Ключевые моменты
Решения второго уровня были созданы для устранения ограничений масштабируемости, характерных для технологии блокчейна.
Lightning Network — это решение для масштабирования второго уровня, которое предлагает быстрые транзакции без подтверждения блока. Они подходят для эффективных микроплатежей.
Lightning Network обеспечивает безопасные и масштабируемые платежи с помощью адресов с мультиподписью и Hash Timelock Contract.
Введение
Криптовалюты обладают несколькими уникальными свойствами: их не получится легко взломать или отключить, и любой человек может использовать их для передачи средств по всему миру без каких-либо посредников.
Сохранность этих функций гарантируется определенными компромиссами: поскольку за работу криптовалютной сети отвечает множество нод, пропускная способность в ней ограничена. Из-за этого сеть блокчейна обрабатывает не так много транзакций в секунду (TPS), как нужно для массового распространения этой технологии.
Чтобы преодолеть ограничения технологии блокчейна и увеличить пропускную способность сети, был предложен ряд решений по масштабируемости. В этой статье мы рассмотрим одно из расширений протокола Биткоина — Lightning Network.
Что такое Lightning Network?
Lightning Network — это сеть, развернутая поверх блокчейна для обеспечения быстрых одноранговых (P2P) транзакций. Это решение доступно не только для Биткоина, но и для других криптовалют.
Что значит «развернутая поверх блокчейна»? Lightning Network это — офчейн-решение, или же решение второго уровня. Оно позволяет совершать переводы без необходимости записывать каждую транзакцию в блокчейне.
Сеть Lightning Network отделена от сети Биткоина: Lightning Network имеет собственные ноды и программное обеспечение, но все еще должна обмениваться данными с основным чейном. Чтобы войти или выйти из Lightning Network, необходимо создать особые транзакции на блокчейне.
Ваша первая транзакция создает своего рода смарт-контракт с другим пользователем. Вскоре мы разберемся со всеми деталями. А сейчас представьте, что смарт-контракт формирует приватный реестр для вас и другого пользователя. В этот реестр можно записывать множество транзакций. Их видите только вы и ваш контрагент, но ни один из вас не сможет обмануть систему из-за особенностей настройки.
Этот мини-реестр называется каналом. Скажем, Алиса и Боб внесли по 5 BTC на смарт-контракт. Баланс на канале каждого составляет 5 BTC. Алиса может ввести в реестр: перевести 1 BTC Бобу. Теперь у Боба 6 BTC, а у Алисы — 4. Затем Боб может отправить Алисе 2 BTC. Тогда у Алисы будет 6 BTC, а у Боба — 4 BTC. Они могут так делать некоторое время.
В любое время, любой из них может опубликовать текущее состояние канала в блокчейне. В этот момент остатки на каждой стороне канала распределятся между соответствующими сторонами в цепочке.
Транзакции в сети Lightning происходят молниеносно (само ее название означает молнию). Поскольку ждать подтверждения блока не нужно, платежи осуществляются с максимальной скоростью, которую поддерживает интернет-соединение.
Зачем нужна Lightning Network?
На данный момент Lightning Network (LN) — это наиболее разумный подход к масштабированию блокчейна Биткоина. Координировать изменения в такой огромной экосистеме довольно сложно, так как существует риск возникновения хардфорков и критических ошибок. По этим и другим причинам проводить какие-либо эксперименты в сети крайне опасно.
Однако если проводить подобные эксперименты за рамками блокчейна, можно получить гораздо более гибкие решения. В этом случае ошибки и сбои не повлияют на сеть Биткоина. Решения второго уровня не подрывают основы безопасности, на которых уже более 15 лет базируется работа протокола.
Также нет необходимости переходить от старого способа ведения дел. Ончейн-операции (внутри сети) продолжают работать в штатном режиме, для всех конечных пользователей, но помимо этого, также будет доступна возможность совершать операции на офчейне (за рамками сети).
Есть несколько преимуществ использования Lightning Network. Некоторые из основных мы рассмотрим ниже.
Масштабируемость
Блоки Биткоина создаются примерно каждые десять минут и могут содержать определенное количество транзакций. Место внутри блока ограничено, поэтому пользователи делают ставки для продвижения своих транзакций вперед. Поскольку майнеров в первую очередь интересует доход, транзакции с наиболее высокой ставкой они обрабатывают в первую очередь.
Это не проблема, когда средства одновременно отправляет небольшое количество пользователей. При малой активности в следующий блок, скорее всего, включат даже транзакцию с низкой комиссией. Но когда транзакции одновременно совершают слишком много пользователей, средний размер комиссии значительно вырастает. Например, несколько раз она превышала $10. На пике бычьего рынка в 2017 году она поднялась выше $50, а в апреле 2021 года средняя комиссия за транзакцию биткоина превысила отметку в $60.
Такая сумма может показаться незначительной для транзакций на тысячи долларов, но для небольших платежей это невыгодно. Кто захочет платить за кофе стоимостью $3 комиссию в $10?
В Lightning Network вы платите две комиссии: одну — за открытие канала, а другую — за закрытие. Но вы и ваш контрагент получаете возможность абсолютно бесплатно совершать тысячи транзакций в рамках открытого канала. Когда вы закончите, вам нужно будет просто опубликовать финальное состояние в блокчейне.
В глобальном масштабе, чем больше пользователей будет полагаться на автономные решения, такие как Lightning Network, тем рациональнее станет использоваться место в блоке. Низкочастотные и высокочастотные переводы могут осуществляться в рамках платежных каналов, в то время как место в блоках будет использоваться для более крупных транзакций и открытий/закрытий таких каналов. Это сделает систему доступной для более широкой пользовательской базы и позволит масштабировать сеть в долгосрочной перспективе.
Микроплатежи
В Биткоине минимальный размер транзакции составляет 0,00000546 BTC — на момент написания статьи это около 38 центов. Это небольшая сумма, но в Lightning Network можно отправлять всего 0,00000001 BTC, то есть один сатоши.
Lightning отлично подходит для микроплатежей. Из-за комиссий за регулярные транзакции отправлять небольшие суммы в основном чейне нецелесообразно. Однако в рамках канала вы можете перемещать малые части биткоина бесплатно.
Микроплатежи подходят для множества вариантов использования. Некоторые полагают, что они могли бы стать жизнеспособной заменой модели на основе подписей, где пользователи вместо этого платят небольшую сумму при каждом использовании данного сервиса.
Конфиденциальность
Второе преимущество Lightning Network — высокая степень конфиденциальности пользователя. Сторонам не нужно публиковать информацию о своих каналах в сети. Блокчейну предоставляется лишь информация о том, что конкретная транзакция открыла канал, но подробности остаются неизвестными. Если участники делают свой канал приватным, то только они будут знать, какие транзакции осуществляются внутри него.
Если у Алисы есть канал с Бобом, а у Боба есть канал с Кэрол, Алиса и Кэрол могут отправлять средства друг другу через Боба. Если Дэн подключен к Кэрол, Алиса также получит возможность переводить средства и ему. Вы можете представить это в виде постоянно расширяющейся разветвленной сети взаимосвязанных платежных каналов. При такой настройке, вы не сможете быть уверены в том, кому Алиса отправила средства после закрытия канала.
Как работает Lightning Network?
Выше мы объяснили, как Lightning Network полагается на каналы между нодами. Давайте теперь изучим работу системы изнутри.
Адреса с мультиподписью
Адрес с мультиподписью предполагает использование нескольких приватных ключей для осуществления перевода. При его создании указывается количество приватных ключей, которые могут расходовать средства и необходимы для подписания транзакции. Например, схема 1 из 5 означает, что пять ключей могут создать валидную подпись, а для осуществления перевода требуется только один. Схема 2 из 3 будет означать, что из трех возможных ключей для перевода необходимы два.
Для создания Lightning-канала участники блокируют средства по схеме 2 из 2. Создать подпись могут только два приватных ключа, и они оба необходимы для перемещения монет. Рассмотрим это снова на примере Алисы и Боба. Они собираются совершать много переводов в ближайшие месяцы, поэтому создают канал в Lightning Network.
Это начинается с того, что оба они вносят, скажем, по 3 BTC каждый, на их общих адрес с мультиподписью. Стоит еще раз отметить, что Боб не может забрать средства с такого адреса без согласия Алисы или наоборот.
Это равносильно наличию листа бумаги, в котором регулируется баланс каждой стороны. Например, если они имеют стартовый баланс 3 BTC и Алиса хочет внести Бобу платеж размером в 1 BTC, почему бы просто не отметить, что Алиса теперь владеет 2 BTC, а Боб 4 BTC? Такие балансы можно отслеживать до тех пор, пока стороны не примут обоюдное решение: вывести средства.
Это возможно, но в чем может быть подвох? Что еще более важно, не является ли такая простота для кого-то поводом отказаться от сотрудничества? Если Алиса получает 6 BTC, а Боб ни одного, Боб ничего не теряет (кроме своих дружеских отношений с Алисой), отказываясь высвободить средства.
Hash Timelock Contracts (HTLC)
Вышеприведенная система проста и не предлагает богатый функционал, по сравнению с другими современными конфигурациями. Все становится намного интереснее, когда мы представляем механизм, который обеспечивает «контракт» между Алисой и Бобом, предполагающий возможность возврата средств из канала, в случае, если одна из сторон не захочет играть по правилам.
Такой механизм называется Hash Timelock Contract (HTLC). Термин может показаться сложным, но его концепция довольно проста. Она объединяет две технологии — хеш-лок и тайм-лок — для предотвращения нежелательных действий в платежных каналах.
Хеш-лок — это условие для транзакции, согласно которому вы можете расходовать средства, только предоставив определенные данные (секрет). Отправитель хеширует часть данных и включает хеш в транзакцию для получателя. Потратить средства можно, только предоставив оригинальные данные (секрет), соответствующие заданному хешу. Эти данные передаются получателю отправителем.
Тайм-лок — это условие, которое не позволяет тратить средства раньше определенного времени. Временной период указывается либо как фактическое время, либо как определенная высота блока.
HTLC создаются путем объединения хеш-локов и тайм-локов. На практике, HTLC могут использоваться для создания условных платежей: получатель должен предоставить секрет до определенного времени, или отправитель получает право на возврат средств. Следующую часть лучше всего будет рассмотреть на нашем популярном примере, поэтому давайте снова вернемся к Алисе и Бобу.
Открытие и закрытие каналов
Рассмотрим пример: Алиса и Боб только что создали транзакции, которые финансируют адрес с мультиподписью. Данный адрес они собираются использовать в ближайшее время, но пока эти транзакции еще не опубликованы в блокчейне. Для начала нужно сделать еще одну вещь.
Три монеты Боба и три монеты Алисы
Помните, что единственный способ извлечь монеты из кошелька с мультиподписью — это совместная подпись транзакции обеими сторонами. Например, для отправки всех шести монет на внешний адрес Алисе потребуется одобрение Боба. Для начала Алиса сформирует транзакцию (шесть биткоинов на определенный адрес) и добавит собственную подпись.
Алиса может сразу попытаться транслировать транзакцию, но она будет недействительной, поскольку Боб не поставил свою подпись. Алиса должна предоставить ему незавершенную сделку, и как только он подпишет ее, операция станет действительной.
Однако в данном случае, пока еще не предусмотрен процесс, обязующий участников действовать честно. Как мы уже упоминали ранее, если ваш контрагент отказывается сотрудничать, ваши средства фактически оказываются в ловушке. Давайте перейдем к механизму, который предотвращает это. Для этого есть несколько движущих элементов, которые станут решением такой проблемы.
У каждой стороны должен быть свой секрет. Назовем их секреты As и Bs. Пока Алиса и Боб не раскрывают свои секреты. Вместо этого они генерируют хеши соответствующих секретов — h(As) и h(Bs). Вместо того, чтобы делиться секретами, Алиса и Боб обмениваются хешами.
Алиса и Боб обмениваются хешами своих секретов.
Алисе и Бобу необходимо договориться об определенных транзакционных обязательствах перед отправкой переводов на адрес с мультиподписью. Это обеспечит безопасность в случае, если кто-то решит присвоить средства.
Если вы думаете о канале, подобном мини-регистру, на который мы ссылались ранее, то транзакционные обязательства — это обновления, которые вы вносите в регистр. Каждый раз, когда вы создаете новую пару транзакционных обязательств, вы делаете ребалансировку средств между двумя участниками.
У Алисы будет два вывода: первый адрес она пополняет, а другой привязывается к новому адресу с мультиподписью. Она подписывает второй адрес и передает его Бобу.
Транзакция Алисы с двумя выводами: один с депозитом на ее собственный адрес, а другой с депозитом на новый адрес с мультиподписью. Однако для последнего все еще нужна подпись Боба, чтобы сделать операцию действительной.
Боб делает то же самое: один адрес его личный, а другой с мультиподписью. Он подписывает его и передает Алисе.
У нас есть две незавершенные транзакции, которые очень похожи.
Алиса может добавить подпись к транзакции Боба, таким образом одобрив ее. Нужно отметить, что эти средства расходуются из мультиподписи по схеме 2 из 2, которая еще не была профинансирована. Это все равно, что пытаться обналичить чек с нулевым балансом. Получается, что эти частично подписанные транзакции можно будет использовать только после запуска мультиподписи.
Новые адреса с мультиподписью (для которых предназначены 3 выходящих BTC) имеют некоторые специфические свойства. Давайте посмотрим на незавершенную транзакцию, которую Алиса подписала и передала Бобу. Вывод, основанный на мультиподписи, может быть приведен в действие при соблюдении следующих условий:
Обе стороны выполняют совместную подпись.
Боб делает перевод самостоятельно по истечении определенного периода времени (в соответствии с тайм-локом).
Алиса может потратить баланс, если узнает секрет Боба: Bs.
Для транзакции Боб просит Алису реализовать следующее:
Обе стороны выполняют совместную подпись.
Алиса делает перевод самостоятельно по истечении определенного периода времени.
Боб может потратить баланс, если узнает секрет Алисы: As.
Обратите внимание, что ни одна из сторон не знает секрета другой, поэтому условие 3 пока невозможно осуществить. Следует также отметить, что если вы подпишете транзакцию, ваш контрагент может сразу же потратить деньги, поскольку на их вывод не накладываются особые условия. Вы можете дождаться, пока истечет время и потратить средства самостоятельно, или скооперироваться с другой стороной, чтобы потратить их в одно время.
Итак, теперь вы можете публиковать транзакции в исходном адресе с мультиподписью по схеме 2 из 2. Это безопасно: вы сможете вернуть свои средства, если контрагент покинет канал.
После подтверждения транзакций канал будет запущен. Первая пара транзакций показывает текущее состояние мини-реестра. На данном этапе Бобу и Алисе выплачивается по 3 BTC.
Когда Алиса захочет осуществить новый перевод Бобу, паре нужно будет создать две новые транзакции, чтобы заменить первый набор. Практика остается такой же: сделки подписаны только наполовину. Однако Алиса и Боб должны будут отказаться от своих старых секретов и обменятся новыми хешами для следующего раунда транзакций.
Если Алиса хочет заплатить Бобу 1 BTC, то в двух новых транзакциях Алисе и Бобу зачисляются 2 и 4 BTC соответственно. Таким образом баланс обновляется.
Каждая из сторон может в любое время подписать и передать другому последние транзакции, чтобы осуществить расчет, т.е. зафиксировать финальную информацию в блокчейне. Тот кто сделает это, должен будет подождать истечение тайм-лока, в то время как другая сторона может потратить средства сразу, в момент их получения. Стоит отметить, что если Боб подписывает и транслирует транзакцию Алисе, у нее появляется возможность выхода без каких-либо дополнительных условий.
Обе стороны могут вместе закрыть канал (осуществить кооперативное закрытие) — это самый простой и быстрый способ вернуть средства обратно в сеть. Но если одна из сторон перестает отвечать на запросы или отказывается сотрудничать, другая может вернуть свои средства по истечении тайм-лока.
Предотвращение мошенничества в Lightning Network
Вероятно, вы уже распознали возможный вектор атаки. Если сейчас баланс Боба составляет 1 BTC, что помешает ему выбрать старую транзакцию, где у него больше монет? Он ведь уже получил подпись от Алисы, и ему нужно лишь добавить свою подпись и отправить транзакцию в блокчейн, так?
От таких действий его удерживает риск потерять весь свой баланс. Допустим, он решает поступить так и отправляет свою старую транзакцию, которая передает Алисе одну монету, а пять отправляет на адрес с мультиподписью, упомянутый ранее.
Алиса немедленно получает свою монету. Боб же должен дождаться истечения тайм-лока, чтобы потратить средства с адреса с мультиподписью. Помните, мы упоминали еще одно условие, при котором Алиса может потратить эти средства немедленно? Ей нужен секрет, которого у нее тогда не было. Теперь он у нее есть: как только был создан второй раунд транзакций, Боб выдал этот секрет.
Пока Боб находится в ожидании истечения тайм-лока, не в состоянии что-либо сделать, Алиса может переместить эти средства. Этот механизм, основанный на санкции, предполагает, что участник вряд ли захочет попытаться мошенничать, по той простой причине, что в таком случае, другая сторона сразу получает доступ к их общим монетам.
Маршрутизация платежей
Мы уже говорили о том, что каналы могут быть связаны между собой. В противном случае Lightning Network не была бы так удобна для платежей. Вы ведь не собираетесь заблокировать $500 в канале с кофейней, чтобы получать кофе ежедневно в течение следующих нескольких месяцев?
Вам не нужно этого делать. Если Алиса открывает канал с Бобом, а у Боба уже есть канал с Кэрол, Боб может отправлять платежи между ними. Данный механизм работает в несколько «прыжков», то есть Алиса может быстро перевести средства любому, к кому существует подобный путь.
В этом сценарии Алиса может воспользоваться несколькими маршрутами, чтобы добраться до Фрэнка. На практике, этот путь всегда будет самым коротким.
За свою роль в маршрутизации посредники могут взимать небольшую плату (но это необязательно). Lightning Network — это относительно новый продукт, поэтому рынок комиссий еще не сформировался. Многие ожидают увидеть комиссию, основанную на предоставленной ликвидности.
В базовом чейне комиссия зависит исключительно от того, какое место занимает ваша транзакция в блоке. Сумма транзакции не имеет значения: платежи в $1 и $10 000 000 стоят одинаково. В Lightning Network же нет такого понятия, как место в блоке.
Вместо этого здесь используется концепция локальных и удаленных балансов. Локальный баланс — это сумма, которую можно «подтолкнуть» на другой конец канала. Удаленный баланс — это сумма, которую может подтолкнуть к вам контрагент.
Рассмотрим еще один пример. Давайте изучим один из приведенных путей: Алиса <> Кэрол <> Фрэнк.
Балансы пользователей до и после перевода 0,3 BTC от Алисы к Фрэнку.
Алиса <> Кэрол и Кэрол <> Фрэнк имеют общую пропускную способность в 1 BTC. Локальный баланс Алисы составляет 0,7 BTC. Если бы они решили сейчас осуществить расчет в блокчейне, она получила бы 0,7 BTC, а Кэрол — свой удаленный баланс (то есть 0,3 BTC).
Если Алиса хочет отправить 0,3 BTC Фрэнку, она отправляет 0,3 BTC к Кэрол. Затем Кэрол производит вывод 0,3 BTC со своего локального баланса в канал с Фрэнком. В результате баланс Кэрол остается прежним: +0,3 BTC от Алисы и -0,3 BTC для Фрэнка исключают все сторонние операции.
Кэрол не несет убытков, выступая в роли связующего звена между Алисой и Фрэнком, но становится менее гибкой. Теперь она может потратить 0,6 BTC в канале с Алисой, но только 0,1 BTC в канале с Фрэнком.
Вы можете представить себе ситуацию, когда Алиса подключена только к Кэрол, а Фрэнк к гораздо более широкой сети. Раньше Кэрол могла отправлять в общей сложности 0,4 BTC другим, через Фрэнка, но теперь она может предложить только 0,1 BTC, потому, что все ее средства находятся на другом конце канала.
В этом случае Алиса успешно поглощает ликвидность Кэрол. Кэрол, в свою очередь, не хочет и дальше ослаблять свою позицию, поэтому она ставит условие: направлять каждые 0,01 BTC с комиссией в 10 сатоши. Таким образом, чем больше локальных балансов будут осуществлять транзакции на условиях Кэрол, тем прибыльнее будет ее позиция.
Мы упоминали ранее, что фактические требования к комиссии отсутствуют. Одни могут не беспокоиться о снижении ликвидности, в то время как другие будут открывать каналы исключительно для сбора комиссий.
Недостатки Lightning Network
Было бы замечательно, если Lightning Network стала решением всех проблем с масштабируемостью биткоина. К сожалению, у концепции есть свои недостатки, которые могут помешать этому.
Удобство использования
Биткоин — не самая интуитивно понятная система для новичков: адреса, комиссии и все остальное могут сбить с толку при первом знакомстве. А после настройки клиента Lightning пользователям также необходимо открыть каналы, прежде чем они смогут совершать платежи. Это может отнять много времени и сил, особенно для новичков, не знакомых с концепцией входящей/исходящей пропускной способности.
Тем не менее, технологии постоянно совершенствуются, уменьшая порог для входа, и становятся более доступными для пользователей.
Ликвидность
Один из главных недостатков Lightning Network — ограничение возможности совершать сделки. Вы не можете потратить больше, чем заблокировали в канале. Если вы все потратите, и на удаленном балансе окажутся все средства канала, вам придется закрыть канал. В качестве альтернативы вы можете подождать, пока кто-нибудь заплатит вам, но тоже не очень удобно.
Пути также могут быть ограничены общей пропускной способностью канала. Рассмотрим это на предыдущем примере: Алиса <> Кэрол <> Фрэнк. Если пропускная способность канала Алисы и Кэрол составляет 5 BTC, а канала Кэрол и Фрэнка — только 1 BTC, Алиса не сможет отправить через них более 1 BTC. Более того, чтобы это сработало, в канале Кэрол <> Фрэнк необходимо перенести весь баланс на сторону Кэрол. Данный недостаток может серьезно ограничить пропускную способность LN-каналов, что влияет на удобство использования.
Централизованные хабы
Из-за проблемы, упомянутой в предыдущем разделе, существует некоторая обеспокоенность о том, что сеть будет способствовать развитию крупных «хабов». Это предполагает появление тесно связанных организаций с большой ликвидностью, где любые значительные платежи будут направляться через некоторые из них.
Очевидно, такой вариант развития событий не является благоприятным. Это ослабит систему, так как выход таких провайдеров в автономный режим приведет к существенному нарушению отношений между элементами системы. Существует также повышенный риск цензуры по причине наличия нескольких точек, через которые проходят транзакции.
Текущая стадия развития Lightning Network
По состоянию на март 2024 года Lightning Network успешно развивается. Сеть насчитывает более 13 000 онлайн-нод, более 52 000 активных каналов и пропускную способность в чуть более 4570 BTC.
Распределение нод Lightning Network по всему миру.
Существует несколько различных решений для запуска ноды — одними из самых популярных являются c-lightning от Blockstream, Lightning Network Daemon от Lightning Labs и Eclair от ACINQ. Пользователи, которые не хотят вникать в технические аспекты, могут воспользоваться нодами в формате plug-n-play. В таком случае для работы с Lightning Network потребуется лишь включить устройство.
В заключение
Lightning Network значительно выросла с момента запуска основной сети в 2018 году. На данный момент для управления нодами Lightning требуются технические навыки, что создает ограничения в использовании. Но учитывая скорость развития, со временем можно рассчитывать на снижение порога входа.
Рекомендуемая литература
Отказ от ответственности: следующие материалы предоставляются на условиях «как есть» без каких-либо гарантий исключительно для общих справочных и образовательных целей. Эта информация не должна рассматриваться как финансовая, юридическая консультация или рекомендация по приобретению какого-либо конкретного продукта или услуги. Вам следует самостоятельно обратиться за советом к соответствующим профессиональным консультантам. Поскольку статья написана сторонним автором, обратите внимание, что высказанные мнения принадлежат стороннему автору и необязательно отражают точку зрения Binance Academy. Для получения более подробной информации перейдите по ссылке. Стоимость цифровых активов может быть волатильной. Стоимость инвестированных средств может увеличиваться и уменьшаться. Вы можете не вернуть инвестированные средства. Вы несете полную ответственность за свои инвестиционные решения. Binance Academy не несет ответственность за ваши возможные убытки. Данная информация не является финансовой, юридической или профессиональной рекомендацией. Чтобы узнать больше, ознакомьтесь с нашими Условиями использования и Предупреждением о рисках.