Jak funguje Lightning Network: vysvětlení pro bitcoinové zelenáče

V tomto článku se budeme zabývat jak funguje Lightning network.Takovým způsobem, aby jí porozuměl i úplný bitcoinový začátečník. Nevyhneme se proto drobným zjednodušením.

Vysvětlíme si, jak fungují platební kanály a jak probíhá platba prostřednictvím více kanálů. Pro ty, kteří se příliš nezajímají o technické detaily a chtějí lightningu porozumět pouze na uživatelské úrovni, je užitečné začít tím, co byste o lightningu měli vědět jako majitelé peněženek této platební sítě.

Co je lightning network?

Lightning Network je decentralizovaná vrstva nad blockchainem, která umožňuje rychlé a levné transakce mezi účastníky sítě.

Konkrétně jde o síť uzlů propojených sítí kanálů, které umožňují uzavření mikroplateb mezi účastníky sítě bez nutnosti potvrzení každé transakce v blockchainu. To výrazně snižuje náklady na transakce a zrychluje čas potřebný k provedení platby.

Kromě toho, že Lightning Network umožňuje rychlé a levné transakce, také poskytuje větší soukromí a bezpečnost transakcí. To je možné díky tomu, že údaje o transakcích se ukládají pouze mezi účastníky dané transakce a nejsou zveřejněny na blockchainu.

Lightning Network je stále v rané fázi vývoje, ale může být významným krokem k dosažení masového přijetí kryptoměn jako platidla.

Rozdíly mezi Lightning network a klasickým on-chain Bitcoinem

Nejdůležitější věc, kterou by měl každý o Lightningu vědět, je ta, že Lightning network nemá žádné adresy. Platbu provedeme vytvořením platební cesty k uzlu a zaplacením Lightning faktury. Po zaplacení se tak Lightning faktura ztratí a nemusíme ji nikde ukládat. Lightning tak poskytuje o poznání více soukromí než on-chain platby a na rozdíl od Bitcoin blockchainu v něm nejsou jednotlivé platby trvale zaznamenány – provedená platba pouze určitým způsobem “změní” poměr zůstatků na peněženkách (pokud Alice pošle Bobovi částku 20 eur, Alice má o 20 eur méně a Bob o 20 eur více). K odesílání se používá tzv. “payment channel” nebo “platební kanál” mezi Alicí a Bobem.

Vzhledem k tomu, že k zaplacení Lightning faktury je nutná spolupráce obou stran (a části Lightning sítě, kterou používáme jako platební cestu), obsahuje faktura informace o tom, jak kontaktovat druhou stranu. Jaký veřejný klíč můžeme použít, o jakou platbu (jakou částku) se jedná, popis platby a datum vypršení její platnosti. Po uplynutí doby platnosti již nelze fakturu uhradit a je třeba vytvořit novou. To je výhodné například kvůli změnám kurzu bitcoinu – částka v bitcoinech je často platná jen po omezenou dobu, ale například žádost o platbu v bitcoinech (tzv. fakturu) lze uhradit kdykoli.

Zajímavostí sítě Lightning a jejím hlavním rozdílem ve srovnání s blockchainem je, že nemůže přijímat neomezené množství peněz. Podrobněji to však vysvětlíme v technické části.

Pokud používáte Lightning peněženky druhé generace, jako jsou Breez, Phoenix Wallet atd., nemusíte se o technickou stránku věci příliš starat. Tyto peněženky vás zbaví mnoha starostí, jako je vytváření kanálů a řešení kapacity pro příjem a odesílání. Stačí naskenovat QR kód nebo zadat požadavek na platbu, potvrdit částku na obrazovce a stisknout tlačítko odeslat.

O vše ostatní se postará peněženka na pozadí. Je tu jen jedna věc, na kterou si musíte dát pozor – při nedostatečné kapacitě kanálů může být jejich otevření zpoplatněno. Pokud tedy chcete obdržet první platbu ve výši 15000 sats, nebuďte překvapeni, pokud dostanete pouze 12000 sats, protože zbytek spotřebuje vaše peněženka na otevření kanálu (pozor, za takový poplatek vám odesílatel poslal celou částku). Pokud již máte otevřené kanály, jsou poplatky téměř nulové (a hradí je odesílatelé Lightning plateb).

Mnoho lidí, kteří začnou používat Lightning network, si myslí, že musí mít otevřený kanál s protistranou, od které chtějí poslat nebo přijmout platbu. To však není pravda. Tuto problematiku lze snadno pochopit na příkladu domácího připojení k internetu. Vaše optické, DSL nebo mobilní připojení je pravděpodobně od vašeho lokálního ISP, ale přesto můžete přejít na servery Googlu, Microsoftu nebo na stránky Kryptomagazínu.

Pokud vás zajímají technické podrobnosti, přečtěte si i zbytek tohoto článku. Pokud ne, nainstalujte si peněženku (v době psaní tohoto článku jsou dobré například Phoenix nebo Breez) a vyzkoušejte si vaše první platby.

Co jsou platební kanály v lightning network

Abychom si objasnili, jak síť Lightning network funguje, vysvětlíme si nejprve, jak funguje jednoduchý platební kanál, který neumí přeposílat platby jiným uživatelům.

Máme Alici a Boba, kteří si navzájem posílají peníze. Například Alice prodává ve své restauraci steaky a Bobovi tak chutnají, že je chce pravidelně kupovat pro celou rodinu k večeři. Protože chce platit Bitcoinem pokaždé a nechce platit on-chain poplatek každý den, bylo by fajn, kdyby mohl zaplatit jen jednorázový poplatek a pak už jen tyto peníze utrácet.

Jednoduchý platební kanál může vypadat takto: Bob pošle Alici peníze předem, přičemž si předplatí deset steaků. Alice si tak u sebe vytvoří “kredit”. Problém spočívá v tom, že pokud se Bobova rodina steaky přejí, kvalita steaků z nějakého důvodu klesne nebo Alice získá nového konkurenta (kterému Bob dává přednost před Alicí), nastane poněkud nepříjemná situace, kdy Bob musí za Alicí přijít a požádat ji o vrácení peněz. Bob nemá k těmto penězům soukromý klíč, neboť je již poslal Alici, a proto musí Alice podepsat transakci, aby rozdíl vrátila.

Platební kanál pro Aliciny steaky však může vypadat jinak. Alice si vzpomněla, že Bitcoin umožňuje takzvaný multisig 2-of-2, kdy každá transakce musí být podepsána oběma stranami. Navrhne Bobovi následující řešení – společně vytvoří adresu, ze které budou moci utrácet peníze pouze společně. Poté, co se dohodnou, které klíče budou tuto adresu ovládat (jeden podpis pro Alici, jeden pro Boba), pošle Bob částku za deset steaků. Než tuto transakci podepíše a odešle do sítě, sdělí Alici, že chce rovněž podepsat i transakci, při které budou všechny dané peníze odeslány přímo zpět Bobovi. Bob však tuto transakci pouze uschová a neodešle ji do bitcoinové sítě – bude použita pouze v případě, že Alice například zkrachuje nebo se Bob přežere steaků (v takovém případě Bob vezme transakci podepsanou Alicí, připojí k ní svůj podpis a okamžitě získá zpět celý svůj “kredit”).

Bob koupí první večeři a dohodne se s Alicí, že nyní cena jedné večeře z celé částky za 10 večeří patří Alici, zatímco Bob dostane zbytek za 9 večeří. Společně si vymění podepsanou transakci, která peníze rozdělí takto – jednu večeři Alici na její bitcoinovou adresu, devět večeří Bobovi na jeho bitcoinovou adresu. Ale ani tuto transakci neodesílají do bitcoinové sítě, pouze ji odkládají stranou. Pokud Bob začne chodit ke konkurenci a dlouho se u Alice neukáže, může Alice tuto transakci poslat do bitcoinové sítě, těžař ji vytěží a ona dostane své bitcoiny za jednu večeři (a Bob automaticky dostane zbytek peněz). Bob může kdykoli udělat totéž – pokud Alice zkrachuje a nelze ji kontaktovat, Bob vezme poslední podepsanou transakci a pošle ji do sítě, ta ji vytěží a Alice dostane peníze jen za jednu večeři a Bob dostane peníze za svých devět.

Samozřejmě si teď možná říkáte – co když je Bob vychytralý a odloží si transakci, kterou za něj Alice podepsala na začátku a podle které mu dluží peníze za všech deset večeří? K tomuto účelu mají platební kanály tzv. “revokační klíče”. Ty si strany vyměňují při podpisu nové transakce. Pokud by vychytralý Bob vzal všechny peníze, Alice použije svůj revokační klíč a vezme si všechny peníze (za všech deset večeří). Vytvoří se něco, čemu se říká penalizační transakce, což je “pokuta” za odeslání staršího než posledního “poměru zůstatků” obou peněženek. A tak se nikdo nemusí obávat žádného podvodu. Poslední podepsaná transakce odráží aktuální stav plateb a stačí ji sdělit těžařům. Každá starší transakce odeslaná do sítě znamená, že podvedená strana si může vzít všechny bitcoiny z kanálu.

Obousměrný provoz

Alice a Bob jsou za normálních okolností schopni si sami spočítat, kdo komu kolik dluží. Mají platební kanál, v němž na začátku všechny peníze patří Bobovi a postupně, jak Bob platí za večeře, stále více peněz připadá Alici. Pokud Alice zjistí, že Bob prodává například máslo ghí, které může Alice použít k přípravě steaků, může také poslat peníze zpět Bobovi. Ale ne hned, protože jakmile je kanál otevřen, všechny peníze patří Bobovi a Alice dostane svůj zůstatek až s platbami za večeři.

Pokud by si Alice chtěla koupit ghí hned po otevření kanálu, musela by si otevřít jiný kanál a “nabít” ho svými Bitcoiny nebo se s Bobem domluvit jinak – například může Bobovi poslat peníze pomocí on-chain platby a Bob na oplátku pošle Alici peníze přes kanál, které Alice může utratit. Operace umožňující oběma stranám odesílat a přijímat stejnou měrou prostřednictvím kanálu se nazývá “vyvážení kanálu” nebo “centrování kanálu”. Lze to provést různými jinými způsoby, ale důležité je vědět, že bitcoiny lze posílat oběma směry přes kanál, pokud dané straně náleží dostatečný zůstatek. Můžete si to představit jako jednoduché počítadlo:

Blockchain, který řeší spory

Podstatou platebního kanálu je, že po jeho vytvoření Bitcoin on-chain transakcí na výše zmíněnou 2-z-2 mutlisig adresu již může mezi Alicí a Bobem proběhnout nekonečné množství transakcí (v rámci kapacity kanálu). Zmíněné kuličky se na počítadle mohou pohybovat podle libosti. Nikdo v bitcoinové síti netuší, jaký je zůstatek na které straně, a Alice ani Bob neplatí těžařům žádné bitcoinové poplatky. V každém okamžiku mají Alice i Bob platnou podepsanou transakci, která může poslat aktuální zůstatek bitcoinů na jejich adresy. To odpovídá tomu, že oba “mají privátní klíče”. V Bitcoinu se totiž říká:

Not your keys, not your Bitcoin

Pokud dojde ke sporu mezi Alicí a Bobem, bude vyřešen pomocí bitcoinového blockchainu.

Spor však nemusí být jen o tom, že se Alice a Bob pohádají nebo že se snaží jeden druhého podvést. Může se například stát, že Alici vypadne internetové připojení, Bob znervózní, že Alice nekomunikuje, a rozhodne se, že si raději nechá své bitcoiny ve své peněžence. Již teď je mu úplně jedno, že kanál s Alicí nekomunikuje, protože když Alice neodpovídá, nemůže přes tento kanál provádět další platby. Může se rozhodnout odeslat poslední stav kanálu do bitcoinové sítě. Je to podobné, jako kdybyste měli “zálohu” stavu počítadla v podobě Bitcoinové transakce. Tato transakce je ve skutečnosti běžnou platnou transakcí, podepsanou Alicí i Bobem, a legálně rozděluje bitcoiny podle tohoto posledního stavu.

Bob samozřejmě může být opět vychytralý podvodník, a když zjistí, že Alice neodpovídá, může odeslat starou podepsanou transakci. Tento spor však také dokáže vyřešit bitcoinový blockchain – Alice se za několik dní objeví online a vezme Bobovi všechny peníze (i ty, které by mu jinak patřily) jako trest za to, že chtěl podvádět.

Ale co když to Alice nestihne, protože je opravdu offline? K tomu slouží “strážní věže” (watchtowers) Lightningové sítě, které sledují staré stavy a posílají do sítě za Alici penalizační transakci i v případě její nepřítomnosti, pokud ji někdo odešle. A to je velmi bezpečné, protože penalizační transakce je také podepsaná a nemůže udělat nic jiného než penalizovat odeslání starého stavu. Pokud nikdo nepošle do sítě starý stav, penalizační transakce nefunguje – je neplatná, stejně jako když chce někdo utratit bitcoiny, které nemá.

Platební kanál jako nástroj ochrany soukromí

Platební kanál tak umožňuje provést transakci mezi dvěma stranami, aniž by byla v síti viditelná jakákoli jednotlivá transakce.

Většina platebních kanálů může být otevřena po dlouhou dobu, a proto je v bitcoinovém blockchainu vidět pouze jedna transakce, která kanál otevřela.

Po aktivaci upgradu bitcoinové sítě Taproot bude dokonce i tato transakce (“nabíjení” kanálu) vypadat jen jako běžná transakce na adrese a nebude možné zjistit, že se jedná o nabíjení kanálu.

Kanály tvoří síť

Na začátku článku jsme uvedli, že k provádění plateb prostřednictvím Lightning v Bitcoinech nepotřebujeme mít s příjemcem otevřený přímý kanál. Proto ani Alice a Bob nemusí mít přímý kanál a něco takového je možné pouze prostřednictvím platebních cest. Od Alice nakupuje také Cyril, který od Boba také kupuje přepuštěné ghí, z něhož vyrábí konopné máslo s CBD. Cyril má kanál s Alicí, Bob má kanál s Alicí, ale Bob a Cyril mezi sebou nemají žádný přímý kanál. Ale jak spolu mohou komunikovat?

Na začátku článku jsme uvedli, že k provádění plateb prostřednictvím Lightning v Bitcoinech nepotřebujeme mít s příjemcem otevřený přímý kanál. Proto ani Alice a Bob nemusí mít přímý kanál a něco takového je možné pouze prostřednictvím platebních cest. Od Alice nakupuje také Cyril, který od Boba také kupuje přepuštěné ghí, z něhož vyrábí konopné máslo s CBD. Cyril má kanál s Alicí, Bob má kanál s Alicí, ale Bob a Cyril mezi sebou nemají žádný přímý kanál. Ale jak spolu mohou komunikovat?

Pokud Cyril pošle Alici platbu za jedno ghí a požádá ji, aby ji přeposlala Bobovi, je to snadné. Problém však nastane, pokud Alice tuto platbu přijme (Cyril podepíše její nový stav kanálu), ale Bobovi o této platbě neřekne.

Zkusme to vyřešit. Bob pošle Cyrilovi Lightning fakturu (něco jako QR kód na skutečné faktuře). Tato faktura obsahuje kromě částky za ghí, popisu nebo data platnosti faktury také hash platby. Jedná se o klíč, který odemyká platbu.

Cyril požádá Alici, aby platbu přeposlala, ale místo toho, aby platbu poslal přímo jí, požádá ji, aby upravila stav kanálu následujícím způsobem:

• Pokud uplyne předem stanovená doba platnosti (např. 30 minut), peníze ve výši faktury zůstávají Cyrilovi;
• Pokud Alice obdrží takzvaný “preimage”, jehož hash se shoduje s hashem na faktuře (tento bod vysvětlíme podrobněji níže), platba se “odemkne” a tato část kanálu připadne Alici;
• Všechny ostatní části kanálu patří původním majitelům.

Mimochodem, mnoho zastánců Etherea tvrdí, že Bitcoin neřeší tzv. smart kontrakty. Toto tvrzení je však zcela mimo a potvrzují to i výše uvedené body – smart kontrakty na Bitcoinu máme právě díky systému Lightning Network.

Alice nemá důvod takové rozdělení nepodepsat – buď bude mít stejně peněz jako předtím, nebo pokud nějakým způsobem získá “preimage”, bude mít peněz více.

Aby Alice získala preimage, musí požádat o podobné nastavení ve svém kanálu směrem k Bobovi. Bobovi pošle peníze, pokud dostane předobraz, jinak peníze zůstanou její. Alice je ochotna tuto dohodu podepsat, protože sice bude mít v kanálu s Bobem méně peněz, ale stejný preimage lze okamžitě použít k získání peněz od Cyrila, takže nic neztratí ani nevydělá, pouze se změní stav jejího kanálu – bude mít více v kanálu od Cyrila a méně v kanálu od Boba.

Bob vidí, že peníze na platbu může získat od Cyrila. Stačí, když Alici pošle preimage. Ten mu automaticky odemkne peníze pro něj. Alice pošle tento preimage Cyrilovi a získá peníze na svou stranu. Pokud se stav kanálu ustálí, lze předobraz z transakcí vymazat a kanál se vrátí k původnímu počítadlu – rozdělení prostředků mezi oběma stranami kanálu.

Alice samozřejmě raději dělá steaky, než aby podepisovala transakce, a proto v tom všem hrají roli poplatky. Aby si Alice mezi grilováním steaků našla čas na podepisování transakcí, bylo by hezké, kdyby od Cyrila dostala trochu víc, než posílá Bobovi. Jedná se o poplatek za nasměrování platby.

Tento poplatek vydělá Alice, nikoli těžař, protože taková platba se do blockchainu Bitcoinu vůbec neodešle.

Bitcoinový blockchain i v případě, že platba prochází více platebními kanály, pouze rozhoduje spory a může v každém okamžiku určit, kolik peněz patří které straně. I když se kanál během platby uzavře, vše je v pořádku – ostatní kanály, kterými platba prošla, nejsou ovlivněny a nikdy nedojde k přímé on-chain transakci mezi Bobem a Cyrilem.

V celé této jednoduché tržní výměně dochází v ideálním případě pouze ke dvěma on-chain transakcím – k otevření kanálu mezi Alicí a Bobem a k otevření kanálu mezi Alicí a Cyrilem. Všechny prodeje steaků, ghí a konopného másla v tomto malém ekosystému již probíhají mimo blockchain bitcoinu, jsou vypořádány okamžitě (není třeba čekat na potvrzení) a s minimálními poplatky. Tyto transakce navíc probíhají pouze prostřednictvím komunikace mezi zúčastněnými stranami – nikdo jiný se o těchto platbách nedozví.

Jak mnozí zelení alarmisté rádi tvrdí, bitcoinovými on-chain transakcemi “zatěžujeme” celý svět. Nejen z hlediska životního prostředí, ale také z hlediska dat. Ať už jsme zelení, nebo ne, pravdou je, že každá on-chain transakce zahlcuje náš milý blockchain daty. To však neplatí jen pro Lightning. Lightning platby jsou soukromé a probíhají trochu jako “šeptanda” mezi Alicí, Bobem a Cyrilem. Společně jsou schopni se dohodnout, a pokud teoreticky dojde k problému, řeší spor pouze s problémovou stranou – odesláním poslední platné transakce do bitcoinového blockchainu.

Na co si dát při Lightningu pozor

Vzhledem k tomu, že se stav kanálu mění, záloha bitcoinové peněženky není jen seed (známých 12 nebo 24 anglických slov). Pro každý kanál je třeba mít k dispozici poslední zálohovaný stav (tzv. commit transakce), revokační klíče všech předchozích stavů a další informace. Vzhledem k tomu, že pokud je do bitcoinového blockchainu odeslán starý stav, osoba, která tak učiní, přijde o všechny peníze, je velmi důležité mít aktuální zálohu – jednu vteřinu stará záloha může znamenat, že přijdete o peníze, protože přes vás bleskově proběhla platba.

Některé peněženky (jako Phoenix) posílají zálohy do cloudu a šifrují je klíčem odvozeným od seedu. V takovém případě je “záloha”, kterou vidíte, ve skutečnosti pouze seedem, ale je dobré vědět, že k jejímu obnovení potřebujete také funkční “cloudovou” službu provozovatele na druhé straně. Je nepravděpodobné, že budete potřebovat obnovit peněženku, když druhá strana neexistuje, ale je dobré o tomto problému vědět – čistě se seedem se dostanete k prostředkům pouze z plně uzavřených kanálů.

S tím souvisí další významné omezení. Pokud jste používali on-chain peněženku na více zařízeních (například jste sdíleli účet s partnerem), vše fungovalo. Jediný stav, který jste potřebovali znát, byl stažen peněženkou z blockchainu. To znamená, že stačilo obnovit peněženku na druhém zařízení se stejnou zálohou a mohli jste stejnou peněženku používat vícekrát. V případě Lightningu to nefunguje, a pokud se o to pokusíte, velmi pravděpodobně přijdete o peníze. I vteřinu starý stav může znamenat ztrátu peněz, takže v žádném případě nepoužívejte stejnou Lightning peněženku se stejným seedem na více zařízeních!

Každá peněženka potřebuje své vlastní kanály a udržujte svůj stav lokálně. Ostatní peněženky na jiných zařízeních by se do tohoto stavu neměly dostat, protože se mohou snadno odchýlit od synchronizace. V případě, že obnovujete zálohu v jiném zařízení, odstraňte nejprve aplikace z původního zařízení. Nebo si vytvořte novou peněženku, otevřete nové kanály a pošlete platbu do nového zařízení prostřednictvím Lightning.

Další důležitou věcí, kterou je třeba pochopit, je kapacita. Pokud otevřete kanál, většinou můžete pouze odesílat. Phoenix a Breez to však řeší tak, že pokud otevřete kanál, přidají “své” bitcoiny na svou stranu kapacity, aby vám měli co poslat přes tento kanál. Můžete tedy přijímat i odesílat. A také v případě příchozí platby, na kterou peněženka nemá kapacitu, použije technologii “trampolíny” a vytvoří pro vás kanál na vyžádání – ale pozor, peněženky si za takovou službu obvykle účtují poplatek (jehož část musí zaplatit “těžařům”).

Lightning peněženka je samozřejmě pouze natolik bezpečná, nakolik je bezpečné vaše zařízení. Protože každá platba (odeslaná, přijatá nebo jen procházející) vyžaduje podepsanou transakci, jsou všechny soukromé klíče online v zapnutém počítači, smartphonu nebo tabletu. Transakce nemůžeme ručně podepisovat potvrzením v hardwarové peněžence, jako je tomu u běžných plateb bitcoinem. Proto alespoň v době psaní tohoto článku ještě nikdo nevyřešil hardwarovou peněženku pro Lightning. Z toho důvodu je třeba mít na Lightningu peníze na běžné útraty a dbát na bezpečnost zařízení. Stále doporučuji držet své úspory v hardwarové peněžence (např. Trezor) na on-chain Bitcoinu.

Závěr

Síť Lightning network umožňuje provádět okamžité platby Bitcoinem s velmi nízkými poplatky. Tyto platby jsou neveřejné, není třeba čekat na potvrzení, a proto jsou rychlé. Zároveň pracují se skutečnými bitcoiny a v každém okamžiku máte k dispozici platnou transakci, která vám poskytne vaše bitcoiny, aniž byste se museli spoléhat na třetí stranu. Díky chytrému využití bitcoinového blockchainu jako prostředku pro řešení sporů tak vznikla bitcoinová síť s mnoha lepšími vlastnostmi než samotný Bitcoin, ale bez nutnosti důvěřovat třetím stranám (jako je tomu u jiných platebních sítí, např. Liquid).