Skalierungslösungen: Was sind Layer-1- und Layer-2-Protokolle

In den letzten Jahren erlebten die Krypto- und Blockchain-Branchen einen regelrechten Boom, und auch die Zahl der Nutzer und Transaktionen ist deutlich gestiegen. Obwohl niemand die revolutionäre Natur der Technologie bestreiten kann, begann sie, auf Probleme mit der Skalierbarkeit zu stoßen — also auf die Fähigkeit des Systems, mit der steigenden Nachfrage mitzuwachsen.

Wofür sind Skalierungslösungen da?

Dezentralisierung bedeutet, dass Rechenleistung und Konsens über das Netzwerk verteilt sind, während Sicherheit den Schutz der Blockchain vor Schädlingen und Hackerangriffen widerspiegelt. Beide Eigenschaften gelten als essenziell für Blockchain-Netzwerke. 

Hochsichere dezentrale Systeme stehen oft vor Problemen beim Transaktionsdurchsatz, was zu einem Problem geführt hat, das als Blockchain-Trilemma bezeichnet wird. Es besagt, dass es nahezu unmöglich ist, gleichzeitig ein hohes Maß an Sicherheit, Dezentralisierung und Skalierbarkeit zu erreichen, und dass Blockchain-Netzwerke in der Praxis maximal zwei der drei Faktoren erreichen können. 

Es gibt jedoch viele Entwickler, die daran arbeiten, dieses Problem zu überwinden, und sie haben bereits einige bedeutende Ergebnisse erzielt. Verbesserungen bei der Skalierbarkeit von Blockchain-Netzwerken lassen sich in Layer-1- und Layer-2-Lösungen einteilen. Jede von ihnen hat einen anderen Mechanismus, eigene Vorteile und eigene Komplikationen. 

Die Bedeutung von Skalierungslösungen

Während Blockchain eine fairere und sicherere Art ist, Geld zu besitzen und zu verwalten, sind zentralisierte Finanzinstitutionen beim Durchsatz deutlich effektiver. Visa beispielsweise wirbt mit 65 Tausend Transaktionen pro Sekunde, während diese Zahl bei Bitcoin nur 7 und bei Ethereum 15 beträgt. 

Um mit zentralisierten Systemen der Zahlungsabwicklung konkurrieren zu können, müssen Blockchain-Netzwerke skalierbarer sein, damit sie die wachsende Zahl von Nutzern, Transaktionen und Daten bewältigen können. Wenn nichts unternommen wird, werden Blockchains mit Transaktionen verstopft, die eine nach der anderen hängen bleiben. Das System wird nicht in der Lage sein, alle gleichzeitig zu verarbeiten, und es wird zu Ungleichheiten in der Nutzererfahrung führen. 

Was ist eine Layer-1-Blockchain?

Layer-1-Skalierungslösungen konzentrieren sich auf On-Chain-Verbesserungen. Sie modifizieren das grundlegende Protokoll und die Architektur des Netzwerks, um einen besseren Durchsatz zu bieten. Bitcoin, Ethereum, Binance Smart Chain und Litecoin sind beispielsweise Layer-1-Blockchain-Netzwerke. Die Layer-1-Skalierungslösung erweitert die Basisschicht, also das Protokoll selbst.

Sharding

Sharding wurde aus verteilten Datenbanken übernommen und entwickelte sich zur beliebtesten Layer-1-Skalierungslösung. Beim Sharding wird das gesamte Blockchain-Netzwerk in Teile oder Datensätze, sogenannte Shards, zerlegt, sodass es für die Nodes einfacher wird, die Shards statt des gesamten Netzwerks zu verwalten. Alle Shards werden gleichzeitig verarbeitet, was eine parallele Bearbeitung zahlreicher Transaktionen ermöglicht. 

Jeder Node wird außerdem unterschiedlichen Shards zugewiesen. Einzelne Shards liefern Nachweise an die Mainchain und interagieren über Cross-Shard-Kommunikationsprotokolle miteinander, um Adressen, allgemeine Zustände und Guthaben auszutauschen. 

Ethereum 2.0, die neue Version der Ethereum-Blockchain, implementiert Sharding als Skalierungslösung.

Eine weitere Layer-1-Blockchain, die Sharding verwendet, ist Elrond. Sie erreichte über Adaptive State Sharding und einen sicheren Proof-of-Stake-Konsensmechanismus einen Durchsatz von 100 000 TPS (Transaktionen pro Sekunde). 

Das Harmony-Blockchain-Netzwerk ist ein weiteres Beispiel für ein Projekt, das Shards einsetzt, um eine höhere Skalierbarkeit zu erreichen. Der Fokus liegt auf der Verwendung von Zero-Knowledge-Proofs und Decentralized Autonomous Organisations. 

Verbesserungen des Konsensmechanismus

Einige Konsensmechanismen sind effizienter als andere. Proof-of-Work, wie er von Bitcoin, Ethereum, Litecoin, Doge usw. verwendet wird, bietet beispielsweise ein hohes Maß an Dezentralisierung und Sicherheit. Gleichzeitig ist er jedoch recht langsam, weshalb viele Entwickler bei der Entwicklung von Netzwerken Proof-of-Stake wählen. 

Selbst bestehende Blockchains können den Konsensmechanismus ändern, und das beste Beispiel ist Ethereum, das plant, auf den Proof-of-Stake-Konsensmechanismus umzusteigen, um die Kapazität und Dezentralisierung der Blockchain zu erhöhen und gleichzeitig ein hohes Maß an Sicherheit zu erhalten. 

Generell setzen heutzutage die meisten weiterentwickelten Layer-1- und Layer-2-Blockchains auf einen Proof-of-Stake-Konsensmechanismus oder dessen Varianten. Da dadurch die Notwendigkeit entfällt, dass Computer um die Validierung konkurrieren, bietet PoS bereits mehr Spielraum für Skalierung.

Die Kava-Blockchain kann ein gutes Beispiel für ein Layer-1-Netzwerk sein, das Skalierbarkeit durch die Verwendung eines Tendermint-Proof-of-Stake-Konsensalgorithmus zur Verbesserung von Transaktionen auf der EVM-Co-Chain erreicht. 

Solana gilt als Layer-1-Blockchain-Protokoll der neuen Generation, das einen neuen und vielversprechenden Proof-of-History-Konsensmechanismus verwendet und den Durchsatz mit über 3000 Transaktionen pro Sekunde deutlich steigern konnte. 

Weitere, etwas weniger populäre Layer-1-Lösungen im Krypto-Bereich umfassen Reparameterisierung und die Erstellung alternativer Datenstrukturen. Der Hauptvorteil all dieser Methoden besteht darin, dass sie die effektivsten großflächigen Verbesserungen bieten.

Die Probleme von Layer-1-Lösungen 

Eines der Hauptprobleme der Layer-1-Lösung besteht darin, dass die Netzwerk-Validatoren der Änderung über den harten Fork zustimmen müssen. Und das ist nicht immer einfach, weil sie in manchen Fällen finanzielle Einbußen hätten. Wenn die Blockchain beispielsweise von Proof-of-Work auf Proof-of-Stake umstellt, verlieren Miner Einkommen und könnten die Notwendigkeit von Skalierbarkeit ablehnen. 

Was ist eine Layer-2-Blockchain?

Die Layer-2-Lösung konzentriert sich auf die Schaffung einer Off-Chain-Lösung, indem eine parallele Blockchain betrieben oder ein Drittanbieternetzwerk auf der ursprünglichen aufgebaut wird. Diese zweite Schicht, auch Rechenschicht genannt, wird verwendet, um das Haupt- oder Mutternetzwerk zu entlasten. Es ist der einfachste und schnellste Weg, die Skalierbarkeit der Blockchain zu verbessern.

Ein Teil der Transaktionen des Protokolls wird auf die benachbarte Blockchain-Architektur verlagert, die die Transaktion verarbeitet und sich nur zur Finalisierung der Ergebnisse an die Parent Chain zurückwendet. Layer-2-Lösungen werden häufig mit Layer-1-Lösungen kombiniert. 

Zu den besten Layer-2-Lösungen gehören skalierbare Bridges zwischen Legacy-Chains und dezentralen Anwendungen, die zur Entstehung neuer PoS-Varianten geführt haben, wie etwa Liquid Proof-of-Stake, Delegated Proof-of-Stake, Hybrid PoS und andere. 

Die Hauptarten der Anwendung von Layer-2-Lösungen sind Nestchains, Rollups, State Channels und Sidechains. 

Nested Blockchains 

Eine Nested Blockchain ist in der Regel ein zusätzliches Netzwerk auf einer anderen Blockchain. Sie erfordert normalerweise eine grundlegende Blockchain, die die Parameter für ein breiteres Netzwerk festlegt, während die Transaktionen und die Ausführung von Smart Contracts auf den miteinander verbundenen sekundären Chains stattfinden. Mehrere Netzwerke können als Child Chains auf der Main Chain aufgebaut werden. Die Main Chain delegiert die Operation an die Child Chain, die sie unabhängig von der Main Chain verarbeitet und erst danach an die Parent Chain zurückgibt. Die Beteiligung der Main Chain ist nur erforderlich, wenn ein Streitfall gelöst werden muss.  

Sidechains 

Eine Sidechain ist eine zusätzliche Kette, die der Hauptkette angegliedert ist. Sie wird in der Regel für Transaktionen mit großen Datenmengen verwendet. Sidechains nutzen einen unabhängigen Konsensalgorithmus, der sich von dem der Hauptkette unterscheidet und von Grund auf eigenständig aufgebaut ist. Dieser Mechanismus kann auf Geschwindigkeit und Skalierbarkeit optimiert werden. Die Main Chain stellt hier die Sicherheit sicher, bestätigt die Transaktionspakete und löst Konflikte. 

Der Unterschied zwischen Sidechains und State Channels liegt in der Anzahl der integralen Wege. Alle Transaktionen werden im öffentlichen Ledger aufgezeichnet und sind für alle Teilnehmer sichtbar. Wichtig ist, dass Verstöße in den Sidechains die Main Chain nicht beeinflussen. 

Ein Plasma-Netzwerk ist ein Beispiel für eine Sidechain-Layer-2-Lösung für Ethereum. Es besteht aus kleinen Blockchains, die in einer baumartigen Struktur verbunden sind. 

State Channels

State Channels werden implementiert, um die Gesamtleistung der Blockchain zu verbessern. Sie verbessern auch die wechselseitige Kommunikation zwischen Blockchain- und Off-Chain-Transaktionskanälen. Ein State Channel benötigt keine Validierung durch die Nodes von Layer-1, sondern verwendet stattdessen einen Multi-Signatur- oder Smart-Contract-Mechanismus. Abgeschlossene Transaktionen werden im zugrunde liegenden Netzwerk aufgezeichnet. 

Beispiele für State Channels sind Celer, Bitcoin Lightning und Ethereums Lightning Network. Das Hauptproblem dieses Ansatzes ist, dass State Channels einen Teil der Dezentralisierung aufgeben, um eine größere Skalierbarkeit zu erreichen. 

Roll-Ups 

Roll-Ups führen Transaktionsoperationen außerhalb der Haupt-Blockchain aus, stellen die zugehörigen Daten jedoch Layer-1 zur Verfügung und sichern so die Transaktionen auf der Basisschicht. Dank der Ausführung auf der Off-Chain-Ebene sinken die Gebühren. Smart Contracts laufen auf Layer-1, führen die Transaktionen jedoch auf Layer 2 unter Verwendung der Daten aus der Haupt-Blockchain aus. Es gibt optimistische Roll-Ups, die standardmäßig davon ausgehen, dass Transaktionen korrekt sind, und Berechnungen nur im Rahmen einer Challenge über Fraud-Proof ausführen. Zero-Knowledge-Roll-Ups führen Berechnungen Off-Chain aus und übermitteln Gültigkeitsnachweise an die Main Chain. 

Cartesi, Fuel Network, Optimism und Boba sind Layer-2-Blockchains, die optimistische Roll-Ups verwenden. Loopring, Immutable X, Starkware und Polygon Hermez sind Layer-2-Lösungen, die Zero-Knowledge-Roll-Ups verwenden. 

Die Probleme von Layer-2-Lösungen

Das Hauptproblem von Krypto auf Layer-2 besteht darin, dass die Wahrscheinlichkeit eines Sicherheitsverlusts hier deutlich höher ist, sodass Nutzer einem widerstandsfähigen Projekt wie Bitcoin oder Ethereum aufgrund seiner Sicherheitsbilanz leichter vertrauen werden. Inzwischen wenden sich jedoch immer häufiger Layer-2-Netzwerke zu, und zwar wegen der Transaktionsgeschwindigkeit und der Kosten. Experten gehen daher davon aus, dass die Zukunft von Layer-2 in gezielten Anwendungsbereichen liegt, während größere Blockchains weiterhin dominieren und sich auf Sicherheit konzentrieren werden. 

Fazit 

Skalierbarkeit ist das Hauptproblem auf dem Weg zur globalen Krypto-Adoption. Die Lösung besteht darin, Blockchains zu entwickeln, die mit dem Skalierbarkeits-Trilemma zurechtkommen, und gleichzeitig bestehende Netzwerke zu verbessern, um Engpässe zu vermeiden. Im Moment lassen sich alle möglichen Lösungen in Layer-1 und Layer-2 einteilen. Es ist schwer, Layer-1- mit Layer-2-Lösungen zu vergleichen, da beide Vor- und Nachteile haben, doch möglicherweise liegt die Zukunft in der Kombination beider Ansätze.