Blockchain-schaalbaarheidsprobleem uitgelegd

Bij het creëren van blockchaintechnologie rekenden de ontwikkelaars op de privacy en anonimiteit van digitaal geld. Dit doel werd bereikt door het principe van een peer-to-peersysteem in te voeren — elke gebruiker is gelijk, en er is geen beheersysteem en geen instantie die toezicht houdt op geld, zoals banken.

Nu staan cryptocurrencies als technologie voor de volgende uitdaging — een hoge transactiesnelheid bereiken, vergelijkbaar met Visa en MasterCard. Het probleem van schaalbaarheid blijft een van de belangrijkste obstakels voor de massale implementatie van blockchaintechnologie. Steeds meer blockchainprojectteams zoeken naar oplossingen die de prestaties van hun netwerk kunnen verbeteren. Velen beweren dat ze dit probleem al hebben opgelost of bijna hebben opgelost, maar dergelijke uitspraken moeten sceptisch worden benaderd.

Hoofddoel

Tien jaar geleden was Bitcoin niet populair bij gebruikers. Maar na verloop van tijd heeft de toename van het aantal gebruikers in het systeem problemen gecreëerd met de rekenkracht van de technologie. Het gebruik van cryptocurrency werd moeilijker door lange wachtrijen, veroorzaakt door beperkingen op het aantal betalingen dat per seconde wordt verwerkt. Daardoor is het schaalbaarheidsprobleem verergerd.

Ontwikkelaars begonnen actief te zoeken naar optimale mechanismen om de werking te stabiliseren. Sindsdien worden coins regelmatig geüpdatet of afgesplitst bij gebrek aan compromissen. Laten we echter de kwesties stap voor stap doornemen.

Schaalbaarheidsprobleem: de kern van de opdracht

Alle Bitcoin-transacties worden uitgevoerd in blokken die transactiegegevens ontvangen. Eén blok bevat 1 MB aan informatie, en de verwerkingssnelheid bedraagt gemiddeld vier betalingen per seconde. Anderzijds is de rekenkracht van miners verantwoordelijk voor de verplaatsing van fondsen en de stabiliteit van de operaties. Dit is nodig voor het berekenen van algoritmen bij het creëren van coins en records van versleutelde transacties. Bij elke transactie ontvangen miners van digitale valuta een commissie.

Het verhogen van het aantal transacties verlaagt ook de snelheid van elke afzonderlijke transactie. Hierdoor kan de blockchain de grote stroom niet meer verwerken. Alle cryptocurrency-overboekingen worden in een lange wachtrij opgebouwd. Alleen de hoge vergoeding maakt het mogelijk om voorrang in de wachtrij te krijgen. Dit fenomeen heeft invloed op de liquiditeit (prijspieken) van de coin — voor een koper is het eenvoudiger om contant geld of een bankkaart te gebruiken, zelfs ten koste van anonimiteit en privacy.

Gebruikers verliezen in zulke gevallen interesse en vertrouwen in de valuta, gevolgd door miners. Als gevolg daarvan zien investeerders het risico van hun investeringen en drukken zij activa weg van de piekwaarde en populariteit, terwijl traders spelen op prijsbewegingen.

Hoe het schaalbaarheidsprobleem tot uiting komt

Met de popularisering van Bitcoin kwam het schaalbaarheidsprobleem van cryptocurrency aan het licht door netwerkcongestie. Daardoor werd het moeilijker om de coin te gebruiken — in mei 2017 liepen de transactiewachtrijen op tot vijf dagen. Zo ontstond de vraag naar de balans tussen snelheid en veiligheid van transacties.

Je kunt het probleem analyseren aan de hand van een praktisch voorbeeld. Stel dat het nodig is om 500 ton vracht te vervoeren op een trein met wagons met een capaciteit van één ton, met een voorafgaande veiligheidscontrole en laden met een laadtijd van 2 uur per eenheid. De kosten van de transportdiensten beïnvloeden echter de positie van de goederen in aflopende volgorde. Als gevolg daarvan duurt het minstens twee weken voordat ontvangers met de laagste betaling voor levering het eindproduct ontvangen. Hetzelfde geldt voor Bitcoin — het is onmogelijk om betalingen zo snel uit te voeren als met een bankkaart.

Op basis van het bovenstaande kun je de definitie van het schaalbaarheidsprobleem onderscheiden — het beperken van het aantal verwerkte transacties in een bepaalde tijd. De mogelijkheid om een betaalde vergoeding te kiezen kan weliswaar de prioriteit van de transactie in de blockchainwachtrij verhogen, maar lost het probleem niet op.

Het eerste wat in je opkomt, is de blokgrootte en het aantal verwerkte betalingen verhogen zonder aanvullende maatregelen. Helaas zal die aanpak de veiligheid verlagen, aangezien gedoseerde verwerking van informatie helpt om het hoge risico op DDoS-aanvallen te vermijden (opzettelijke netwerkcongestie voor frauduleuze doeleinden). De grootte is bedoeld voor zorgvuldige gegevensverificatie. Desondanks is het noodzakelijk om mogelijke oplossingen voor de situatie in detail te analyseren.

Hoe schaalbaarheid op te lossen

Ontwikkelaars, activisten en wetenschappers zijn begonnen te zoeken naar manieren om het schaalbaarheidsprobleem van Bitcoin op te lossen. Het hoogtepunt en de meest illustratieve situatie was de beschreven situatie in 2017 met lange wachtrijen. Toen werd de kwestie breed besproken in de crypto community. Er werden drie concepten belicht om dit blockchaintekort te corrigeren:

• de blokgrootte vergroten, waardoor de kosten voor betalingen dalen en de verwerkingssnelheid van transacties per seconde (TPS) stijgt. Er zijn twee nadelen — deze weg leidt tot centralisatie van de coin en het risico op succesvolle DDoS-aanvallen;
• gesegmenteerde gegevensverwerking of sharding. Sommige informatie wordt buiten de cells weergegeven. Op die manier wordt de blockchain opgesplitst in twee of meer segmenten die verantwoordelijk zijn voor verschillende groepen transacties. Er bestaat ook een risico op cyberaanvallen, omdat er minder miner-capaciteit nodig is om shards te verwerken. Door de opsplitsing in meerdere delen vereisen veiligheidscontroles lichte algoritmen. Daardoor kunnen fraudeurs valse transacties aan het netwerk toevoegen, een voorbeeld is de 51 ％ attack;
• een groep L2-oplossingen voor het schaalbaarheidsprobleem. De aanpak is een framework, een programma dat bovenop de blockchain werkt en een bestaand netwerk ontlast. Zulke concepten verschillen van on-chain (beslissingen binnen het coinnetwerk) door de tussenkomst van een tussenpersoon.

De eerste methode vereist het splitsen van het netwerk en het creëren van een nieuwe coin. Daardoor gaat de ondersteuning van backward compatibility met het origineel verloren. Dat wil zeggen dat valuta in zo’n geval niet langer homogeen zijn. In een cryptografische omgeving heet dit verschijnsel een hardfork. Bitcoin Cash volgde deze weg. Als gevolg van de splitsing vond in augustus 2017 een afscheiding plaats van de eerste cryptocurrency, met een verhoging van de blokgrootte tot 8 MB.

De tweede oplossing houdt in dat er afzonderlijke subnetten van het blok worden gecreëerd, waarbij een deel van de informatie buiten de grenzen ervan wordt verplaatst. In dit geval treedt een softfork op — een wijziging in het softwareprotocol zonder de coin te splitsen. Vergelijkbaar met het uitbrengen van een patch voor een computerspel met add-ons. Een voorbeeld is de Segregated Witness-update. De blokgrootte steeg tot 2 MB, waarbij sommige gegevens buiten de hoofdtransactiechain werden opgeslagen.

De oplossing heeft nadelen — elke shard wordt blootgesteld aan het gevaar van een cyberaanval. Voor elk van zulke segmenten wordt minder rekenkracht gebruikt dan per eenheid.

Oplossingen van de tweede laag

De architectuur van vroege blockchains, voornamelijk Bitcoin en Ethereum, was niet ontworpen voor een groot aantal transacties en gebruikers, en heeft daarom een lage bandbreedte. In Bitcoin is dat bijvoorbeeld 5-7 transacties per seconde (TPS), in Ethereum ongeveer 15 TPS.

Schaalbaarheid kan worden vergroot door de code van het blockchainprotocol te wijzigen met functies zoals sharding. Maar dat kost veel tijd en kan jaren duren. Bovendien veranderen zulke verbeteringen de basis van de architectuur, waardoor de projectcommunity niet altijd akkoord gaat met de uitvoering ervan.

L2-oplossingen maken het mogelijk om het probleem van lage bandbreedte en hoge kosten voor overdrachten ten minste gedeeltelijk op te lossen zonder de code van de hoofdblockchain te beïnvloeden. Hun belangrijkste voordeel is de mogelijkheid om activa over te dragen tussen de adressen van de "eerste laag" terwijl de "tweede laag" wordt gebruikt, die ofwel een apart off-chain protocol ofwel een aparte blockchain kan zijn.

Welke Layer 2-oplossingen bestaan er voor Bitcoin?

Het belangrijkste L2-project voor de eerste cryptocurrency is het Lightning Network (LN). Het werkt met een protocol dat gebruikmaakt van smart contracts en zogenaamde statuskanalen. Het Lightning Network werd al in 2015 gelanceerd en ontwikkelt zich sindsdien actief. Eind mei 2022 bereikte de totale capaciteit van LN-kanalen 3.900 BTC.

De belangrijkste functie van LN is dat bitcoinhouders directe uitwisselingen kunnen doen zonder informatie in zijn register te schrijven. Om dit te doen, moet je een speciaal kanaal openen met één on-chain transactie en er bitcoins in storten.

Na activering maakt het betalingskanaal transfers off-chain mogelijk, dat wil zeggen buiten het hoofdnetwerk, met veel hogere snelheid en lagere kosten. In tegenstelling tot on-chain transacties zijn transacties binnen Lightning Network-kanalen alleen zichtbaar voor hun gebruikers. Alleen de begin- en eindstatus van transacties worden in de hoofdblockchain vastgelegd.

Deze aanpak verlaagt de belasting op het hoofdnetwerk van Bitcoin aanzienlijk: het Lightning Network kan duizenden operaties per seconde verwerken en tegelijkertijd een hoog niveau van systeemveiligheid waarborgen.

Welke Layer 2-oplossingen bestaan er voor Ethereum?

Ondanks de lage snelheid is het Ethereum-ecosysteem het meest in trek voor gedecentraliseerde applicaties. Veel populaire projecten op het gebied van gedecentraliseerde financiën (DeFi) en niet-uitwisselbare tokens (NFT) draaien erop. Daarom is het schaalbaarheidsprobleem voor Ethereum bijzonder acuut.

Er worden nu gelijktijdig verschillende grote L2-oplossingen ontwikkeld:

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

De belangrijkste technologie voor hun werking zijn Rollups, die twee hoofdvarianten hebben:

• Optimistic Rollups. Met deze oplossing worden transacties uitgevoerd in het L2-netwerk en vervolgens in grote groepen samengevoegd tot een compact blok, dat door validators in het hoofd-Ethereum-netwerk wordt opgenomen. Optimistic Rollups worden gebruikt in Arbitrum en Optimism.
• ZK-Rollups. Transacties in het netwerk van de tweede laag worden eveneens samengevoegd tot pakketten en naar het Ethereum-netwerk gestuurd, maar hun bevestiging gebeurt met behulp van speciale verifiers, die cryptografisch bewijs van de geldigheid van de operaties zijn. Polygon is geïmplementeerd op basis van ZK-Rollups. Deze technologie voor het opschalen van Ethereum wordt overwogen door de belangrijkste medeoprichter van het platform, Vitalik Buterin.

Welke L2-oplossing het ook is, Ethereum als de "eerste laag" neemt de functie over van het verifiëren van transacties en het produceren van blokken, het register waarin de eindstatussen worden vastgelegd, en het consensusmechanisme. Daardoor hoeft het project geen eigen infrastructuur te creëren.

Er zijn nog andere Layer 2-projecten. Zo kondigde startup Matter Labs in juli 2022 de lancering van zkSync 2.0 aan. Een maand later lanceerde het project StarkWare zijn eigen protocol, geschreven in de Cairo-taal.

Tot slot

Het is gemakkelijk op te merken dat in het Bitcoin-protocol netwerkbronnen inefficiënt worden gebruikt. Elk knooppunt verwerkt en verzendt gegevens over een nieuw blok slechts een klein deel van de tijd. De netwerkbandbreedte wordt slechts enkele seconden volledig benut. De rest van de tijd verzendt dit knooppunt niet-bevestigde transacties en ondersteunende gegevens. Deze observatie inspireerde onderzoekers om efficiëntere protocolschema’s te vinden die de doorvoer van het systeem aanzienlijk konden verbeteren zonder de netwerkveiligheid en decentralisatie aan te tasten.

Nu is de crypto community nog niet tot één oplossing gekomen. Er ontstaan nog steeds discussies, er worden nieuwe coins gecreëerd en protocolupdates uitgebracht. Effectieve oplossingen zijn al ontwikkeld, maar er blijft nog steeds een risico van de menselijke factor. De kwestie zal worden afgesloten door de ontwikkeling van kunstmatige intelligentie als tussenpersoon voor transacties.