Einführung in Probleme der Blockchain-Skalierbarkeit

Das Aufkommen der Blockchain-Technologie mit ihrem Versprechen dezentraler, sicherer und unveränderlicher Transaktionen hat zahlreiche Branchen revolutioniert. Wie jede bahnbrechende Technologie bringt sie jedoch auch ihre Herausforderungen mit sich. Eines der kritischsten und am häufigsten diskutierten Probleme ist das der Skalierbarkeit.

Im Kontext der Blockchain-Technologie bezieht sich Skalierbarkeit auf die Fähigkeit des Netzwerks, ein wachsendes Transaktionsvolumen effizient und effektiv abzuwickeln und zu verarbeiten. Die eigentliche Herausforderung liegt in der paradoxen Beziehung zwischen Dezentralisierung, Sicherheit und Skalierbarkeit, die oft als „Blockchain-Trilemma“ bezeichnet wird. Das Trilemma geht davon aus, dass ein Blockchain-Netzwerk in zwei Bereichen hervorragende Leistungen erbringen kann, im dritten jedoch zwangsläufig Kompromisse eingehen wird.

Die meisten traditionellen Blockchains wie Bitcoin und Ethereum wurden mit einem starken Schwerpunkt auf Sicherheit und Dezentralisierung entwickelt. Diese Betonung ist zwar entscheidend für die Integrität der Netzwerke, hat jedoch unbeabsichtigt ihre Skalierbarkeit eingeschränkt. Diese Einschränkung zeigt sich am besten in Zeiten hoher Netzwerküberlastung, in denen Benutzer langsamere Transaktionszeiten und höhere Transaktionsgebühren erleben.

Die aktuelle Transaktionskapazität von Bitcoin liegt bei etwa sieben Transaktionen pro Sekunde (TPS), während Ethereum mit 15 TPS etwas besser abschneidet. Im Vergleich zu zentralisierten Finanznetzwerken wie Visa, die etwa 24.000 TPS verarbeiten können, wird deutlich, wie viel Raum für Verbesserungen in Bezug auf die Skalierbarkeit der Blockchain besteht.

Das Problem der Skalierbarkeit stellt daher eine erhebliche Hürde für die breite Akzeptanz der Blockchain-Technologie dar. Sie ist zum Schwerpunkt zahlreicher Forschungsinitiativen und Entwicklungsprojekte geworden, die darauf abzielen, Blockchain-Netzwerke zu optimieren, ohne ihre Dezentralisierung oder Sicherheit zu beeinträchtigen. Das Aufkommen von Layer-2-Lösungen wie Lightning Network und Plasma bedeutet vielversprechende Fortschritte in diesem Bereich, bietet innovative Möglichkeiten zur Verbesserung der Skalierbarkeit und bringt die Technologie so einer breiten Akzeptanz näher.

Grundlegendes zu Layer 1- und Layer 2-Lösungen

Um die Feinheiten der Blockchain-Skalierbarkeit zu entschlüsseln, ist es wichtig, die grundlegenden Unterschiede zwischen Layer 1- und Layer 2-Lösungen zu verstehen. Diese Begriffe beziehen sich auf zwei unterschiedliche Ansätze zur Verbesserung der Kapazität einer Blockchain zur Verarbeitung von Transaktionen.

Layer-1-Lösungen umfassen Änderungen am Blockchain-Protokoll selbst, wodurch die ursprünglichen Regeln des Netzwerks effektiv geändert werden. Diese Änderungen können eine Vergrößerung der Blockgröße, wie beim Bitcoin Cash-Hardfork, oder den Übergang zu einem skalierbareren Konsensmechanismus, wie Proof of Stake von Ethereum, umfassen. Layer-1-Lösungen sind häufig komplexer zu implementieren, da sie typischerweise eine netzwerkweite Vereinbarung oder einen Hardfork erfordern, was potenziell zu einer Fragmentierung innerhalb der Community führen kann.

Layer-2-Lösungen hingegen versuchen, die Skalierbarkeit zu verbessern, ohne das Basisprotokoll zu ändern. Stattdessen funktionieren sie, indem sie ein sekundäres Framework auf der vorhandenen Blockchain aufbauen. Die Kernidee besteht darin, einen erheblichen Teil der Transaktionen aus der Hauptkette auszulagern und sie auf dieser zweiten Schicht zu verarbeiten, die schneller und flexibler ist. Sobald die Transaktionen auf der zweiten Schicht abgeschlossen sind, wird das Ergebnis auf der Haupt-Blockchain aufgezeichnet, wodurch Sicherheit und Unveränderlichkeit gewährleistet werden. Dieser „Off-Chain“-Ansatz hat aufgrund seines Potenzials, den Transaktionsdurchsatz drastisch zu erhöhen, ohne die inhärenten Vorteile der zugrunde liegenden Blockchain zu opfern, erheblich an Zugkraft gewonnen.

Zwei der bekanntesten Layer-2-Lösungen, das Lightning Network und Plasma, haben erhebliches Potenzial bei der Bekämpfung der Skalierbarkeitsprobleme von Bitcoin bzw. Ethereum gezeigt. In den folgenden Abschnitten werden diese Lösungen genauer untersucht und ihre Funktionen, Merkmale und Auswirkungen auf die Zukunft der Blockchain-Technologie erläutert.

Detaillierte Einblicke in Layer-2-Skalierungslösungen

Wenn wir in die Welt der Layer-2-Lösungen einsteigen, ist es wichtig, die zugrunde liegenden Prinzipien zu verstehen, die diese innovativen Technologien steuern. Layer-2-Skalierungslösungen zielen in erster Linie darauf ab, Netzwerküberlastungen zu verringern und Transaktionsgebühren zu senken, indem die meisten Transaktionen außerhalb der Blockchain durchgeführt werden. Sie nutzen die Sicherheit der Haupt-Blockchain, auf der nur wesentliche Informationen veröffentlicht werden. Mit anderen Worten: Layer-2-Lösungen dienen als Hilfsnetzwerk, das schnellere und kostengünstigere Transaktionen ermöglicht und die Nettoergebnisse schließlich auf der primären Blockchain abwickelt.

Eines der grundlegenden Konzepte, das von vielen Layer-2-Lösungen verwendet wird, sind die sogenannten „State Channels“. Ein State Channel ist ein bidirektionaler Kommunikationskanal zwischen Teilnehmern, der es ihnen ermöglicht, unbegrenzt viele Transaktionen außerhalb der Blockchain untereinander durchzuführen. Diese Transaktionen erfolgen sofort, da sie keine Blockbestätigungen erfordern, und sind mit minimalen Gebühren verbunden, da sie keine Netzwerkressourcen verbrauchen. Sobald die Teilnehmer mit der Transaktion fertig sind, schließen sie den State Channel und begleichen das Nettoergebnis auf der Hauptchain.

Eine weitere wichtige Technik, die in Layer-2-Lösungen eingesetzt wird, sind „Sidechains“. Dabei handelt es sich um unabhängige Blockchains, die parallel zur Hauptkette laufen und über eigene Konsensmechanismen verfügen. Vermögenswerte können von der Hauptkette zur Sidechain übertragen werden, was schnellere und kostengünstigere Transaktionen ermöglicht. Sobald die Transaktionen abgeschlossen sind, können die Vermögenswerte zurück zur Hauptkette verschoben werden.

Sowohl State Channels als auch Sidechains verringern die Belastung der Hauptkette erheblich und verbessern so die Gesamttransaktionskapazität des Netzwerks. Allerdings haben sie jeweils ihre Stärken und Schwächen, sodass sie für unterschiedliche Anwendungen geeignet sind. In den folgenden Abschnitten werden das Lightning Network und Plasma analysiert, zwei Layer-2-Lösungen, die diese Konzepte nutzen, um die Skalierbarkeitsprobleme von Bitcoin bzw. Ethereum zu lösen.

Hervorhebung des Lightning Network

Als Antwort auf das Skalierbarkeitsproblem von Bitcoin wurde das Lightning Network als Layer-2-Lösung konzipiert, um schnellere und kostengünstigere Transaktionen zu ermöglichen. Das Lightning Network nutzt das Konzept der Statuskanäle und ermöglicht es den Teilnehmern, Transaktionen außerhalb der Kette durchzuführen und dabei die Einschränkungen der Blockbestätigungszeiten und Netzwerküberlastungen zu umgehen.

Das Lightning Network funktioniert, indem es einen Zahlungskanal zwischen zwei Parteien erstellt, die mehrere Transaktionen durchführen möchten. Dieser Kanal wird durch die Erstellung eines Multi-Signatur-Wallets geöffnet. Dabei handelt es sich im Wesentlichen um ein Bitcoin-Wallet, das zur Ausführung einer Transaktion die Unterschriften beider Parteien erfordert. Die Öffnung des Kanals, die die Erstellung des Multi-Signatur-Wallets und eine erste Einzahlung von Bitcoins umfasst, wird in der Bitcoin-Blockchain aufgezeichnet.

Sobald der Kanal geöffnet ist, können die beiden Parteien eine unbegrenzte Anzahl von Transaktionen untereinander durchführen, ohne dass diese Transaktionen in der Hauptkette aufgezeichnet werden. Diese Transaktionen ändern die Verteilung der ursprünglichen Einzahlung innerhalb der Multisignatur-Wallet, erfolgen jedoch sofort und ohne Gebühren, da sie keinen Blockbestätigungen unterliegen.

Wenn die Parteien keine Transaktionen mehr durchführen möchten, schließen sie den Kanal und die endgültige Verteilung der Bitcoins im Multisignatur-Wallet wird in der Hauptkette aufgezeichnet. Wichtig ist, dass nur die Eröffnungs- und Schlusstransaktionen in der Blockchain aufgezeichnet werden, sodass potenziell Tausende von Off-Chain-Transaktionen mit nur zwei On-Chain-Transaktionen durchgeführt werden können.

Dieser innovative Ansatz verspricht eine deutliche Steigerung der Skalierbarkeit von Bitcoin und unterstützt nahezu sofortige Transaktionen mit minimalen Gebühren. Es ist jedoch wichtig zu verstehen, dass das Lightning Network am besten für kleine oder Mikrotransaktionen geeignet ist, da Vorfinanzierungskanäle erforderlich sind und mit größeren Transaktionen potenzielle Risiken verbunden sind.

Plasma erforschen

Plasma ist eine weitere Layer-2-Skalierungslösung, die in erster Linie die Skalierbarkeitsprobleme des Ethereum-Netzwerks lösen soll. Plasma wurde von Joseph Poon und Ethereum-Mitbegründer Vitalik Buterin konzipiert und verwendet das Konzept von Sidechains, um eine hierarchische Struktur aus miteinander verbundenen Blockchains zu erstellen, die jeweils unabhängig voneinander arbeiten und letztendlich an der Ethereum-Hauptkette verankert sind.

Im Plasma-Framework ist eine übergeordnete Kette (die Ethereum-Hauptkette) mit mehreren untergeordneten Ketten oder Plasmaketten verbunden, die in der Lage sind, Smart Contracts auszuführen und Transaktionen unabhängig voneinander abzuwickeln. Diese untergeordneten Ketten können ihre eigenen untergeordneten Ketten haben und bilden so eine baumartige Struktur. Der Hauptvorteil dieser Architektur besteht darin, dass jede Kette unabhängig arbeitet und einen erheblichen Teil der Transaktionen von der Hauptkette abnimmt, was die Skalierbarkeit verbessert.

Wenn ein Benutzer mit einer Plasmakette interagieren möchte, hinterlegt er zunächst seine Ether- oder ERC-20-Token in einem Smart Contract auf der Ethereum-Hauptkette. Dieser Smart Contract fungiert als Brücke zwischen der Hauptkette und der Plasmakette. Sobald die Hinterlegung bestätigt ist, werden die entsprechenden Vermögenswerte auf der Plasmakette erstellt, sodass der Benutzer schneller und mit geringeren Gebühren Transaktionen durchführen oder mit Smart Contracts interagieren kann.

Um die Sicherheit und Integrität der Plasmakette zu gewährleisten, wird ein Prozess namens „Plasma-Exit“ eingesetzt. Dieser Prozess ermöglicht es Benutzern, ihre Vermögenswerte aus der Plasmakette zurück in die Hauptkette zu ziehen, selbst wenn ein böswilliger Akteur versucht, die Plasmakette zu kompromittieren. Darüber hinaus basieren Plasmaketten auf einem Konsensmechanismus namens „Proof of Authority“, bei dem eine kleine Anzahl von Validierern für die Aufrechterhaltung der Integrität der Kette verantwortlich ist, was die Leistung der Kette weiter optimiert.

Indem Plasma einen Großteil der Transaktionslast von der Hauptkette abnimmt, kann es die Skalierbarkeit von Ethereum deutlich verbessern und so den Weg für die Entwicklung anspruchsvollerer und ressourcenintensiverer dezentraler Anwendungen (dApps) innerhalb des Ökosystems ebnen.

Vergleich von Lightning Network und Plasma

Das Lightning Network und Plasma stellen zwei verschiedene Ansätze für Layer-2-Skalierungslösungen dar, die jeweils auf die spezifischen Eigenschaften und Anforderungen ihrer jeweiligen Blockchains, Bitcoin und Ethereum, zugeschnitten sind.

Das für Bitcoin entwickelte Lightning Network nutzt staatliche Kanäle, um Transaktionen außerhalb der Kette zu ermöglichen. Es eignet sich besonders gut für die schnelle und kostengünstige Abwicklung großer Mengen kleiner Transaktionen. Indem es Benutzern ermöglicht, direkte Zahlungskanäle untereinander zu öffnen, fördert das Lightning Network Mikrotransaktionen und häufige, kostengünstige Interaktionen und ist damit eine ideale Lösung für Szenarien, die hochfrequente Transaktionen mit geringem Wert erfordern. Für größere Transaktionen ist es jedoch möglicherweise nicht so geeignet, da Vorfinanzierungskanäle erforderlich sind und mit erheblichen Kanalguthaben potenzielle Sicherheitsrisiken verbunden sind.

Plasma hingegen, das für Ethereum entwickelt wurde, nutzt ein Netzwerk von Sidechains, um die Hauptkette von Rechenlast zu entlasten. Dadurch eignet es sich besonders gut für komplexe Vorgänge, wie sie mit dezentralen Anwendungen oder Smart Contracts verbunden sind. Plasma-Chains können eine Vielzahl von Aufgaben bewältigen, von einfachen Wertübertragungen bis hin zu komplexen Smart-Contract-Interaktionen. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass die Robustheit von Plasma mit einem gewissen Grad an Komplexität einhergeht und die hierarchische Natur des Netzwerks Herausforderungen bei der Koordination zwischen mehreren Sidechains mit sich bringen kann.

Im Wesentlichen stellen sowohl das Lightning Network als auch Plasma bedeutende Fortschritte in der Skalierbarkeit der Blockchain dar, jedes mit seinen Stärken und idealen Anwendungsfällen. Da sich Layer-2-Lösungen weiterentwickeln, werden wir wahrscheinlich spezialisiertere Implementierungen sehen, die ein vielfältiges Spektrum an Skalierbarkeitsanforderungen in der breiteren Blockchain-Landschaft abdecken.

Anwendungsfälle und Erfolgsgeschichten aus der Praxis

Layer-2-Lösungen sind nicht nur theoretische Konstrukte. Sie haben bereits begonnen, spürbare Auswirkungen auf die Blockchain-Welt zu haben und ihren praktischen Nutzen in verschiedenen Anwendungen unter Beweis zu stellen.

Das Lightning Network hat Bitcoin-Nutzern weltweit Mikrotransaktionen ermöglicht, wobei derzeit Tausende von Knoten und Kanälen aktiv sind. Eine bemerkenswerte Anwendung ist die Social-Media-Plattform Sphinx Chat, die das Lightning Network integriert hat, um Mikrozahlungen für Content-Ersteller zu ermöglichen. Indem Sphinx Chat direkte, kostengünstige Zahlungen zwischen Benutzern und Erstellern ermöglicht, ist es Vorreiter eines neuen Monetarisierungsmodells für soziale Medien.

Im Online-Einzelhandel hat der Zahlungsabwickler OpenNode das Lightning Network genutzt, um sofortige Bitcoin-Transaktionen mit geringen Gebühren zu ermöglichen. Dadurch konnten sowohl große als auch kleine Unternehmen Bitcoin-Zahlungen wirtschaftlicher und effizienter als je zuvor akzeptieren.

Eine vielversprechende Implementierung von Plasma ist Matic Network (jetzt Polygon), das ein skalierbares und flexibles Layer-2-Framework für Ethereum bereitstellt. Durch die Verwendung einer Variante von Plasma konnte Matic die Transaktionsgeschwindigkeit deutlich erhöhen und gleichzeitig die Kosten senken. Damit ist es eine attraktive Lösung für dezentrale Anwendungen, die Skalierbarkeit anstreben.

Diese Erfolgsgeschichten unterstreichen das erhebliche Potenzial von Layer-2-Lösungen bei der Verbesserung der Blockchain-Skalierbarkeit. Da sich diese Technologien weiterentwickeln und ausgereifter werden, können wir mit einem breiteren Spektrum an Anwendungsfällen und einer umfassenderen Integration in bestehende Blockchain-Netzwerke rechnen.

Zukunft der Layer 2-Lösungen

Da sich die Blockchain-Technologie weiterentwickelt und reift, werden Layer-2-Lösungen eine immer wichtigere Rolle bei der Verbesserung der Skalierbarkeit und der breiten Einführung der Blockchain-Technologie spielen. Die Reise ist jedoch noch in den Anfängen und die Landschaft ist voller Möglichkeiten für Erkundung und Innovation.

Eine spannende Perspektive liegt in der Entwicklung interoperabler Layer-2-Lösungen, die auf verschiedenen Blockchain-Plattformen funktionieren. Solche kettenübergreifenden Layer-2-Lösungen könnten nahtlose Interaktionen zwischen verschiedenen Blockchain-Ökosystemen ermöglichen, isolierte Blockchain-Inseln effektiv überbrücken und ein einheitlicheres und leistungsfähigeres Blockchain-Netzwerk schaffen.

Darüber hinaus stellt die Anwendung von Layer-2-Lösungen im schnell wachsenden Bereich des dezentralen Finanzwesens (DeFi) einen vielversprechenden Ansatz dar. Da die Komplexität und das Transaktionsvolumen von DeFi-Plattformen weiter zunehmen, könnten Layer-2-Lösungen eine entscheidende Rolle bei der Bewältigung dieses Nachfrageschubs spielen, ohne die zugrunde liegende Blockchain zu überlasten.

Darüber hinaus könnten Fortschritte bei Layer-2-Technologien die Tür zu neuen Anwendungen der Blockchain-Technologie öffnen, die derzeit aufgrund von Skalierbarkeitsbeschränkungen nicht umsetzbar sind. Diese könnten von dezentralen Social-Media-Plattformen bis hin zu globalen Lieferkettensystemen reichen und möglicherweise ganze Branchen revolutionieren.

Man darf jedoch nicht vergessen, dass Layer-2-Lösungen zwar vielversprechend sind, aber kein Allheilmittel. Jede Lösung bringt ihre Nachteile und Herausforderungen mit sich, und es ist entscheidend, weiterhin andere Möglichkeiten zur Verbesserung der Blockchain-Skalierbarkeit zu erkunden, wie z. B. Layer-1-Optimierungen und neuartige Konsensalgorithmen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Entwicklung von Layer-2-Lösungen ein entscheidender Bestandteil der laufenden Blockchain-Revolution ist. Indem sie eine effiziente und effektive Skalierung von Blockchains ermöglichen, ebnen diese Technologien den Weg für eine Zukunft, in der die Blockchain-Technologie tief in die Struktur unseres digitalen Lebens integriert ist.

Originalartikel veröffentlicht auf unserer Website:  www.cryptocurrencyguide.org