לייטנינג נטוורק (Lightning Network) היא שכבת תשלומים הפועלת מעל רשת ביטקוין, ומאפשרת להעביר סכומים בין משתתפים בלי לרשום כל תשלום בנפרד בבלוקצ'יין. היא נשענת על ערוצי תשלום דו-צדדיים המעוגנים בעסקה אחת על השרשרת, ועל חוזים מבוססי גיבוב וזמן (HTLC) המאפשרים לנתב תשלום דרך שרשרת צמתים בלי שאף צומת ביניים יוכל לנכס לעצמו את הסכום העובר דרכו. התוצאה היא תשלומים שמסתיימים בשברירי שנייה ובעמלות זעירות, כל עוד קיים נתיב עם נזילות מספקת בין השולח לנמען.

הבעיה שלייטנינג נטוורק בא לפתור

שכבת הבסיס של ביטקוין בנויה סביב עיקרון אחד: כל צומת מלא ברשת מאמת ושומר את כל העסקאות, לתמיד. הבלוקים נוצרים בקצב ממוצע של כעשר דקות, וגודלם חסום. מכאן נגזרת תקרה על מספר העסקאות שהרשת קולטת ביחידת זמן, ותקרה זו אינה תלויה בסכום המועבר. עסקה שמעבירה כמה מאות סאטושי צורכת בערך אותו מקום בבלוק כמו עסקה שמעבירה סכום גדול מאוד, משום שהמשקל נמדד בבתים וירטואליים ולא בערך הכספי.

למגבלה הזו שתי השלכות מעשיות. הראשונה היא שמחיר מקום הבלוק נקבע בהתמודדות בין העסקאות הממתינות באזור ההמתנה של הצמתים, כך שבתקופות עומס העמלה על תשלום זעיר עלולה להיות גדולה מהתשלום עצמו. מבנה שוק העמלות ואופן חישובו מתוארים בהרחבה בעמוד עמלות ביטקוין. ההשלכה השנייה היא שסופיות מעשית דורשת המתנה לאישורים, כלומר לבלוקים נוספים שנערמים מעל הבלוק שהכיל את העסקה. תיאור מלא של מבנה הבלוקים והאישורים נמצא בעמוד איך עובד בלוקצ'יין.

הגישה של לייטנינג אינה לשנות את שכבת הבסיס אלא להשתמש בה אחרת. במקום לרשום כל תשלום בשרשרת, שני צדדים נועלים סכום בעסקה אחת על השרשרת, ולאחר מכן מעדכנים ביניהם את חלוקת הסכום הזה כמה פעמים שירצו, בהודעות שעוברות ישירות ביניהם. השרשרת נשארת שכבת האכיפה והיישוב: היא זו שקובעת מי מקבל מה אם הצדדים חדלים לשתף פעולה. כך אלפי תשלומים יכולים להתרחש בעוד שרק שתי עסקאות נרשמות בבלוקצ'יין – אחת בפתיחת הערוץ ואחת בסגירתו.

ערוץ תשלום דו-צדדי: המנגנון הבסיסי

עסקת המימון ופלט הרב-חתימה

ערוץ נפתח בעסקה רגילה על השרשרת, המכונה עסקת המימון. היא יוצרת פלט יחיד שדורש שתי חתימות מתוך שתיים (2-of-2 multisig): חתימה של כל אחד מהצדדים. מרגע שהעסקה מאושרת, אף אחד מהצדדים אינו יכול להזיז את הכסף לבדו. הסכום שנעול בפלט הזה הוא קיבולת הערוץ, והוא קבוע לכל אורך חייו אלא אם מבוצעת פעולת שינוי קיבולת ייעודית.

לצד עסקת המימון, כל צד מחזיק אצלו עסקה נוספת שנקראת עסקת המחויבות. עסקה זו מוציאה את הכסף מפלט הרב-חתימה ומחלקת אותו בין הצדדים לפי המצב המוסכם העדכני. עסקאות המחויבות אינן משודרות לרשת בשגרה – הן שמורות כ"מצנח" שכל צד יכול להפעיל בכל רגע. כל תשלום בערוץ הוא בפועל יצירה של זוג עסקאות מחויבות חדשות המשקפות חלוקה חדשה, וביטול הזוג הקודם.

עדכון מצב וביטול מצבים ישנים

כאן טמונה הנקודה העדינה: אם צד אחד שומר עותק של מצב ישן שבו היה לו יותר כסף, מה מונע ממנו לשדר אותו לשרשרת? התשובה היא מנגנון ענישה. בכל מעבר למצב חדש, כל צד מוסר ליריבו סוד ביטול (revocation secret) המתאים למצב שנזנח. מרגע שהסוד נמסר, המצב הישן הופך למלכודת עבור מי שישדר אותו.

המנגנון עובד כך: הפלט של המשדר בעסקת המחויבות שלו נעול בהשהיה יחסית, המיושמת באמצעות OP_CHECKSEQUENCEVERIFY. המשדר חייב להמתין מספר בלוקים מוסכם לפני שיוכל למשוך את חלקו. בחלון ההמתנה הזה, הצד השני – המחזיק בסוד הביטול – יכול לנכס לעצמו את מלוא יתרת הערוץ, כולל חלקו של המשדר. לכן שידור מצב ישן אינו רק לא מועיל, הוא מסוכן למשדר.

• יתרת מילואים – כל צד נדרש להשאיר אצלו יתרה מזערית שאינה ניתנת להעברה, לרוב בסדר גודל של אחוז אחד מקיבולת הערוץ, כדי שתמיד יהיה לו מה להפסיד אם ינסה לרמות.
• השהיה יחסית – פרק ההמתנה נקבע בעת פתיחת הערוץ. השהיה ארוכה יותר מעניקה לצד הנפגע יותר זמן להגיב, אך גם מקפיאה את הכסף של הצד שסוגר באופן חד-צדדי לזמן ארוך יותר.
• שומרי צמתים – שירותי ניטור שמסוגלים להפעיל את הענישה בשם צומת שאינו מקוון. הם מקבלים מראש עסקת ענישה מוצפנת ואינם לומדים ממנה את מצב הערוץ.

פתיחה וסגירה של ערוץ

סגירת ערוץ מתרחשת באחת משתי דרכים. סגירה שיתופית היא המסלול הרגיל: שני הצדדים מסכימים על החלוקה הסופית ועל העמלה, חותמים יחד על עסקה אחת שמפצלת את פלט הרב-חתימה, ומשדרים אותה. הפלטים בעסקה כזו זמינים מיד, בלי השהיות ובלי תנאים מיוחדים, והיא גם קטנה וזולה יחסית.

סגירה חד-צדדית, לעומת זאת, מתרחשת כאשר צד אחד מפסיק להגיב או שקיימת מחלוקת. הצד הפעיל משדר את עסקת המחויבות האחרונה שברשותו. פלט של הצד המשדר ננעל להשהיה היחסית שתוארה למעלה, ותשלומים שהיו בתנועה ברגע הסגירה נפתרים בעסקאות המשך נפרדות, שלכל אחת מהן תנאי זמן משלה. סגירה כזו עולה יותר בעמלות שרשרת ואורכת יותר זמן.

• עוגני עמלה – פלטים קטנים בעסקת המחויבות המאפשרים לכל אחד מהצדדים להגדיל בדיעבד את העמלה האפקטיבית באמצעות עסקת ילד המשלמת עבור ההורה. בלעדיהם עסקת מחויבות שנחתמה בעמלה נמוכה מדי עלולה להיתקע.
• סף אבק – סכומים זעירים מכדי להצדיק פלט נפרד על השרשרת אינם מקבלים פלט משלהם בסגירה, ובפועל נספגים בעמלה.
• שינוי קיבולת בלי סגירה – מנגנון המחליף את עסקת המימון בעסקה חדשה המוציאה את הקודמת, ומאפשר להגדיל או להקטין ערוץ קיים בלי לנתק אותו ובלי לאבד את היסטוריית הניתוב שלו.

HTLC וניתוב דרך צמתים

מבנה החוזה מבוסס-הגיבוב

ערוץ בין שני צדדים פותר תשלומים ביניהם בלבד. הדבר שהופך אוסף ערוצים לרשת הוא היכולת לשלם למישהו שאין עמו ערוץ ישיר, דרך שרשרת של ערוצים קיימים, בלי לתת לצמתים שבדרך שליטה בכסף. המנגנון שמאפשר זאת נקרא HTLC – חוזה מבוסס גיבוב וזמן.

1. הנמען מגריל מחרוזת אקראית בת 32 בתים, המכונה תמונת המקור, ומחשב עליה גיבוב SHA-256. תוצאת הגיבוב היא מזהה התשלום, והיא מופיעה בחשבונית שהנמען מנפיק.
2. השולח בונה נתיב, ובכל ערוץ לאורכו נוצר פלט מותנה בעסקת המחויבות: הסכום עובר לצומת הבא אם הוא מציג את תמונת המקור המתאימה למזהה, או חוזר לצומת הקודם אם חלף מועד התפוגה.
3. מועד התפוגה נאכף באמצעות נעילת זמן מוחלטת המבוססת על OP_CHECKLOCKTIMEVERIFY, ונמדד בגובה בלוק ולא בשעון קיר.
4. כשהשרשרת המותנית מגיעה לנמען, הוא חושף את תמונת המקור וגובה את חלקו. הצומת שלפניו רואה את תמונת המקור, משתמש בה כדי לגבות מהצומת שלפניו, וכך אחורה עד השולח.

התוצאה היא אטומיות: או שכל החוליות בנתיב מתיישבות, או שכולן פוקעות והכסף חוזר לשולח. אף חוליה אינה יכולה להיתקע במצב שבו שילמה קדימה ולא נגבתה אחורה, משום שמועדי התפוגה יורדים לאורך הנתיב. לכל ערוץ מוגדר הפרש זמן משלו, וכל צומת דורש שהמועד שהוא מקבל מלפניו יהיה מאוחר מהמועד שהוא מתחייב עליו קדימה. הפרש זה הוא חלון הביטחון שבו הצומת יכול לפנות לשרשרת ולאכוף את החוזה אם משהו משתבש. בשגרה כל זה קורה מחוץ לשרשרת: הפלט המותנה נמחק מעסקת המחויבות והיתרות מתעדכנות, בלי ששום דבר משודר.

ניתוב בצל וגרף הערוצים

ערוצים שהוכרזו בפומבי מפורסמים ברשת בפרוטוקול רכילות. כל צומת מרכיב לעצמו גרף מקומי של הערוצים הידועים, ובכל צלע רשומים הקיבולת, עמלת הבסיס, השיעור היחסי, הפרש הזמן הנדרש והסכומים המזעריים והמרביים שהערוץ מוכן להעביר. הודעות עדכון תקופתיות משמרות את הגרף, וצומת שמפסיק להכריז על עצמו נושר ממנו.

הניתוב עצמו הוא ניתוב ממקור: השולח בוחר את כל הנתיב בעצמו ולא מפקיד את הבחירה בידי הרשת. הוא אורז את ההוראות בחבילה מוצפנת בשכבות, בגודל אחיד של 1,366 בתים. כל צומת בנתיב מקלף שכבה אחת, לומד רק מהיכן הגיעה החבילה ולאן היא ממשיכה, ומעביר הלאה חבילה שנראית זהה בגודלה. שום צומת ביניים אינו יודע אם הצומת שלפניו הוא השולח המקורי או חוליה נוספת, ואינו יודע מיהו היעד הסופי. אם חוליה נכשלת, מוחזרת לשולח הודעת שגיאה מוצפנת שמאפשרת לו להבין היכן נעצר התשלום ולנסות נתיב אחר. ערוצים שלא הוכרזו אינם מופיעים בגרף כלל, ולכן חשבונית של נמען כזה נושאת רמזי ניתוב המתארים את החוליות האחרונות.

עמלות ניתוב וחישובן

צומת המעביר תשלום גובה עמלה משני רכיבים: עמלת בסיס קבועה שאינה תלויה בסכום, ושיעור יחסי הנמדד בחלקי מיליון מהסכום המנותב. החישוב נעשה ביחידת המיליסאטושי, שהיא אלפית סאטושי – ומאחר שביטקוין אחד מורכב מ-100,000,000 סאטושי, מיליסאטושי אחד הוא חלק אחד מ-100 מיליארד ביטקוין. יחידה זו קיימת בתוך הערוצים בלבד; בסגירה לשרשרת הכול מעוגל לסאטושי שלמים.

הטבלה ממחישה מדוע עמלת הבסיס היא הגורם הדומיננטי בתשלומים זעירים ואילו השיעור היחסי מכתיב את התמונה בסכומים גדולים. העמלה הכוללת של נתיב היא סכום העמלות של כל הצמתים שבו, למעט הנמען שאינו גובה על החוליה האחרונה. השולח מוסיף את העמלה מעל הסכום המבוקש, כך שהנמען מקבל בדיוק את מה שביקש בחשבונית. שים לב שהעמלה בלייטנינג משולמת לצמתים מפעילי הערוצים ואינה קשורה כלל לעמלת השרשרת המשולמת לכורים.

קיבולת, נזילות ואיזון ערוץ

קיבולת הערוץ היא הסכום הכולל שננעל בעסקת המימון, אך היא אינה הסכום שניתן לשלוח. הקיבולת מתחלקת בכל רגע בין שני הצדדים: היתרה המקומית היא הנזילות היוצאת, כלומר מה שהצומת יכול לשלוח, והיתרה שמעבר היא הנזילות הנכנסת, כלומר מה שהצומת יכול לקבל. סכום שני הצדדים נשאר קבוע; כל תשלום רק מזיז את קו החלוקה.

מכאן נובעת אחת הנקודות שהכי מבלבלות מתחילים. ערוץ חדש שמומן כולו על ידי צד אחד מתחיל עם נזילות נכנסת אפסית עבורו: הוא יכול לשלוח את מלוא הקיבולת, אך אינו יכול לקבל ולו סאטושי אחד עד שיוציא משהו החוצה. קבלת תשלומים דורשת אפוא נזילות בכיוון ההפוך, ולכך יש כמה דרכים מקובלות.

• מימון דו-צדדי – שני הצדדים תורמים לעסקת המימון, כך שהערוץ נולד מאוזן ומאפשר תנועה לשני הכיוונים מיד.
• החלפה בין השכבות – עסקה אטומית שבה סכום על השרשרת מוחלף בסכום בתוך ערוץ, תוך שימוש באותו מזהה תשלום משני הצדדים כדי שאף צד לא יוכל לקחת את שני הרגליים.
• איזון מעגלי – תשלום שהצומת שולח לעצמו דרך מסלול היוצא בערוץ אחד וחוזר בערוץ אחר. הכסף אינו משנה בעלות אלא רק מקום, והעלות היא עמלות הניתוב לאורך המסלול.
• ערוץ נכנס מצד אחר – צומת אחר פותח ערוץ לעבר הצומת ומממן אותו, ובכך יוצר עבורו נזילות נכנסת.

גם בתוך הנזילות היוצאת יש מגבלות. יתרת המילואים אינה זמינה לשליחה, תשלומים שנמצאים בתנועה תופסים סכום ומקום עד שהם מתיישבים, ומספר החוזים המותנים הפעילים בו-זמנית בכל כיוון חסום – התקן קובע תקרה של 483 חוזים כאלה, כדי שעסקת המחויבות תישאר בגודל שניתן לשדר. הגבלה עקרונית נוספת נובעת מהנתיב: הסכום המרבי שניתן להעביר הוא המזערי מבין הנזילויות היוצאות הזמינות בכל חוליה, ולא הקיבולת של הערוץ הראשון.

נקודה טכנית חשובה: גרף הרשת מפרסם את קיבולת הערוץ אך לא את חלוקת היתרות בתוכו, מטעמי פרטיות. לכן השולח בונה מסלול על בסיס הערכה בלבד, וכישלון של ניסיון ראשון הוא תופעה שגרתית ולא תקלה. תוכנת הצומת לומדת מהכישלונות, מדרגת מסלולים לפי היסטוריה, ומנסה שוב בנתיב חלופי – לרוב בתוך שניות בודדות ובלי שהמשתמש מבחין בכך.

חשבוניות, keysend ותשלומים מפוצלים

הדרך התקנית לבקש תשלום היא חשבונית. זוהי מחרוזת מקודדת הפותחת בקידומת המזהה את הרשת, והיא נושאת בתוכה את מזהה התשלום (הגיבוב של תמונת המקור), את מפתח הצומת של הנמען, סכום אופציונלי, חותמת זמן ומועד תפוגה, תיאור מילולי או גיבוב שלו, דרישת זמן מזערית לחוליה האחרונה, סוד תשלום, ולעיתים רמזי ניתוב לערוצים שלא הוכרזו. כל אלה חתומים דיגיטלית במפתח הצומת של הנמען, כך שהשולח יכול לאמת שהחשבונית אכן נוצרה על ידי בעל המפתח ולא שונתה בדרך.

לחשבונית תפקיד נוסף מעבר לבקשת הכסף: היא מייצרת הוכחת תשלום. רק הנמען יודע את תמונת המקור לפני התשלום, ולכן החזקה במחרוזת שהגיבוב שלה שווה למזהה שבחשבונית מעידה שהנמען אכן שחרר את החוזה. זו הוכחה קריפטוגרפית שאינה דורשת אמון בצד שלישי כלשהו. מסיבה זו חשבונית מיועדת לשימוש חד-פעמי – כל בקשה חדשה מקבלת תמונת מקור חדשה.

קיים גם דור חדש יותר של הצעות תשלום, שבו הנמען מפרסם מחרוזת קבועה וניתנת לשימוש חוזר, והשולח פונה דרכה כדי לקבל חשבונית טרייה בעלת מזהה ייחודי. הפנייה עוברת בנתיב מוסתר, כך שהשולח אינו לומד בהכרח מיהו הצומת של הנמען. שיטה זו נוחה לתשלומים חוזרים ולהחזרים, ומייתרת את הצורך להנפיק ולהעביר מחרוזת חדשה בכל פעם.

keysend הוא מסלול הפוך: תשלום ספונטני בלי חשבונית מוקדמת. השולח מגריל בעצמו את תמונת המקור, מחשב ממנה את המזהה, ומצרף את תמונת המקור עצמה כרשומה ייעודית במטען המוצפן המיועד ליעד. הצמתים שבדרך אינם רואים אותה, אך היעד מקלף את השכבה האחרונה, מוצא בתוכה את תמונת המקור, ומיישב בעזרתה את החוזה. הדבר מאפשר לדחוף תשלום לצומת שמזהה המפתח שלו ידוע בלי אינטראקציה מוקדמת. המחיר הוא ויתור על הוכחת התשלום במובנה החזק – הנמען לא בחר את תמונת המקור ולכן לא התחייב מראש על דבר – וכן דרישה שהצומת המקבל יאפשר את התכונה במפורש.

מנגנון נוסף הוא פיצול תשלום למספר חלקים. במקום להעביר סכום בנתיב יחיד, השולח מפצל אותו למספר חלקים הנשלחים במסלולים שונים, כולם נושאים את אותו מזהה תשלום. הנמען אינו חושף את תמונת המקור עד שסך החלקים שהגיעו משתווה לסכום המבוקש, ואז משחרר את כולם יחד. כך אפשר להעביר סכום גדול מהנזילות הזמינה בכל ערוץ בודד, ועדיין לשמור על אטומיות מלאה.

מגבלות וסיכונים תפעוליים

לייטנינג מציעה מהירות ועלות נמוכה, אך בתמורה למודל תפעולי תובעני יותר משכבת הבסיס. הבנת המגבלות היא חלק בלתי נפרד מהבנת המנגנון.

• דרישת זמינות – צומת שאינו מקוון אינו יכול לקבל תשלומים, משום שהחוזה המותנה דורש חתימה חיה מהצד המקבל. קבלה במצב לא מקוון היא נושא שנמצא בפיתוח ואינה חלק מהתנהגות ברירת המחדל.
• ניהול מצב – שידור של מצב ישן מפעיל את מנגנון הענישה נגד המשדר. שחזור מגיבוי סטטי מאפשר לבקש מהצד השני לסגור את הערוץ ולהחזיר את היתרה, אך אינו משחזר את המצב עצמו ואינו מאפשר להמשיך לפעול בערוץ.
• עלות סגירה חד-צדדית – בתקופות עומס על השרשרת, העמלה הנדרשת לשידור עסקת המחויבות ולעסקאות ההמשך עלולה להיות משמעותית ביחס ליתרה בערוץ. בערוצים קטנים במיוחד זהו שיקול תפעולי מרכזי.
• לחץ זמן – פתרון חוזה מותנה על השרשרת חייב להתבצע לפני מועד התפוגה. עומס ממושך על השרשרת בדיוק בחלון הקריטי הוא וקטור סיכון ידוע, ולכן הפרשי הזמן שבין החוליות נקבעים בשוליים נדיבים.
• חסימת ערוצים – תוקף יכול לשלוח תשלומים שאינם מתיישבים ולהחזיק חוזים פתוחים עד תפוגתם, ובכך לתפוס נזילות ומקום בעסקת המחויבות של צמתים אחרים בעלות נמוכה יחסית לעצמו. קיימות הצעות שונות למיתון התופעה, בהן דרישות תשלום מוקדם על החזקת חוזה.
• גבולות פרטיות – צומת ביניים אינו יודע מיהו השולח ומיהו היעד, אך הוא כן רואה את הסכום העובר דרכו. מאחר שמזהה התשלום זהה לאורך כל הנתיב, שני צמתים משתפי פעולה בנתיב אחד יכולים לקשר ביניהם. הצעה עתידית מחליפה את הגיבוב המשותף בנקודה מתמטית שונה בכל חוליה, ומבטלת את הקישוריות הזו.
• תקרות מבניות – התקן המקורי הגביל את גודל הערוץ ואת גודל החוזה הבודד. תכונה אופציונלית מסירה את המגבלה על גודל הערוץ, אך שני הצדדים צריכים לתמוך בה, ולכן ערוץ יחיד אינו בהכרח מתאים להעברת סכומים גדולים במיוחד.

לצד אלה קיים הבדל ארכיטקטוני עקרוני בין הפעלת צומת עצמאי לבין שימוש בשירות שמחזיק את המפתחות עבור המשתמש. במקרה הראשון המשתמש נושא באחריות מלאה לזמינות, לגיבוי ולניטור, ובתמורה שולט בכספו ישירות. במקרה השני האחריות התפעולית עוברת לגורם אחר, אך המשתמש מחזיק בפועל בהתחייבות של אותו גורם ולא ביתרה בערוץ. ההבחנה הזו טכנית ואינה תלויה במהירות או בעמלה, והיא נכונה לכל שכבת תשלומים המבוססת על ערוצים.

שאלות נפוצות

האם צריך לפתוח ערוץ נפרד מול כל נמען?

מה קורה אם הצד השני בערוץ מפסיק להגיב או נעלם?

האם תשלום בלייטנינג סופי באותה מידה כמו עסקה על השרשרת?

מה ההבדל בין קיבולת הערוץ לבין הסכום שאפשר להעביר בפועל?

התוכן בעמוד זה הוא חומר הסברי-טכני בלבד, שנועד לתאר את אופן פעולתם של מנגנונים טכנולוגיים, ואינו המלצה לפעולה מכל סוג שהוא.

להרחבה בנושאים קרובים: מדריך ביטקוין המלא · עמלות ביטקוין · איך עובד בלוקצ'יין · ביטקוין מול אתריום