TL;DR

  • Eine Überlastung des Blockchain-Netzwerks tritt auf, wenn die Anzahl der an das Netzwerk übermittelten Transaktionen die Verarbeitungskapazität des Netzwerks überschreitet.

  • Erhöhte Transaktionsaktivitäten, kleine Blockgrößen und langsame Blockzeiten können zu einer Netzwerküberlastung beitragen.

  • Zu den Folgen einer Netzwerküberlastung gehören höhere Transaktionsgebühren, langsamere Transaktionsbestätigungen und eine schlechte Nutzererfahrung. 

  • Im Frühjahr 2023 kam es zu einer Überlastung des Bitcoin-Netzwerks, da die zunehmende Transaktionsaktivität im Zusammenhang mit BRC-20-Token zu einem rasanten Anstieg der ausstehenden Transaktionen und Gebühren führte.

Was ist eine Netzwerküberlastung?

Eine Netzwerküberlastung tritt auf, wenn die Anzahl der an das Netzwerk gesendeten Transaktionen dessen Kapazität zur Verarbeitung dieser Transaktionen übersteigt. Zu diesem Phänomen tragen mehrere Faktoren bei, darunter externe Faktoren wie Marktvolatilität und inhärente Netzwerkeigenschaften wie Blockgröße und Blockzeit.

Bevor wir in die Details eintauchen, ist es wichtig, den Prozess zu untersuchen, durch den Blöcke zur Blockchain hinzugefügt werden.

Wie funktioniert die Blockchain-Technologie?

Eine Blockchain besteht aus einer Kette von Blöcken, wobei jeder Block von Benutzern erstellte Transaktionsdaten enthält. Jeder neue Block, der der Kette hinzugefügt wird, ist dauerhaft und unveränderlich.

Diese Blöcke werden über ein dezentrales Netzwerk von Knotenpunkten verteilt, von denen jeder eine Kopie der Blockchain speichert. Geschützt durch Kryptografie und Spieltheorie bildet die Blockchain das Rückgrat von Kryptowährungen wie Bitcoin und Ethereum.

Um vollständig zu verstehen, warum Blockchain-Netzwerke überlastet sein können, müssen wir die Schlüsselkonzepte untersuchen, die bei der Fähigkeit eines Netzwerks, Transaktionen zu verarbeiten, eine Rolle spielen: Mempools, Kandidatenblöcke, Endgültigkeit und das Prinzip der längsten Kette.

Was ist ein „Mempool“?

Ein Mempool bezeichnet die Sammlung unbestätigter Transaktionen, die darauf warten, in den nächsten Block aufgenommen zu werden.

Wenn beispielsweise eine Transaktion im Bitcoin-Netzwerk gesendet wird, wird sie nicht sofort zur Blockchain hinzugefügt. Stattdessen wandert sie zunächst in den Mempool (kurz für Memory Pool), der im Wesentlichen ein Wartebereich für alle ausstehenden Transaktionen ist. Eine Transaktion wird aus dem Mempool entfernt, sobald sie bestätigt wurde.

Was sind „Kandidatenblöcke“?

Kandidatenblöcke, auch „vorgeschlagene Blöcke“ genannt, sind diejenigen, die von Minern oder Validierern zur Aufnahme in die Blockchain vorgeschlagen werden. Diese Blöcke enthalten unbestätigte Transaktionen, die an das Netzwerk gesendet, aber nicht in die Blockchain aufgenommen wurden.

Damit ein Kandidatenblock zu einem bestätigten Block wird, muss er gemäß dem Konsensmechanismus der Blockchain abgebaut oder validiert werden. Beispielsweise können Miner beim Proof of Work (PoW)-Konsensmechanismus von Bitcoin gegeneinander antreten, um ein komplexes mathematisches Rätsel zu lösen. Der erste Miner, der das Rätsel löst, darf seinen Kandidatenblock zur Blockchain hinzufügen und erhält eine Belohnung.

Im Proof of Stake (PoS)-Konsensmechanismus von Ethereum werden Validierer nach dem Zufallsprinzip ausgewählt, um Kandidatenblöcke vorzuschlagen. Andere Validierer bestätigen die Gültigkeit des Blocks. Wenn ein Block genügend Bestätigungen erhält, wird er von einem Kandidatenblock zu einem bestätigten Block.

Was ist „Endgültigkeit“ in der Blockchain?

Endgültigkeit ist gegeben, wenn eine Transaktion oder ein Vorgang nicht mehr geändert oder rückgängig gemacht werden kann. Sobald eine Transaktion endgültig ist, wird sie dauerhaft in der Blockchain aufgezeichnet und kann nicht mehr geändert oder entfernt werden.

In der Bitcoin-Blockchain werden Transaktionen an das Netzwerk gesendet und dem Mempool hinzugefügt. Miner wählen Transaktionen aus diesem Pool aus, verifizieren sie und nehmen sie in neue Blöcke auf, die der Blockchain hinzugefügt werden. Die in diesem Block enthaltenen Transaktionen gelten als bestätigt, aber es ist theoretisch immer noch möglich, dass andere Miner einen konkurrierenden Block minen.

Die Endgültigkeit von Transaktionen steigt mit der Anzahl der bestätigten Blöcke. Bitcoin-Transaktionen werden normalerweise als „endgültig“ angesehen, wenn dem Block, der diese Transaktionen enthält, weitere sechs Blöcke hinzugefügt wurden. Aufgrund der kürzeren Blockzeit von Ethereum wird eine größere Anzahl von Bestätigungen empfohlen, um ein ähnliches Maß an Vertrauen in die „Endgültigkeit“ zu erreichen.

Was ist das Prinzip der „längsten Kette“?

Wie oben dargestellt, können mehrere Miner gleichzeitig neue gültige Blöcke produzieren. Dies kann zu temporären Forks in der Blockchain führen.

Das Prinzip der „längsten Kette“ bezieht sich auf die Regel, dass die gültige Version der Blockchain diejenige ist, in die die meiste Rechenarbeit investiert wurde, also normalerweise die mit der längsten Blockkette. Infolgedessen werden die „gültigen“ Blöcke der kürzeren Ketten – oft als verwaiste oder veraltete Blöcke bezeichnet – verworfen und ihre Transaktionen werden an den Mempool zurückgegeben.

Ethereum verwendete das Prinzip der längsten Kette, als das Netzwerk Proof of Work (PoW) verwendete. Nach Ethereums Übergang zu Proof of Stake (PoS) im Jahr 2022 übernahm das Netzwerk einen aktualisierten Fork-Choice-Algorithmus, der das „Gewicht“ der Kette misst, also die kumulierte Summe der Validator-Stimmen, gewichtet nach den Guthaben der Validator-Stakes in Ether.

Was verursacht eine Überlastung des Blockchain-Netzwerks?

Eine Überlastung des Blockchain-Netzwerks tritt auf, wenn die Anzahl der an das Netzwerk übermittelten Transaktionen die Verarbeitungskapazität des Netzwerks übersteigt.

Es gibt mehrere Gründe, warum Blockchain-Netzwerke überlastet sein können:

Erhöhte Nachfrage

Wenn mehr Leute Transaktionen an die Blockchain übermitteln, kann die Anzahl der unbestätigten Transaktionen im Mempool die Anzahl überschreiten, die in einem einzelnen Block enthalten sein kann. Dies ist insbesondere für Blockchains mit inhärenten Einschränkungen bei Blockgröße und Blockzeit relevant.

Zu einer Zunahme der Transaktionen können plötzliche Preisschwankungen führen, die einen Anstieg der Transaktionsaktivitäten oder Wellen von Massenannahmezyklen zur Folge haben.

Kleine Blockgröße

Jede Blockchain hat eine Blockgröße, die die maximale Größe eines Blocks definiert. Diese Blockgröße begrenzt, wie viele Transaktionen ein Block enthalten kann.

Beispielsweise war bei Bitcoin ursprünglich eine Blockgrößenbeschränkung von 1 Megabyte vorgesehen. 2017 wurde bei Bitcoin ein Upgrade namens Segregated Witness (SegWit) implementiert, um den Transaktionsdurchsatz zu verbessern. Dadurch wird die theoretische Blockgrößenbeschränkung auf etwa 4 MB erhöht.

Wenn die Anzahl der Transaktionen diesen Grenzwert überschreitet, kommt es zu einer Netzwerküberlastung.

Langsame Blockzeiten 

Die Blockzeit gibt an, wie oft ein neuer Block zur Blockchain hinzugefügt wird. Bitcoin fügt etwa alle 10 Minuten einen neuen Block hinzu. Wenn Transaktionen mit einer viel höheren Rate und einem viel höheren Volumen erstellt werden, kommt es zu einem Transaktionsrückstau.

Welche Folgen hat eine Netzwerküberlastung?

Eine Überlastung des Blockchain-Netzwerks kann verschiedene negative Folgen haben, die den reibungslosen Betrieb des Netzwerks beeinträchtigen.

Erhöhte Transaktionsgebühren 

Miner erhalten einen Anreiz, Transaktionen zu priorisieren, indem sie höhere Gebühren zahlen. Wenn ein Blockchain-Netzwerk also überlastet ist, müssen Benutzer häufig höhere Transaktionsgebühren zahlen, um die Miner zu motivieren, ihre Transaktionen zu priorisieren. Dies kann die Nutzung der Blockchain teurer als üblich machen, insbesondere bei kleineren Transaktionen.

Verzögerte Transaktionsbestätigungszeiten 

Eine Netzwerküberlastung kann zu längeren Wartezeiten für die Bestätigung und Endgültigkeit von Transaktionen führen. In Extremfällen können Transaktionen mehrere Stunden, Tage oder sogar noch länger nicht bestätigt werden. Dies kann bei den Nutzern zu Frustration führen.

Schlechte Benutzererfahrung 

Hohe Gebühren und langsame Bestätigungszeiten können zu einer schlechten Benutzererfahrung führen, was möglicherweise die Akzeptanz und Benutzerfreundlichkeit der Blockchain verringern könnte.

Marktvolatilität

Eine Überlastung könnte die Unsicherheit verstärken und zur Marktvolatilität beitragen. Wenn viele Benutzer versuchen, eine Kryptowährung zu verkaufen, das Netzwerk jedoch zu überlastet ist, um diese Transaktionen abzuwickeln, könnten Benutzer in Panik geraten und versuchen, ihre Bestände schnell abzustoßen.

Es gibt noch weitere Konsequenzen, darunter Sicherheitsrisiken und Risiken der Netzwerkzentralisierung. Insbesondere können längere Bestätigungszeiten das Risiko von Double-Spending-Angriffen erhöhen, und hohe Gebühren könnten zu einer Zentralisierung der Mining-Leistung führen.

Beispiele für Netzwerküberlastung 

Sowohl im Bitcoin- als auch im Ethereum-Netzwerk kam es zu erheblichen Netzwerküberlastungen.

Überlastung des Bitcoin-Netzwerks

Der deutliche Preisanstieg von Bitcoin zwischen Ende 2017 und Anfang 2018 führte zu einem der bislang größten Netzwerküberlastungsereignisse. Der Popularitätsschub von Bitcoin führte zu einem massiven Anstieg der Nachfrage und der Transaktionen, was zu erheblichen Verzögerungen und horrenden Transaktionsgebührenerhöhungen führte. Zu einem Zeitpunkt lagen die durchschnittlichen Transaktionsgebühren bei über 50 US-Dollar.

Im Frühjahr 2023 wurde das Bitcoin-Netzwerk überlastet, da erhöhte Transaktionsaktivitäten im Zusammenhang mit BRC-20-Token dazu führten, dass ausstehende Transaktionen und Gebühren in die Höhe schossen. Zu einem Zeitpunkt wurden fast 400.000 unbestätigte Transaktionen aufgezeichnet, was zu einem Engpass im Mempool führte. Die Transaktionsgebühren stiegen innerhalb weniger Wochen um über 300 %.

Überlastung des Ethereum-Netzwerks

Ein bemerkenswertes Beispiel für eine Überlastung des Ethereum-Netzwerks ereignete sich 2017, als das Projekt „CryptoKitties“ viral ging und das Netzwerk erheblich verlangsamte. Es kam auch aufgrund des DeFi-Booms zu Netzwerküberlastungen, was zu einem Anstieg der Gaspreise führte.

Jedes Blockchain-Netzwerk kann überlastet werden. Fälle von Netzwerküberlastungen in den Bitcoin- und Ethereum-Netzwerken haben jedoch mehr Aufmerksamkeit erregt als bei anderen Blockchains, da sie aufgrund ihrer Popularität und Bedeutung größere Auswirkungen hatten.

Lösungen zur Linderung von Netzwerküberlastungen

Die Lösung von Überlastungen im Blockchain-Netzwerk ist ein komplexes Problem. Es gibt mehrere Ansätze und jeder hat seine Vor- und Nachteile.

Blockgröße erhöhen

Durch die Erhöhung der Blockgröße können mehr Transaktionen pro Block verarbeitet werden, was den Durchsatz des Netzwerks effektiv erhöht. Größere Blöcke brauchen jedoch länger, um sich durch das Netzwerk zu verbreiten, was das Risiko temporärer Forks erhöht. Sie benötigen außerdem mehr Speicherplatz, was zu einer stärkeren Zentralisierung führen könnte.

Blockzeit verringern 

Durch die Reduzierung der Blockzeit kann das Netzwerk Transaktionen schneller verarbeiten. Kürzere Blockzeiten können jedoch die Anzahl verwaister Blöcke erhöhen und möglicherweise die Sicherheit gefährden.

Layer-2-Lösungen 

Diese Off-Chain-Lösungen verarbeiten Transaktionen außerhalb der Haupt-Blockchain und zeichnen den Endzustand in der Blockchain auf. Beispiele für solche Lösungen sind das Lightning Network von Bitcoin und das Plasma von Ethereum. Diese Lösungen können die Skalierbarkeit erhöhen, sind jedoch komplex in der Implementierung und können zusätzliche Sicherheitsprobleme mit sich bringen.

Sharding 

Sharding ist eine Technik, bei der die Blockchain in mehrere kleinere Shards aufgeteilt wird, die jeweils Transaktionen und Smart Contracts verarbeiten können. Dies kann die Kapazität eines Netzwerks erheblich steigern. Aber ähnlich wie Layer-2-Lösungen erhöht Sharding die Komplexität und kann auch zusätzliche Sicherheitsrisiken mit sich bringen.

Andere mögliche Lösungen für Netzwerküberlastungen sind Gebührenanpassungen und Skalierungslösungen, einschließlich optimistischer und Zero-Knowledge-Rollups. Der Proof of Stake (PoS)-Konsensmechanismus ist im Allgemeinen schneller als Proof of Work (PoW).

Abschließende Gedanken 

Da man davon ausgeht, dass die Blockchain-Technologie in den kommenden Jahren von mehr Nutzern angenommen wird, werden Probleme mit Netzwerküberlastungen immer wichtiger. Die Fähigkeit eines Netzwerks, ein hohes Transaktionsvolumen effizient zu verarbeiten, ist für eine breite Akzeptanz und Benutzerfreundlichkeit von entscheidender Bedeutung. Dies ist insbesondere für Blockchain-Systeme relevant, die alltägliche Transaktionen in Echtzeit ermöglichen sollen.

Obwohl die Überlastung des Blockchain-Netzwerks erhebliche Herausforderungen mit sich bringt, arbeitet die Community weiterhin an Lösungen, um diese Probleme zu mildern. Deshalb steht die Forschung zur Verbesserung der Skalierbarkeit von Blockchains im Mittelpunkt der Branche.

Weitere Informationen 

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