Das Lightning-Netzwerk ist ein Netzwerkprotokoll, das bei Blockchain-Technologien zum Einsatz kommt. Es erhöht die Geschwindigkeit von Transaktionen und senkt die Kosten von Transaktionen.
Es wurde im Juli 2015 durch ein White Paper von Joseph Poon und Thaddeus Dryja vorgeschlagen. In den Folgejahren wurden eine Detailspezifikation und hierauf basierend mehrere unabhängige Implementierungen entwickelt, auf deren Grundlage auf der Bitcoin-Blockchain ein Netzwerk entstand, das Ende 2025 rund 15.000 öffentliche Knoten und über 48.000 Zahlungskanäle mit einer Gesamtkapazität von mehr als 5.000 Bitcoin umfasste.
Entstehungsgeschichte mini|hochkant=1.4|Das Netzwerk im Entstehen, Screenshot Recksplorer, 5. Februar 2018 Die grundlegende Idee der Zahlungskanäle geht schon auf Satoshi Nakamoto zurück. Seine Implementierungsidee war jedoch nicht sicher. Es gab in den folgenden Jahren einige ähnliche Ideen, und Meni Rosenfeld beschrieb 2012 schon eine Konstruktion, die dem heutigen Lightning Network in vieler Hinsicht ähnelt. Technische Komplikationen (etwa transaction malleability, die erst durch Segregated Witness behoben wurde) und fehlende Motivation – weil Bitcoin selbst noch wenig genutzt wurde – verhinderten jedoch lange entscheidende Fortschritte.
Als der Preis eines Bitcoin gegen Ende 2013 erstmals 1000 US-Dollar überschritt, wurde deutlich, dass die Blockchain, welche dem Bitcoin-Netzwerk zugrunde liegt und die nicht beliebig viele Transaktionen pro Sekunde zulässt, ein Problem mit der Skalierbarkeit bekommen würde. Die Anzahl der Transaktionen war beschränkt durch die Blockgröße von 1 Megabyte, den Speicherplatz, den eine Transaktion benötigt, und die Blockzeit von statistisch etwa zehn Minuten. Daraus ergibt sich, dass auf der Bitcoin-Blockchain weltweit nur ca. 7 Finanztransaktionen pro Sekunde durchgeführt werden konnten. Kreditkartenanbieter verarbeiten mit rund 40.000 Zahlungsvorgängen pro Sekunde deutlich mehr Transaktionen. Die Entwickler des Bitcoin-Protokolls waren sich einig, dass das Problem der Skalierbarkeit gelöst werden musste, damit Bitcoin tatsächlich die Geldfunktion eines Tauschmittels erfüllt und eine realistische Chance besteht, dass Bitcoin als Währung von Menschen akzeptiert wird.
Innerhalb der Bitcoin-Entwicklercommunity entstanden Diskussionen darüber, wie man das Skalierbarkeitsproblem des Bitcoin-Netzwerks lösen könnte. Als Lösungsvorschläge kursierten vor allem die Anhebung der Blockgröße wie auch die Einführung von Layer-2-Lösungen wie das Lightning Network. Die Mehrheit der Bitcoin-Entwickler bevorzugte das Lightning Network, während die Minderheitenfraktion sich zu Bitcoin Cash abspaltete und dort mit 32-Megabyte-Blöcken die Transaktionskapazität deutlich anhob. Um die Entwicklung und Implementierung des Lightning-Netzwerks zu ermöglichen, benötigte man jedoch das Segregated-Witness-Update des Bitcoin-Protokolls. Dies war aufgrund der Dezentralität des Bitcoin-Netzwerks nur schwer zu erreichen, da sich die Community auf die Durchführung des Updates einigen musste. Im August 2017 wurde durch einen Mechanismus im Bitcoin-Protokoll zur Konsensfindung deutlich, dass über 90 % der Bitcoin-Miningpower im Netzwerk das Update unterstützten. Diese Mehrheit reichte aus, um einen Softfork des Bitcoin-Protokolls durchzuführen.
Unabhängig vom Ausgang der Abstimmung entstanden bereits im Jahr 2016 mehrere Projekte, die sich mit der Entwicklung des Lightning-Netzwerks als Open-Source-Software beschäftigten. Zum einen das Elements-Projekt, das Bitcoin Core und dem Unternehmen Blockstream nahesteht und mit Core Lightning eine Implementierung in C entwickelt. Erste erfolgreiche Tests dieses Projektes führten Christian Decker und Rusty Russell bereits im Oktober 2016 durch. Zum anderen die aktuell am weitesten fortgeschrittene Implementierung lnd der Firma Lightning Labs, die in der Sprache Go implementiert ist. Außerdem entwickelt das französische Unternehmen ACINQ eine Implementierung in Scala namens eclair, die unter anderem als Mobile-Wallet für Android-Geräte verfügbar ist.
Eine zentrale Rolle in der Entwicklung des Protokolls nimmt der australische Entwickler Rusty Russell von der Firma Blockstream ein. Russell, der zuvor von Linus Torvalds als einer der stärksten Linux-Entwickler ausgezeichnet wurde, entwickelte auf Grundlage des Whitepapers einen RFC-Standard für das Lightning-Netzwerk. Diesem Standard sollten sämtliche Implementierungen folgen.
Funktionsweise Im Kern besteht das Lightning-Netzwerk aus sogenannten Zahlungskanälen (Payment Channels) zwischen zwei Knoten des Netzwerks. Ein Kanal wird einmalig über eine Transaktion auf der Blockchain eröffnet. Durch diese Transaktion wird ein gewisser Betrag auf der Haupt-Blockchain für Lightning verfügbar gemacht. Dabei wird der Betrag der Transaktion dem Knoten, der die Transaktion durchführt, zugeschrieben. Der Kanal hat als maximale Obergrenze („Kapazität“) den Betrag dieser Eröffnungstransaktion.
Die Kapazität eines Kanals beschreibt die Gesamtmenge an Satoshi, die sich in dem Kanal befinden. Dieser Betrag ist immer vorhanden, kann jedoch zu unterschiedlichen Teilen beiden Knoten des Kanals gehören. Das Übertragen von Beträgen zwischen den Knoten innerhalb eines Kanals ist dabei gebührenfrei. Dazu halten sie nach jeder Zahlung den aktuellen Saldo in einer Commitment Transaction fest, die von beiden Knoten signiert werden muss. Diese Zahlung wird jedoch nicht auf die Blockchain übertragen, sondern nur von den Knoten untereinander gespeichert, sodass durch die Übertragung keine Gebühr anfällt.
Die Idee entspricht damit dem Kontokorrent im klassischen Handelsrecht, wobei die Saldierung der Forderungen allerdings erst erfolgt, wenn einer der Teilnehmer den Kanal schließt, indem er eine Settlement Transaction veröffentlicht. Erst diese speichert den finalen Saldo beider Parteien in der letzten Commitment-Transaction wieder in die Blockchain. Anders als beim Kontokorrent müssen die beiden Parteien, die den Kanal bilden, aber einander nicht vertrauen. Dennoch finden die Transaktionen in dem Zahlungskanal nur mit dem Wissen der beiden Akteure statt.
Um zu verhindern, dass eine ältere Commitment-Transaction von einem Partner veröffentlicht wird, enthält jede Transaktion ein sogenanntes Revocation Secret, das die vorherige Commitment-Transaction ungültig macht. Versucht ein Knoten, fälschlicherweise eine ältere Transaktion zu veröffentlichen, kann die Gegenseite mit dem Revocation Secret die komplette Kapazität des Channels an sich selbst übertragen.
Der Durchsatz eines Zahlungskanals ist nur limitiert durch die Latenz des verwendeten TCP-Sockets. Laut Christian Decker sind somit circa 500 Transaktionen pro Sekunde in einem Zahlungskanal möglich. Das Protokoll zur Verwaltung eines Kanals ist mithilfe von Hashed Time Locked Contracts so konstruiert, dass betrügerisches Verhalten (z. B. Veröffentlichung einer älteren Commitment Transaction) innerhalb eines Zahlungskanals von der Gegenseite gemeldet werden kann. Das Bitcoin-Netzwerk prüft den Betrugsversuch und sanktioniert betrügerisches Verhalten, indem der gesamte Geldbetrag des Kanals an die Opferseite ausgezahlt wird.
Eine weitere Kernidee des Lightning-Netzwerks ist das Routing von Zahlungen durch das Netzwerk. Sobald durch Öffnen von Zahlungskanälen zu mehreren Knoten ein vermaschtes Netz zwischen den Teilnehmern entsteht, lassen sich Zahlungen zwischen zwei beliebigen Knoten vornehmen, selbst wenn diese nicht direkt durch einen Zahlungskanal miteinander verbunden sind. Knoten, die den Betrag nur weiterleiten sollen, können diesen nicht stehlen, da dieser erneut durch einen Hashed Time Locked Contract und ein Geheimnis – das sogenannte Zahlungsurbild (Payment Preimage) – gesichert ist, welches nur der empfangende Knoten kennt. Das Routing ermöglicht somit Teilnehmern, nach dem Erstellen eines bilateralen Zahlungskanals Transaktionen mit beliebigen anderen Teilnehmern des Netzwerks durchzuführen. Durch Onion-Routing, wie es z. B. im Tor-Netzwerk verwendet wird, soll zudem die Privatsphäre der Teilnehmer geschützt werden. Insbesondere beim Finden von Routen und dem Verwalten von Routingtabellen besteht zurzeit noch der meiste Entwicklungsbedarf.
Eigenschaften Das Lightning-Netzwerk hat per Design mehrere wünschenswerte Eigenschaften, um das Problem der Skalierbarkeit von Bitcoin zu lösen. Zu diesen zählen geringe Gebühren, welche insbesondere Micropayments ermöglichen. Außerdem ist die Privatsphäre der Teilnehmenden im Netzwerk höher als im Bitcoin-Netzwerk.
Marginale Transaktionsgebühren Das Lightning-Netzwerk ermöglicht es, innerhalb eines Zahlungskanals gebührenfrei Geld hin und her zu überweisen. Für das Routing können Knoten Gebühren verlangen. Diese sollen voraussichtlich nicht höher als ein Satoshi pro Hop sein. Daher lassen sich mit dem Lightning Netzwerk erstmals weltweit Geldbeträge praktisch gebührenfrei in Echtzeit übertragen.
Micropayments Da die Transaktionsgebühren im Lightning-Netzwerk bei wachsender Nutzeranzahl nicht steigen, sondern sich sogar potentiell verringern, bietet sich das Lightning-Netzwerk insbesondere – aber nicht ausschließlich – für Micropayments an.
Privatsphäre Das Lightning-Netzwerk-Protokoll funktioniert ohne die Veröffentlichung einzelner Transaktionen in einem Zahlungskanal. Somit ist die Privatsphäre deutlich höher als beim Bitcoin-Netzwerk, bei dem sämtliche Transaktionen in der öffentlichen Datenbank gespeichert sind. Die Blockchain speichert nur Kontostände bei Öffnung und Schließung der Zahlungskanäle. Aus welchen Einzeltransaktionen sich die entstandene Differenz zusammensetzt, wissen nur die Knoten selbst.
Second-Layer-Protokoll Das Lightning-Netzwerk-Protokoll kann als eine Abstraktionsschicht oberhalb einer Blockchain verstanden werden. Es wäre also möglich, Transaktionen zwischen zwei verschiedenen Blockchains zu tätigen (sogenannte Atomic Swaps), falls beide alle nötigen Voraussetzungen für das Lightning-Netzwerk erfüllen.
Technik Das Lightning-Netzwerk hat konzeptuell zwei aufeinander aufbauende Schichten. Die Grundlage bilden bidirektionale Zahlungskanäle, die es ermöglichen, beliebig oft Geldbeträge bis zu einer zuvor definierten Obergrenze zwischen zwei Teilnehmern hin- und herzusenden. Wichtig ist, dass die beiden Parteien weder einander noch einer dritten Instanz vertrauen müssen. Die Blockchain (z. B. Bitcoin) stellt als dezentrales System das Vertrauen bereit. Aus diesen Zahlungskanälen wird als zweite Ebene ein Netzwerk aufgebaut, wodurch Zahlungen zwischen zwei Teilnehmern durch die Zahlungskanäle von anderen Teilnehmern verschickt werden können. Auch bei der Konstruktion des Netzwerks gilt die besondere Eigenschaft, dass man zu keinem Zeitpunkt den Teilnehmern der Zahlungskanäle vertrauen muss, da auch hier die Blockchain als vertrauensgebende Instanz wirkt.
Bidirektionale Zahlungskanäle durch Revocable Sequence Maturity Contracts