Pagamentos em Bitcoin: O que é a Lightning Network?

A Lightning Network, e como utilizá-la para pagar com Bitcoin, é explicada neste guia aprofundado para principiantes.

Principais conclusões:

• Introduzida pela primeira vez em 2016, a Lightning Network é um protocolo de pagamento da camada 2 construído sobre a blockchain da Bitcoin. Permite pagamentos quase instantâneos, utilizando a funcionalidade de contrato inteligente nativa da Bitcoin.
• A Lightning Network é composta por múltiplos canais de pagamento bidireccionais que gerem transacções paralelas à cadeia de blocos principal.
• O seu objetivo é resolver os problemas de escala da Bitcoin, tais como o longo tempo de criação de blocos, o débito limitado e as elevadas taxas de transação.

Comprar café com Bitcoin? O problema de escalabilidade da Bitcoin

O livro branco Bitcoin de Satoshi Nakamoto, publicado em 2008, previa um “sistema de dinheiro eletrónico peer-to-peer” – um sistema de pagamento digital descentralizado e sem confiança. No entanto, para que a Bitcoin possa concretizar plenamente esta visão, há alguns inconvenientes e limitações que tem de ultrapassar.

Imagine alguém a tentar comprar uma chávena de café utilizando Bitcoin durante a hora de ponta, enquanto está preso numa longa fila. Este exemplo prático cria imediatamente duas questões:

Em primeiro lugar, pode demorar entre 10 minutos a uma hora só para efetuar a compra e confirmar que o pagamento foi efectuado (dependendo do número de confirmações exigidas pelo café).

Em segundo lugar, a taxa de transação pode ser próxima ou mesmo superior ao custo do próprio café. Não há forma de garantir um processamento rápido e barato de transacções como esta com a Bitcoin, e este tipo de incerteza pode torná-la uma opção pouco atractiva como método de pagamento.

As limitações da Bitcoin como sistema de pagamento incluem:

Tempo de criação de blocos relativamente longo.

Para que uma transação seja adicionada a um bloco na cadeia de blocos, tem de ser validada através do processo de mineração. A validação do mineiro é a chave para a natureza descentralizada e segura do Bitcoin, mas isso também significa que as transacções não são instantâneas e levam um tempo considerável para serem confirmadas como bem sucedidas. De facto, um novo bloco é extraído em cerca de 10 minutos (em média, no momento da redação).

Capacidade de produção limitada.

Para comparar, um grande gigante dos pagamentos como a Visa pode suportar cerca de 24,000 transacções por segundo (tps) na sua rede, enquanto a cadeia de blocos Bitcoin só pode suportar até 7 tps (no momento da redação). Como rede de pagamento, o rendimento da Bitcoin é demasiado baixo para lidar com quantidades tão grandes de transacções, o que pode ser um obstáculo significativo à sua utilização generalizada.

Taxas de transação desproporcionadamente elevadas para pequenos pagamentos.

As taxas de transação da Bitcoin atingiram um pico de mais de 60 dólares em abril de 2021. Embora possa não parecer um montante significativo para alguns, se os comerciantes decidirem aceitar a Bitcoin como forma de pagamento, os custos de transação terão de ser significativamente mais baixos para serem considerados sustentáveis, especialmente para pequenas compras.

É para isso que a Lightning Network foi criada: Ela permite que o Bitcoin funcione mais como “dinheiro digital”, como foi originalmente imaginado. Ao permitir que as transacções – como pequenos pagamentos para comprar uma chávena de café – contornem a rede principal, a Lightning Network pode processar transacções quase instantâneas e de grande volume na sua rede em grande escala, continuando a tirar partido da natureza descentralizada e segura da rede Bitcoin.

Leia mais sobre o problema de escalabilidade da Bitcoin e o estado da Lightning Network no relatório aprofundado e detalhado da Crypto.com Research relatório .

O que é a Bitcoin Lightning Network?

Em termos simples, a Lightning Network é uma camada 2 protocolo de pagamento construído sobre a blockchain Bitcoin que permite pagamentos quase instantâneos para os participantes através de canais de pagamento.

A Lightning Network foi concebida como uma solução de escalabilidade para a Bitcoin: num esforço para reduzir o congestionamento da rede Bitcoin, utiliza canais de pagamento para tratar os micropagamentos da Bitcoin fora da cadeia. Estes canais de pagamento são o que compõem a camada.

Um canal de pagamento é uma rede fora da cadeia que funciona paralelamente à cadeia de blocos principal. A ideia é estabelecer um canal entre duas partes que pretendam efetuar uma transação, em que a transação efectuada nesse canal de pagamento contorna basicamente a cadeia de blocos principal. Isto permite a realização de múltiplas transacções sem ter o consenso global e a confirmação na rede principal (como a rede Bitcoin). Consequentemente, as transacções são quase instantâneas e as taxas são extremamente baixas.

Os utilizadores de um canal de pagamento podem efetuar qualquer número de transacções e estes canais podem funcionar durante o tempo que for necessário. Os únicos momentos em que um canal de pagamento entra em contacto com a rede principal são a sua abertura e o seu encerramento. Quando um canal é encerrado, o último “estado” dos participantes – uma transação fora da cadeia que serve como “assinatura” de ambas as partes concordando que a informação no canal está correcta – é consolidado numa única transação, que é depois transmitida para a rede principal.

Saiba mais sobre soluções de cadeia de blocos em escala .

Uma breve história da Bitcoin e da Lightning Network

2016: O conceito da Lightning Network foi proposto pela primeira vez por Joseph Poon e Thaddeus Dryja, que fundaram a Lightning Labs para desenvolver a rede.

2017: A Segregated Witness(SegWit), uma atualização do protocolo para a Bitcoin, foi lançada e considerada um marco fundamental para a ativação total da Lightning Network como uma solução de camada 2. O ano também viu o primeiro pagamento Lightning em Litecoin, o que demonstra o seu potencial fora da rede Bitcoin.

2018: Depois de passar por uma fase de testes beta, a Lightning Network acabou por entrar em funcionamento na rede principal da Bitcoin.

Como é que a Lightning Network funciona?

A Lightning Network depende de uma rede de nós para funcionar, e existem cerca de 16.000 nós Lightning activos no momento em que escrevo. A principal diferença do Lightning em relação ao Bitcoin é o facto de não ser necessário um consenso global e de os nós efectuarem transacções entre si de forma privada. Para efetuar transferências e pagamentos na rede, os nós Lightning utilizam canais.

Passo 1: Abrir um canal Lightning

Digamos que Alice quer pagar a Bob com Bitcoin. Para estabelecer um canal de pagamento, Alice ou Bob (ou ambos) devem depositar Bitcoin numa carteira 2-of-2 multi-signature(multisig). Isto cria uma “transação de financiamento” na cadeia que é registada na rede principal; os fundos são bloqueados neste endereço multisig de propriedade conjunta. O montante da contribuição de ambas as partes é indicado no canal de abertura “estado”. Podem então negociar imediatamente após a confirmação da transação inicial de abertura.

Etapa 2: Transação no canal Lightning

Agora que há fundos disponíveis, Alice pode enviar o pagamento a Bob. A Lightning Network utiliza canais de pagamento bidireccionais para facilitar as transferências, o que significa que Bob também pode enviar fundos para Alice no mesmo canal, se assim o desejar.

Todas as transacções entre Alice e Bob são executadas por contratos inteligentes e efectuadas fora da cadeia, com taxas reduzidas, desde que cada um assine cada transação (caso contrário, a transação pode não se concretizar). Foi concebido de modo a que cada parte detenha uma chave privada e a redistribuição de fundos no canal só possa ser efectuada se ambas as partes estiverem confirmadas. Para cada transação efectuada, o saldo do canal também é atualizado fora da cadeia.

Usando o exemplo acima, Alice e Bob depositaram 1 Bitcoin cada um ao abrir um canal. Houve três transacções que ocorreram fora da cadeia: 1) Alice transfere 0,25 BTC para Bob, 2) Alice transfere mais 0,25 BTC para Bob, e 3) Bob envia 1 BTC de volta para Alice. Ao fechar o canal, a transação de fecho tem em conta estas transacções anteriores e é actualizada com o saldo pendente de cada parte: 1,5 BTC para a Alice e 0,5 BTC para o Bob.

Passo 3: Fechar o canal Lightning

Assim como a transação de financiamento inicial para abrir um canal, o fechamento de um canal Lightning também é uma transação na cadeia. Uma das partes pode iniciar o fecho do canal, mas ambas têm de concordar com isso, após o que os fundos são enviados de volta para as respectivas carteiras. Uma vez que o canal tenha sido fechado com sucesso, uma única transação, que representa o saldo entre as partes, é transmitida na cadeia.

Encaminhamento e transacções com vários intervenientes

O design multisig e de contrato inteligente da Lightning Network garante que a rede funciona de forma independente sem risco de contraparte, o que é útil para transacções com várias partes. Por exemplo, Alice pode abrir um canal com Bob, que por acaso tem um canal com Carol, que também tem um com Dave. E se a Alice quiser enviar fundos para o Dave, mas estes não estiverem diretamente ligados? Neste caso, o pagamento será encaminhado através do Bob e da Carol, utilizando-os como “saltos”.

Desde que duas partes já tenham o seu próprio canal de pagamento configurado, podem deixar que a rede decida como o pagamento será encaminhado para o destinatário. A Lightning Network emprega uma combinação de protocolos de roteamento de origem e de roteamento cebola para tornar isso possível. O encaminhamento de origem permite que os nós tenham controlo total sobre a sua rota de pagamento; o encaminhamento cebola permite que um nó escolha um caminho ótimo para garantir o itinerário mais curto e taxas mais baixas, em que cada salto é encriptado.

Contratos de bloqueio temporizado com hash

Tudo isto é efectuado de forma segura com a ajuda de um contrato hash timelock(HTLC). Em termos simples, um HTLC serve como um contrato inteligente que permite ao destinatário receber os fundos assim que determinadas condições forem cumpridas dentro de um período de tempo (ou altura do bloco). Para ver isto em ação, utilizemos Alice como exemplo e vejamos como é feita uma transação com Dave (ver diagrama abaixo). Neste cenário, Alice quer enviar 1 BTC para Dave, com um tempo limite de reembolso de 10 blocos. O nó da Alice decide o caminho mais ótimo e calcula as taxas (por exemplo, 0,002 BTC de taxa para enviar 1 BTC).

Transacções com várias partes: Um exemplo

1. O Dave cria um “segredo” (R) que só ele conhece e executa uma função de hash sobre ele para gerar um hash (H), que é depois enviado para a Alice.

2. Alice cria um HTLC, que deve cumprir condições pré-definidas para libertar os fundos. Neste caso, Alice promete pagar a Bob 1,002 BTC se ele fornecer com sucesso o segredo (R) nos próximos 10 blocos. Caso contrário, o pagamento é transferido de volta para a Alice.

3. O Bob não sabe o segredo (R) para reclamar os 1,002 BTC bloqueados pela Alice, por isso cria um HTLC para entregar 1,001 BTC a alguém na rota (neste caso, a Carol) que saiba o segredo para resolver o hash ‘H’. Neste HTLC, a Carol recebe 1,001 BTC se fornecer (R) nos nove blocos seguintes; caso contrário, os fundos são enviados de volta para o Bob.

4. Da mesma forma, Carol cria um HTLC com Dave, em que este recebe 1 BTC se fornecer (R) nos oito blocos seguintes; caso contrário, os fundos são enviados de volta para Carol.

5. Nesta altura, o Dave sabe o segredo “R” para resolver o Hash “H”, pelo que pode desbloquear o HTLC para receber o pagamento de 1 BTC da Carol. Assim que o Dave utiliza o segredo para receber os fundos, o segredo fica também disponível para a Carol.

6. Carol, tendo recebido o segredo, desbloqueia os 1,001 BTC enviados por Bob e, ao fazê-lo, revela-lhe o segredo.

7. Finalmente, Bob utiliza o segredo para obter 1,002 BTC do canal entre ele e Alice.

Porque é que os contratos de bloqueio de tempo com hash são cruciais

Os HTLCs são fundamentais para o funcionamento da Lightning Network, uma vez que 1) permitir um sistema sem confiança na rede, garantindo o cumprimento de certas condições numa transação, e 2) facilitar com segurança as transacções “multi-hop”. Para Alice, isto significa que não tem de confiar em Bob e Carol como intermediários – o protocolo faz o trabalho em seu nome, garantindo que Dave recebe os tokens em segurança; caso contrário, os tokens são-lhe automaticamente devolvidos.

Conclusão: O estado atual da rede Lightning

A Lightning Network tem-se revelado promissora até à data. No entanto, não é perfeito.

Eis os seus principais problemas e inconvenientes:

As questões relacionadas com o encaminhamento dos pagamentos podem ser afectadas pela fiabilidade e disponibilidade dos nós (por exemplo, quando o nó de encaminhamento não tem canais abertos suficientes para outros bons nós de encaminhamento para um encaminhamento fiável). Há também falhas no encaminhamento de pagamentos não atribuídos, em que as partes podem acabar por utilizar nós defeituosos sem sequer saberem que há um problema com eles.

A falta de liquidez ou de fundos suficientes dos canais de uma rota pode provocar a falha dos pagamentos nesse canal. Este pode ser o caso, em especial, das transacções de maior dimensão.

Existem vulnerabilidades críticas e outras ameaças à segurança, tais como ataques de zombies ou ataques de griefing, em que um grupo malicioso congestiona uma rede e torna alguns nós inutilizáveis, o que bloqueia os fundos de todos os canais a ela ligados. Além disso, entre outros, existe a possibilidade de um ataque de gasto duplo (uma torre de vigia mal configurada na rede pode permitir que actores maliciosos gastem os mesmos fundos várias vezes).

Apesar das falhas da Lightning Network, vale a pena notar que os desenvolvimentos e a implementação nos últimos anos têm sido contínuos. No início de 2023, a MicroStrategy anunciou os seus planos para desenvolver soluções Lightning Network. Mais recentemente, a empresa de pagamentos digitais Strike lançou nas Filipinas os seus serviços de remessas com base na Lightning Network.

A Lightning Network continua a crescer, com centenas de empresas, projectos e aplicações a constituírem o seu ecossistema e milhões de dólares em capital afetado ao espaço. Uma vez que a maioria dos desenvolvimentos no espaço Bitcoin é feita através da Lightning Network, não seria surpreendente continuar a vê-la progredir nos próximos anos e que os intervenientes do sector continuem a fazer avançar a tecnologia.

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