Guia Completo do Lightning Network do Bitcoin

As criptomoedas possuem propriedades únicas. Elas não podem ser facilmente hackeadas ou desligadas e qualquer pessoa pode utilizá-las para transmitir valor pelo mundo sem a intervenção de terceiros.

No entanto, para manter essas características, é necessário fazer algumas compensações. Como muitos nós são responsáveis por executar uma rede de criptomoedas, a capacidade de processamento é limitada. Como resultado, o número de transações por segundo (TPS) que uma rede blockchain pode processar é relativamente baixo para uma tecnologia que visa ser adotada em massa.

Para superar as limitações inerentes à tecnologia blockchain, várias soluções de escalabilidade foram propostas para aumentar o número de transações que uma rede pode lidar. Neste artigo, faremos uma análise detalhada da Lightning Network, uma extensão do protocolo Bitcoin.

O que é a Lightning Network?

A Lightning Network é uma rede que funciona em cima de uma blockchain para facilitar transações rápidas entre pares. Ela não é exclusiva do Bitcoin – outras criptomoedas, como o Litecoin, também a integraram.

Você pode estar se perguntando o que queremos dizer com “funciona em cima de uma blockchain”. A Lightning Network é o que chamamos de solução fora da cadeia (off-chain) ou solução de camada dois (layer two). Ela permite que indivíduos realizem transações sem que cada uma delas seja registrada na blockchain.

A Lightning Network é separada da rede Bitcoin – ela possui seus próprios nós e software, mas ainda assim se comunica com a cadeia principal. Para entrar ou sair da Lightning Network, você precisa criar transações especiais na blockchain.

Na verdade, o que você está fazendo com a primeira transação é criando uma espécie de contrato inteligente com outro usuário. Vamos entrar em detalhes em breve – por enquanto, pense apenas no contrato inteligente que mantém um registro privado com o outro usuário. Você pode escrever várias transações neste registro. Elas são visíveis apenas para você e sua contraparte, mas nenhum de vocês pode trapacear devido a algumas características peculiares do sistema.

Esse mini-registro é chamado de canal . Digamos que Alice e Bob coloquem 5 BTC cada um no contrato inteligente. Nesse canal, ambos teriam um saldo de 5 BTC. Em seguida, Alice poderia escrever no registro ” pagar 1 BTC para Bob “. Agora, Bob teria 6 BTC do seu lado e Alice teria 4 BTC. Em seguida, Bob poderia enviar 2 BTC de volta para Alice em uma data posterior, atualizando os saldos para 6 BTC do lado de Alice e 4 BTC do lado de Bob. Eles podem continuar fazendo isso por um tempo.

A qualquer momento, qualquer um deles pode publicar o estado atual do canal na blockchain. Nesse ponto, os saldos de cada lado do canal são alocados para suas respectivas partes na cadeia.

Como o próprio nome sugere, as transações da Lightning Network são extremamente rápidas. Não há confirmações de blocos para esperar – os pagamentos podem ser feitos tão rapidamente quanto a sua conexão com a Internet permitir.

Por que a Lightning Network é necessária?

Até agora, a Lightning Network parece ser a abordagem mais sensata para dimensionar a blockchain do Bitcoin. Coordenar mudanças em um ecossistema tão vasto é complicado – há risco de forks e bugs potencialmente catastróficos. Com tanto valor em jogo, a experimentação é extremamente perigosa.

Quando você move essa experimentação para fora da blockchain, você tem muito mais flexibilidade. Se algo der errado, não terá impacto na rede Bitcoin real. As soluções de camada dois não comprometem nenhuma das suposições de segurança que mantiveram o protocolo funcionando por mais de 10 anos.

Também não há obrigação de abandonar o antigo modo de fazer as coisas. As transações na cadeia continuam funcionando normalmente para o usuário final, mas agora eles têm a opção de realizar transações fora da cadeia também.

Existem várias vantagens em usar a Lightning Network. Vamos analisar algumas das principais abaixo.

Escalabilidade

Os blocos do Bitcoin são criados aproximadamente a cada dez minutos e só podem conter um número limitado de transações. O espaço do bloco é um recurso escasso, então você precisa competir com outros usuários para que sua transação seja incluída de forma oportuna. Os mineradores se preocupam, antes de tudo, em receber o pagamento, então eles incluirão primeiro as transações com taxas mais altas.

Quando não há muitos usuários tentando enviar fundos ao mesmo tempo, isso não é realmente um problema. Você pode definir uma taxa baixa e provavelmente terá a transação incluída no próximo bloco. Mas quando todos estão transmitindo transações ao mesmo tempo, a taxa média pode aumentar significativamente. Em algumas ocasiões, ela ultrapassou US$ 5. No auge do mercado de alta de 2017, ultrapassou US$ 50.

Taxa média de transação do Bitcoin (em USD)

Isso pode parecer insignificante para transações de milhares de dólares em Bitcoin, mas para pagamentos menores não é sustentável. Quem quer pagar um café de US$ 3 com uma taxa de US$ 5?

Com a Lightning Network, você ainda paga duas taxas – uma para abrir o canal e outra para fechá-lo. Mas você e seu parceiro podem fazer milhares de transações gratuitamente assim que o canal estiver aberto. Quando terminar, você só precisa publicar o estado final na blockchain.

No grande esquema, se mais usuários dependerem de soluções fora da cadeia como a Lightning Network, o espaço do bloco será usado de forma mais eficiente. Transferências de baixo valor e alta frequência podem ser realizadas nos canais de pagamento, enquanto o espaço do bloco é usado para transações maiores e abertura/fechamento de canais. Isso tornaria o sistema acessível a uma base de usuários muito mais ampla, permitindo que ele se expanda a longo prazo.

Micropagamentos

Existe um valor mínimo de Bitcoin que você pode enviar em uma transação – aproximadamente 0,00000546 BTC. No momento em que este artigo foi escrito, isso é igual a cerca de quatro centavos de dólar. É uma quantia pequena, mas a Lightning Network permite que você ultrapasse os limites e faça transações com a menor unidade disponível atualmente – 0,00000001 BTC, ou um satoshi.

A Lightning é muito mais adequada para micropagamentos. As taxas em transações regulares tornam impraticável enviar pequenas quantias na cadeia principal. Dentro do canal, no entanto, você está livre para enviar uma fração de um Bitcoin gratuitamente.

Os micropagamentos são adequados para muitos casos de uso. Alguns especulam que eles podem ser uma substituição viável para modelos baseados em assinaturas, onde os usuários pagam pequenas quantias cada vez que usam um serviço.

Privacidade

Um benefício secundário da Lightning Network é que ela pode oferecer aos usuários um alto grau de confidencialidade. As partes não precisam tornar seus canais conhecidos para a rede em geral. Embora seja possível olhar para a blockchain e dizer “esta transação abriu um canal”, você não será capaz de saber o que está acontecendo dentro dele. Se os participantes escolherem tornar seu canal privado, apenas eles saberão quais transações estão ocorrendo.

Se Alice tem um canal com Bob e Bob tem um canal com Carol, Alice e Carol podem enviar pagamentos um para o outro através de Bob. Se Dan está conectado a Carol, Alice pode enviar pagamentos para ele. Você pode imaginar isso se expandindo para uma rede complexa de canais de pagamento interconectados. Nessa configuração, você não pode ter certeza para quem Alice enviou fundos quando o canal é fechado.

Como a Lightning Network funciona?

Já explicamos como a Lightning Network depende de canais entre nós em um alto nível. Vamos agora dar uma olhada nos detalhes.

Endereços multisig

Um endereço multisig (ou multisignature) é aquele que várias chaves privadas podem gastar. Ao criar um, você especifica quantas chaves privadas podem gastar os fundos e quantas dessas chaves são necessárias para assinar uma transação. Por exemplo, um esquema de 1-de-5 significa que cinco chaves podem produzir uma assinatura válida e que apenas uma é necessária. Um esquema de 2-de-3 indicaria que, das três chaves possíveis, qualquer duas são necessárias para gastar os fundos.

Para inicializar um canal na Lightning Network, os participantes bloqueiam fundos em um esquema 2-de-2. Existem apenas duas chaves privadas capazes de assinar e ambas são necessárias para movimentar as moedas. Vamos trazer de volta nossos amigos Alice e Bob neste momento. Eles farão muitos pagamentos um para o outro nos próximos meses, então decidem abrir um canal na Lightning Network.

Isso começa com ambos depositando, digamos, 3 BTC cada um no endereço multisig de propriedade conjunta. Vale ressaltar que Bob não pode mover os fundos para fora do endereço sem o consentimento de Alice, e vice-versa.

Agora, eles poderiam simplesmente manter uma folha de papel que ajusta os saldos de cada lado. Ambos têm um saldo inicial de 3 BTC. Se Alice quiser fazer um pagamento de 1 BTC para Bob, por que não simplesmente anotar que Alice agora possui 2 BTC e Bob possui 4 BTC? Os saldos poderiam ser rastreados dessa forma até que decidissem mover os fundos.

Isso é possível, mas onde está a diversão nisso? Mais importante, isso não torna extremamente fácil para alguém não cooperar? Se Alice terminar com 6 BTC e Bob com nenhum, Bob não perde nada ao se recusar a liberar os fundos (exceto, talvez, sua amizade com Alice).

Contratos de tempo de bloqueio por hash (HTLCs)

O sistema acima é entediante e não oferece muita vantagem em relação aos sistemas de confiança atuais. Ele se torna muito mais interessante quando introduzimos um mecanismo que impõe o “contrato” entre Alice e Bob. Se uma das partes decidir não seguir as regras, a outra ainda tem um recurso para obter seus fundos do canal.

Esse mecanismo é chamado de Contrato de Tempo de Bloqueio por Hash (ou HTLC, na sigla em inglês). O termo pode parecer assustador, mas o conceito é bastante simples de entender. Ele combina duas outras tecnologias (hashlocks e timelocks) para remediar qualquer comportamento não cooperativo nos canais de pagamento.

Um hashlock é uma condição colocada em uma transação que dita que você só pode gastar os fundos provando que conhece um segredo. O remetente “hasheia” um pedaço de dados e inclui o hash na transação para o destinatário. A única maneira de o destinatário gastar os fundos é se ele fornecer os dados originais (o segredo) que corresponde ao hash. E a única maneira de fornecer esses dados é se o remetente os fornecer.

Um timelock é uma condição que impede você de gastar fundos antes de um determinado tempo. Ele é especificado como um tempo real ou uma altura de bloco específica.

Os HTLCs são criados combinando hashlocks e timelocks. Na prática, eles podem ser usados para criar pagamentos condicionais – o destinatário precisa fornecer um segredo antes de um determinado tempo, ou o remetente pode recuperar os fundos. Essa próxima parte é provavelmente melhor explicada com um exemplo, então vamos voltar a Alice e Bob.

Abertura e fechamento de canais

Demos o exemplo de Alice e Bob acabaram de criar transações que financiam o endereço multisig que eles compartilharão. Mas essas transações ainda não foram publicadas na blockchain! Precisamos fazer mais uma coisa primeiro.

Três moedas de Bob e três moedas de Alice.

Lembre-se, as únicas maneiras pelas quais essas moedas podem sair do multisig é se Alice e Bob assinarem em conjunto uma transação. Se Alice quisesse enviar todas as seis moedas para um endereço externo, ela precisaria da aprovação de Bob. Ela primeiro montaria uma transação ( seis bitcoins para este endereço ) e adicionaria sua própria assinatura.

Ela poderia tentar transmitir a transação imediatamente, mas ela seria inválida porque Bob ainda não incluiu sua assinatura. Alice deve primeiro dar a transação incompleta a ele. Assim que ele adicionar sua assinatura, ela se torna válida.

Ainda não colocamos um mecanismo para manter todos jogando honestamente. Como dissemos antes, se a contraparte se recusar a cooperar, seus fundos estarão efetivamente presos. Vamos entrar no mecanismo que impede isso. Existem algumas peças móveis diferentes, então nos acompanhe.

Cada parte precisa criar um segredo – vamos chamá-los de As e Bs. Seriam segredos terríveis se Alice e Bob os revelassem, então eles os manterão ocultos por enquanto. O par irá gerar os hashes respectivos dos segredos – h(As) e h(Bs). Portanto, em vez de compartilhar seus segredos, eles compartilham esses hashes um com o outro.

Alice e Bob compartilham os hashes de seus segredos um com o outro.

Alice e Bob também precisam criar um conjunto de transações de compromisso antes de publicarem suas primeiras transações no endereço multisig. Isso lhes dará um recurso caso o outro decida manter os fundos como reféns.

Se você pensar em um canal como o mini-registro que mencionamos antes, as transações de compromisso são as atualizações que você faz no registro. Toda vez que você cria um novo par de transações de compromisso, você está equilibrando os fundos entre os dois participantes.

A transação de Alice terá duas saídas – uma que paga a um endereço de sua propriedade e outra que fica bloqueada em um novo endereço multisig. Ela a assina e dá a Bob.

Transação de Alice com duas saídas – uma para seu próprio endereço e outra para um novo multisig. Ela ainda precisa da assinatura de Bob para torná-la válida.

Bob faz o mesmo – uma saída paga a ele mesmo, outra paga a outro endereço multisig. Ele a assina e dá a Alice.

Temos duas transações incompletas que são muito parecidas.

Normalmente, Alice poderia adicionar uma assinatura à transação de Bob para torná-la válida. Mas você notará que esses fundos estão sendo gastos do multisig 2-de-2 que ainda não financiamos . É um pouco como tentar gastar um cheque de uma conta que ainda não tem saldo. Portanto, essas transações parcialmente assinadas só serão utilizáveis quando o multisig estiver funcionando.

Os novos endereços multisig (para onde as saídas de 3 BTC estão destinadas) têm algumas propriedades peculiares. Vamos dar uma olhada na transação incompleta que Alice assinou e deu a Bob. A saída multisig pode ser gasta sob as seguintes condições:

1. Ambas as partes podem assiná-la cooperativamente.
2. Bob pode gastá-la sozinho após um determinado período de tempo (devido ao nosso timelock).
3. Alice pode gastá-la se ela souber o segredo de Bob Bs.

Para a transação que Bob deu a Alice:

1. Ambas as partes podem assiná-la cooperativamente.
2. Alice pode gastá-la sozinha após um determinado período de tempo.
3. Bob pode gastá-la se ele souber o segredo de Alice As .

Lembre-se de que nenhuma das partes conhece o segredo do outro, então 3) ainda não é uma possibilidade. Outra coisa a observar é que, se você assinar uma transação, sua contraparte pode gastar imediatamente porque não há condições especiais em sua saída. Você pode esperar até que o timelock expire para gastar os fundos sozinho, ou pode cooperar com a outra parte para gastá-los imediatamente.

Ok! Agora você pode publicar as transações no endereço multisig 2-de-2 original. Finalmente, é seguro fazê-lo porque você pode recuperar seus fundos se a contraparte abandonar o canal.

Uma vez que as transações forem confirmadas, o canal estará funcionando. Esse primeiro par de transações mostra o estado atual do mini-registro. Atualmente, ele pagará 3 BTC para Bob e 3 BTC para Alice.

Quando Alice quiser fazer um novo pagamento para Bob, o par criará duas novas transações para substituir o primeiro conjunto. O procedimento é o mesmo – elas só estão meio assinadas. No entanto, Alice e Bob primeiro abrem mão de seus velhos segredos e trocam novos hashes para a próxima rodada de transações.

Se Alice quisesse pagar 1 BTC a Bob, por exemplo, as duas novas transações creditariam 2 BTC a Alice e 4 BTC a Bob. Dessa forma, o saldo é atualizado.

Qualquer uma das partes pode assinar e transmitir uma das transações mais recentes a qualquer momento para “resolver” na blockchain. Mas quem fizer isso terá que esperar até que o timelock expire, enquanto o outro pode gastar imediatamente. Lembre-se de que, se Bob assinar e transmitir a transação de Alice, ela agora terá uma saída sem condições.

Ambas as partes podem concordar em fechar o canal juntas (um fechamento cooperativo). Essa provavelmente é a maneira mais fácil e rápida de obter seus fundos de volta na cadeia. No entanto, mesmo se uma das partes ficar inativa ou se recusar a cooperar, a outra ainda poderá recuperar seus fundos esperando o término do timelock.

Como a Lightning Network Impede a Fraude?

A Lightning Network é uma solução projetada para abordar a escalabilidade do Bitcoin e permitir transações mais rápidas e eficientes. No entanto, com qualquer sistema financeiro, há preocupações com possíveis trapaças ou ataques. Vamos explorar como a Lightning Network previne trapaças e mantém a integridade das transações.

Prevenção de Ataques na Lightning Network:

Ataques de Transações Antigas:

Um dos possíveis ataques que podem ocorrer é quando um participante tenta transmitir uma transação anterior com um saldo maior. Suponhamos que Bob tenha atualmente um saldo de 1 BTC, e ele tenta transmitir uma transação anterior onde tinha mais fundos. Embora ele tenha o meio da transação pela metade de Alice, ele só precisa adicionar sua assinatura e transmiti-la, certo?

Nada o impede de fazer isso – exceto pelo fato de que ele pode perder todo o seu saldo. Vamos supor que ele siga adiante e transmita uma transação antiga que paga uma moeda a Alice e cinco para um endereço multisig mencionado anteriormente.

Alice recebe sua moeda imediatamente. No entanto, Bob deve esperar até que o período de bloqueio (timelock) expire para gastar os fundos do endereço multisig. Lembre-se da outra condição que mencionamos que permitiria a Alice gastar esses mesmos fundos imediatamente? Ela precisa de um segredo que ela não tinha antes. Ela o tem agora – assim que a segunda rodada de transações foi criada, Bob entregou aquele segredo.

Enquanto Bob espera, incapaz de fazer qualquer coisa enquanto aguarda o período de bloqueio expirar, Alice pode mover esses fundos. Esse mecanismo baseado em punição significa que os participantes são improváveis de tentar trapacear, pois o outro participante terá acesso às suas moedas.

Encaminhando Pagamentos:

A Lightning Network é construída em cima da ideia de que canais podem ser conectados, permitindo transações mais complexas e amplas. Sem essa capacidade de roteamento, a utilidade da Lightning Network seria limitada. Afinal, você bloquearia uma quantia considerável em um canal com uma cafeteria apenas para comprar seu café diário nos próximos meses?

Você não precisa fazer isso. Se Alice abre um canal com Bob e Bob já tem um com Carol, Bob pode encaminhar pagamentos entre os dois canais. Isso pode funcionar através de múltiplos “saltos”, o que significa que Alice pode pagar efetivamente qualquer pessoa para quem houver um caminho.

Limitações da Lightning Network:

No entanto, a Lightning Network tem suas próprias limitações que podem afetar sua eficácia.

Usabilidade:

Embora a Lightning Network seja uma solução promissora, sua usabilidade ainda é um desafio. A configuração de clientes e a abertura de canais podem ser processos demorados e complexos para novos usuários. Além disso, a necessidade de entender termos como “capacidade de entrada/saída” pode ser intimidante para iniciantes.

Liquidez:

Uma crítica significativa à Lightning Network é sua restrição à liquidez. Você não pode gastar mais do que tem bloqueado em um canal. Se você gastar todos os seus fundos, de modo que o saldo remoto contenha todos os fundos do canal, você precisará encerrar o canal. Alternativamente, você pode esperar até que alguém lhe pague através dele, mas isso não é ideal.

Suas opções de roteamento também podem ser limitadas pela capacidade total do canal. Isso pode limitar severamente a quantidade de fundos que podem ser passados pelos canais da Lightning Network, afetando sua usabilidade.

Conclusão:

Embora a Lightning Network ofereça soluções inovadoras para os desafios de escalabilidade do Bitcoin, ela também enfrenta limitações e desafios de usabilidade. Se essas limitações forem abordadas com sucesso, a Lightning Network pode se tornar uma parte crucial do ecossistema Bitcoin, melhorando significativamente a escalabilidade e a velocidade das transações. À medida que continua a evoluir, a Lightning Network promete potencializar ainda mais a eficiência das transações no mundo das criptomoedas.