Kernaussagen

  • Das Blockchain-Trilemma erklärt, warum die meisten Netzwerke Schwierigkeiten haben, Sicherheit, Dezentralisierung und Skalierbarkeit gleichzeitig zu erreichen.

  • Layer-1-Skalierungslösungen ändern die Basis-Blockchain direkt, etwa durch ein Upgrade des Konsensmechanismus oder das Hinzufügen von Sharding.

  • Layer-2-Lösungen bauen auf Layer 1 auf, um mehr Transaktionen außerhalb der Main Chain zu verarbeiten und so Staus sowie Gebühren zu reduzieren.

  • Die meisten Blockchain-Ökosysteme bewegen sich hin zu einer Kombination aus Verbesserungen auf Layer 1 für die langfristige Sicherheit und Layer-2-Netzwerken für tägliche Geschwindigkeit und Erschwinglichkeit.

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Einführung

Blockchain-Netzwerke werden immer beliebter, und mit mehr Nutzern kommen auch mehr Transaktionen. Obwohl die Technologie einen echten Nutzen bietet, bleibt der Umgang mit großem Bedarf eine erhebliche Herausforderung. Öffentliche Blockchains, die Dezentralisierung und Sicherheit priorisieren, haben oft Schwierigkeiten, Transaktionen schnell und kostengünstig zu verarbeiten.

Diese Spannung wird als Blockchain-Trilemma bezeichnet: Es ist schwierig für ein dezentrales Netzwerk, gleichzeitig sicher, dezentralisiert und skalierbar zu sein. Die meisten Netzwerke priorisieren zwei dieser Eigenschaften, was die dritte begrenzen kann.

Entwickler haben zwei breite Ansätze entwickelt, um das zu adressieren. Einige Lösungen ändern die Kern-Blockchain (Layer 1), während andere zusätzliche Netzwerke darüber aufbauen (Layer 2). Beide Ansätze haben Vor- und Nachteile, und viele Ökosysteme nutzen heute eine Kombination aus beidem.

Layer 1 vs. Layer 2

Der Begriff „Layer-1-Blockchain“ bezieht sich auf die grundlegende Blockchain, auf der Transaktionen finalisiert werden. Beispiele sind Bitcoin, Ethereum, BNB Chain und Solana. Das sind die Basis-Netzwerke, auf denen andere Protokolle aufbauen können.

Layer 2 bezeichnet Protokolle, die auf einer Layer-1-Blockchain aufbauen. Sie verarbeiten Transaktionen außerhalb der Hauptkette und melden anschließend die Ergebnisse zurück. Beispiele sind das Lightning Network (für Bitcoin) sowie Arbitrum, Base und zkSync (für Ethereum).

Der entscheidende Unterschied ist, wo die Arbeit stattfindet. Layer-1-Lösungen ändern die Regeln des Basis-Netzwerks selbst. Layer-2-Lösungen schaffen eine separate Umgebung, um mehr Aktivität zu verarbeiten, und gleichen dann zur Sicherheit wieder mit Layer 1 ab (settlen).

Gängige Layer-1-Skalierungslösungen

Upgrades des Konsensmechanismus

Einige Blockchains sind von energieintensiven Systemen wie Proof-of-Work (PoW) auf effizientere Mechanismen wie Proof-of-Stake (PoS) umgestiegen. Ethereum hat diesen Übergang im September 2022 mit „The Merge“ abgeschlossen. Bei PoS werden Validatoren anhand des eingesetzten Kapitals (Stakes) ausgewählt – nicht anhand der Rechenarbeit. Das kann den Transaktionsdurchsatz und die Energieeffizienz verbessern.

Sharding

Sharding teilt die Blockchain in kleinere Partitionen, sogenannte Shards. Statt dass jeder Node jede Transaktion verarbeitet, wird die Arbeit auf mehrere Gruppen verteilt. So kann das Netzwerk mehr Transaktionen parallel verarbeiten, was die Gesamtkapazität potenziell erhöht.

Ethereums längerfristige Roadmap umfasst vollständiges Sharding über eine Funktion namens Danksharding, allerdings befindet sich das noch in Entwicklung. Ein erster Schritt, EIP-4844 (Blob-Transaktionen), wurde im März 2024 eingeführt und senkte die Datenkosten für Layer-2-Netzwerke deutlich.

Blockgröße nimmt zu

Ein einfacherer Ansatz ist, die maximale Größe jedes Blocks zu erhöhen und so mehr Transaktionen pro Block aufzunehmen. Dadurch kann der Durchsatz steigen, ohne dass größere Protokolländerungen nötig sind. Größere Blöcke benötigen jedoch mehr Speicherplatz und Rechenleistung, was die Teilnahme regulärer Computer als Netzwerkvalidatoren erschweren kann. Das könnte sich negativ auf die Dezentralisierung auswirken.

Gängige Layer-2-Lösungen zur Skalierung

Rollups

Rollups bündeln viele Off-Chain-Transaktionen und senden eine komprimierte Zusammenfassung an die Main Chain. Dadurch wird die Datenmenge, die jede Transaktion zu Layer 1 hinzufügt, reduziert, was die Gebühren senkt und den Durchsatz erhöht. Rollups sind zur primären Skalierungsmethode für Ethereum geworden.

Es gibt zwei Haupttypen: Optimistic Rollups (verwendet von Arbitrum und Base) gehen davon aus, dass Transaktionen standardmäßig gültig sind, und ermöglichen eine Challenge-Periode für Streitfälle. ZK-Rollups (verwendet von zkSync und Scroll) erzeugen kryptografische Beweise, die die Gültigkeit von Transaktionen sofort bestätigen – ohne Wartezeit.

State Channels (Zustandskanäle)

Ein State Channel ermöglicht es zwei Parteien, direkt off-chain so oft zu transaktieren, wie sie möchten. Nur die Eröffnung- und Schlussguthaben werden auf der Blockchain gespeichert. Das funktioniert besonders gut bei wiederholten Interaktionen zwischen denselben Parteien, etwa bei Micropayments oder beim Gaming.

Der Abschnitt „Bitcoin Layer 2 Netzwerke“ behandelt das Lightning Network, das State Channels nutzt, um schnelle, kostengünstige Bitcoin-Zahlungen zwischen Teilnehmern zu ermöglichen.

Sidechains

Sidechains sind unabhängige Blockchains, die parallel zu Layer 1 laufen und eigene Validatoren sowie Konsensregeln besitzen. Sie verbinden sich über eine Bridge mit der Main Chain. Polygon PoS ist ein bekanntes Beispiel. Sidechains können schneller und günstiger sein, sind aber für ihre eigene Sicherheit verantwortlich – im Gegensatz zu Rollups, die die Sicherheit von der darunterliegenden Layer 1 übernehmen.

Verschachtelte Blockchains

Bei einer verschachtelten Blockchain-Architektur delegiert die Hauptkette (Main Chain) Arbeit an sekundäre Ketten. Diese „Child Chains“ verarbeiten Transaktionen und geben die Ergebnisse an die übergeordnete Kette zurück. Das Plasma-Framework ist ein frühes Beispiel für diesen Ansatz bei Ethereum, wurde in der Praxis jedoch weitgehend durch Rollups ersetzt.

Layer 1 vs. Layer 2: Die wichtigsten Unterschiede

Beide Layer zielen darauf ab, die Netzwerkleistung zu verbessern, gehen aber unterschiedlich an das Problem heran. Hier eine Zusammenfassung der wichtigsten Unterschiede:

  • Zweck: Layer 1 ist die grundlegende Quelle der Wahrheit und die Abwicklungsschicht (Settlement Layer). Layer 2 wird gebaut, um den Durchsatz zu erhöhen und die Gebühren für diese Basisschicht zu senken.

  • Methode: Layer 1 ändert die Protokollregeln direkt. Layer 2 verlagert die Verarbeitung auf ein sekundäres Netzwerk oder eine Anwendung.

  • Sicherheit: Layer 1 stützt sich auf seinen eigenen dezentralen Konsens. Layer-2-Netzwerke verlassen sich typischerweise auf Layer 1 für die finale Sicherheit und Datenverfügbarkeit.

  • Komplexität: Upgrades von Layer 1 erfordern den Konsens im gesamten Netzwerk und können störend wirken. Layer-2-Netzwerke lassen sich oft bereitstellen oder aktualisieren, ohne die Basiskette zu ändern.

Grenzen von Skalierungslösungen

Keine der beiden Ansätze ist ohne Kompromisse.

Upgrades von Layer 1 können langsam und politisch komplex sein. Große Protokolländerungen wie Sharding oder grundlegende Konsens-Überholungen erfordern eine breite Zustimmung unter Validatoren, Entwicklern und Stakeholdern. Hard Forks können das Netzwerk spalten, wenn sich die Community nicht einigen kann.

Layer-2-Netzwerke schaffen für Nutzer zusätzlichen Reibungsverlust. Das Verschieben von Mitteln zwischen Layer 1 und Layer 2 erfordert Bridging, was Zeit in Anspruch nehmen kann und Sicherheitsrisiken mit sich bringen kann. Liquidität ist oft über verschiedene L2-Netzwerke fragmentiert, und einige nutzen zentrale Sequencer, um Transaktionen zu ordnen. Das kann einen zentralen Punkt des Vertrauens einführen.

FAQ

Was ist der Unterschied zwischen Layer 1 und Layer 2?

Layer 1 ist die Basis-Blockchain, auf der Transaktionen finalisiert werden, zum Beispiel Ethereum oder Bitcoin. Layer 2 ist ein sekundäres Netzwerk, das auf Layer 1 aufbaut, um mehr Aktivitäten off-chain zu verarbeiten, bevor es wieder auf der Hauptkette abgerechnet (settled) wird. Layer 1 übernimmt Sicherheit und Abwicklung; Layer 2 übernimmt Geschwindigkeit und Kosten.

Sind Layer-2-Netzwerke genauso sicher wie Layer 1?

Das hängt von der Art von Layer 2 ab. Rollups übernehmen einen Großteil ihrer Sicherheit von der darunterliegenden Layer 1, da die Transaktionsdaten an die Main Chain übermittelt werden. Sidechains hingegen betreiben eigene Validator-Sets und erben nicht direkt die Sicherheit von Layer 1. Nutzer sollten verstehen, wie ein bestimmtes L2 die Sicherheit handhabt, bevor sie es verwenden.

Warum haben Rollups niedrigere Gebühren als Ethereum?

Rollups bündeln viele Transaktionen und senden einen komprimierten Batch an Ethereum. Das bedeutet: Die Kosten einer einzelnen Ethereum-Transaktion werden auf viele Rollup-Transaktionen verteilt, wodurch sich die Gebühr pro Transaktion deutlich verringert. Das Ethereum-Upgrade „Dencun“ im März 2024 senkte diese Datenkosten zudem weiter mithilfe von Blob-Transaktionen.

Was ist das Blockchain-Trilemma?

Das Blockchain-Trilemma bezieht sich auf die Schwierigkeit, Sicherheit, Dezentralisierung und Skalierbarkeit gleichzeitig zu erreichen. Die meisten Blockchain-Designs priorisieren zwei dieser Eigenschaften, was die dritte einschränkt. Skalierungslösungen – egal ob auf Layer 1 oder Layer 2 – sind im Wesentlichen Versuche, diese Einschränkung zu adressieren.

Welche Layer-2-Netzwerke werden am häufigsten genutzt?

Stand heute gehören Arbitrum, Base und zkSync zu den aktivsten Ethereum-Layer-2-Netzwerken nach Transaktionsanzahl und insgesamt gesperrtem Wert (TVL). Für Bitcoin bleibt das Lightning Network die primäre Layer-2-Lösung für Zahlungen. Die Akzeptanz wächst weiter, während immer mehr Anwendungen und Nutzer auf L2-Netzwerke wechseln, um niedrigere Kosten zu erzielen.

Abschließende Gedanken

Skalierung ist eines der aktivsten Themenbereiche in der Blockchain-Entwicklung. Verbesserungen auf Layer 1 wie Sharding ermöglichen langfristiges Kapazitätswachstum, während Layer-2-Netzwerke heute praktische Vorteile bei Geschwindigkeit und Kosten bieten. Die meisten großen Blockchain-Ökosysteme bewegen sich hin zu einer geschichteten Architektur: Eine sichere und dezentrale Basis-Chain wird mit schnelleren und günstigeren Netzwerken kombiniert, die darauf aufbauen.

Weiterführende Informationen

  • Was ist das Blockchain-Trilemma?

  • Was sind ZK-Rollups? Die Layer-2-Skalierungstechnik

  • Was sind Bitcoin Layer-2-Netzwerke?

  • Was ist Sharding und wie funktioniert es?

  • Was ist Layer 1 in einer Blockchain?

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