Einführung
Unter Skalierbarkeit versteht man die Fähigkeit eines Systems, sich weiterzuentwickeln, um einer wachsenden Nachfrage gerecht zu werden. Im Computerbereich können Sie die Leistung Ihrer Geräte verbessern, indem Sie deren Hardware aufrüsten, um bestimmte Aufgaben schneller auszuführen. Wenn wir über Skalierbarkeit in Blockchains sprechen, sprechen wir über ihre Fähigkeit, eine größere Anzahl von Transaktionen abzuwickeln.
Protokolle wie Bitcoin haben viele Vorteile, aber Skalierbarkeit gehört nicht dazu. Wenn Bitcoin auf einer zentralisierten Datenbank laufen würde, wäre es für einen Administrator relativ einfach, die Transaktionsgeschwindigkeit und den Durchsatz zu erhöhen, aber das Wertversprechen von Bitcoin (d. h. die Zensurresistenz) erfordert, dass viele Netzwerkteilnehmer ständig eine Kopie des Blockchain-Netzwerks synchronisieren.
Das Problem der Skalierung eines Blockchain-Netzwerks
Der Betrieb eines Bitcoin-Knotens ist relativ günstig und auch auf technisch schwachen Geräten möglich. Da jedoch Tausende von Knoten über die Aktivitäten der anderen Knoten Bescheid wissen müssen, gibt es gewisse Einschränkungen hinsichtlich ihres Durchsatzes.
Die Anzahl der Transaktionen, die in der Kette verarbeitet werden können, wird begrenzt, um zu verhindern, dass die Datenbank schnell gigantische Ausmaße annimmt. Wenn es zu groß und schnell wird, können die Knoten nicht schnell miteinander interagieren. Wenn die Blöcke außerdem zu groß sind, können sie nicht schnell über das Netzwerk weitergeleitet werden.
Das Ergebnis ist eine komplexe Situation mit eng fokussierten Lösungen. Blockchain kann man sich wie einen Zug vorstellen, der nach einem genauen Fahrplan abfährt. Die Anzahl der Sitzplätze in jedem Wagen ist begrenzt. Um eine Fahrkarte zu erhalten, müssen die Fahrgäste ein bestimmtes Gebot abgeben, um einen Sitzplatz zu reservieren. Wenn alle gleichzeitig versuchen, in den Zug einzusteigen, explodiert der Preis für einen Sitzplatz. Das Gleiche gilt für ein Netzwerk, das mit ausstehenden Transaktionen überlastet ist. In diesem Fall müssen Benutzer eine höhere Gebühr zahlen, damit ihre Transaktion rechtzeitig zur Verarbeitung hinzugefügt wird.
Eine Lösung wäre, die Wagengröße zu vergrößern. Dies bietet mehr Sitzplätze, eine höhere Kapazität und niedrigere Ticketpreise. Es gibt jedoch keine Garantie dafür, dass sich die Plätze nicht wie zuvor füllen. Sie können nicht kontinuierlich erweitert werden, ebenso wie Blöcke oder Gasgrenzen innerhalb eines Blocks, die einfach nicht unbegrenzt skalierbar sind. Letzteres macht die Wartung von Knoten noch teurer, da ihre Besitzer teurere Geräte für die Synchronisierung mit der Blockchain benötigen.
Der Erfinder von Ethereum, Vitalik Buterin, prägte das Skalierbarkeitstrilemma, um das Problem zu beschreiben, mit dem Blockchains konfrontiert sind. Er geht davon aus, dass Protokolle Kompromisse zwischen Skalierbarkeit, Sicherheit und Dezentralisierung eingehen müssen. Diese Eigenschaften stehen etwas im Widerspruch zueinander, wobei der Schwerpunkt hauptsächlich auf zwei Eigenschaften liegt, die dritte jedoch weggelassen wird.
Aus diesem Grund betrachten viele Skalierbarkeit als etwas, das außerhalb der Kette erreicht werden muss, während Sicherheit und Dezentralisierung auf der zugrunde liegenden Blockchain maximiert werden müssen.
Was ist Off-Chain-Skalierung?
Unter Off-Chain-Skalierung versteht man Methoden, die die Durchführung von Transaktionen ermöglichen, ohne die Anzahl der Blöcke auf der Blockchain zu erhöhen. Mit der Kette verbundene Protokolle ermöglichen es Benutzern, Gelder zu senden und zu empfangen, ohne dass Transaktionen in der Hauptkette stattfinden. Wir werden uns zwei der bekanntesten Lösungen in dieser Richtung ansehen: Sidechains und Zahlungskanäle.
Einführung in Sidechains
Was ist Sidechain?
Sidechain, Seitenkette (von englisch sidechain) ist eine separate Blockchain. Dies ist jedoch keine eigenständige Plattform, da sie eine gewisse Verbindung zur Hauptkette hat. Mainchain und Sidechain sind interoperabel, was wiederum bedeutet, dass Vermögenswerte frei von einer Chain zur anderen wechseln können.
Es gibt mehrere Möglichkeiten, die sogenannte Portierung von Geldern sicherzustellen. In einigen Fällen werden Vermögenswerte von der Hauptkette verschoben, indem Münzen an eine spezielle Adresse gesendet werden. Tatsächlich werden sie nicht irgendwohin gesendet, sondern an der Adresse des Absenders blockiert und der entsprechende Betrag in der Sidechain zugewiesen. Eine einfachere (wenn auch zentralisierte) Option besteht darin, die Währung an einen Teilnehmer zu senden, der für die Verwahrung und Verteilung der Gelder verantwortlich ist und dessen Aufgabe darin besteht, die Währung zwischen den Ketten auszutauschen.
Wie es funktioniert?
Nehmen wir an, unsere Freundin Alice hat fünf Bitcoins. Sie möchte sie gegen fünf gleichwertige Einheiten auf der Bitcoin-Sidechain eintauschen, nennen wir sie Sidecoins. Die Ziel-Sidechain verwendet eine bidirektionale Bindung, was bedeutet, dass Benutzer ihre Vermögenswerte von der Hauptkette auf die Seitenkette und umgekehrt übertragen können.
Denken Sie daran, dass eine Sidechain oder Sidechain eine separate Blockchain ist. Daher unterscheiden sich seine Blöcke, Knoten und Validierungsmechanismen von der Hauptkette. Um Sidecoins zu erhalten, schickte Alice fünf Bitcoins an eine andere Adresse. Es könnte jemandem gehören, der seiner Sidechain-Adresse nach Erhalt der Zahlung fünf Sidecoins gutschreibt. Alternativ könnte es eine Art Mindestvertrauenseinrichtung geben, bei der Sidecoins automatisch gutgeschrieben werden, sobald die Software die Zahlung erkennt.
Sobald Alice ihre Coins in Sidecoins umgewandelt hat, kann sie den Vorgang jederzeit rückgängig machen. Nachdem sie nun der Sidechain beigetreten ist, kann sie Transaktionen auf dieser Chain frei durchführen. Alice kann Sidecoins von anderen Benutzern senden und empfangen, genau wie in der Hauptkette.
Sie könnte Bob zum Beispiel einen Sidecoin für einen Binance-Hoodie zahlen. Wenn sie zu Bitcoin zurückkehren möchte, muss sie die verbleibenden vier Sidecoins an eine spezielle Adresse senden. Sobald die Transaktion bestätigt ist, werden die vier Bitcoins entsperrt und an die von ihr kontrollierte Adresse in der Hauptkette geliefert.
Wofür werden Sidechains verwendet?
Sie fragen sich vielleicht, worum es dabei geht? Warum können wir nicht einfach die Bitcoin-Blockchain nutzen?
Die Antwort ist, dass Sidechain Dinge tun kann, die Bitcoin nicht kann. Blockchains sind sorgfältig konzipierte Kompromisssysteme. Obwohl Bitcoin die sicherste und dezentralste Kryptowährung ist, ist sie hinsichtlich des Durchsatzes nicht die beste. Obwohl Bitcoin-Transaktionen schneller sind als herkömmliche Transaktionen, sind sie im Vergleich zu anderen Blockchain-Systemen immer noch relativ langsam. Alle zehn Minuten werden Blöcke abgebaut, und die Gebühren können erheblich steigen, wenn das Netzwerk überlastet ist.
Kleinere alltägliche Zahlungen benötigen dieses Maß an Sicherheit natürlich nicht. Wenn Alice Kaffee kauft, wird sie nicht die geringste Lust haben, herumzustehen und auf die Bestätigung der Transaktion zu warten. Sie wird die Warteschlange aufhalten und außerdem wird ihr Getränk kalt, bevor es ankommt.
Sidechains sind nicht durch dieselben Regeln miteinander verbunden. Tatsächlich müssen sie nicht einmal den Proof-of-Work-Algorithmus verwenden, um zu funktionieren. Solche Systeme können einen beliebigen Konsensmechanismus verwenden, einem Validator vertrauen oder einen bestimmten Satz von Einstellungen mit einer beliebigen Anzahl von Parametern erstellen. Sie haben auch Zugriff darauf, Updates durchzuführen, die in der Hauptkette nicht vorhanden sind, größere Blöcke zu erstellen und die Geschwindigkeit der Geldabwicklung zu erhöhen.
Eine interessante Tatsache ist, dass Sidechains bei kritischen Fehlern arbeiten können, ohne die Hauptkette zu beeinträchtigen. Dadurch können sie als Plattformen für die Durchführung verschiedener Experimente und die Bereitstellung neuer Funktionen verwendet werden, die andernfalls den Konsens der Mehrheit der Netzwerkteilnehmer erfordern würden.
Vorausgesetzt, dass Benutzer mit den Kompromissen des Netzwerks vertraut sind, können Sidechains ein wesentlicher Schritt hin zu einer effizienten Skalierung sein. Mainchain-Knoten müssen nicht jede Transaktion aus der Sidechain speichern. Alice kann mit einer Transaktion im Bitcoin-Netzwerk in eine Sidechain eintreten und mit Sidecoins hundert verschiedene Transaktionen durchführen und dann die Sidechain verlassen. Das heißt, auf der Bitcoin-Blockchain werden nur zwei Transaktionen durchgeführt – eine für den Eintritt und eine für den Austritt.
Ethereum Plasma verfügt über ähnliche Funktionen wie eine ähnliche Lösung, es gibt jedoch viele Unterschiede zwischen ihnen. Weitere Einzelheiten finden Sie im Artikel: „Was ist Ethereum Plasma?“
Einführung in Zahlungskanäle
Was ist ein Zahlungskanal?
Zahlungskanäle dienen demselben Zweck wie Sidechains, unterscheiden sich jedoch grundlegend. Wie Sidechains verschieben sie Transaktionen von der Hauptkette, um ein Aufblähen der Blockchain zu verhindern. Im Gegensatz zu Sidechains ist für diese Lösung jedoch keine separate Blockchain erforderlich.
Der Zahlungskanal verwendet einen Smart Contract, der es Benutzern ermöglicht, Transaktionen durchzuführen, ohne ihre Transaktionen auf der Blockchain zu veröffentlichen. Dies wird durch eine Programmvereinbarung zwischen zwei Teilnehmern erreicht.
Wie es funktioniert?
Bei Modellen wie dem beliebten Lightning Network zahlen zwei Parteien zunächst einen Coin an eine Adresse ein, die sie gemeinsam besitzen. Hierbei handelt es sich um eine spezielle Multi-Signatur-Adresse, bei der Gelder nur ausgegeben werden können, wenn zwei Unterschriften vorhanden sind. Wenn also Alice und Bob eine solche Adresse erstellt haben, können Gelder nur nach Zustimmung beider Parteien überwiesen werden.
Nehmen wir an, jeder von ihnen zahlt 10 BTC an die Zieladresse ein, woraufhin der Wallet-Saldo 20 BTC beträgt. Auf der Blockchain lässt sich ganz einfach ihr Anfangsguthaben einsehen, das jedem bestätigen kann, dass Alice und Bob jeweils 10 BTC haben. Wenn Alice Bob eine Münze gibt, kann sie diese aktualisieren, um zu verstehen: Alice hat 9 BTC, Bob hat 11 BTC. Sie müssen keine Daten auf der Blockchain veröffentlichen, da der Gesamtsaldo der Adresse gleich bleibt.
Es kann jedoch vorkommen, dass Alice 5 BTC und Bob 15 BTC hat. Sie können ganz einfach eine Transaktion erstellen, die die korrekten Guthaben an ihre persönlichen Adressen verteilt, nachdem sie die Transaktion gemeinsam unterzeichnet und an das Netzwerk übertragen haben.
Alice und Bob könnten zehn, hundert oder tausend Transaktionen in ihrer Bilanz haben. Aber was die Blockchain betrifft, führten sie nur zwei Transaktionen in der Kette durch: eine für die erste Einzahlung und eine, nachdem die Gelder schließlich untereinander umverteilt wurden. Abgesehen von diesen beiden sind alle anderen Transaktionen kostenlos und nahezu augenblicklich, da sie außerhalb der Kette stattfinden. Gleichzeitig zahlten Alice und Bob die Miner nicht und warteten nicht auf die Bestätigung von Transaktionen in Blöcken.
Das obige Beispiel erfordert jedoch die Zusammenarbeit beider Parteien, was für Fremde keine ideale Situation ist. Mithilfe spezieller Mechanismen werden jedoch alle betrügerischen Handlungen aufgezeichnet und der Täter bestraft, sodass die Parteien ruhig und vor allem sicher interagieren können, ohne sich gegenseitig zu vertrauen.
Zahlungsrouting
Offensichtlich sind Zahlungskanäle praktisch für zwei Parteien, die eine große Anzahl von Transaktionen austauschen möchten, aber mit Hilfe der Zahlungsweiterleitung werden ihre Funktionen noch besser. Nehmen wir an, das Netzwerk dieser Kanäle kann erweitert werden, was bedeutet, dass Alice eine Partei bezahlen kann, mit der sie nicht direkt verbunden ist. Wenn Bob einen offenen Kanal mit Carol hat, kann Alice ihr Geld überweisen, sofern genügend Mittel vorhanden sind. Dazu gibt sie Bob die Münzen, der sie wiederum Carol gibt. Wenn Carol mit einem anderen Teilnehmer, beispielsweise Dan, verbunden ist, kann sie dasselbe tun.
Ein solches Netzwerk entwickelt sich zu einer verteilten Netzwerktopologie, die mehrere Peers gleichzeitig kontaktiert. In einem solchen Netzwerk gibt es oft mehrere Routen zu einem Ziel, und Benutzer können die am besten geeignete und effizienteste Route auswählen.
Abschluss
Wir haben zwei Skalierbarkeitsansätze besprochen, die die Durchführung von Transaktionen ermöglichen, ohne die zugrunde liegende Blockchain zu belasten. Sowohl die Sidechains als auch die Zahlungskanaltechnologie sind noch nicht ausgereift, werden jedoch zunehmend von Benutzern verwendet, die die Nachteile von Transaktionen auf Basisebene umgehen möchten.
Da mit der Zeit immer mehr Benutzer dem Netzwerk beitreten, ist es äußerst wichtig, die Dezentralisierung aufrechtzuerhalten. Dies kann nur erreicht werden, indem das Wachstum der Blockchain begrenzt wird, sodass neue Knoten problemlos beitreten können. Befürworter von Off-Chain-Skalierbarkeitslösungen glauben, dass die Hauptblockchain im Laufe der Zeit nur noch zur Abwicklung großer Finanztransaktionen oder zur Verknüpfung eingehender/ausgehender Sidechains und Öffnungs-/Schließungskanäle verwendet wird.
