Das Bitcoin Lightning Network ist eine Layer-2-Skalierungslösung für Bitcoin, die darauf abzielt, die Skalierbarkeitsherausforderungen der Bitcoin-Blockchain zu bewältigen. Es ermöglicht sofortige und kostengünstige Bitcoin-Transaktionen, wodurch es für Benutzer effizienter und zugänglicher wird. Im Vergleich zu On-Chain-Transaktionen bei Bitcoin sind Transaktionen im Lightning Network privat, finden off-chain statt, und nur das Gesamtergebnis wird aufgezeichnet.

Einer der Hauptvorteile des Lightning Networks ist seine Geschwindigkeit und Erschwinglichkeit. Es ermöglicht Benutzern, kleine Zahlungen über das Bitcoin-Netzwerk einfach und kostengünstig zu senden und zu empfangen. Durch die Erstellung eines Netzwerks von Zahlungskanälen zwischen Benutzern ermöglicht das Lightning Network Transaktionen, ohne jede Transaktion an die Blockchain zu übertragen. Dies reduziert die Überlastung der Bitcoin-Blockchain und verbessert die Skalierbarkeit von Transaktionen.

Es sollte jedoch beachtet werden, dass sich das Lightning Network noch in der Entwicklung befindet und bestimmten Sicherheits- und Zentralisierungsrisiken ausgesetzt ist. Im Oktober dieses Jahres wurde im Lightning Network eine Schwachstelle namens "Ersetzungszyklus-Angriff" neu entdeckt, die den Transaktionsersetzungsmechanismus betrifft und zum Verlust von Kanalgeldern im Lightning Network führen kann. Das Auftreten dieser Angriffsmethode hat Bedenken hinsichtlich der Sicherheit des Lightning Networks hervorgerufen und weitere Forschungen und Verbesserungen seiner Protokolle und Implementierungen angeregt.

Lightning Network Mechanismus

Das Bitcoin Lightning Network nutzt den Multisig-Mechanismus, um die Sicherheit der Zahlungskanäle zu gewährleisten. Teilnehmer müssen Gelder sperren und Zahlungskanäle einrichten. Teilnehmer können innerhalb des Kanals schnelle, kostengünstige Zahlungen vornehmen, ohne die Transaktionen jedes Mal an die Bitcoin-Blockchain übermitteln zu müssen. Der Zahlungskanal ist lediglich eine Beziehung zwischen den Teilnehmern außerhalb der Bitcoin-Blockchain, die durch die Unterzeichnung einer Reihe von Transaktionen innerhalb des Kanals erreicht wird, die nur zwischen den beiden Enden des Kanals verbreitet werden, ohne den Konsens des gesamten Bitcoin-Netzwerks einzubeziehen.

Hinsichtlich des spezifischen Prozesses müssen Teilnehmer bei der Eröffnung eines Zahlungskanals ein Multisignatur-Skript erstellen, das von jeder Partei im Kanal die Bereitstellung ihres öffentlichen Schlüssels erfordert, während die erforderliche Anzahl von Signaturen festgelegt wird, zum Beispiel durch die Definition eines Skripts, das mehrere öffentliche Schlüssel und Signaturüberprüfungslogik enthält. Bei der Generierung der Multisignatur-Adresse wird dieses Skript in eine Bitcoin-Adresse umgewandelt und bildet so die Infrastruktur des Zahlungskanals.

Zum Beispiel, wie in Abbildung 1 dargestellt, erstellen Bob und Alice zunächst eine 2-von-2 Multi-Signatur-Bitcoin-Adresse on-chain als gemeinsamen Fonds. Innerhalb des Kanals können sie unbegrenzte Off-Chain-Verpflichtungstransaktionen durchführen, um den aktuellen Stand der Mittelzuweisung zu erfassen. Die beiden Parteien können neue Verpflichtungstransaktionen aushandeln und unterzeichnen, um den Kanalzustand zu aktualisieren, ohne diese Aktualisierungen an das gesamte Bitcoin-Netzwerk zu übertragen. Wenn sie beschließen, den Kanal zu schließen, wird die abschließende On-Chain-Abrechnungstransaktion die Mittel gemäß der zuletzt ausgehandelten Zuweisung verteilen. Diese Abrechnungstransaktion erfordert die gemeinsamen Unterschriften sowohl von Bob als auch von Alice, um sicherzustellen, dass die Mittel in der endgültig vereinbarten Weise zugewiesen werden. Auf diese Weise verbessert das Lightning-Netzwerk die Effizienz von Bitcoin-Transaktionen, reduziert die Kosten und behält gleichzeitig seine dezentralen Eigenschaften bei.

Abbildung 1: Zustandskanal-Diagramm

Quelle: https://cypherpunks-core.github.io/bitcoinbook/images/mbc2_1204.png

HTLC-Mechanismus

Das Bitcoin Lightning-Netzwerk verwendet auch Zahlungskanäle basierend auf Hashed Timelock Contracts (HTLCs), um ein routbares, mehrstufiges Zahlungskanalsystem zu implementieren. In der Implementierung erfordern HTLCs ein komplexes Transaktionsskript, das in einer Skriptsprache definiert ist, um die Hash-Bedingung und die Zeitsperre-Bedingung zu erfüllen. Dieses Skript wird bei der Eröffnung des Zahlungskanals zur Initialisierung verwendet und während der Zahlung ausgelöst. Auf diese Weise erreicht das Bitcoin Lightning-Netzwerk Effizienz und Sicherheit für kettenübergreifende Zahlungen.

HTLC (Hashed Timelock Contract) ist ein Hash-Zeitschloss-Vertrag, der eine der wichtigen Komponenten für die Implementierung von Cross-Chain-Transaktionen auf der Blockchain darstellt. HTLC hat zwei häufige Anwendungen: Cross-Chain-Atomic-Swaps und Zahlungskanäle im Lightning-Netzwerk. HTLC kann eine Überweisung sperren und Entriegelungsbedingungen festlegen, wie zum Beispiel die Bereitstellung spezifischer Informationen innerhalb einer bestimmten Zeit. Dies stellt sicher, dass die Gelder nur vom Empfänger abgehoben werden können, wenn die Bedingungen erfüllt sind.

Technisch gesehen ist ein HTLC ein zusätzlicher Output in einer Commitment-Transaktion mit einem einzigartigen Output-Skript. Dies ist ein Script-Skript, das Operationen wie OP_HASH160, OP_EQUALVERIFY usw. enthält und dazu verwendet wird, Gelder zu sperren, sodass sie nur durch Bereitstellung des Preimage-Werts R entriegelt werden können. Dieses Skript hat zwei mögliche Pfade. Der erste Pfad (definiert in OP IF) sendet Gelder an Bob, wenn Bob R bereitstellen kann. Der zweite Pfad erzwingt eine Zeitsperre mittels nLockTime in der Zahlungstransaktion, die nach Ablauf der Sperre Rückerstattungen an Alice ermöglicht.

OP_IF

OP_HASH160 <Hash160 (R)> OP_EQUALVERIFY

2 <Alice2> <Bob2> OP_CHECKMULTISIG

OP_ELSE

2 <Alice1> <Bob1> OP_CHECKMULTISIG

OP_ENDIF

Routing-Beispiel

Im Lightning-Netzwerk möchte Alice 1 Bitcoin an Eric zahlen, aber es gibt keinen direkten Zahlungskanal zwischen Alice und Eric. Also leitet Alice die Zahlung über Zwischenknoten im Zahlungskanal-Netzwerk (Bob, Carol, Diana), um einen sicheren Zahlungsweg zu konstruieren, der es ihr ermöglicht, indirekt 1 Bitcoin an Eric zu zahlen. Das Zahlungsrouting verwendet HTLCs - nur durch Bereitstellung des korrekten "Geheimnisses" innerhalb eines bestimmten Zeitfensters können die Gelder entriegelt werden, was die Zahlungssicherheit gewährleistet.

In diesem Beispiel generiert Eric in Schritt 1 ein Geheimnis R (Lösung) und berechnet den Hashwert H (Rätsel), dann gibt er den Hashwert H an Alice weiter.

Schritte 2-5: Alice, Bob, Carol, Diana und Eric erstellen jeweils paarweise HTLCs, die innerhalb einer bestimmten Zeitspanne die Bereitstellung von R (Lösung) erfordern, um die gesperrten Gelder von der vorgelagerten Partei abzurufen.

Schritte 6-9: Eric stellt Diana R (Lösung) zur Verfügung, um 1 BTC abzurufen. Diana ruft dann mit R das BTC von Carol ab, und R wird auf diese Weise rückwärts weitergegeben, bis Alice' 1,003 BTC (wovon 0,003 BTC die Servicegebühr für Zwischenknoten darstellen) abgerufen sind.

In diesem Beispiel werden, falls Eric in Schritt 6 R (Lösung) nicht innerhalb der festgelegten Zeit bereitstellt, nach Ablauf der Zeit die in den Schritten 2-5 gesperrten Gelder direkt entsperrt und zurückgegeben.

Abbildung 2: Routing-Beispiel

Quelle: https://cypherpunks-core.github.io/bitcoinbook/images/mbc2_1210.png

Ersetzungs-Zyklus-Angriff

Der Transaktionsersetzungsmechanismus von Bitcoin bezieht sich darauf, dass eine als ersetzbar markierte Transaktion durch eine andere Transaktion mit einer höheren Gebühr im Netzwerk ersetzt werden kann, bevor sie in einem Block bestätigt wird. Wenn eine Transaktion eine höhere absolute Gebühr und einen höheren Gebührensatz aufweist, kann sie ausstehende, unbestätigte Transaktionen ersetzen, die direkt mit ihr in Konflikt stehen. Nach Erhalt der Ersatztransaktion entfernen die Knoten die ursprüngliche Transaktion mit dem niedrigeren Gebührensatz aus dem Mempool und behalten nur die Ersatztransaktion bei. Der Transaktionsersetzungsmechanismus ermöglicht die Anpassung von Transaktionsgebühren oder anderen Parametern, bevor die Transaktion bestätigt wird. Dieser Mechanismus kann jedoch auch genutzt werden, um Transaktionsverweigerungsangriffe durchzuführen, wie zum Beispiel das wiederholte Ersetzen einer kritischen Transaktion, was deren Bestätigung verhindert. Daher bietet der Transaktionsersetzungsmechanismus zwar Flexibilität bei der Anpassung von Transaktionen, führt aber auch Risiken des Missbrauchs ein.

Laut einer E-Mail des Bitcoin Core-Entwicklers Antoine Riard betrifft der Replacement-Cycle-Angriff hauptsächlich Zahlungskanäle im Bitcoin Lightning Network. Der Angreifer sendet eine HTLC-Preimage-Transaktion mit einer höheren absoluten Gebühr und Gebührenrate, um die HTLC-Timeout-Transaktion des ehrlichen Knotens zu ersetzen. Während des Ersetzungsvorgangs kann der Angreifer zusätzliche Inputs oder Outputs hinzufügen, um sicherzustellen, dass die Ersatztransaktion erfolgreich vom Netzwerk akzeptiert wird. Diese Angriffsmethode kann zu einer doppelten Ausgabe von Geldern in Zahlungskanälen führen, das heißt, nachdem der ehrliche Knoten die HTLC-Timeout-Transaktion gesendet hat, kann der Angreifer die Gelder erfolgreich durch Ersetzung zurückholen. Wir können ein einfaches Beispiel zur Veranschaulichung geben, ähnlich dem vorherigen Beispiel, bei dem der Pfad vereinfacht nur Alice, Bob und Eric umfasst, und Alice und Eric zusammenarbeiten, um Bobs BTC zu stehlen.

Schritt 1: Alice beabsichtigt, 1 BTC über Bob an Eric zu zahlen. Alice\Bob und Bob\Eric erstellen jeweils ein HTLC. Eric muss Bob vor Block 1020 (angenommen, die aktuelle Höhe ist 1000) R (Lösung) liefern, andernfalls kann Bob die gesperrten 1 BTC zurückholen; ähnlich muss Bob Alice vor Block 1080 antworten, sonst kann Alice ihre 1 BTC zurückholen.

Schritt 2: Eric hat Bob vor Block 1020 kein R (Lösung) geliefert. Bob wird eine Transaktion mit HTLC-Timeout senden. Die Gelder in dieser Transaktion werden an Bob zurückerstattet.

Schritt 3: Eric überwacht Bobs HTLC-Timeout-Transaktion und ersetzt sie durch eine HTLC-Preimage-Transaktion mit einer höheren Gebührenrate. Dann initiiert Eric eine weitere Transaktion, um die vorherige HTLC-Preimage aus dem Mempool zu verdrängen.

Schritt 4: Bobs Knoten wird die HTLC-Timeout-Transaktion bis Block 1080 erneut senden. Eric kann bei jedem Mal einen Ersatz initiieren. Bis Block 1080 wird die Transaktion der anderen Kanalpartei Alice bestätigt, und Alice holt die gesperrten BTC zurück.

Schritt 5: Erics HTLC-Preimage wird bestätigt, sodass die von Bob gesperrten 1 BTC an Eric übertragen werden.

Somit wurden Bobs 1 BTC an Eric übertragen, während er auch die von Alice geschuldeten BTC nicht erhalten hat.

Zusammenfassung

Stand November 2023 verfügt das Lightning Network über mehr als 16.000 Lightning-Knoten und 5.000 BTC. Obwohl tatsächliche Fälle von Replacement-Cycle-Angriffen nicht bestätigt wurden, unterstreicht dies die Notwendigkeit kontinuierlicher Sicherheitsforschung und -verbesserungen für das Lightning Network. Antoine Riard schlug auch mehrere Maßnahmen vor, um Replacement-Cycle-Angriffe zu vermeiden oder abzumildern, wie das Überwachen des lokalen Mempools und weitergeleiteter Transaktionen, den Aufbau von Overlay-Netzwerken zwischen Minern und Lightning-Knoten sowie das aktive Wiederholen von HTLC-Timeout-Transaktionen, um die Kosten für Angreifer zu erhöhen. Gleichzeitig kündigte er jedoch an, seine Beteiligung am Lightning Network und dessen Implementierungsarbeiten einzustellen, einschließlich der Koordination von Lösungen für Sicherheitslücken auf Protokollebene.

Mit zunehmender Skalierung des Lightning Networks könnte die potenzielle Bedrohung durch Replacement-Cycle-Angriffe zu einem Hindernis in seinem Entwicklungspfad werden und die Community dazu zwingen, sich stärker auf Sicherheitsforschung und -verbesserungen zu konzentrieren. Gerade durch die ernsthafte Auseinandersetzung mit Sicherheitsproblemen und deren Verbesserung könnten wir jedoch in Zukunft erleben, wie das Lightning Network allmählich potenzielle Risiken beseitigt und ein gesünderes und zuverlässigeres Ökosystem erreicht.

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Referenzen

https://cypherpunks-core.github.io/bitcoinbook/

https://lists.linuxfoundation.org/pipermail/bitcoin-dev/2023-October/022032.html

https://lightning.network/lightning-network-paper.pdf

https://github.com/ariard/mempool-research/blob/2023-10-replacement-paper/replacement-cycling.pdf

Ersetzungszeitraum-Angriff im Lightning-Netzwerk