Blockchain ist eine revolutionäre Technologie, die einen sicheren und transparenten Datenaustausch ermöglicht. Sie nutzt eine Reihe von Schichten zum Speichern und Verarbeiten von Informationen, die als Schichten 0-3 bezeichnet werden. Jede Schicht hat ihren eigenen Zweck und ihre eigene Funktion, wodurch ein umfassendes System entsteht, das eine Vielzahl von Transaktionen verarbeiten kann.

Blockchain wird als Distributed-Ledger-Technologie (DLT) definiert, die den sicheren und vertrauenswürdigen Austausch digitaler Vermögenswerte zwischen zwei oder mehr Parteien ermöglicht. Es handelt sich um ein einzigartiges System, das als offenes, dezentrales Netzwerk zur gleichzeitigen Speicherung von Daten auf mehreren Computern fungiert.

Ebene 1

Um Transaktionen zu validieren und abzuschließen, ist Layer 1 die Basis-Blockchain, auf der mehrere andere Layer aufgebaut werden können. Sie können unabhängig von anderen Blockchains arbeiten.

Die Schicht 1 kann in drei Segmente unterteilt werden:

1. Datenschicht – verantwortlich für die Speicherung aller Daten im Zusammenhang mit Transaktionen innerhalb des Netzwerks. Dazu gehören Dinge wie Transaktionsverlauf, Guthaben, Adressen usw. Diese Schicht hilft auch bei der Validierung jeder Transaktion, indem sie kryptografische Algorithmen (Hashing) verwendet, um Genauigkeit und Sicherheit zu gewährleisten.

2. Netzwerkschicht – verantwortlich für die Handhabung der Kommunikation zwischen Benutzern im Blockchain-Netzwerk. Sie ist für die Übertragung von Transaktionen und anderen Nachrichten im Netzwerk sowie für die Überprüfung der Richtigkeit und Rechtmäßigkeit dieser Nachrichten verantwortlich.

3. Konsensebene – ermöglicht es der Blockchain, eine Einigung über einen Satz von Regeln zu erzielen, an die sich alle Benutzer bei der Durchführung von Transaktionen halten müssen. Sie stellt sicher, dass alle Transaktionen gültig und aktuell sind, indem sie Konsensalgorithmen wie Proof of Work, Proof of Stake oder Byzantine Fault Tolerance verwendet.

4. Die Anwendungs-/Smart-Contract-Schicht ist der Bereich, in dem die meisten Funktionen innerhalb eines Blockchain-Netzwerks stattfinden. Diese Schicht enthält Code (oder Smart Contracts), mit dem Anwendungen erstellt werden können, die auf dem Blockchain-Ökosystem laufen. Diese Anwendungen können Transaktionen ausführen und Daten auf sichere, verteilte Weise speichern. Nicht alle Layer-1-Protokolle verfügen über Smart-Contract-Funktionen.

Beispiele für solche Netzwerke sind Bitcoin, Solana, Ethereum und Cardano – alle haben ihren eigenen nativen Token. Dieser Token wird anstelle von Transaktionsgebühren verwendet und dient als Anreiz für Netzwerkteilnehmer, einem Netzwerk beizutreten.

Obwohl diese Münzen je nach dem zugrunde liegenden Projekt unterschiedliche Nennwerte haben, bleibt ihr Zweck unverändert: Sie bieten einen wirtschaftlichen Unterstützungsmechanismus für die Funktionalität der Blockchain.

Layer-1-Netzwerke haben Probleme mit der Skalierung, da die Blockchain die Anzahl der vom Netzwerk benötigten Transaktionen kaum verarbeiten kann. Dies führt zu drastisch steigenden Transaktionsgebühren.

Bei der Diskussion möglicher Lösungen für dieses Problem wird häufig das Blockchain-Trilemma herangezogen, ein von Vitalik Buterin geprägter Begriff. Im Wesentlichen geht es dabei um die Notwendigkeit, Dezentralisierung, Sicherheit und Skalierbarkeit in Einklang zu bringen.

Viele dieser Ansätze haben ihre eigenen Vor- und Nachteile. So werden etwa Supernodes finanziert und damit Supercomputer und große Server angeschafft, um die Skalierbarkeit zu erhöhen, gleichzeitig entsteht jedoch eine grundsätzlich zentralisierte Blockchain.

Lösungsansätze zum Blockchain-Trilemma:

Blockgröße erhöhen

Durch die Erhöhung der Blockgröße eines Layer-1-Netzwerks können effektiv mehr Transaktionen verarbeitet werden. Es ist jedoch nicht möglich, einen unendlich großen Block beizubehalten, da größere Blöcke aufgrund der erhöhten Datenanforderungen und der verringerten Dezentralisierung langsamere Transaktionsgeschwindigkeiten bedeuten. Dies wirkt sich als Einschränkung der Skalierbarkeit durch Erhöhung der Blockgröße aus und begrenzt Leistungssteigerungen auf Kosten einer möglichen Verringerung der Sicherheit.

Konsensmechanismus ändern

Obwohl es immer noch Proof-of-Work-Mechanismen (POW) gibt, sind diese weniger nachhaltig und skalierbar als ihre Proof-of-Stake-Gegenstücke (POS). Aus diesem Grund ist Ethereum von POW auf POS umgestiegen. Ziel ist es, einen sichereren und zuverlässigeren Konsensalgorithmus bereitzustellen, der in Bezug auf die Skalierbarkeit bessere Ergebnisse liefert.

Sharding

Sharding ist eine Datenbankpartitionierungstechnik, die verwendet wird, um die Leistung verteilter Datenbanken zu skalieren. Durch die Segmentierung und Verteilung eines Blockchain-Ledgers auf mehrere Knoten bietet Sharding eine verbesserte Skalierbarkeit, die den Transaktionsdurchsatz erhöht, da mehrere Shards Transaktionen parallel verarbeiten können. Dies führt zu einer verbesserten Leistung und einer deutlich reduzierten Verarbeitungszeit im Vergleich zum herkömmlichen seriellen Ansatz.

Ähnlich wie das Essen eines in Stücke geteilten Kuchens. Auf diese Weise sind Sharded-Netzwerke selbst bei einem Anstieg des Datenvolumens oder einer Netzwerküberlastung viel effizienter, da alle beteiligten Knoten synchron zusammenarbeiten, um Transaktionen zu verarbeiten.

Schicht2

Layer-2-Protokolle werden auf der Layer-1-Blockchain aufgebaut, um deren Skalierbarkeitsprobleme zu lösen, ohne die Basisschicht zu überlasten.

Dies wird durch die Erstellung eines sekundären Frameworks erreicht, das als „Off the Chain“ bezeichnet wird und einen besseren Kommunikationsdurchsatz und schnellere Transaktionszeiten ermöglicht, als Layer 1 unterstützen kann.

Durch die Verwendung von Layer-2-Protokollen werden die Transaktionsgeschwindigkeiten verbessert und der Transaktionsdurchsatz erhöht, sodass innerhalb eines bestimmten Zeitraums mehr Transaktionen gleichzeitig verarbeitet werden können. Dies kann unglaublich nützlich sein, wenn das primäre Netzwerk überlastet ist und langsamer wird, da es dazu beiträgt, die Transaktionsgebühren zu senken und die Gesamtleistung zu verbessern.

Im Folgenden sind einige Möglichkeiten aufgeführt, mit denen Layer2s das Skalierbarkeitstrudel löst:

Kanäle

Kanäle bieten eine Layer-2-Lösung, die es Benutzern ermöglicht, mehrere Transaktionen außerhalb der Blockchain durchzuführen, bevor diese auf der Basisebene gemeldet werden. Dies ermöglicht schnellere und effizientere Transaktionen. Es gibt zwei Arten von Kanälen: Zahlungskanäle und Statuskanäle. Zahlungskanäle ermöglichen nur Zahlungen, während Statuskanäle viel umfassendere Aktivitäten ermöglichen, wie sie normalerweise auf der Blockchain stattfinden, z. B. der Umgang mit Smart Contracts.

Der Nachteil besteht darin, dass die teilnehmenden Benutzer dem Netzwerk bekannt sein müssen, sodass eine offene Teilnahme nicht in Frage kommt. Außerdem müssen alle Benutzer ihre Token in einem Multi-Sig-Smart-Contract sperren, bevor sie sich am Kanal beteiligen.

Plasma

Das von Joseph Poon und Vitalik Buterin entwickelte Plasma-Framework nutzt Smart Contracts und Zahlenbäume, um „Child Chains“ zu erstellen. Dabei handelt es sich um Kopien der ursprünglichen Blockchain, die auch als „Parent Chain“ bezeichnet wird.

Mit dieser Methode können Transaktionen von der primären Kette auf die untergeordnete Kette übertragen werden, wodurch die Transaktionsgeschwindigkeit verbessert und die Transaktionsgebühren gesenkt werden. Sie eignet sich gut für spezielle Fälle wie digitale Geldbörsen.

Die Entwickler von Plasma haben es speziell dafür entwickelt, sicherzustellen, dass kein Benutzer Transaktionen durchführen kann, bevor eine bestimmte Wartezeit abgelaufen ist.

Dieses System kann jedoch nicht zum Skalieren allgemeiner Smart Contracts verwendet werden.

Seitenketten

Sidechains sind Blockchains, die parallel zur Haupt-Blockchain oder Layer 1 laufen. Sie haben mehrere Besonderheiten, die sie von klassischen Blockchains unterscheiden. Sidechains haben ihre eigenen unabhängigen Blockchains, die oft andere Konsensmechanismen verwenden und andere Anforderungen an die Blockgröße haben als Layer 1.

Obwohl Sidechains ihre eigenen unabhängigen Chains haben, sind sie dennoch über eine gemeinsam genutzte virtuelle Maschine mit Layer 1 verbunden. Das bedeutet, dass alle Verträge oder Transaktionen, die in Layer-1-Netzwerken verwendet werden können, auch für die Verwendung in Sidechains verfügbar sind, wodurch eine umfassende Infrastruktur der Interoperabilität zwischen den beiden Chain-Typen entsteht.

Rollups

Rollups erreichen eine Skalierung, indem sie mehrere Transaktionen auf der Sidechain zu einer einzigen Transaktion auf der Basisebene gruppieren und SNARKs (Succinct Non-Interactive Argument of Knowledge) als kryptografische Beweise verwenden.

Es gibt zwar zwei Arten von Rollups – ZK-Rollups und optimistische Rollups – der Unterschied liegt jedoch in ihrer Fähigkeit, zwischen Ebenen zu wechseln.

Optimistische Rollups verwenden eine virtuelle Maschine, die eine einfachere Migration von Layer 1 zu Layer 2 ermöglicht, während ZK-Rollups zugunsten höherer Effizienz und Geschwindigkeit auf diese Funktion verzichten.

Schicht0

Layer-0-Protokolle spielen eine entscheidende Rolle bei der Ermöglichung der Bewegung von Assets, der Perfektionierung des Benutzererlebnisses und der Reduzierung der mit der Interoperabilität zwischen Ketten verbundenen Hindernisse. Diese Protokolle bieten Blockchain-Projekten auf Layer 1 eine effiziente Lösung, um großen Problemen zu begegnen, wie etwa der Schwierigkeit, zwischen Layer-1-Ökosystemen zu wechseln.

Es gibt nicht nur ein Design für eine Reihe von Layer0-Protokollen; zur Differenzierung können unterschiedliche Konsensmechanismen und Blockparameter verwendet werden. Einige Layer0-Token dienen als wirksamer Anti-Spam-Filter, da Benutzer diese Token einsetzen müssen, bevor sie auf zugehörige Ökosysteme zugreifen können.

Cosmos ist ein Layer-0-Protokoll, das für seine Open-Source-Toolsuite bekannt ist, die aus Tendermint, Cosmos SDK und IBC besteht. Diese Angebote ermöglichen es Entwicklern, ihre eigenen Blockchain-Lösungen nahtlos in einer interoperablen Umgebung zu konstruieren; die mutualistische Architektur ermöglicht es den Komponenten, frei miteinander zu interagieren. Diese kollaborative Vision einer virtuellen Welt ist in Cosmoshood Wirklichkeit geworden, wie es von seinen ergebenen Anhängern liebevoll geprägt wurde – Blockchain-Netzwerke können unabhängig voneinander gedeihen und dennoch kollektiv existieren und verkörpern das „Internet der Blockchain“.

Ein weiteres bekanntes Beispiel ist Polkadot.

Schicht3

Layer 3 ist das Protokoll, das Blockchain-basierte Lösungen antreibt. Normalerweise als „Anwendungsschicht“ bezeichnet, enthält es Anweisungen für die Verarbeitung durch Layer-1-Protokolle. Dadurch können Dapps, Spiele, verteilte Speicher und andere Anwendungen, die auf einer Blockchain-Plattform basieren, ordnungsgemäß funktionieren.

Ohne diese Anwendungen wäre die Nützlichkeit von Layer-1-Protokollen allein ziemlich begrenzt. Um ihr Potenzial voll auszuschöpfen, ist Layer 3 von entscheidender Bedeutung.

Ebene 4?

Layer 4 existiert nicht. Die besprochenen Layer werden als die vier Layer der Blockchain bezeichnet. Dies liegt jedoch daran, dass wir in der Programmierwelt bei 0 beginnen zu zählen.

Abschluss

Die Skalierbarkeit von Blockchain-Netzwerken hängt stark von ihrer Architektur und dem verwendeten Technologie-Stack ab. Jede Schicht eines Netzwerks erfüllt einen wichtigen Zweck, indem sie einen höheren Durchsatz und eine bessere Interoperabilität mit anderen Blockchains ermöglicht. Protokolle der Schicht 1 bilden die Basisschicht oder Hauptblockchain, während Sidechains, Rollups und Protokolle der Schicht 0 zusätzliche Unterstützung für die Skalierung bieten.

Layer-3-Protokolle bieten Anweisungen, die Benutzern den Zugriff auf Anwendungen ermöglichen, die auf dem gesamten System aufbauen. Zusammen tragen diese Elemente zur Schaffung einer leistungsstarken, vertrauenslosen Infrastruktur bei, die in der Lage ist, große Transaktionen sicher abzuwickeln.