Blockchain-Skalierbarkeitsproblem erklärt

Bei der Entwicklung der Blockchain-Technologie setzten die Entwickler auf die Privatsphäre und Anonymität digitaler Gelder. Dieses Ziel wurde durch die Einführung des Prinzips eines Peer-to-Peer-Systems erreicht — jeder Nutzer ist gleichgestellt, und es gibt keine Verwaltungsstruktur und keine Kontrollinstanz für Geld wie Banken.

Nun stehen Kryptowährungen als Technologie vor der nächsten Aufgabe — eine hohe Transaktionsgeschwindigkeit zu erreichen, vergleichbar mit Visa und MasterCard. Das Problem der Skalierbarkeit bleibt eines der Haupthindernisse für die breite Einführung der Blockchain-Technologie. Eine wachsende Zahl von Blockchain-Projektteams sucht nach Lösungen, die die Leistung ihres Netzwerks verbessern könnten. Viele behaupten, sie hätten dieses Problem bereits gelöst oder fast gelöst, doch solche Aussagen sollten skeptisch betrachtet werden.

Hauptziel

Vor zehn Jahren war Bitcoin bei Nutzern nicht beliebt. Doch im Laufe der Jahre führte der Anstieg der Nutzerzahl im System zu Problemen mit der Rechenleistung der Technologie. Die Nutzung von Kryptowährungen wurde schwieriger, da lange Warteschlangen durch die Begrenzung der pro Sekunde verarbeiteten Zahlungen entstanden. Damit verschärfte sich das Problem der Skalierbarkeit.

Die Entwickler begannen, aktiv nach optimalen Mechanismen zur Stabilisierung des Betriebs zu suchen. Seitdem wurden Coins regelmäßig aktualisiert oder im Falle fehlender Kompromisse abgespalten. Gehen wir jedoch die Fragen der Reihe nach durch.

Skalierungsproblem: Der Kern der Aufgabe

Alle Bitcoin-Transaktionen werden in Blöcken ausgeführt, die Transaktionsdaten aufnehmen. Ein Block fasst 1 MB an Informationen, und die Verarbeitungsgeschwindigkeit liegt im Durchschnitt bei vier Zahlungen pro Sekunde. Andererseits ist die Rechenleistung der Miner für die Bewegung von Mitteln und die Stabilität der Abläufe verantwortlich. Dies ist notwendig, um Algorithmen bei der Erstellung von Coins und Aufzeichnungen verschlüsselter Transaktionen zu berechnen. Mit jeder Transaktion erhalten digitale Währungs Miner eine Provision.

Die Erhöhung der Zahl der Transaktionen verringert auch die Geschwindigkeit jeder einzelnen Transaktion. Dadurch gerät die Blockchain nicht mit einem großen Zustrom an Transaktionen nicht mehr zurecht. Alle Kryptowährungsüberweisungen reihen sich in einer langen Warteschlange ein. Nur die hohe Höhe der Gebühr ermöglicht es, in der Warteschlange Priorität zu erhalten. Dieses Phänomen hat Auswirkungen auf die Liquidität (Preisspitzen) der Coin — für einen Käufer ist es einfacher, Bargeld oder eine Bankkarte zu verwenden, selbst auf Kosten von Anonymität und Privatsphäre.

Nutzer verlieren in solchen Fällen Interesse und Vertrauen in die Währung, gefolgt von den Minern. Infolgedessen sehen Investoren das Risiko von Anlagen und ziehen Vermögenswerte vom Höchstwert und der Popularität ab, während Händler auf Preisbewegungen spekulieren.

Wie sich das Skalierungsproblem äußert

Mit der Popularisierung von Bitcoin zeigte sich das Problem der Skalierbarkeit von Kryptowährungen aufgrund von Netzüberlastung. Daher wurde die Nutzung der Coin schwieriger — im Mai 2017 erreichten die Transaktionswarteschlangen bis zu fünf Tage. So stellte sich die Frage nach dem Gleichgewicht zwischen Geschwindigkeit und Sicherheit von Transaktionen.

Man kann das Problem anhand eines praktischen Beispiels analysieren. Angenommen, es müssen 500 Tonnen Fracht mit einem Zug transportiert werden, dessen Wagen jeweils eine Tonne fassen, mit einer vorherigen Sicherheitsprüfung und Beladung, wobei die Ladezeit 2 Stunden pro Einheit beträgt. Allerdings beeinflussen die Kosten der Transportdienstleistungen die Position der Güter in absteigender Reihenfolge. Infolgedessen dauert es bei den Empfängern mit der niedrigsten Zahlung für die Lieferung mindestens zwei Wochen, bis sie das Endprodukt erhalten. Dasselbe gilt für Bitcoin — Zahlungen können nicht so schnell wie mit einer Bankkarte ausgeführt werden.

Aus dem Geschriebenen lässt sich die Definition des Skalierungsproblems ableiten — die Begrenzung der Anzahl der in einer bestimmten Zeit verarbeiteten Transaktionen. Die Möglichkeit, eine bezahlte Gebühr zu wählen, kann zwar die Priorität der Operation in der Blockchain-Warteschlange erhöhen, löst das Problem jedoch nicht.

Das Erste, was einem in den Sinn kommt, ist, die Blockgröße und die Zahl der ohne zusätzliche Maßnahmen verarbeiteten Zahlungen zu erhöhen. Leider würde dieser Ansatz die Sicherheit verringern, da eine gestaffelte Verarbeitung von Informationen das hohe Risiko von DDoS-Angriffen (absichtliche Netzwerküberlastung zu betrügerischen Zwecken) vermeidet. Die Größe ist für eine sorgfältige Datenprüfung vorgesehen. Dennoch ist es notwendig, mögliche Lösungen für die Situation im Detail zu analysieren.

Wie Skalierbarkeit gelöst werden kann

Entwickler, Aktivisten und Wissenschaftler begannen, nach Wegen zu suchen, das Skalierungsproblem von Bitcoin zu lösen. Der Höhepunkt und das prägnanteste Beispiel war die beschriebene Situation im Jahr 2017 mit langen Warteschlangen. Damals wurde das Thema in der Krypto-Community breit diskutiert. Drei Konzepte zur Behebung dieses Blockchain-Mangels wurden hervorgehoben:

• Erhöhung der Blockgröße, wodurch die Gebühr für Zahlungen gesenkt und die Rate der Transaktionsverarbeitung pro Sekunde (TPS) erhöht wird. Es gibt zwei Nachteile — der Weg führt zur Zentralisierung der Coin und zum Risiko erfolgreicher DDoS-Angriffe;
• segmentierte Informationsverarbeitung oder Sharding. Einige Informationen werden außerhalb der Zellen dargestellt. Auf diese Weise wird die Blockchain in zwei oder mehr Segmente unterteilt, die für unterschiedliche Transaktionsgruppen verantwortlich sind. Es besteht auch das Risiko von Hackerangriffen, da für die Verarbeitung von Shards weniger Miner-Leistung erforderlich ist. Aufgrund der Aufteilung in mehrere Teile erfordern Sicherheitsprüfungen leichte Algorithmen. So können Betrüger falsche Transaktionen ins Netzwerk einfügen, ein Beispiel ist der 51 ％-Angriff;
• eine Gruppe von L2-Lösungen für das Skalierungsproblem. Der Ansatz ist ein Framework, ein Programm, das auf der Blockchain aufsetzt und ein bestehendes Netzwerk entlastet. Solche Konzepte unterscheiden sich von On-Chain (Entscheidungen innerhalb des Coin-Systems) durch die Einbeziehung eines Vermittlers.

Die erste Methode erfordert die Aufteilung des Netzes und die Schaffung einer neuen Coin. Dadurch geht die Unterstützung der Rückwärtskompatibilität zum Original verloren. Das heißt, Währungen haben in einem solchen Fall keine Homogenität mehr. In einer kryptografischen Umgebung wird dieses Phänomen als Hardfork bezeichnet. Bitcoin Cash ging diesen Weg. Infolge der Abspaltung kam es im August 2017 zu einer Trennung von der ersten Kryptowährung mit einer Erhöhung der Blockgröße auf 8 MB.

Die zweite Lösung umfasst die Schaffung separater Subnetze des Blocks mit der Verlagerung eines Teils der Informationen außerhalb seiner Grenzen. In diesem Fall kommt es zu einem Softfork — einer Änderung des Softwareprotokolls ohne Aufspaltung der Coin. Ähnlich wie bei der Veröffentlichung eines Patches für ein Computerspiel mit Add-ons. Ein Beispiel ist das Segregated-Witness-Update. Die Blockgröße wurde auf 2 MB erhöht, während einige Informationen außerhalb der Haupt-Transaktionskette gespeichert werden.

Die Lösung hat Nachteile — jedes Shard ist der Gefahr eines Cyberangriffs ausgesetzt. Für jedes solche Segment wird weniger Leistung verwendet als pro Einheit.

Lösungen der zweiten Ebene

Die Architektur früher Blockchains, vor allem Bitcoin und Ethereum, war nicht für eine große Anzahl von Transaktionen und Nutzern ausgelegt und verfügt daher über eine geringe Bandbreite. In Bitcoin liegt sie beispielsweise bei 5–7 Transaktionen pro Sekunde (TPS), in Ethereum bei etwa 15 TPS.

Die Skalierbarkeit kann durch eine Änderung des Codes des Blockchain-Protokolls mithilfe von Funktionen wie Sharding erhöht werden. Das nimmt jedoch viel Zeit in Anspruch und kann Jahre dauern. Außerdem verändern solche Verbesserungen die Grundlagen der Architektur, sodass die Projekt-Community ihrer Umsetzung nicht immer zustimmt.

L2-Lösungen ermöglichen es, zumindest teilweise das Problem der geringen Bandbreite und hoher Gebühren für Überweisungen zu lösen, ohne den Code der Haupt-Blockchain zu beeinträchtigen. Ihr Hauptvorteil ist die Möglichkeit, Vermögenswerte zwischen den Adressen der „ersten Ebene“ zu übertragen, während die „zweite Ebene“ genutzt wird, die entweder ein separates Off-Chain-Protokoll oder eine separate Blockchain sein kann.

Welche Layer-2-Lösungen gibt es für Bitcoin?

Das wichtigste L2-Projekt für die erste Kryptowährung ist das Lightning Network (LN). Es arbeitet mit einem Protokoll, das Smart Contracts und sogenannte Statuskanäle verwendet. Das Lightning Network wurde bereits 2015 gestartet und entwickelt sich seitdem aktiv weiter. Bis Ende Mai 2022 erreichte die Gesamtkapazität der LN-Kanäle 3.900 BTC.

Die Hauptfunktion von LN ist die Möglichkeit für Bitcoin-Inhaber, direkte Austausche vorzunehmen, ohne Informationen in sein Register zu schreiben. Dazu muss ein spezieller Kanal über eine einzelne On-Chain-Transaktion geöffnet und mit Bitcoins befüllt werden.

Nach der Aktivierung ermöglicht der Zahlungskanal Überweisungen Off-Chain, also außerhalb des Hauptnetzwerks, mit deutlich höherer Geschwindigkeit und geringeren Gebühren. Im Gegensatz zu On-Chain-Transaktionen sind Transaktionen in Lightning-Network-Kanälen nur für ihre Nutzer sichtbar. Nur die anfänglichen und endgültigen Zustände von Transaktionen werden in der Haupt-Blockchain aufgezeichnet.

Dieser Ansatz verringert die Belastung des Hauptnetzwerks von Bitcoin erheblich: Das Lightning Network ist in der Lage, Tausende von Operationen pro Sekunde zu verarbeiten und gleichzeitig ein hohes Maß an Systemsicherheit zu gewährleisten.

Welche Layer-2-Lösungen gibt es für Ethereum?

Trotz seiner geringen Geschwindigkeit ist das Ethereum-Ökosystem das am stärksten nachgefragte für dezentrale Anwendungen. Viele populäre Projekte aus den Bereichen dezentrale Finanzen (DeFi) und nicht austauschbare Tokens (NFT) laufen darauf. Daher ist das Skalierungsproblem für Ethereum besonders akut.

Derzeit werden mehrere große L2-Lösungen parallel entwickelt:

• Polygon (MATIC);
• Arbitrum;
• Optimism.

Die Haupttechnologie für ihren Betrieb sind Rollups, die zwei Hauptvarianten haben:

• Optimistic Rollups. Mit dieser Lösung werden Transaktionen im L2-Netzwerk ausgeführt und anschließend in großen Gruppen zu einem kompakten Block zusammengefasst, der von Validatoren in das Hauptnetzwerk von Ethereum aufgenommen wird. Optimistic Rollups werden in Arbitrum und Optimism verwendet.
• ZK-Rollups. Transaktionen im Second-Level-Netzwerk werden ebenfalls in Pakete zusammengefasst und an das Ethereum-Netzwerk gesendet, doch ihre Bestätigung erfolgt mithilfe spezieller Prüfer, die den kryptografischen Nachweis der Gültigkeit der Operationen liefern. Polygon basiert auf ZK-Rollups. Diese Technologie zur Skalierung von Ethereum wird auch vom Mitbegründer der Plattform, Vitalik Buterin, in Betracht gezogen.

Unabhängig von der L2-Lösung übernimmt Ethereum als „erste Ebene“ die Funktion der Transaktionsverifizierung und Blockerzeugung, das Register, in dem die endgültigen Zustände gespeichert werden, sowie den Konsensmechanismus. Somit muss das Projekt keine eigene Infrastruktur aufbauen.

Es gibt noch weitere Layer-2-Projekte. So kündigte beispielsweise im Juli 2022 das Startup Matter Labs den Start von zkSync 2.0 an. Einen Monat später startete das Projekt StarkWare sein eigenes Protokoll, das in der Sprache Cairo geschrieben ist.

Fassen wir zusammen

Es lässt sich leicht feststellen, dass im Bitcoin-Protokoll Netzressourcen ineffizient genutzt werden. Jeder Knoten verarbeitet und überträgt Daten über einen neuen Block nur für einen kleinen Teil der Zeit. Die Netzbandbreite wird nur für wenige Sekunden vollständig genutzt. Den Rest der Zeit sendet dieser Knoten nicht bestätigte Transaktionen und unterstützende Daten. Diese Beobachtung inspirierte Forscher dazu, effizientere Protokollschemata zu entwickeln, die den Systemdurchsatz erheblich verbessern könnten, ohne die Netzwerksicherheit und Dezentralisierung zu beeinträchtigen.

Bislang ist die Krypto-Community zu keiner einheitlichen Lösung gelangt. Streitigkeiten entstehen weiterhin, neue Coins werden geschaffen, und Protokoll-Updates werden veröffentlicht. Wirksame Lösungen wurden bereits entwickelt, doch das Risiko des menschlichen Faktors bleibt bestehen. Das Problem wird durch die Entwicklung künstlicher Intelligenz als Vermittler von Transaktionen geschlossen werden.