Scaling Bitcoin 2019 was weer een goede gelegenheid om de technische status van Bitcoin te analyseren en mede daarom reisden we af naar Tel Aviv om de Scaling Bitcoin workshops bij te wonen. We (Bitonic) waren daarnaast ook sponsor omdat we de wetenschappelijke en technische ontwikkelingen van het Bitcoin-protocol willen steunen. Bitonic bestaat immers door het Bitcoin-protocol en we streven naar een gezond, op wetenschap & technische expertise gebaseerd, ecosysteem waar Bitcoin kan groeien tot het monetaire stelsel van de toekomst. Bitcoin is gebaseerd op wis- en natuurkunde en daarom zijn de ontwikkelingen van zeer complex niveau.

Scaling Bitcoin Workshops

De Scaling Bitcoin workshops zijn opgezet om wetenschappers en engineers bij elkaar te brengen en te discussiëren over de schaalbaarheid van het Bitcoin-netwerk. Schaalbaarheid is, naast privacy, de grootste technische uitdaging van Bitcoin. De afgelopen jaren is de druk op het Bitcoin-netwerk een stuk minder geworden mede door innovaties zoals Segregated Witness en Layer 2 oplossingen zoals het Lightning Network. Segregated Witness (SegWit) is als soft-fork als eerste gepresenteerd op Scaling Bitcoin Honk Kong. Dit is daarom een goed voorbeeld waarom deze conferenties daadwerkelijk bijdragen aan een positieve ontwikkeling van het protocol.

De druk op de blockchain is dus afgenomen door efficiëntere technieken en optimalisaties die de afgelopen jaren zijn geïmplementeerd. Bitcoin schaalt op dit moment goed en door middel van het Lightning Network kunnen er tienduizenden transacties per seconde plaatsvinden met nagenoeg geen transactiekosten. De blockchain blijft derhalve groeien en de druk op hardware blijft daarom toenemen. Schaalbaarheid is dus een onderwerp die op alle fronten van het Bitcoin-netwerk impact heeft.

Scaling Bitcoin organiseert naast de conferentie ook technische bootcamps (Bitcoin Edge). Het doel van deze bootcamps zijn om talentvolle engineers op te leiden tot Bitcoin developers.

Schaalbaarheid in context

Om te kunnen begrijpen waarom het onderwerp zo complex is, geeft de analogie met internet protocollen zoals TCP/IP, HTTP(S) & FTP een historisch inzicht in het schalen van computernetwerken. Zo kunnen we tegenwoordig films streamen op onze telefoon door middel van wifi (of zelfs 4G). Echter om tot deze ongekende snelheden te komen heeft het internet en de ontwikkeling van de protocollen veel onderzoek en innovaties moeten doorgaan om tot het huidige niveau te komen. Hardware speelt hierin een crusiale rol, zoals opslag, processors (CPU), memory (RAM), routers, (netwerk)kabels (bandbreedte). Het is daarom essentieel dat er een balans dient te zijn tussen de ontwikkeling van hardware en de capaciteit die gevraagd wordt om het Bitcoin-netwerk op een efficiënte en veilige manier te synchroniseren. Snelheid is essentieel, vertragingen kunnen veiligheidsprobelemen creëren en efficiëntie door te centraliseren is het effect van het verkeerd inrichten van een P2P-netwerk. De waarheid (transacties) dient binnen enkele secondes over het volledige netwerk (wereldwijd) te worden gesynchroniseerd.

Scaling Bitcoin Tel Aviv

De focus van de lezingen op de universiteit van Tel Aviv waren dan ook gericht op optimalisaties. Optimalisatie is een breed begrip maar de onderzoeken en resultaten waren gericht op het schaalbaar houden van Full-nodes in het peer-to-peernetwerk, de belangrijkste factor in het decentraal houden van het Bitcoin-netwerk.

Erlay-protocol uitgelicht, door Gleb Naumenko (Chaincode)

De presentatie van Gleb Naumenko illustreert goed waar de focus ligt om innovaties in Bitcoin mogelijk te maken. Innovaties zijn voornamelijk gericht op optimalisaties van prestaties om de druk op hard- en software in goede balans te laten groeien.

Samengevat gaf Geleb Naumenko uitleg over Erlay, een voorstel die hij samen met andere onderzoekers heeft geschreven; Bandwidth-Efficient Transaction Relay for Bitcoin (Gleb Naumenko (Chaincode Labs), Gregory Maxwell (Independent Researcher), Pieter Wuille (Blockstream), Alexandra Fedorova, Ivan Beschastnikh (The University of British Columbia)).

De upgrade die Erlay creërt is het efficiënter gebruik van bandbreedte om de verspreiding van transacties over het P2P-netwerk te verbeteren. Hierdoor kunnen full-nodes beter met het netwerk verbinden en sneller synchroniseren. Dit soort optimalisaties zijn essentieel om de druk op full-nodes te beperken en de robuustheid van het netwerk te vergroten. Een van de belangrijkste eigenschappen van een full-node is dat het schaalbaar is, ook economisch gezien. Dit betekent dat het in gebieden waar de internetsnelheid/bandbreedte matig is het nog steeds mogelijk moet zijn om een full-node te onderhouden om ook bij te dragen aan censorship resistance-netwerk. Wanneer een full-node te duur wordt voor een gemiddelde participant in het netwerk is het gevolg dat full-nodes alleen nog worden onderhouden door partijen met genoeg financiële middelen en met als effect dat het zeer sterk centraliseert. Iedereen dient een full-node te kunnen onderhouden om centralisatie te voorkomen. Centralisaties van full-nodes is een groot gevaar aangezien het P2P-netwerk hierdoor kwetsbaar wordt voor allerlei aanvallen.

Segregated Witness (SegWit)

De blocken zijn door de komst van Segregated Witness vrijwel altijd boven de 1.000KB. Dit betekent daarom dat door deze optimalisatie meer transacties in een Block passen dan voor het tijdperk SegWit. In de onderstaande afbeelding is te zien dat de blocken meer dan 1.0 MB kunnen accepteren en dat dit feitelijk laat zien dat de schaalbaarheid van het Bitcoin-netwerk positief groeit zonder in te leveren op decentralisatie en veiligheid.

Blocken van gemiddeld 1250KB

Groei Segregated Witness transacties in het Bitcoin-netwerk

Lightning Network

Het Lightning Network is de Layer 2 oplossing waar veel over wordt gesproken. Het is met dit offchain netwerk van payment channels mogelijk om zeer veel transacties per seconde te laten plaatsvinden zonder dat de Bitcoin blockchain wordt belast. Hierdoor worden allerlei nieuwe use cases mogelijk die bijvoorbeeld gebaseerd zijn op microtransacties. Via het Lightning Network is het mogelijk om een honderdduizendste van een cent (0,000001Â) te versturen over het internet, bijvoorbeeld van Nederland naar China in minder dan een microseconde. Dit is met geen enkel betaalnetwerk ter wereld mogelijk.

Desondanks is het Lightning-protocol nog volop in ontwikkeling. Laatst is een kritieke kwetsbaarheid gevonden in het protocol waardoor tegoeden in gevaar kunnen komen. Het Lightning-protocol heeft nog groeipijnen die worden opgelost door nieuwe technische innovaties.

De tweede dag van Scaling Bitcoin Tel Aviv was dan ook gericht op technieken die het Lightning Network verbeteren. Er wordt veel onderzoek gedaan naar P2P / routing technieken die het fundament zijn voor payment-channels. Er werd onder andere aandacht besteed aan Eltoo, Watchtowers & Sphinx routing

Conclusies

Anno 2019 blijven de innovaties binnen Bitcoin sterk groeien. Een steeds grotere groep talentvolle Core developers draagt bij aan de ontwikkeling en universiteiten uit de hele wereld die onderzoek doen naar technieken voor het verbeteren van het Bitcoin-protocol. Een aantal innovaties uitgelicht; Schnorr Signatures, MAST, Erlay, Utreexo, FIBRE, Dandelion, Taproot. En voor Lightning Network Eltoo.

Schnorr signatures

Door middel van deze cryptografische optimalisatie worden transacties wederom efficiënter in gebruik. Daarnaast heeft het als groot voordeel dat het niet alleen een grote optimalisatie-slag is maar ook een privacy optimalisatie. Het wordt moeilijker om deze transacties te kunnen analyseren op inputs en outputs omdat deze verborgen worden.

MiniScript

Daarnaast is er recent een nieuwe taal ontwikkeld op basis van het Bitcoin-script die zorgt dat smart-contracts (conditionele transacties) eenvoudiger, efficiënter en daardoor veiliger worden. Smart contracts kennen we bijvoorbeeld van MultiSignature maar er zijn nog geavanceerdere functies mogelijk waardoor weer nieuwe use cases geactiveerd kunnen worden. MiniScript maakt dit eenvoudiger en daardoor realistischer. Ook de techniek van MAST focust zich op het efficiënter maken van in- & output scripts.

Tot slot

Naast microtransacties, die zorgen voor nieuwe use cases, is het aannemelijk dat er ook nog meerdere use cases zullen ontstaan. Layer 2 technieken zoals Lightning Network zorgen dat er met andere technieken wordt geëxperimenteerd, zoals Sidechains.

De innovatiekracht van de protocol-ontwikkeling is groot maar heeft ook tijd nodig. Een protocol dat waarde en eigendom overdraagt dient ten alle tijden veilig zijn. Daarom is een conservatieve houding en grondige peer-review benodigd. Bitcoin wordt bij elke innovatie robuuster en krachtiger. Take control, Bitcoin.