Security Aspects of Payment Channel Networks

Konventionelle Zahlungssysteme basieren auf vertrauenswürdigen Parteien wie Banken oder Zahlungsdienstleistern. Mit Bitcoin wurde ein dezentraler Ansatz eingeführt, bei dem an die Stelle einer zentralen Vertrauensinstanz ein Peer-to-Peer-Netzwerk tritt, in dem Konsens über den Zustand einer Blockchain hergestellt wird. Eine Blockchain ist eine Datenstruktur, die sämtliche Transaktionen speichert und ohne eine zentrale Partei verwaltet wird. Durch den Zugriff auf alle Transaktionen kann jeder Nutzer überprüfen, ob eine Geldeinheit bereits ausgegeben wurde. Das Schreiben in die Blockchain führt jedoch zu einem Leistungsengpass, da die Netzwerkteilnehmer regelmäßig Konsens über den Zustand der Blockchain erreichen müssen. ... mehrVor kurzem wurden Payment-Channel-Netzwerke vorgeschlagen. Payment-Channel-Netzwerke sind ein Ansatz, der auf einer Blockchain aufbaut, aber Peer-to-Peer-Zahlungen ermöglicht, die nicht in die Blockchain geschrieben werden und daher nicht dem genannten Leistungsengpass unterliegen. Lightning ist eine Implementierung eines Payment-Channel-Netzwerks für Bitcoin, die zunehmend genutzt wird. In der vorliegenden Dissertation untersuchen wir Sicherheitsaspekte von Payment-Channel-Netzwerken am Beispiel von Lightning.

Wir beschäftigen uns mit dem Lightning-Protokoll und entwickeln einen Ansatz zur maschinellen Überprüfung seiner Sicherheit. Wir beschäftigen uns mit der Schicht unter einem Payment-Channel-Netzwerk, zeigen Gestaltungsmöglichkeiten für diese Schicht, und analysieren empirisch das Peer-to-Peer-Netzwerk von Bitcoin. Wir beschäftigen uns mit der Nutzerseite von Payment Channels und entwickeln zwei Ansätze, mit denen Nutzer dritte Parteien einbeziehen können, um ihre Payment Channels zu sichern. Schließlich beschäftigen wir uns mit Anwendungen, die Payment-Channel-Netzwerke nutzen und entwickeln ein Protokoll für Ticketing im öffentlichen Personenverkehr, dessen Sicherheitseigenschaften auf einem Payment-Channel-Netzwerk basieren.

Die Sicherheit des Lightning-Protokolls wurde bereits untersucht. Im Gegensatz zu vorherigen Arbeiten streben wir eine maschinell überprüfte Überprüfung der Sicherheit von Lightning an und legen die Grundlagen für eine solche Überprüfung: Wir tragen eine formale Spezifikation der Sicherheitseigenschaft bei sowie eine formale Spezifikation des Lightning-Protokolls in der formalen Spezifikationssprache TLA+. Wir entwickeln eine Kette von Abstraktionen von der Spezifikation des Lightning-Protokolls bis hin zur Sicherheitseigenschaft. Durch eine Kombination aus Model Checking und Beweisen, um die Sicherheit dieser Abstraktionen nachzuweisen, zeigen wir, dass das Lightning-Protokoll die Sicherheitseigenschaft erfüllt. Obwohl unsere Überprüfung auf endlichem Model Checking beruht, schafft sie eine belastbare Grundlage für einen zukünftigen vollständig maschinell überprüften Sicherheitsbeweis.

Ein Payment-Channel-Netzwerk setzt auf einer Basisschicht auf. Wir zeigen, dass diese Basisschicht nicht zwingend durch eine Blockchain realisiert werden muss, sondern auch durch ein Netzwerk von Banken oder eine digitale Zentralbankwährung implementiert werden kann. Das Lightning-Netzwerk beruht auf Bitcoin als Basisschicht. Vorherige Arbeiten haben, basierend auf Annahmen über das Peer-to-Peer-Netzwerk von Bitcoin, gezeigt, dass Bitcoin die Anforderungen erfüllt, die das Lightning-Netzwerk an seine Basisschicht hat. Es ist empirisch feststellbar, dass diese Annahmen vom aktuellen Peer-to-Peer-Netzwerk von Bitcoin erfüllt werden, allerdings ist wenig über das Peer-to-Peer-Netzwerk selbst bekannt. In einem empirischen Teil dieser Dissertation, sammeln und analysieren wir Indizien für bisher unbekannte Metriken über das Peer-to-Peer-Netzwerk, wie zum Beispiel die Zahl der unerreichbaren Peers im Netzwerk oder den Knotengrad von erreichbaren Peers. Wir stellen fest, dass im April 2026 ungefähr $50000$ unerreichbare Peers im Bitcoin Peer-to-Peer-Netzwerk sind. Wir stellen außerdem fest, dass über $50$ % der erreichbaren Peers einen Knotengrad haben, der nah am Standardwert für das Verbindungslimit liegt, was nahelegt, dass diese Peers keine weiteren eingehenden Verbindungen akzeptieren können und die Verbindungskapazitäten des Netzwerks nahezu ausgeschöpft sind.

Mit den Vorteilen eines Payment-Channel-Netzwerks, wie die Möglichkeit, eine hohe Anzahl an Transaktionen zu verarbeiten, und einer geringen Latenz für Transaktionen, geht die Anforderung einher, die Basisschicht regelmäßig auf betrügerische Transaktionen hin zu überwachen und auf solche Transaktionen in einem gewissen Zeitfenster zu reagieren. Es wurden Ansätze vorgeschlagen, die es einem Nutzer erlauben, diese Aufgabe sicher an eine dritte Partei, einen sogenannten Watchtower, zu übertragen. Wir entwickeln zwei neuartige Watchtower-Ansätze. Der erste Ansatz macht Watchtower-Ansätze wirtschaftlich praktikabel, indem Trusted Execution Environments eingesetzt werden, um den Speicherbedarf auf Seiten des Watchtower-Anbieters zu verringern. Der zweite Ansatz beseitigt die Notwendigkeit einer direkten Interaktion zwischen Nutzer und Watchtower, wodurch die Abhängigkeit eines Nutzers von einem bestimmten Anbieter verringert wird, da ein Payment Channel grundsätzlich von jedem Watchtower geschützt werden kann.

Schließlich zeigen wir die praktische Relevanz von Payment-Channel-Netzwerken durch eine Anwendung im Kontext des öffentlichen Personenverkehrs. Im öffentlichen Personenverkehr ist es häufig so, dass mehrere Anbieter gemeinsam ein Verkehrsnetzwerk betreiben und Reisende einen Fahrschein bei einem Anbieter kaufen können und den Fahrschein für Strecken nutzen können, die von einem anderen Anbieter betrieben werden. Wir schlagen ein Protokoll vor, das ein Payment-Channel-Netzwerk für die Bezahlung von Fahrscheinen nutzt. Durch die Nutzung eines Payment-Channel-Netzwerks implementiert das Protokoll einen Fair Exchange eines Fahrscheins gegen eine Zahlung zwischen einem Kunden und einem Anbieter und jede Zahlung wird direkt an den Anbieter geschickt, dessen Fahrzeuge der Kunde nutzt.

Insgesamt zeigt die Dissertation die vielschichtigen Sicherheitsaspekte von Payment-Channel-Netzwerken auf und entwickelt Ansätze, um deren Sicherheit und praktische Nutzbarkeit zu verbessern. Damit leistet sie einen Beitrag zur Entwicklung zukünftiger Zahlungssysteme, die zugleich praktikabel, dezentral und skalierbar sind.

Conventional payment systems rely on trusted parties such as banks or payment service providers. Bitcoin introduced a decentralized approach that replaces a central trusted party by a peer-to-peer network in which consensus is established over the state of a blockchain. A blockchain is a data structure that stores all transactions and is maintained without a central party. Having access to all transactions, each user can verify whether a unit of money has been spent. However, writing to the blockchain creates a performance bottleneck because the Bitcoin peers must regularly reach consensus over the state of the blockchain. ... mehrRecently, payment channel networks have been proposed which are an approach that is rooted in a blockchain but allows for peer-to-peer payments without writing to the blockchain and, thus, is not limited by the same performance bottleneck. Lightning is an implementation of a payment channel network for Bitcoin that is increasingly being used. In this thesis, we explore security aspects of payment channel networks using the example of Lightning.

We focus on the Lightning protocol and develop an approach to mechanically check the security of Lightning. We focus on the layer below a payment channel network, show design options for this layer, and empirically analyze the peer-to-peer network of Bitcoin. We focus on the user side of payment channels and develop two approaches for users to involve third parties to secure their payment channels. Finally, we focus on applications using a payment channel network and develop a protocol for ticketing in public transport whose security properties are based on a payment channel network.

The security of the Lightning protocol has been investigated previously. In contrast to previous work, we aim for a machine-checked verification of the security of Lightning and lay the groundwork for such a verification: We contribute a formal specification of the security property and a formal specification of the Lightning protocol in the formal specification language TLA+. We develop a chain of abstractions from the specification of the Lightning protocol to the security property. By combining model checking and proofs to show the correctness of these abstractions, we show that the Lightning protocol fulfills the security property. While our validation relies on finite model checking, it gives sufficient confidence that Lightning fulfills the security property so that a complete machine-checked proof can be approached in future work.

A payment channel network relies on an underlying layer. We show that this underlying layer cannot only be implemented by a blockchain but could also be implemented by a network of banks or a central bank digital currency. The Lightning Network is based upon Bitcoin as a first layer. Previous work has shown that Bitcoin fulfills the requirements that the Lightning Network has for its underlying layer based on assumptions on the peer-to-peer network used by Bitcoin. Empirically, it can be seen that these assumptions are met by the current peer-to-peer network of Bitcoin, however, little is known about the peer-to-peer network itself. In an empirical part of this thesis, we collect and analyze evidence on previously unknown metrics about the peer-to-peer network such as the number of unreachable peers in the network or the peer degree of reachable peers. We find that in April 2026, there are about $50000$ unreachable peers in the Bitcoin peer-to-peer network. We also find that more than $50$ % of the reachable peers have a peer degree that is close to the default connection limit which indicates that those peers cannot accept additional incoming connections and the network's connection capacity is close to being depleted.

The benefits of payment channel networks such as the ability to process a high number of transactions and reducing transaction latency come along with the requirement for users to regularly monitor the underlying layer for fraudulent transactions and react to such transactions within a certain time window. Approaches have been proposed that allow a user to securely transfer this task to a third party, called a watchtower. We develop two novel watchtower approaches. The first approach makes watchtower approaches economically practical by using trusted execution environments to reduce the storage requirements of a watchtower provider. The second watchtower approach removes the requirement of direct interaction between a user and a watchtower. Thereby, a user's dependence on a specific watchtower is reduced because a payment channel can be protected by any watchtower.

Finally, we show the practical relevance of payment channel networks by applying them in the context of public transport ticketing. A common setting for public transport is that there are multiple providers operating a public transport network and travelers can buy a ticket from one provider and use the ticket for routes operated by a different provider. We propose a protocol that uses a payment channel network for ticket payment. By using a payment channel network, the protocol achieves a fair exchange of a ticket and the payment for a ticket between a customer and a provider and each payment is directly sent to the provider operating the vehicles used by the customer.

In conclusion, this thesis demonstrates multifaceted security aspects of payment channel networks and contributes approaches to make payment channel networks and their usage more secure. Thereby, this thesis is a step towards future payment systems that are practical, decentralized, and scalable.