый баланс, который невозможно подделать, фиксируют на блокчейне, что защищает от попыток задвоения записей.

2. Блокировка транзакций в случае спора. Если одна из сторон канала пытается закрыть канал по ранее сохраненной версии, где баланс был выгоден ей, например, обналичить старый баланс до совершения определенного количества транзакций, в Lightning Network предусмотрен механизм «штрафа». Когда другая сторона канала видит, что используют старый баланс, она может наказать недобросовестного пользователя и забрать его средства в качестве компенсации. Это делает попытки мошенничества крайне рискованными и дорогими для потенциального нарушителя.

3. Временные ограничения и таймлоки. Lightning Network использует таймлоки и HTLC для того, чтобы любое нарушение или попытка обмануть систему немедленно становились известны другим участникам. Таймлоки позволяют откатить или аннулировать транзакцию, если ее не подтвердили в установленный срок.

За счет использования стратегии экономичного взаимодействия с блокчейном (записи только начального и конечного состояний между контрагентами), а также изоляции узлов друг от друга на уровне протоколов маршрутизации решают главные проблемы блокчейна: скорость и стоимость транзакций. 

Преимущества Lightning Network

Lightning Network успешно решает поставленную перед ним задачу: ускорить транзакции в bitcoin за меньшие комиссии. Это открывает возможности работы с микроплатежами. Рассмотрим каждое из этих преимуществ подробнее.

Высокая скорость транзакций

Одно из ключевых ограничений традиционного блокчейна bitcoin — сравнительно низкая скорость обработки транзакций. Каждую надо включить в блок, и для ее подтверждения нужно заметное, в некоторых случаях до часа, время. В периоды высокой нагрузки период ожидания увеличивается, поскольку конкуренция за место в блоке растет, и пользователи вынуждены либо платить более высокие комиссии, либо ждать дольше обычного.

Lightning Network решает эту проблему, позволяет пользователям проводить транзакции вне основной цепочки блокчейна. Скорость передачи в Lightning Network ограничивается только пропускной способностью сети и временем на криптографические операции, что делает ее на порядок быстрее классических блокчейн-транзакций.

Низкие комиссии за транзакции

В блокчейне bitcoin пользователи платят комиссии за каждую отдельную транзакцию, причем стоимость может существенно варьироваться в зависимости от загруженности сети. Это делает мелкие переводы нерентабельными: комиссия может быть больше, чем сумма самого платежа. Lightning Network устраняет необходимость оплаты комиссии за каждую отдельную операцию, поскольку все транзакции проходят внутри канала, не нагружают блокчейн. Единственную комиссию взимают лишь в момент открытия и закрытия канала, когда фиксируются начальный и итоговый балансы участников. 

Промежуточные узлы, которые участвуют в маршрутизации платежей, могут взимать небольшие комиссии за свои услуги. Однако в большинстве случаев это крошечные суммы, так как для узлов эти комиссии служат скорее мотивацией поддерживать работу сети, а не источником дохода. Поэтому использование Lightning Network позволяет избежать высоких транзакционных затрат и значительно уменьшить комиссионные расходы.

Возможность микроплатежей и микроэкономики

Lightning Network дает возможность работать с микроплатежами — переводами на очень малые суммы, которые невозможны в обычном блокчейне из-за высоких комиссий. Благодаря сниженным комиссиям и быстрым транзакциям, Lightning Network позволяет проводить переводы даже на доли цента, что открывает путь для новых экономических моделей и цифровых сервисов.

Микроплатежи особенно важны для таких сфер, как цифровой контент и онлайн-сервисы, где пользователи могут платить за каждую просмотренную статью, видео или доступ к ограниченному контенту. Lightning Network делает экономически оправданным взаимодействие, основанное на частых и небольших платежах, создавая основу для микроэкономики.

Какие есть ограничения

И при всех безусловных достоинствах у Lightning Network есть и свои сложности. Ограничения связаны с доступностью каналов, ликвидностью и трудностями в масштабировании, которые в совокупности создают технические и экономические барьеры для пользователей и операторов узлов.

Ограниченность в доступности каналов — это одна из первых проблем, с которой сталкиваются пользователи Lightning Network. Для того чтобы проводить транзакции, две стороны должны сначала открыть между собой платежный канал, внести средства, которые заблокируют в канале до его закрытия. Этот процесс требует предварительной настройки и наличия доступных узлов, готовых подключиться к новым пользователям. В результате, участникам, у которых нет прямых каналов с нужными получателями, приходится полагаться на промежуточные узлы, создавать цепочки для маршрутизации платежей. Однако такие маршруты могут оказаться нестабильными или вовсе недоступными, особенно если в цепочке задействованы узлы с низкой ликвидностью или лимитированными каналами. В итоге, ограниченная доступность каналов делает Lightning Network менее гибкой по сравнению с традиционными системами, где связь между отправителем и получателем устанавливают без дополнительных настроек.

Проблемы с ликвидностью также оказывают существенное влияние на работу LN. Ликвидность каналов в сети зависит от того, сколько средств заблокировано для проведения транзакций. Чтобы успешно завершить платеж, нужно, чтобы у каналов было достаточно средств на балансе с обеих сторон. Если одна сторона израсходовала доступные средства, то дальнейшие транзакции станут невозможными до тех пор, пока канал не получит новые средства для проведения транзакций. Эта зависимость от ликвидности приводит к тому, что некоторые платежи просто невозможно провести, даже если маршруты между узлами существуют. Особенно остро эта проблема проявляется при попытке провести крупные платежи или использовать сложные маршруты. Это часто приводит к прерыванию транзакций из-за недостатка средств на промежуточных узлах. Ликвидность в Lightning Network, таким образом, представляет собой серьезное ограничение, уменьшает доступность сети, ее готовность обслуживать запросы и фактически делает ее непредсказуемой для пользователей.

LN была призвана решить проблемы масштабируемости основной сети биткоина, но столкнулась с теми же самыми трудностями по мере собственного роста. Ее текущая структура такова, что увеличение количества узлов и их производительности создает дополнительные накладные расходы на маршрутизацию. Когда у вас в сети мало узлов, то между ними больше прямых соединений, и они работают быстро. Прямые связи не требуют вовлечения посредников, которые не тратят свои усилия на проведения вашей транзакции. Когда узлов становится больше, то маршруты транзакций становятся сложнее, а значит, задействуют больше вычислительных мощностей для их проведения. В результате нагрузка растет быстрее, чем число проводимых в сети транзакций. То есть соотношение затрат на полезные и вспомогательные операции ухудшается в пользу последних, и, если так можно выразиться, КПД сети падает. Кроме того, с увеличением числа узлов возрастает риск перегрузки сети и повышается вероятность возникновения временных задержек и ошибок в обработке транзакций. Все это затрудняет создание универсальной инфраструктуры для LN и требует доработок, чтобы обеспечить стабильное функционирование при увеличении объемов.

Кто использует Lightning Network

Сеть Lightning уже нашла применение в ряде сфер, включая торговые площадки, обменные платформы и у различных провайдеров цифровых услуг. Эти пользователи видят значительные преимущества в использовании LN, в первую очередь по причине скорости и стоимости транзакций через эту сеть.

Торговые площадки, которые принимают криптовалюту в качестве оплаты, активно используют Lightning Network для улучшения взаимодействия с клиентами. Так как каждый перевод через основной блокчейн bitcoin требует подтверждений и оплаты комиссии, мгновенные переводы с низкими затратами стали особенно привлекательны для онлайн-ритейлеров. Lightning Network позволяет этим площадкам предлагать клиентам комфортные условия оплаты и сводить к минимуму время ожидания. Мгновенные переводы также важны для компаний, где товары и услуги часто меняются в цене или доступны в ограниченных количествах, поскольку это снижает вероятность отмены заказа из-за медленной обработки платежа.

Обменные платформы и биржи также интегрируют LN, чтобы облегчить процесс ввода и вывода bitcoin, избегать задержек и высоких комиссий. Например, платформы с поддержкой Lightning Network позволяют пользователям переводить средства на биржу и с нее в разы быстрее, чем через основной блокчейн. Это привлекательно для трейдеров и инвесторов, так как уменьшает расходы и ускоряет доступ к капиталу. Некоторые биржи также предлагают более выгодные условия при использовании сети для депозитов и вывода, что дополнительно стимулирует ее использование среди клиентов.

Провайдеры цифровых услуг, в том числе компании, которые предоставляют доступ к контенту, или те, кто работает с микроплатежами, также находят преимущества в Lightning Network. Поскольку эта сеть позволяет переводить даже минимальные суммы, многие провайдеры используют ее для внедрения моделей оплаты «pay-per-use» (PPU, оплата за использование) или «pay-per-view» (PPV, оплата за просмотр). Это выгодно для пользователей, так как они могут оплачивать только ту часть услуги, которую они фактически используют, не переплачивать за ненужные пакеты или подписки. LN делает возможным применение криптовалюты для оплаты цифровых продуктов, предоставляет провайдерам гибкость в монетизации контента.

Будущее Lightning Network

По данным сообщества Lightning Labs, которое поддерживает развитие LN, сеть находится на пути к крупным изменениям, и одну из ключевых ролей здесь играет протокол Taproot Assets. Он позволяет создавать и передавать цифровые активы, такие как стейблкоины и другие токенизированные активы, и использует инфраструктуру bitcoin и Lightning Network. С помощью Taproot Assets пользователи смогут использовать свои цифровые активы в тех же каналах Lightning, которые до сих пор были доступны только для bitcoin. Это делает сеть многовалютной и расширяет ее полезность для ежедневных транзакций. Возможность использовать стейблкоины в кошельках Lighning особенно важно для развивающихся стран, где криптовалюты играют роль «безопасной гавани» рядом с нестабильными национальными валютами. Платежи и bitcoin, и стейблкоинами, и другими активами можно будет проводить через BTC-сеть и открывать новые возможности для уже большого числа ее участников.

Для расширения возможностей Taproot Assets вводят систему запросов на котировки (RFQ), которая позволяет маршрутизирующим узлам согласовывать котировки на обмен активов в каналах с BTC. Это значит, что узлы могут действовать как своеобразные обменные сервисы: предоставлять актуальные курсы обмена между различными активами и BTC. Это делает возможным обмен без посредников и централизованных бирж. Узлы, которые участвуют в маршрутизации, смогут автоматически генерировать и обновлять котировки для обмена активов. Это положительно скажется на доступности сети и еще немного снизит комиссии за операции. 

Еще одно важное направление развития Taproot Assets — это так называемые trustless swaps (дословно: «обмены без доверия»). Это транзакции, которые не требуют доверия между сторонами. Существует целый класс криптографических алгоритмов и механизмов, которые позволяют надежно и безопасно проводить транзакции в условиях полного недоверия контрагентов друг другу. Обмены такого рода используют механизмы частично подписанных биткоин-транзакций (PSBT) и смарт-контракты, где сделка завершается автоматически, если обе стороны соблюдают оговоренные условия. В Lightning Network это позволяет участникам безопасно обменивать активы, например, стейблкоины на биткоины, без посредников и централизованных платформ.

Помимо этого, Lightning Labs продолжает развивать маршрутизацию платежей. Это позволит поддерживать высокий уровень успешности транзакций даже в условиях роста объема пользователей и транзакций. Планируют также ввести функциональность для автоматического управления ликвидностью, что, в свою очередь, приведет к повышению пропускной способности сети и ее готовности обслуживать растущий поток транзакций.

Все эти нововведения призваны сделать работу с сетью естественной и приятной для пользователей, а также подготовить сеть Lightning к повсеместному использованию как для криптовалютных, так и для традиционных финансовых операций, где быстрые и дешевые переводы критически важны.

Заключение

За счет механизма установления каналов и локализации вычислительной нагрузки между пользователями канала без необходимости привлечения других участников сети достигли значительного сокращения времени и стоимости проведения транзакций. При этом в основной блокчейн записывают лишь начальные балансы при открытии канала и конечные при его закрытии. Но по мере развития Lightning Network столкнулась со своими проблемами масштабирования. Специфика реализации протокола привела к тому, что рост числа узлов и обрабатываемой ими нагрузки естественным образом ухудшает соотношение полезные/вспомогательные действия. Сообщество, которое поддерживает эту сеть, ищет технические решения для этой проблемы и систематически их внедряет. Более того, они видят, что объемы транзакций в стейблкоинах уже перевалили за 50% от всего их объема в криптомире, и их доля продолжает расти. Ответом на этот тектонический сдвиг криптоландшафта становится поддержка мультивалютности сети Lightning. Реализация этой идеи откроет возможности проводить транзакции в стейблкоинах через сеть. И не только в них, а и в других активах. 

Но уже сегодня сеть Lightning открыла возможности микротранзакций с BTC, у которых раньше не было экономического смысла, а значит, биткоин можно применять в таких моделях потребления сервисов и контента, как PPU и PPV. Сеть также открывает возможность использования BTC в новых видах сервисов и децентрализованных приложений, где важны скорость и доступность.