Over één fenomeen krijgen we waarschijnlijk zeer eenvoudig consensus: het jaar 2020 gaat de geschiedenisboeken in. Er is geschiedenis geschreven op meerdere vlakken: een virus die de volledige wereld in zijn greep houdt, regelgeving voor Bitcoinbedrijven in Nederland, de derde halving en de bitcoinprijs naar een recordhoogte. Er hebben zich extreme situaties voorgedaan in 2020, er zijn interessante maar ook zorgelijke ontwikkelingen waarbij ik in een drieluik van artikelen dieper wil ingaan, met als hoofdthema: de status van Bitcoin.

In dit eerste deel wil ik vooral stilstaan bij de technische status van Bitcoin. We zijn zojuist in het jaar 2021 beland, Bitcoin is sinds drie dagen geleden alweer 12 jaar oud en daarom een goede gelegenheid om terug te kijken naar de technische ontwikkelingen van het Bitcoin protocol in 2020. Naast de technische innovatie wil ik ook de maatschappelijke en politieke ontwikkelingen op het gebied van regelgeving, privacy en de toekomst belichten. Het jaar 2020 heeft interessante fenomenen blootgelegd. In drie artikelen probeer ik helderheid te creëren in de status van Bitcoin; technisch, maatschappelijk en toekomstige trends.

De staat van Bitcoin

De staat van Bitcoin op technisch gebied gaat over optimalisaties; cryptografische / wiskundige, hard- en software verbeteringen ten behoeve van de efficiëntie en veiligheid van het protocol. Het bouwen en koppelen van nieuwe lagen aan het Bitcoinprotocol is hier een essentieel onderdeel van. Om technische innovatie te verhelderen is een vergelijking met de ontwikkeling van internetprotocollen een logische analogie.

Het belang van een open en decentraal internet

De technische evoluties volgen elkaar razendsnel op en de digitalisering is niet meer weg te denken uit de maatschappij. De corona epidemie heeft dit alleen maar versterkt door de impact van thuiswerken en andere effecten zoals de noodzaak van online winkelen. De wereld is complex en wordt steeds complexer en dit brengt allerlei problemen met zich mee. De rol van social media platformen is meer dan zorgelijk te noemen. Misleidende informatie en fake news zijn eenvoudig op grote schaal te verspreiden met ontwrichtende effecten voor de maatschappij als gevolg. Centralisatie van het internet is misschien efficiënter en schaalt daardoor beter, maar het creëert ook monopolies en machtsmisbruik is aan de orde van de dag. We zien verontrustende ontwikkelingen bij bedrijven als Amazon, Microsoft, Facebook, Google en Apple. Alles draait om winst en groei. Privacy wordt op grote schaal geschonden, naast dat gedrag en de gedachtegoed van mensen wordt gemanipuleerd.

Bitcoin is een open-source protocol en het is juist de open-source beweging en -mentaliteit die vandaag de dag voor enorme innovatie heeft gezorgd, met Linux, Firefox en Wikipedia als goede voorbeelden. Open-source heeft niet alleen grote innovaties in de techniek opgeleverd, maar ook voor compleet nieuwe businessmodellen, nieuwe manieren van werken, samenwerken en informatievoorziening gezorgd. Dit was niet mogelijk geweest zonder een open internet, toegankelijk voor iedereen en met respect voor de privacy en de fouten die gemaakt zijn. Het internetprotocol was een soortgelijke innovatie als het Bitcoinprotocol en dit heeft de wereld waarin we nu leven volledig veranderd. Bitcoin en het internet zijn beide protocollen, waarbij Bitcoin de potentie heeft een nog grotere maatschappelijke impact te creëren.

Het internetprotocol was de revolutie van gedecentraliseerde uitwisseling van informatie en het Bitcoinprotocol is de revolutie van een vertrouwensloze en gedecentraliseerde uitwisseling van waarde en eigendom/eigenaarschap.

Het Bitcoin protocol

Internet protocollen zoals TCP/IP, HTTP(S) & FTP geven een historisch inzicht in het schalen van computernetwerken. We leven in een wereld waar het normaal is om video’s te streamen op een telefoon en de meest geavanceerde programma’s en applicaties te gebruiken. Om tot deze ongekende snelheden te komen, hebben grote innovaties plaatsgevonden in de wis- & natuurkunde, soft- & hardware, gevoed door wetenschappelijk onderzoek en experimenten in de ontwikkeling van de protocollen van computernetwerken.

Het draait allemaal om schaalbaarheid en veiligheid bij de ontwikkeling van internetprotocollen en dagelijks vindt nog steeds veel innovatie plaats. Dit is bij de ontwikkeling van het Bitcoin protocol exact hetzelfde. Schaalbaarheid en veiligheid zijn de fundamenten waarop gebouwd moet worden.

Het jaar 2020 was weer een vruchtbaar jaar op het gebied van schaalbaarheid en veiligheid in Bitcoin. Wat men vaak lijkt te vergeten is dat privacy het belangrijkste onderdeel is van veiligheid en het is niet voor niets dat websites (bijna) geen http:// maar https:// gebruiken, want door een onveilig protocol is het eenvoudig om persoonlijke gegevens, gevoelige informatie en geld te stelen. Hackers proberen immers dagelijks misbruik te maken van zwaktes in de veiligheid en privacy van het digitale verkeer.

Technische innovatie vindt dus plaats door optimalisaties op het gebied van schaalbaarheid en veiligheid en er komt een extreem grote verbetering aan op beide gebieden, te weten: Taproot. De impact is vergelijkbaar met Segregated Witness – en dit is natuurlijk zeer goed nieuws!

Segregated Witness

Segregated Witness (oftewel, SegWit) werd geïmplementeerd in de Bitcoin Core software in november 2016. In juli 2017 werd het ook daadwerkelijk geactiveerd door de miners en was de upgrade een feit. Hier ging echter nog veel drama en strijd aan vooraf voordat het werd geactiveerd. Dit wordt wel eens een burgeroorlog genoemd omdat er verschillende krachten de macht probeerden te grijpen. SegWit bleek een politiek middel in het ecosysteem om innovatie tegen te houden. Hier zijn dan ook allerlei andere forks (Bitcoin kopieën) door ontstaan. In het tweede deel zal ik dieper ingaan op de maatschappelijke relevantie van deze burgeroorlog en hard forks.

De waarheid heeft echter (gelukkig) overwonnen en de implementatie is afgedwongen door de full nodes. Hierdoor is meteen duidelijk waarom een decentraal netwerk als Bitcoin, met de full nodes die deze decentralisatie afdwingen, van essentieel belang is. Het is essentieel dat full nodes toegankelijk blijven voor iedereen doordat het niet te veel geld kost om te onderhouden. Hoe meer kosten (opslag (harddisk), processors (CPU), memory (RAM) routers, bandbreedte, stroom, etc) nodig zijn om te blijven functioneren, hoe minder full nodes er uiteindelijk overblijven en dit resulteert in centralisatie. Centralisatie van Nodes is de grootste vijand van Bitcoin aangezien dit een grote impact heeft op de veiligheid van het Bitcoinnetwerk. Het is daarom van essentieel belang dat er een balans dient te zijn tussen de ontwikkeling van hardware en de capaciteit die gevraagd wordt van het netwerk.

Dit is de kern waar schaalbaarheid in Bitcoin over gaat. De blocken met transacties moeten zo snel mogelijk over het netwerk (nodes) worden gesynchroniseerd om de betrouwbaarheid van de blockchain te waarborgen. SegWit creëerde een oplossing om meer data in een block te kunnen voegen zonder in te leveren op veiligheid en was tevens een oplossing voor het malleability probleem. Zoals in onderstaande grafiek is te zien ligt de adoptie van SegWit in 2020 tussen de 40% en 60%.

Uiteindelijk creëert SegWit meer ruimte voor transacties in een block en heeft het daardoor ook impact op de transactiekosten. Het gebruik van het Bitcoinnetwerk nam enorm toe eind 2017 en begin 2018 en de transactiekosten konden daardoor flink stijgen. Het gebruik van SegWit en ook batching (het bundelen van transacties) door exchanges en wallets hebben de impact op transactiekosten verminderd en zijn daardoor minder vatbaar voor grote stijgingen. Echter valt dit niet uit te sluiten voor de toekomst en mede hierom zijn andere methodes zoals Lightning Network en Liquid een goede oplossing om de transactiekosten te laten meeschalen met het doel en gebruik van het Bitcoinnetwerk.

Door het gebruik van SegWit is het mogelijk dat een block meer dan 1000 kb aan transactiedata bezit. In onderstaande afbeeldingen is te zien dat de blocken in de blockchain meer dan 1000 kb aan transacties bezitten en de hoeveelheid transacties laten de afgelopen jaren constante stijging zien. Bitcoin laat hiermee zien dat het goed schaalt zonder in te leveren op veiligheid en stabiliteit.

Echter zijn er nog steeds grote stakeholder die SegWit niet hebben geïntegreerd in hun wallets, zoals Blockchain.info en Binance. Dit soort partijen hebben daarom een negatieve impact op de ontwikkeling van transactiekosten.

Taproot

Nu staat ons de volgende mega innovatie te wachten: Taproot. Taproot is een upgrade die cryptografische functies (voornamelijk digitale handtekeningen) optimaliseert. Het is een combinatie tussen een geavanceerde uitvoering van M.A.S.T., Schnorr Signatures (BIP340) en upgrade van het betaalscript via Tapscript. Het bouwt tevens voort op Segregated Witness en dit zorgt voor grote verbeteringen op het gebied van schaalbaarheid, privacy en flexibiliteit van digitale handtekeningen en het Bitcoin-script. Schnorr signatures zijn mindblowing en maken Bitcoin weer een stuk robuuster.

De verbeteringen richten zich vooral op het slimmer en efficiënter inrichten van transacties door cryptografische optimalisaties van digitale handtekeningen (signatures). Digitale handtekeningen bevatten allerlei informatie die steeds geavanceerder en efficiënter worden opgebouwd. Dit resulteert in het slimmer inrichten van datastructuren (UTXO’s) of bepaalde data uit een transactie te halen. De transacties worden hierdoor compacter en dit creëert extra ruimte voor transacties in een block. Hoe ingewikkelder een transactie, hoe meer deze optimalisaties een voordeel opleveren. Het heeft bijvoorbeeld direct veel impact op transacties met heel veel inputs of de meer geavanceerde transactie-scripts zoals bij MultiSig of andere conditionele transacties (Smart Contracts). Tevens heeft het, net zoals met SegWit, ook een positieve impact op de transactiefees omdat er netto meer transacties in een block passen.

Maar het wordt pas echt mindblowing omdat de privacy van de transacties een forse upgrade krijgen door deze technieken. Taproot zorgt ervoor dat de scripts van transacties, die openbaar zijn, allemaal hetzelfde eruit zien en daardoor niet meer geanalyseerd kunnen worden. Script kunnen verraden welk type transactie het is, zoals bijvoorbeeld een Segwit, MultiSig, een Lightning channel of andere transactievormen.

Op deze manier lijken alle transacties op elkaar en valt niet meer te herleiden welke condities eraan verbonden zijn, zodat een zeer geavanceerd script aan de voorkant hetzelfde eruit ziet als een zeer eenvoudig script. Dit bemoeilijkt ook het analyseren van de Blockchain op herkomst van transacties, ze zien er immers allemaal hetzelfde uit. Dit maakt transacties zeer robuust en levert grote voordelen (flexibiliteit, schaalbaarheid en privacy) op voor de geconditioneerde transacties (smart contracts).

Taproot zit nu geïntegreerd in Bitcoin Core 0.21 en de volgende stap is de daadwerkelijke activatie. De wijziging kan doorgevoerd worden middels een soft fork en hopelijk zonder teveel drama dit keer. Het lijkt de juiste kant op te gaan want de miners die Taproot ondersteunen zit al op meer dan 90%.

Lightning Network

De groei van het Lightning Network gaat ook onverminderd door. Deze techniek is weer een voorbeeld dat Bitcoin uitstekend schaalt. Er kunnen miljoenen transacties per seconde plaatsvinden zonder dat het de blockchain wordt belast en waarborgt daarnaast de privacy van transacties. Op technisch vlak hebben er veel innovaties plaatsgevonden afgelopen jaar. Met behulp van Wumbo Channels wordt de capaciteit van channels vergroot en via Lightning Pool is het mogelijk om rente te verdienen via het beschikbaar stellen van bitcoins in channels. Dit creëert een belangrijke incentive om bitcoins aan te bieden in het Lightning Network. Organisaties als Blockstream (C-Lightning), Lightning Labs (LND) en Eclair (Scala) werken aan onafhankelijke implementaties en hebben ook weer veel technische vooruitgang geboekt in 2020.

In onderstaande afbeelding is het aantal nodes en channels te zien. Een mooie illustratie van hoe het Lightning Network er in de praktijk uitziet.

De capaciteit van channels, nodes en beschikbare bitcoins in het systeem blijven zich ontwikkelingen maar het staat nog steeds in de kinderschoenen. De komende jaren zullen nodig zijn om de ontwikkeling van deze techniek te optimaliseren en use cases mogelijk te maken.

Maar er wordt al volop geëxperimenteerd, integreren wallets deze techniek en komen er nieuwe wallets bij. Een interessante wallet is bijvoorbeeld Breez. Deze wallet combineert het Lightning Network met ingebouwde gateway voor Lightning use cases; een marktplaats waar verschillende Lightning Applicaties worden aangeboden. Een voorbeeld hiervan is Lightning Poker, Bitreffil en meer.

Daarnaast zie je initiatieven die het Lightning Network gebruiken voor bijvoorbeeld een handelsplatform voor derivaten of een integratie in de exchange Bitfinex. Deze experimenten zijn essentieel om de techniek volwassen te laten worden en daarmee groeien de use cases en gebruikers uiteindelijk ook.

Mining, P2P-netwerk & nodes

Zoals eerder aangegeven is het toegankelijk houden van full nodes essentieel in de bescherming van tegen aanvallen. Hoe meer nodes hoe decentraler het netwerk en daarnaast is het belangrijk dat nodes ook toegankelijk blijven in gebieden waar het internet niet zo snel en breed beschikbaar is als in hier, zoals Zuid Amerika, Afrika maar ook Azië.

De hardware dient dus mee te schalen met de druk die hard- & software aankan. Nodes controleren de regels van het protocol en bij centralisatie van nodes wordt het netwerk zeer kwetsbaar.

Een grote innovatie die heeft plaatsgevonden op dit gebied is GLV endomorphism, een cryptografische techniek die zorgt dat de digitale handtekeningen (signatures) met 25% meer snelheid geverifieerd kunnen worden. Dit is eigenlijk erg groot nieuws want hiermee wordt het synchroniseren van het netwerk via de full nodes een stuk efficiënter en dit zorgt ook weer voor minder druk op de hardware. Ook het Erlay-protocol kan een grote bijdrage leveren op de prestaties van het P2P-netwerk maar is echter nog niet geïmplementeerd. Optimalisaties om de prestaties van het P2P-netwerk zijn van fundamenteel belang en dit heeft impact op de hoeveelheid nodes en decentralisatie van mining in het netwerk. Ook hier zien we dat het aantal full-nodes blijft groeien.

De centralisatie van mining wordt altijd gezien als een zwakte in Bitcoin en dit klopt. Centralisatie maakt het Bitcoinnetwerk kwetsbaar voor aanvallen, van binnen en buiten het netwerk. Echter wordt ook mining steeds decentraler en zijn er allerlei initiatieven die deze ontwikkeling bevorderen. Een goed voorbeeld hiervan zijn technische ontwikkelingen als het FIBRE-network en betterhash. Deze technieken zorgen voor een efficiënter P2P-netwerk en een positieve impact op de incentives. Uiteindelijk moeten we toe naar een situatie dat miningpools ook een decentraal platform worden zodat gecentraliseerde miningpools overbodig worden. De verdeling van hashrate is in een gezondere balans dan we in het verleden hebben gezien. Hierdoor is de kans op een 51% aanval minder groot en is de macht van miningpools beter verdeeld. In onderstaande afbeelding is de verdeling van miningools te zien over de afgelopen jaar.

Tegenwoordig zien we dat miners in alle plekken van de wereld staan en meerdere initiatieven ontstaan om dit mogelijk te maken. Mining concentreert zich niet alleen meer in China maar zien we steeds meer groei in allerlei verschillende landen zoals USA, Canada, Georgië, Tsjechië, Ijsland, Venezuela, Iran, Rusland, enzovoort.

Overige ontwikkelingen; Sidechains, Atomics swaps, etc

Verder vindt er nog allerlei innovatie plaatst op verschillende andere technische bouwstenen. Een goed voorbeeld hiervan zijn sidechains. Sidechains zijn technieken die het mogelijk maken om transacties offchain te laten plaatsvinden. Dit betekent dat de Bitcoin blockchain minder wordt belast en voordelen opleveren op het gebied van snelheid, transactiekosten en nieuwe use cases. Liquid is ondertussen al geruime tijd operationeel evenals RSK en ontwikkelt het RGB-protocol zich ook verder. Hoewel er ingeleverd wordt op veiligheid is het uitermate geschikt voor experimentele technieken en use cses zoals confidential transactions & assets.

Sidechains werken met gecentraliseerde nodes die zorgen voor de validatie van transacties en daardoor is het nodig om deze nodes (federations) deels te vertrouwen. Echter lijken de trade-offs in balans met de use-cases die het mogelijk maakt en zullen we nog veel innovatie zien in dit segment. Er wordt bijvoorbeeld gewerkt aan sidechains die minder vertrouwen nodig hebben zoals Statechain en Spacechains. Daarnaast creëert de techniek van Atomic Swaps veel nieuwe en interessante use cases en blijft dit constant doorgroeien. Het is ondertussen geïntegreerd in de Green wallet en geeft gebruikers de mogelijkheid om te experimenteren met deze veelbelovende techniek. Met atomic swaps is het mogelijk om vertrouwensloos tokens uit te wisselen tussen verschillende (block)chains.

Tot slot is de ontwikkeling op het gebied van conditionele transacties (Smart Contract) ook op volle kracht. Dit betekent dat de flexibiliteit van het Bitcoin-script steeds meer opties biedt, zonder in te leveren op veiligheid. Technieken zoals Miniscript en Simplicity zorgen ervoor dat het fenomeen Smart Contracts weer een stap dichterbij is.

Conclusie

Bitcoin staat altijd onder druk vanuit verschillende aanvallen: technisch, politiek en maatschappelijk. Technische aanvallen zijn gericht op het saboteren van het netwerk, het stelen van bitcoins of andere vormen die zwaktes misbruiken. Bitcoin is een ecologisch fenomeen en voor het eerst in de geschiedenis hebben we een geldsysteem die corruptie elimineert. Bitcoin dicrimineert niet wie je bent – het is van iedereen, voor iedereen. Perverse en verborgen agenda’s, corrupte overheden, en machtige instituties en individuen kunnen een monetair systeem gebaseerd op wiskunde lastig manipuleren. Bitcoinhandel blijft ook groeien in derde wereldlanden en dit is een positieve trend voor mensen die dagelijks last ondervinden van geldmanipulatie, onderdrukking en corruptie.

Het schalen van computernetwerken is inherent aan de mogelijkheden die er zijn om aanvallen te elimineren of in ieder geval qua impact te minimaliseren. Onderzoek, peer review en het delen van kennis vormen de kern van de ontwikkelingen die plaatsvinden. Dit is de reden dat Bitcoin sterker is dan ooit: de community van wetenschappers, programmeurs en gebruikers blijven onverminderd doorgroeien. Daarnaast zijn er in 2020 allerlei initiatieven gestart die vergoedingen voor Bitcoin onderzoek en ontwikkeling beschikbaar stellen. Dit is essentieel om talent te behouden en nieuw talent aan te trekken. Initiatieven als Brink Bitcoin, Human Rights Foundation en MIT zijn waanzinnig positieve onderdelen voor een gezond ecosysteem. Bedrijven als Square, Bitmex en Coinbase creëren allerlei vergoedingen aan Core developers. Het Bitcoin-ecosysteem ontwikkeld zich op een gezonde manier en groeit hoog tempo door!

Bitonic sponsort initiatieven gericht op protocol-ontwikkeling sinds 2014. We hadden immers niet bestaan zonder het Bitcoin-protocol en hierdoor is het voor ons een no-brainer om bij te dragen aan de ontwikkeling hiervan. Een voorbeeld hier van Scaling Bitcoin workshops waarbij de technische community bijeenkwam om op wetenschappelijk niveau te discussiëren over schaalbaarheid oplossingen, waar onder andere SegWit werd gepresenteerd, hebben een fundament gelegd voor constructieve samenwerkingen in de technische gemeenschap. Naast sponsorinitiatieven hebben we een R&D afdeling waarbij we onderzoek en ontwikkelkracht inzetten ten behoeve van protocol-ontwikkelingen. Ook met de Bitonic Academy proberen we een bijdrage te leveren aan het bouwen van een gezond ecosysteem.

Privacy

Privacy is essentieel in een robuust geldsysteem, zeker met een openbare ledger. In landen met veel corruptie, onderdrukking en schendingen van mensenrechten is financiële privacy van levensbelang. Maar ook in Westerse landen is het waarborgen van financiële vrijheid een fundamenteel recht.

De privacy van Bitcoin is op dit moment slecht maar er komen veelbelovende upgrades aan zoals Taproot. Deze techniek zorgt ervoor dat ook andere technieken zoals Coinjoins eenvoudiger te gebruiken worden. Hoewel het Lightning Network voor de nodige privacy zorgt is op base layer (de Bitcoin blockchain) niveau nog veel ruimte voor verbeteringen waarvan de komst van Taproot al een grote stap de goede richting is. If it doesn’t kill you it makes you stronger. Bitcoin heeft waarde omdat het Censorship resistance is. Het is een bescherming tegen totalitaire regimes en massa surveillance – want we willen we leven in een maatschappij die gebaseerd is op wantrouwen, angst en repressie? Laten we niet het pad volgen die China en Rusland zijn ingeslagen.

Uiteindelijk moeten we naar een situatie toe waarbij de fungibility van een bitcoin niet in gevaar komt en we zien op dit gebied uiterst zorgelijke ontwikkelingen. In deel twee van mijn analyse wil ik verder ingaan op deze trends, op Bitcoin en maatschappelijk niveau.

In dit overzicht vind je per maand alle technische ontwikkelingen die het afgelopen jaar hebben plaatsvonden.