Wichtige Erkenntnisse

• Blockchain-Skalierbarkeit bezieht sich auf die Fähigkeit eines Netzwerks, mehr Transaktionen zu bewältigen, wenn die Nachfrage wächst. Für Blockchain-Netzwerke ist es schwierig, dies zu erreichen, ohne Kompromisse bei Sicherheit oder Dezentralisierung einzugehen.

• Das Blockchain-Trilemma beschreibt die Herausforderung, Skalierbarkeit, Sicherheit und Dezentralisierung gleichzeitig zu erreichen.

• Sidechains sind separate Blockchains, die mit einer Hauptkette verbunden sind und Transaktionen nach anderen Regeln und mit schnelleren Geschwindigkeiten als die Basis-Schicht ermöglichen.

• Zahlungskanäle ermöglichen es zwei Parteien, off-chain zu transagieren. Nur die Eröffnungs- und Schließtransaktionen erscheinen auf der Blockchain, wodurch Stau und Gebühren reduziert werden.

Einführung

Skalierbarkeit bezieht sich allgemein auf die Fähigkeit eines Systems, zu wachsen und steigende Nachfrage zu bewältigen. In der Informatik können Sie die Leistung eines Geräts verbessern, indem Sie seine Hardware aufrüsten. In Blockchain-Netzwerken ist die Herausforderung jedoch unterschiedlich. Die Skalierung einer Blockchain bedeutet, ihre Kapazität zu erhöhen, um mehr Transaktionen zu verarbeiten, während sie gleichzeitig sicher und für viele Teilnehmer zugänglich bleibt.

Bitcoin ist ein gutes Beispiel. Seine dezentrale Natur bedeutet, dass Tausende von Knoten synchron bleiben müssen. Dies schafft Einschränkungen dafür, wie viele Transaktionen gleichzeitig verarbeitet werden können. Wenn die Nachfrage die Kapazität überschreitet, können die Transaktionsgebühren steigen und die Bestätigungszeiten sich verlangsamen.

Anstatt zu versuchen, all dies auf der Basis-Schicht zu lösen, haben sich viele Entwickler auf off-chain Lösungen konzentriert. Zwei der wichtigsten Ansätze sind Sidechains und Zahlungskanäle. Dieser Artikel erklärt, wie sie funktionieren und wie sie in das breitere Layer 2-Landschaft passen.

Das Blockchain-Skalierbarkeitsproblem

Einen Bitcoin-Knoten zu betreiben ist relativ kostengünstig, und sogar bescheidene Hardware kann das tun. Aber da Tausende von Knoten synchron bleiben müssen, hat das Netzwerk Grenzen, wie viele Transaktionen es verarbeiten kann. Beschränkungen bei Blockgrößen und Blockzeiten helfen, die Datenbank für alle Teilnehmer überschaubar zu halten.

Dieser Engpass wird während Perioden hoher Nachfrage sichtbar. Sie können es sich wie einen Zug mit einer festen Anzahl von Sitzplätzen vorstellen, der nach einem festen Fahrplan abfährt. Wenn mehr Menschen einsteigen möchten, als es Plätze gibt, steigen die Preise. Ein überlastetes Netzwerk erhöht die Kosten pro Sekunde (TPS) und verlangsamt die Bestätigungen für diejenigen, die keine Premiumgebühr zahlen.

Der Ethereum-Gründer Vitalik Buterin beschrieb diese Herausforderung als das Blockchain-Trilemma. Er schlug vor, dass Blockchain-Systeme Kompromisse zwischen drei Eigenschaften eingehen: Skalierbarkeit, Sicherheit und Dezentralisierung. Die Verbesserung von zwei von ihnen kann die dritte verschlechtern. Aus diesem Grund glauben viele, dass Skalierbarkeit am besten auf einer sekundären Schicht angegangen wird, anstatt auf der Hauptkette selbst.

Was sind Off-Chain Skalierungslösungen?

Off-Chain-Skalierung ermöglicht es, Transaktionen durchzuführen, ohne die Haupt-Blockchain zu belasten. Protokolle, die auf einer Kette aufgebaut sind, ermöglichen es Benutzern, Gelder zu senden und zu empfangen, aber die einzelnen Transaktionen werden nicht auf der Hauptkette aufgezeichnet. Dies hält die Basis-Schicht schlank und ermöglicht dennoch hohe Transaktionsvolumina.

Zwei der frühesten und am weitesten verbreiteten Ansätze sind Sidechains und Zahlungskanäle. Beide reduzieren die Last auf der Hauptkette, arbeiten aber auf sehr unterschiedliche Weise.

Eine Einführung in Sidechains

Was ist eine Sidechain?

Eine Sidechain ist eine separate Blockchain, die parallel zu einer Hauptkette läuft und durch einen zweiseitigen Peg mit ihr verbunden ist. Vermögenswerte können zwischen der Hauptkette und der Sidechain hin und her bewegt werden. Die Sidechain operiert unabhängig mit ihren eigenen Konsensregeln, Blockzeiten und Validatoren.

Wie funktioniert eine Sidechain?

Wenn ein Benutzer Vermögenswerte zu einer Sidechain bewegt, werden seine Gelder auf der Hauptkette gesperrt und ein entsprechender Betrag auf der Sidechain ausgegeben. Wenn sie zurückkehren, werden die Sidechain-Token verbrannt und die ursprünglichen Gelder freigegeben. Dieser Mechanismus wird als zweiseitiger Peg bezeichnet.

Angenommen, Alice hat fünf Bitcoins und möchte eine schnellere Sidechain nutzen. Sie sendet ihre Bitcoins an eine Brückenadresse, die sie sperrt. Dann erhält sie fünf übereinstimmende Token auf der Sidechain.

Alice kann jetzt frei auf der Sidechain transagieren. Wenn sie bereit ist, zurückzukehren, sendet sie die Sidechain-Token an eine spezielle Adresse, und ihre Bitcoins werden auf der Hauptkette freigegeben. Was Bitcoin betrifft, hat sie nur zwei Transaktionen gemacht: eine, um in die Sidechain einzutreten und eine, um sie zu verlassen.

Warum werden Sidechains verwendet?

Sidechains sind nicht an die Regeln der Hauptkette gebunden. Sie können verschiedene Konsensmechanismen verwenden, Blocker häufiger produzieren und Transaktionen schneller abwickeln. Zudem können sie als Testumgebungen für neue Funktionen dienen, da ein Fehler auf einer Sidechain das zugrunde liegende Netzwerk nicht beeinflusst.

Der Nachteil ist die Sicherheit. Eine Sidechain ist typischerweise weniger sicher als die Hauptkette, da sie weniger Validatoren und ihr eigenes Konsensmodell hat. Benutzer, die auf einer Sidechain transagieren, vertrauen ihren Regeln anstelle der von Bitcoin.

Ethereums Plasma war ein frühes Framework, das einige Ähnlichkeiten mit Sidechains aufwies. Es verwendete eine Hierarchie von Kindketten, um Transaktionen von der Ethereum-Hauptkette auszulagern. Trotz einiger seiner Einschränkungen legte es den Grundstein für fortgeschrittenere Layer 2-Designs.

Eine Einführung in Zahlungskanäle

Was ist ein Zahlungskanal?

Ein Zahlungskanal ermöglicht es zwei Parteien, off-chain zu transagieren, ohne jede Transaktion auf der Blockchain zu veröffentlichen. Die bekannteste Implementierung ist das Lightning Network für Bitcoin. Zahlungskanäle nutzen Smart Contracts, um ein gemeinsames Guthaben zwischen den Teilnehmern durchzusetzen, was es ihnen ermöglicht, dieses Guthaben jederzeit zu aktualisieren, ohne jedes Mal on-chain Gebühren zu zahlen.

Wie funktioniert ein Zahlungskanal?

Um einen Kanal zu öffnen, hinterlegen zwei Teilnehmer Gelder in einer gemeinsamen Multisignatur-Adresse. Diese Adresse erfordert, dass beide Parteien jede Transaktion signieren. Gemeinsam führen sie ein privates Kontobuch, das verfolgt, wie viel jeder hat.

Wenn Alice und Bob jeweils 10 BTC in eine gemeinsame Adresse einzahlen, starten sie mit jeweils 10 BTC. Wenn Alice Bob 1 BTC zahlen möchte, aktualisieren sie das Kontobuch, um dies zu reflektieren: Alice hat 9 BTC, Bob hat 11 BTC. Dieses Update berührt nicht die Blockchain. Sie können weiterhin hin und her transagieren und das Guthaben so oft aktualisieren, wie sie möchten.

Wenn sie fertig sind, signieren sie eine finale Transaktion, die jedem seine aktuelle Bilanz sendet. Es sind nur zwei on-chain Transaktionen erforderlich, egal wie viele off-chain Updates stattgefunden haben: eine, um den Kanal zu öffnen und eine, um ihn zu schließen. Alle Transaktionen dazwischen sind kostenlos und nahezu sofort.

Zahlungsrouting

Zahlungskanäle werden besonders mächtig, wenn sie in ein Netzwerk verbunden sind. Wenn Bob einen Kanal mit Carol geöffnet hat, kann Alice Carol bezahlen, ohne einen direkten Kanal zu ihr zu öffnen. Sie leitet die Zahlung über Bob, der sie an Carol weitergibt. Dieses Routing kann über mehrere Hops hinweg erfolgen.

In einem gut verbundenen Netzwerk gibt es oft mehrere Routen zwischen zwei Teilnehmern. Die Zahlung findet den Weg mit genügend Kapazität und leitet den Betrag weiter. So ermöglicht das Lightning Network Bitcoin-Zahlungen zwischen Nutzern, die noch nie direkt miteinander interagiert haben.

Wie hat sich Layer 2 Skalierung entwickelt?

Seit der Einführung von Sidechains und Zahlungskanälen hat sich das Layer 2-Ökosystem erheblich entwickelt. Eine neue Klasse von Skalierungslösungen, die Rollups genannt werden, hat sich als dominanter Ansatz für Ethereum etabliert. Rollups führen Transaktionen off-chain aus und posten komprimierte Daten zurück zur Hauptkette, wobei sie die Sicherheit von Ethereum erben, anstatt sich auf ein separates Set von Validatoren zu verlassen.

Neben Rollups sind Zustandskanäle als Verallgemeinerung von Zahlungskanälen entstanden. Sie ermöglichen jede Art von Zustandsänderung, nicht nur Token-Transfers, off-chain zwischen Teilnehmern. Dies eröffnet Möglichkeiten für Anwendungen über einfache Zahlungen hinaus.

Auf Bitcoin entwickelt sich das Lightning Network weiterhin als die primäre Lösung für Zahlungskanäle. Bitcoin-spezifische Layer 2-Netzwerke sind ebenfalls gewachsen und haben Smart Contract-Funktionen hinzugefügt sowie die Bitcoin-Liquidität mit anderen Ökosystemen verbunden. Jeder Ansatz beinhaltet unterschiedliche Vertrauensannahmen, daher ist es wichtig, die Trade-offs zu verstehen, wenn man entscheidet, welche Lösung man verwenden möchte.

FAQ

Was ist Blockchain-Skalierbarkeit?

Blockchain-Skalierbarkeit ist die Fähigkeit eines Blockchain-Netzwerks, mehr Transaktionen zu bewältigen, wenn die Nachfrage steigt. Die meisten Blockchains stoßen an Grenzen, wie viele Transaktionen sie pro Sekunde verarbeiten können, was zu Staus und höheren Gebühren führen kann, wenn die Nachfrage hoch ist.

Was ist das Blockchain-Trilemma?

Das Blockchain-Trilemma ist die Idee, dass eine Blockchain nicht gleichzeitig Skalierbarkeit, Sicherheit und Dezentralisierung vollständig erreichen kann. Die Verbesserung einer dieser Eigenschaften erfordert oft, eine andere zu kompromittieren.

Was ist der Unterschied zwischen einer Sidechain und einem Zahlungskanal?

Eine Sidechain ist eine separate Blockchain, die parallel zur Hauptkette läuft. Sie hat ihre eigenen Validatoren und Konsensregeln. Ein Zahlungskanal ist eine off-chain Vereinbarung zwischen zwei Parteien, die einen Smart Contract verwendet, um Guthaben ohne eine separate Blockchain zu verfolgen.

Ist das Lightning Network sicher zu verwenden?

Das Lightning Network verwendet kryptografische Verträge, um das Risiko des Betrugs zu verringern. Teilnehmer, die versuchen, einen alten Kanalzustand zu verbreiten, können von der anderen Partei bestraft werden. Dennoch sollten Benutzer ihre Node online halten oder einen Watchtower-Dienst nutzen, um Kanäle zu überwachen. Wie bei jeder Technologie ist es wichtig, die Risiken vor der Nutzung zu verstehen.

Was sind Rollups und wie unterscheiden sie sich von Sidechains?

Rollups führen Transaktionen off-chain aus, posten jedoch komprimierte Transaktionsdaten zurück zur Hauptkette und erben die Sicherheit der Basis-Schicht. Sidechains hingegen arbeiten mit ihrem eigenen unabhängigen Sicherheitsmodell. Das bedeutet, dass Sidechains schneller und flexibler sein können, sich jedoch auf ihre eigenen Validatoren verlassen, anstatt auf die Sicherheitsgarantien der Hauptkette.

Abschließende Gedanken

Sidechains und Zahlungskanäle gehörten zu den frühesten Ansätzen zur Lösung der Blockchain-Skalierbarkeit. Beide zielen darauf ab, Transaktionen von der Hauptkette auszulagern, um Stau und Gebühren zu reduzieren, während sie den Zugang zur Basis-Schicht für die Abwicklung beibehalten.

Weiterführende Literatur

• Was sind Bitcoin Layer 2 Netzwerke?

• Optimistische vs. Zero-Knowledge Rollups: Was ist der Unterschied?

• Was sind ZK-Rollups? Die Layer 2 Skalierungstechnik

• Was ist Ethereum und wie funktioniert es?

• Proof of Work erklärt

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