Zusammenfassung

Blockchains können nur eine begrenzte Anzahl von Transaktionen pro Sekunde verarbeiten. Das Bitcoin-Netzwerk kann beispielsweise etwa sieben Transaktionen pro Sekunde verarbeiten. Damit sich die Blockchain-Technologie weltweit durchsetzen kann, müsste sie in der Lage sein, viel mehr Daten und eine höhere Geschwindigkeit zu verarbeiten, damit mehr Menschen das Netzwerk nutzen können, ohne dass es zu langsam oder zu teuer wird. Aufgrund des grundlegenden Designs vieler dezentraler Netzwerke führt eine zunehmende Skalierbarkeit jedoch tendenziell zu einer Schwächung der Dezentralisierung oder Sicherheit. Dies ist das sogenannte Blockchain-Trilemma. Entwickler, die dieses Problem lösen möchten, probieren verschiedene Konsensmechanismen und Skalierbarkeitslösungen aus, wie z. B. Sharding, Sidechains und State Channels.

Einführung

Im Grunde ist eine Blockchain eine verteilte digitale Datenbank. Die Datenblöcke sind in chronologischer Reihenfolge angeordnet. Die Blöcke sind durch kryptografische Beweise verknüpft und geschützt. Die Implementierung dieser Technologie in verschiedenen Branchen verändert bereits die Art und Weise, wie wir arbeiten und leben.

Die Idee dahinter ist, dass dezentrale und sichere Blockchains eine Welt ermöglichen, in der wir für das Funktionieren von Netzwerken oder Märkten nicht auf Dritte angewiesen sind. Allerdings sind sich Experten im Allgemeinen darüber einig, dass für eine breitere Verbreitung dieser Technologie zunächst ein grundlegendes Problem gelöst werden muss: das „Blockchain-Trilemma“.

Der Mitbegründer von Ethereum, Vitalik Buterin, hat diesen Begriff populär gemacht. Um es zu verstehen, müssen Sie die Existenz dreier Elemente kennen, die in einer Blockchain wünschenswert sind: Dezentralisierung, Sicherheit und Skalierbarkeit. Das Blockchain-Trilemma besteht darin, dass es für Blockchains schwierig ist, das optimale Niveau aller drei Eigenschaften gleichzeitig zu erreichen. Wenn Sie die Optimierung eines Elements erhöhen, wird normalerweise ein anderes geschwächt.

In diesem Artikel analysieren wir die drei Elemente des Trilemmas und erklären im Detail, was jedes einzelne davon ist. Durch die detaillierte Analyse jedes Einzelnen und seiner Zusammenhänge können wir besser verstehen, wie und warum das Blockchain-Trilemma besteht. In diesem Artikel werden wir auch einige der von Entwicklern vorgeschlagenen Lösungen hervorheben.

Was ist Dezentralisierung?

Bitcoin und andere ähnliche Blockchain-Netzwerke sind dezentral aufgebaut. Die gesamte Struktur ist so organisiert, dass keine einzelne Person oder Organisation verantwortlich ist, sondern dezentralisiert ist. Die Netzwerkschicht steht jedem offen, der teilnehmen möchte. Dadurch wird die Kontrolle vollständig verteilt und liegt nicht bei einer einzelnen Einheit. Jeder hat Zugriff auf die gleichen Daten. Wenn jemand versucht, das System zu betrügen, indem er die Datensätze zu seinen Gunsten ändert, werden die übrigen Teilnehmer die fehlerhaften Daten ablehnen.

Das kann ziemlich technisch sein, aber schauen wir uns das Bitcoin-Netzwerk als Beispiel an. Es gibt keine Dritten, die die Kontrolle ausüben. Vergleichen Sie dies mit dem Bedarf des traditionellen Finanzsystems an Banken. Banken stärken das Vertrauen zwischen den handelnden Personen und stellen sicher, dass alle Aufzeichnungen ordnungsgemäß geführt werden. Das Bitcoin-Netzwerk teilt jedoch alle Daten mit allen Mitgliedern des Netzwerks, sodass diese überprüft und bestätigt werden können, bevor sie der digitalen Datenbank hinzugefügt werden. Das Ergebnis ist ein System, das ohne die Beteiligung Dritter existieren kann.

Die Dezentralisierung bietet die Möglichkeit des sogenannten Web3. Im Moment haben wir Web2, das heutige Internet. Es ist voll von Websites und Apps, die von Unternehmen kontrolliert werden, aber von Benutzern erstellte Inhalte enthalten. Web3 ist der nächste Schritt. Ein Internet, in dem die dezentrale Blockchain-Technologie es den Menschen ermöglicht, ihre eigenen Daten und ihr Online-Leben zu kontrollieren.

Allerdings ist zu bedenken, dass aufgrund der Art und Weise, wie diese verteilten Systeme funktionieren und eine Vielzahl von Teilnehmern vorhanden sein müssen, um sich über die Gültigkeit der Daten zu einigen, die Transaktionszeiten aufgrund der Art und Weise, wie sie geteilt und verarbeitet werden, langsam sein können. Aus diesem Grund müssen Blockchains skalieren, das heißt, sie müssen in der Lage sein, mehr Daten mit höherer Geschwindigkeit zu verarbeiten. Wir werden auf diesen Punkt zurückkommen, wenn wir über Skalierbarkeit sprechen.

Darüber hinaus ist der dezentrale Traum nur dann gültig, wenn die zugrunde liegenden Blockchains sicher sind. Wenn es einer Blockchain an Sicherheit mangelt, kann eine böswillige Person die Kontrolle übernehmen und die Daten zu ihren Gunsten verändern. Dies führt zum zweiten Teil des Trilemmas: Sicherheit.

Was ist Blockchain-Sicherheit?

Wenn eine Blockchain keine Sicherheit bietet, spielt es keine Rolle, wie dezentral sie ist. Ein gutes Blockchain-Netzwerk muss gegen Angriffe böswilliger Einheiten resistent sein. Zentralisierte Systeme basieren ihre Sicherheit auf der Tatsache, dass das System geschlossen ist. Wer die Kontrolle hat, kann dafür sorgen, dass die Daten störungsfrei sind. Doch wie gelingt dies in einem dezentralen System, an dem jeder teilnehmen kann?

Es ist ein kompliziertes Thema, aber wir können Bitcoin erneut als Beispiel für die Sicherheit einer dezentralen Blockchain nehmen. Die Bitcoin-Blockchain verwendet eine Kombination aus Kryptographie und einem Netzwerkkonsensmechanismus namens Proof of Work (PoW). In kryptografischer Hinsicht verfügt jeder Block über eine Art digitale Signatur oder einen Hash und ist so verbunden, dass er nicht manipuliert werden kann, da jede Änderung den Hash des Blocks verändern würde. Jeder Versuch, Daten zu ändern, würde vom Rest des Netzwerks schnell erkannt.

Der PoW-Konsensmechanismus ist ein weiterer Teil des Puzzles. Trägt zum Schutz des Kryptowährungs-Ledgers bei. Um den Proof-of-Work-Konsens zu verstehen, wäre ein ganzer separater Artikel erforderlich, aber für unsere Zwecke bedenken Sie, dass Mitglieder des Netzwerks neue Transaktionen nur durch eine Aktivität namens Mining verifizieren und zum Hauptbuch hinzufügen können. Dabei wird Rechenleistung genutzt, um mathematische Rätsel zu lösen. Ein Teil des Prozesses erfordert, dass diese Computer verschiedene Hashing-Funktionen ausführen. Dies spielt eine Rolle bei der Frage der Skalierbarkeit, da der PoW-Mechanismus zwar sicher, aber relativ langsam ist.

Dabei wird auch berücksichtigt, dass das Netzwerk umso sicherer ist, je mehr Teilnehmer (Knoten) es gibt. Je größer die Anzahl der Parteien, desto schwieriger wird es für einen böswilligen Akteur, die Kontrolle über das System zu übernehmen. Dabei handelt es sich um den sogenannten 51 %-Angriff. Zusammenfassend lässt sich sagen: Wenn es einer einzelnen Entität (oder einer Gruppe böswilliger Akteure) gelingt, mehr als 50 % der gesamten Netzwerk-Hash-Rate einer Blockchain zu kontrollieren, könnte sie den Konsens außer Kraft setzen und beispielsweise die Daten der Kette zu ihrem eigenen Vorteil ändern , doppelte Ausgabemarken.

Einfach ausgedrückt ist Sicherheit eine Grundvoraussetzung für eine erfolgreiche Blockchain, denn ohne sie können Angreifer die Kette kontrollieren und unbrauchbar machen.

Was ist Skalierbarkeit?

Unter Skalierbarkeit versteht man das Ziel, eine Blockchain aufzubauen, die immer mehr Transaktionen pro Sekunde unterstützen kann. Sie muss skalierbar sein, wenn die Blockchain-Technologie eine breitere Gesellschaft und möglicherweise Milliarden von Benutzern erreichen soll. Dies ist jedoch das Problem, mit dem die meisten Blockchains zu kämpfen haben.

Dies liegt daran, dass Dezentralisierung und Sicherheit für die Blockchain so grundlegend sind, dass sie in der Regel die ersten Faktoren sind, die berücksichtigt werden müssen. Dezentralisierung ist von entscheidender Bedeutung für die Philosophie und die Ziele der Blockchain-Technologie, die das Herzstück der bekanntesten Blockchains bildet. Sicherheit ist, wie wir bereits gesehen haben, eine zentrale Voraussetzung für den Erfolg und Nutzen der Blockchain.

Durch die Priorisierung von Dezentralisierung und Sicherheit wird die Skalierbarkeit jedoch zu einer Herausforderung. Die Anzahl der Transaktionen, die eine Kette verarbeiten kann, kann sehr begrenzt sein. Ein zentralisiertes Zahlungssystem wie Visa gibt an, bis zu 24.000 Transaktionen pro Sekunde verarbeiten zu können. Da das Netzwerk geschlossen ist und Sie sich nicht um Überlegungen wie öffentliche Knoten und Konsens kümmern müssen, ist dies möglich. Vergleichen Sie dies mit einigen der bekanntesten Blockchains.

Laut Bloomberg im Jahr 2022: „Stand September dieses Jahres konnte Bitcoin nicht mehr als sieben Transaktionen pro Sekunde abwickeln und Ethereum, das zweitbeliebteste Netzwerk, war auf etwa 15 pro Sekunde begrenzt – eine Lebenszeit im Vergleich zu herkömmlichen Börsen.“

Wie bereits erwähnt, sind die Transaktionsgeschwindigkeiten dieser Blockchains aufgrund der Art und Weise, wie Informationen von verschiedenen Teilnehmern verarbeitet werden müssen, begrenzt, abhängig vom dezentralen Netzwerk und der Art des PoW-Konsensmechanismus selbst. Wenn immer mehr Menschen in der Gesellschaft anfangen, die Blockchain-Technologie zu nutzen, werden die Netzwerke aufgrund der begrenzten Anzahl von Transaktionen, die sie verarbeiten können, ins Stocken geraten.

Warum das Blockchain-Trilemma existiert

Die offensichtlichste und grundlegendste Lösung für dieses Problem besteht darin, die Anzahl der Teilnehmer zu reduzieren, die Daten zum Netzwerk übertragen und hinzufügen, um es zu skalieren und die Geschwindigkeit zu erhöhen. Dies würde jedoch die Dezentralisierung schwächen, da die Kontrolle an eine kleine Anzahl von Teilnehmern übergeben würde. Ebenso würde es sich negativ auf die Sicherheit auswirken, da weniger Teilnehmer ein höheres Angriffsrisiko bedeuten.

Hier ist das Trilemma: Aufgrund des Zusammenhangs zwischen den äußerst gewünschten Eigenschaften der Dezentralisierung und der Sicherheit erschwert das grundlegende Design der Funktionsweise der Blockchain eine Skalierung. Wenn man das eine erhöht, schwächt sich das andere ab. Wie können Sie die Skalierbarkeit vorantreiben, ohne die Dezentralisierung, die Sicherheit oder beides zu beeinträchtigen?

So lösen Sie das Blockchain-Trilemma

Für dieses Trilemma gibt es keine goldene Lösung. Angesichts der Bedeutung der Lösung des Problems wurden jedoch in der Community verschiedene Ansätze mit interessanten Ergebnissen entwickelt. Lassen Sie uns einen Überblick über einige der beliebtesten Entwicklungen geben, um besser zu verstehen, was in diesem Bereich passiert:

1. Fragmentierung oder „Sharding“

Dabei handelt es sich um eine Methode zur Aufteilung von Blockchains (oder anderen Arten von Datenbanken) in kleinere, unterteilte Blockchains, die bestimmte Datensegmente verwalten. Dieses Setup verhindert, dass eine einzelne Kette alle Transaktionen und Interaktionen in einem Netzwerk abwickelt. Jede geteilte Blockchain wird als Shard bezeichnet und verfügt über ein eigenes Hauptbuch. Diese Shards können ihre eigenen Transaktionen verarbeiten, aber ein Beacon oder eine Hauptblockchain verwaltet die Interaktionen zwischen den Shards. Dies macht Sharding zu einem Upgrade der Skalierbarkeit des Layer-1-Netzwerks, da es sich um eine Änderung des Blockchain-Mainnets handelt.

2. Ein anderer Konsensmechanismus

Einer der Gründe für das Trilemma im Bitcoin-Netzwerk liegt in der Art und Weise, wie der PoW-Konsens die Sicherheit gewährleistet. Der Bedarf an Minern, kryptografischen Algorithmen und großen Mengen dezentraler Rechenleistung führt zu einem sicheren, aber langsamen System. Einen anderen Weg zum Schutz des Konsenses zu finden, ist ein Ansatz zur Lösung des Trilemmas. Dies war einer der Gründe für Ethereum, vom PoW-Mechanismus zum Proof of Stake (PoS) überzugehen.

In PoS-Blockchains müssen Teilnehmer, die an der Validierung von Transaktionen beteiligt sind, ihre Token einsetzen. Es sind keine hochspezialisierten Bergbaumaschinen erforderlich. Das Hinzufügen weiterer Validatoren zum Netzwerk ist einfacher und zugänglicher. PoS ist nur einer von vielen Konsensmechanismen, die auf Skalierbarkeit abzielen.

3. Layer-2-Lösungen

Sowohl Sharding als auch die verschiedenen Konsensmechanismen sind sogenannte Layer-1-Lösungen. Sie zielen darauf ab, das grundlegende Design des zugrunde liegenden Netzwerks zu ändern. Aber auch andere Entwickler, die das Trilemma lösen wollen, arbeiten an Lösungen, die auf der bereits bestehenden Netzwerkstruktur aufbauen. Mit anderen Worten: Sie glauben, dass die Lösung in einer zweiten Schicht oder Schicht 2 liegt. Beispiele hierfür sind Sidechains und State Channels.

Eine Sidechain ist im Grunde eine separate Blockchain, die mit der Hauptkette verbunden ist. Es ist so konfiguriert, dass Vermögenswerte frei zwischen beiden Blockchains fließen können. Es ist wichtig zu beachten, dass die Sidechain nach unterschiedlichen Regeln arbeiten kann, was eine höhere Geschwindigkeit und Skalierbarkeit ermöglicht. In ähnlicher Weise sind staatliche Kanäle eine weitere Möglichkeit, Transaktionen von der Hauptkette zu entfernen und den Druck auf Schicht 1 zu verringern. Ein staatlicher Kanal verwendet einen Smart Contract anstelle einer separaten Kette, um Benutzern die Interaktion untereinander zu ermöglichen, ohne ihre Transaktionen auf der Blockchain zu veröffentlichen. Die Blockchain erfasst lediglich den Anfang und das Ende des Kanals.

Schlussfolgerungen

Das Blockchain-Trilemma steht der Blockchain im Weg, ihr Potenzial als weltverändernde Technologie auszuschöpfen. Wenn Blockchain-Netzwerke nur eine kleine Anzahl von Transaktionen pro Sekunde verarbeiten können, um Dezentralisierung und Sicherheit aufrechtzuerhalten, wird es schwierig sein, eine Masseneinführung zu erreichen. Die Lösungen, nach denen die Entwickler gesucht und die sie für dieses Problem vorgeschlagen haben, lassen jedoch darauf schließen, dass die durch Blockchain bereits erreichten technologischen Fortschritte anhalten werden und diese Netzwerke in Zukunft sicherlich in der Lage sein werden, viel mehr Daten zu verarbeiten.