Das Blockchain-Trilemma

Das Blockchain-Trilemma, auch als Skalierbarkeits-Trilemma bekannt, formuliert die zentrale Herausforderung beim Skalieren verteilter Systeme. Das Problem liegt darin, dass die drei Kernmerkmale von Blockchain (Dezentralisierung, Sicherheit und Leistungsfähigkeit) nicht gleichzeitig garantiert werden können. Ein dezentrales Netzwerk kann nur bei zwei der drei Eigenschaften ein hohes Niveau aufweisen. Das heißt: Wird ein Aspekt gestärkt, leidet unweigerlich ein anderer.

Bevor wir auf die Feinheiten des Crypto-Trilemma eingehen, definieren wir Skalierbarkeit, Sicherheit und Dezentralisierung zunächst allgemein.

• Blockchain-Skalierbarkeit bezieht sich auf die Fähigkeit, mehr Transaktionen zu verarbeiten.
• Sicherheit bezeichnet die Fähigkeit, Blockchain-Daten vor verschiedenen Angriffen zu schützen und Double-Spending zu verhindern.
• Dezentralisierung ist eine Form der Netzwerk-Redundanz, die sicherstellt, dass das Netzwerk nicht von einer begrenzten Anzahl von Entitäten kontrolliert wird.

Bitcoin veranschaulicht das. In dieser Blockchain ist die Anzahl der Transaktionen pro Sekunde recht gering, etwa sieben, und Blöcke werden alle zehn Minuten gemined. Wenn das Netzwerk überlastet ist, können Transaktionen mit niedrigen Gebühren lange zur Verarbeitung brauchen. Das Ergebnis sind hohe Sicherheit und Dezentralisierung, aber geringe Leistungsfähigkeit (alias Skalierbarkeit).

Um die Leistung zu steigern, kann man die Blockgröße erhöhen. Dann schießt jedoch die Komplexität in die Höhe, und am Ende können nur große Mining-Pools im Netzwerk bleiben. Dadurch wird das System zentralisierter. Und wenn man die Produktionszeit reduziert, leidet die Sicherheit. Nodes haben dann möglicherweise nicht genug Zeit, um einen Konsens zu erzielen, bevor der nächste Block gemined wird.

Skalierbarkeit

Das Netzwerk umfasst viele Computer, die theoretisch über unbegrenzte Rechenleistung verfügen, die zur Lösung verschiedener Probleme erforderlich ist. Der Netzwerkdurchsatz ist ein grundlegend wichtiger Parameter, da er die Anzahl der pro Zeiteinheit verarbeiteten Transaktionen misst.

Sicherheit

Sicherheit vor externer Gefährdung entsteht durch Verschlüsselung. Blockchain-Algorithmen nutzen moderne Kryptografie. Alle Transaktionen (Einträge in der Blockchain) werden durch den Mining-Prozess verifiziert, der den Proof-of-Work-Konsensalgorithmus verwendet. Das bedeutet, dass jede Transaktion verschlüsselt wird, bevor sie der Blockchain hinzugefügt wird. Heute ist keine Methode bekannt, geschlossene kryptografische Schlüssel zu knacken. Das liegt daran, dass der Angreifer dies innerhalb eines begrenzten Zeitfensters schaffen muss.

Dezentralisierung

Dieses Merkmal gewährleistet Sicherheit vor interner Gefährdung. Die Datenbank (Blockchain) wird gleichzeitig auf den Computern aller Teilnehmer gespeichert. Dies ist eine der Haupteigenschaften von Blockchain. Sie steht für das Fehlen einer zentralen Instanz, Person oder eines Dienstes, der Entscheidungen im Netzwerk trifft. Die Arbeit im Netzwerk ist auf Nodes verteilt und vollständig dezentralisiert. Der Netzwerkalgorithmus stellt ein Verfahren bereit, um unter den einzelnen Nodes einen Konsens über den aktuellen Datenzustand im Netzwerk zu erreichen. Dieser Mechanismus ist als Konsensmechanismus bekannt. Um Informationen rückwirkend zu ändern, ist es notwendig, sie gleichzeitig auf mehr als 50 % dieser Nodes zu ändern. Ein solcher gleichzeitiger Hack ist natürlich theoretisch möglich, in der Praxis aber unrealistisch.

Das Blockchain-Trilemma erklärt

Die naheliegendste und grundlegendste Lösung für das oben beschriebene Problem der Netzüberlastung besteht darin, die Anzahl der Teilnehmer zu verringern, die Daten im Netzwerk bestätigen und hinzufügen. Dadurch lassen sich Skalierung und Geschwindigkeit erhöhen. Dies schwächt jedoch die Dezentralisierung, wenn die Kontrolle auf weniger Teilnehmer übergeht. Außerdem führt es zu geringerer Sicherheit, da weniger Teilnehmer die Angriffswahrscheinlichkeit erhöhen.

Damit entsteht ein Trilemma: Aufgrund des inhärenten Zusammenhangs zwischen Dezentralisierung und Sicherheit erschwert das grundlegende Design der Blockchain das Skalieren. Durch die Stärkung des einen schwächt man das andere. Wie kann Skalierbarkeit erreicht werden, ohne Dezentralisierung, Sicherheit oder beides zu beeinträchtigen?

Lösung des Blockchain-Trilemmas

Es gibt keine einzelne goldene Lösung für das Crypto-Trilemma. Angesichts der Bedeutung dieses Problems wurden jedoch in der Community mehrere verschiedene Ansätze vorgeschlagen, die interessante Ergebnisse liefern. Werfen wir einen Blick auf einige der beliebtesten Entwicklungen, um ein Gefühl dafür zu bekommen, was in diesem Bereich passiert.

Änderungen am Konsensalgorithmus

Heute gibt es verschiedene Blockchain-Konsensalgorithmen, von denen alle das Blockchain-Trilemma teilweise lösen. Sie kombinieren Skalierbarkeit, Dezentralisierung und Sicherheit in unterschiedlichem Maße. Neben dem bekannten Proof-of-Work (PoW) gibt es auch andere Konsensmechanismen wie Proof-of-Stake (PoS), Delegated Proof-of-Stake (DPoS), Proof-of-Burn (PoB), Proof-of-Capacity (PoC), Proof-of-Importance (PoI), Proof-of-Authority (PoA), Directed Acyclic Graph (DAG), Leased Proof-of-Stake (LPoS), Proof-of-Time (PoT), Proof-of-Elapsed Time (PoET), Proof-of-Space-Time (PoST), Simple Byzantine Fault Tolerance (SBFT), Delegated Byzantine Fault Tolerance (DBFT) und andere. Blockchain-Entwickler wählen einen bestimmten Algorithmus auf Grundlage ihrer Netzwerkziele und Aufgaben.

Lösungen der Ebene 1

Diese Lösungen stehen direkt mit der Änderung der Blockchain selbst, insbesondere ihrer Architektur, in Verbindung. Entwickler bieten verschiedene Ansätze und Lösungen für das Blockchain-Trilemma an.

So schlagen sie beispielsweise den Einsatz von Multichains, die Implementierung neuer Kryptografiemethoden, Sharding und andere Techniken vor.

Sharding ist wahrscheinlich der beliebteste Ansatz. Beim Sharding wird die Haupt-Blockchain in Segmente unterteilt, von denen jedes seinen Teil des Registers verwaltet. Jedes Segment wird als Shard bezeichnet. In einer solchen Netzwerkorganisation verarbeitet jeder Shard seinen eigenen Transaktionspool, was den Netzwerkdurchsatz erhöht. Die Haupt-Blockchain koordiniert alle Shard-Aktivitäten.

Lösungen der Ebene 2

Sharding und verschiedene Konsensmechanismen gelten als Entscheidungen der ersten Ebene. Sie zielen darauf ab, das Netzwerkdesign grundlegend zu verändern. Andere Entwickler, die dieses Trilemma lösen wollen, arbeiten jedoch an Lösungen, die auf der bestehenden Netzwerkstruktur aufbauen. Mit anderen Worten: Sie sind der Ansicht, dass die Antwort auf der zweiten Ebene liegt. Beispiele sind Sidechains und State Channels.

Eine Sidechain ist eine separate Blockchain, die mit dem Hauptnetzwerk verbunden ist. Sie ist so eingerichtet, dass Vermögenswerte zwischen ihnen übertragen werden können. Sidechains müssen nach anderen Regeln arbeiten, was höhere Geschwindigkeit und Skalierbarkeit ermöglicht. Ebenso sind State Channels eine weitere Methode, Transaktionen aus dem Hauptnetzwerk abzuleiten und die Belastung der Primärschicht zu verringern. Der State Channel verwendet statt einer separaten Chain einen Smart Contract. Dadurch können Nutzer miteinander kommunizieren, ohne Transaktionen in der Blockchain zu veröffentlichen. Nur der Beginn und das Ende des Channels werden auf der Blockchain gespeichert.

Fazit

Um sein Potenzial, die Welt zu verändern, voll auszuschöpfen, steht die Blockchain-Technologie vor dem Skalierbarkeits-Trilemma.

Wenn Blockchain-Netzwerke zur Wahrung von Dezentralisierung und Sicherheit nur eine geringe Anzahl von Transaktionen pro Sekunde verarbeiten können, wird eine breite Akzeptanz schwer zu erreichen sein.

Die Methoden der Entwickler zur Lösung dieses Problems deuten jedoch darauf hin, dass Blockchain-Technologie weiterhin genutzt werden wird. In Zukunft werden diese Netzwerke mehr Daten verarbeiten können.