Skalierbarkeit der Blockchain

Die zugrunde liegende Struktur der dezentralen Blockchain-Netzwerke steht derzeit vor einer einzigartigen Herausforderung, dem Blockchain-Trilemma: dem Balanceakt zwischen Dezentralisierung, Sicherheit und Skalierbarkeit in der Blockchain-Infrastruktur.

Unter Blockchain-Dezentralisierung versteht man die sinnvolle Verteilung von Rechenleistung und Konsens im gesamten Netzwerk. Während die Sicherheit die Abwehrkräfte des Blockchain-Protokolls gegen böswillige Akteure und Cyberangriffe widerspiegelt. Beide gelten als unverzichtbar für das Funktionieren eines Blockchain-Netzwerks.

Unter Skalierbarkeit versteht man die Fähigkeit eines Blockchain-Netzwerks, einen hohen Transaktionsdurchsatz und zukünftiges Wachstum zu unterstützen. Skalierbarkeit ist wichtig, da sie die einzige Möglichkeit für Blockchain-Netzwerke darstellt, angemessen mit zentralisierten Plattformen zu konkurrieren und schnelle Abwicklungszeiten zu gewährleisten.

Ein häufig verwendeter Vergleich, um Lücken in der Skalierbarkeit aufzuzeigen, ist, dass Bitcoin zwischen 4 und 7 Transaktionen pro Sekunde (TPS) verarbeitet. Andererseits verarbeitet Visa Tausende von TPS. Um mit diesen bestehenden Systemen konkurrieren zu können, muss die Blockchain-Technologie diesen hohen Grad an Skalierbarkeit erreichen oder übertreffen.

Um diese Probleme zu überwinden, wurden die Layer-1- und Layer-2-Skalierungslösungen entwickelt.

Grundkonzepte von Layer 1 und Layer 2

Layer-1 (Layer 1) bezieht sich auf eine zugrunde liegende Blockchain wie Bitcoin, Ethereum.

Schicht 2 (Schicht 2) ist eine Overlay-Netzwerkschicht über Plattform-Blockchains wie Lightning Network, Polygon usw., die mit Schicht-1-Blockchain verwendet werden kann.

Layer-1-Erweiterungslösung

Layer-1-Skalierungslösungen erweitern die Basisschicht des Blockchain-Protokolls selbst, um die Skalierbarkeit zu verbessern.

So funktioniert Layer-1: Layer-1-Lösungen ändern Protokollregeln direkt, um die Transaktionskapazität und -geschwindigkeit zu erhöhen und gleichzeitig mehr Benutzer und Daten aufzunehmen.

Layer-1-Skalierungslösungen können Anforderungen wie die Erhöhung der in jedem Block enthaltenen Datenmenge oder die Erhöhung der Geschwindigkeit, mit der Blöcke bestätigt werden, mit sich bringen, um den gesamten Netzwerkdurchsatz zu erhöhen.

Zwei beliebte Layer-1-Lösungen sind:

• Ändern Sie das Konsensprotokoll

• Sharding

Ändern Sie das Konsensprotokoll

Proof of Work (PoW) ist ein Konsensprotokoll, das derzeit auf beliebten Blockchains wie Bitcoin verwendet wird. Obwohl PoW sicher ist, ist es langsam. Aus diesem Grund bevorzugen viele neue Blockchains einen Proof of Stake (PoS)-Konsensmechanismus.

Anstatt von Minern zu verlangen, kryptografische Algorithmen mithilfe von Rechenleistung zu lösen, wie es bei PoW der Fall ist, verarbeiten und validieren PoS-Systeme neue Blöcke von Transaktionsdaten basierend auf den Teilnehmern, die Vermögenswerte in Netzwerkhypotheken einsetzen.

Ethereum 2.0 wird auf PoS umgestellt, wodurch die Netzwerkkapazität voraussichtlich erheblich erhöht und gleichzeitig die Dezentralisierung erhöht und die Netzwerksicherheit geschützt wird.

Sharding

Sharding ist ein aus verteilten Datenbanken übernommener Mechanismus, der sich zu einer der beliebtesten Layer-1-Skalierungslösungen entwickelt hat.

Beim Sharding wird der Zustand des gesamten Blockchain-Netzwerks in separate Datensätze, sogenannte „Shards“, aufgeteilt. Diese Segmente werden gleichzeitig und parallel vom Netzwerk verarbeitet, sodass sequenzielle Arbeiten an mehreren Transaktionen ausgeführt werden können.

Darüber hinaus wird jeder Knoten einem bestimmten Shard zugewiesen, anstatt eine vollständige Kopie der Blockchain zu verwalten. Einzelne Shards liefern Beweise für die Hauptkette und interagieren miteinander, um Adressen, Guthaben und den gemeinsamen Status mithilfe von Kommunikationsprotokollen zwischen Shards auszutauschen.

Ethereum 2.0 ist ein High-End-Blockchain-Protokoll, das gemeinsam mit Zilliqa, Tezos und Qtum Shards erforscht.

Layer-2-Erweiterungslösung

Layer-2 bezieht sich auf ein Netzwerk oder eine Technologie, die auf einem zugrunde liegenden Blockchain-Protokoll operiert, um die Skalierbarkeit und Effizienz der Blockchain zu verbessern.

Bei einer Layer-2-Skalierungslösung wird ein Teil der Transaktionslast des Blockchain-Protokolls auf eine benachbarte Systemarchitektur verlagert, die dann die Verarbeitung durchführt und an die Hauptblockchain berichtet. Dadurch ist die Basisschicht-Blockchain weniger überlastet – und letztendlich skalierbarer.

Zu den Layer-2-Lösungen gehören:

• Verschachtelte Blockchain

• Staatlicher Kanal.

• Seitenkette.

Verschachtelte Blockchains

Eine verschachtelte Blockchain ist im Wesentlichen eine Blockchain innerhalb oder vielmehr auf einer anderen Blockchain. Eine verschachtelte Blockchain-Architektur umfasst typischerweise eine Hauptblockchain, die die Parameter für ein breiteres Netzwerk festlegt. Während die Ausführung auf einem miteinander verbundenen Netz sekundärer Ketten erfolgt.

Auf einer Hauptkette können mehrere Ebenen der Blockchain aufgebaut werden, wobei jede Ebene eine Eltern-Kind-Verbindung nutzt. Der übergeordnete Thread delegiert die Verarbeitung an die untergeordneten Threads und gibt die Ergebnisse nach Abschluss an den übergeordneten Thread zurück. Die zugrunde liegende Blockchain nimmt nicht an den Netzwerkfunktionen der Sekundärkette teil, es sei denn, es ist eine Streitbeilegung erforderlich.

Durch die Arbeitsverteilung nach diesem Modell wird die Verarbeitungslast in der Hauptkette reduziert und die Skalierbarkeit exponentiell verbessert. Das OMG Plasma-Projekt ist ein Beispiel für eine verschachtelte Layer-2-Blockchain-Infrastruktur, die auf dem Layer-1-Ethereum-Protokoll basiert, um schnellere und kostengünstigere Transaktionen zu ermöglichen.

Staatlicher Kanal

Zustandskanäle erleichtern die bidirektionale Kommunikation zwischen der Blockchain und Off-Chain-Transaktionskanälen und verbessern die Gesamttransaktionskapazität und -geschwindigkeit.

Ein Statuskanal erfordert keine Bestätigung durch Layer-1-Netzwerkknoten. Stattdessen handelt es sich um eine an das Netzwerk angrenzende Ressource, die mithilfe eines Multisig-Mechanismus oder eines Smart Contracts blockiert wird.

Wenn eine Transaktion oder eine Reihe von Transaktionen auf einem Statuskanal abgeschlossen wird, werden der endgültige „Status“ des „Kanals“ und alle seine inhärenten Übergänge in der zugrunde liegenden Blockchain aufgezeichnet. Liquid Network, Celer, Bitcoin Lightning und das Raiden Network von Ethereum sind Beispiele für staatliche Kanäle.

Im Gleichgewicht zwischen dem Blockchain-Trio muss der Opferstaatskanal einen gewissen Grad an Dezentralisierung opfern, um eine größere Skalierbarkeit zu erreichen.

Seitenkette

Eine Sidechain ist eine an die Blockchain angrenzende Transaktionskette, die häufig für große Batch-Transaktionen verwendet wird. Sidechains nutzen einen unabhängigen Konsensmechanismus – also getrennt von der Originalkette – der hinsichtlich Geschwindigkeit und Skalierbarkeit optimiert werden kann.

Bei der Sidechain-Architektur besteht die Hauptaufgabe der Hauptkette darin, die Gesamtsicherheit aufrechtzuerhalten, Transaktionsdatensätze stapelweise zu bestätigen und Streitigkeiten beizulegen. Sidechains unterscheiden sich in vielerlei Hinsicht von staatlichen Kanälen.

Erstens sind Sidechain-Transaktionen nicht geheim, sie werden öffentlich im Hauptbuch aufgezeichnet. Darüber hinaus wirkt sich eine Sicherheitsverletzung in der Sidechain nicht auf die Hauptkette oder andere Sidechains aus. Das Einrichten einer Sidechain kann einen erheblichen Aufwand erfordern, da die Infrastruktur oft von Grund auf neu aufgebaut wird.

Vorteile von 2 Lösungen

Layer-1 muss der vorhandenen Architektur nichts hinzufügen.

Layer-2 beeinträchtigt nicht das zugrunde liegende Blockchain-Protokoll. Layer-2-Lösungen wie State Channels und insbesondere das Lightning Network, um mehrere Mikrotransaktionen zu ermöglichen, ohne Zeit mit der Verifizierung von Minern zu verschwenden und unnötige Transaktionsgebühren zu zahlen.

Das Problem besteht für beide Lösungen

Es gibt zwei wichtige Probleme bei Skalierbarkeitslösungen der Schichten 1 und 2.

Erstens gibt es Schwierigkeiten, diese Lösungen zu bestehenden Protokollen hinzuzufügen.

Ethereum und Bitcoin haben beide eine Marktkapitalisierung von einer Milliarde Dollar. Täglich werden Millionen von Dollar gehandelt. Aus diesem Grund macht es keinen Sinn, unnötigen Code und Komplikationen zum Experimentieren mit diesen Protokollen hinzuzufügen und mit viel Geld zu experimentieren.

Zweitens: Auch wenn Sie ein Protokoll von Grund auf erstellen, das diese Techniken beinhaltet, lösen sie möglicherweise immer noch nicht das Skalierbarkeitsdilemma.

Der Begriff „Skalierbarkeits-Triade“ wurde vom Ethereum-Gründer Vitalik Buterin geprägt. Dies ist der Kompromiss, den Blockchain-Projekte eingehen müssen, wenn sie entscheiden, wie sie ihre Architektur optimieren möchten, indem sie die folgenden drei Eigenschaften in Einklang bringen: Dezentralisierung, Sicherheit und Skalierbarkeit.

Beispiel: Bitcoin möchte Sicherheit und Dezentralisierung optimieren, weshalb es Kompromisse bei der Skalierbarkeit eingehen muss.

Lösung zur Lösung

Die Lösung besteht darin, ein Protokoll von Grund auf mit diesen integrierten Lösungen zu erstellen. Darüber hinaus kann es auch das Skalierbarkeitsdilemma lösen.

Turing-Preisträger Silvio Micali baut ein Projekt namens „Algorand“ auf, das genau das versucht. Algorand verwendet ein Konsensprotokoll namens Pure Proof of Stake (PPoS).

Im PPoS:

• Für jeden Schritt des Byzantinischen Abkommens werden Leiter und ausgewählte Verifizierer (SVs) ausgewählt.

• Der Rechenaufwand, der einem Benutzer entsteht, hängt nur mit der Signaturerstellung und -überprüfung sowie einfachen Zählvorgängen zusammen.

• Die Kosten hängen nicht von der Anzahl der für jeden Block ausgewählten Benutzer ab. Diese Zahl ist konstant und wird nicht von der Größe des gesamten Netzwerks beeinflusst.

• Eine Erhöhung der Rechenleistung verbessert direkt die Leistung und macht Algorand perfekt skalierbar. Dies bedeutet, dass mit zunehmender Netzwerkgröße hohe Transaktionsgeschwindigkeiten aufrechterhalten werden können, ohne dass zusätzliche Kosten entstehen.

Daraus schließen

Skalierbarkeit ist der Hauptgrund, der die allgemeine Einführung von Kryptowährungen verhindert. Um sicherzustellen, dass Kryptowährungen skalierbar und schnell genug für alltägliche Transaktionen sind, benötigen wir Protokolle, die speziell zur Lösung dieses Problems entwickelt wurden.

Layer-1- und Layer-2-Skalierungslösungen sind zwei Seiten derselben Kryptowährungsmünze. Dabei handelt es sich um Strategien, die darauf abzielen, Blockchain-Netzwerke schneller und reaktionsfähiger für eine schnell wachsende Benutzerbasis zu machen.

Diese Strategien schließen sich auch nicht gegenseitig aus. Viele Blockchain-Netzwerke erforschen eine Kombination aus Layer-1- und Layer-2-Skalierungslösungen, um eine höhere Skalierbarkeit zu erreichen, ohne auf Sicherheit oder vollständige Dezentralisierung zu verzichten.

Quelle: zusammengestellt (Gemini-Cryptopedia, Petro Wallace)