Die Blockchain ist eines der meistdiskutierten Technologien der letzten Jahre. Dieser Artikel ist der 3. Teil der Serie “Die Revolution ist da, Zeit sie zu begreifen – Warum wir uns mit Blockchain, Web3.0 und DAOs beschäftigen?” Hier beschäftigen wir uns mit den Herausforderungen der Technologie:

Man verliert schnell den Überblick und viele mögen sich fragen, warum es so viele unterschiedliche Coins, Blockchain-Technologien und Anwendungen überhaupt gibt und warum hypt die eine Technologie oder Anwendung während die andere wieder floppt. Dies liegt vor allem daran, dass die Blockchain zwar schon weit fortgeschritten ist, aber noch weit von einer Massenanwendung entfernt ist. Heute handelt es sich bei der Blockchain und den vielen darauf beruhenden Anwendungen vielmehr um ein ganzes miteinander verzahntes Ecosystem, wobei jeder Bestandteil dieses Systems für sich gesehen ohne die anderen vermutlich nicht existieren könnte.

Dies liegt vor allem daran, dass eine große Herausforderung der Technologie im Hinblick auf die Massenanwendung noch nicht gelöst ist: Die Skalierbarkeit.

Denn um mit zentralisierten Systemen für die Transaktionsabwicklung (z.B. VISA oder Mastercard) konkurrieren zu können, müssen Blockchain-Netzwerke hochskalierbar sein, um eine stetig stark wachsende Nutzerzahl, deren Transaktionen und Daten schnell und problemlos abwickeln zu können. Nur wenn die Skalierbarkeit hoch genug ist, können Blockchain-Netzwerke klassische zentralisierte Systeme ablösen.

Ein häufig verwendeter Vergleich, um die Kluft in der Skalierbarkeit anzuzeigen, ist, dass Bitcoin aufgrund seiner aufwendigen Proof-of-Work-Technologie – dazu später mehr – nur zwischen 4 – 7 Transaktionen pro Sekunde verarbeiten kann. VISA hingegen wickelt etwa 1.700- 2.000 Transaktionen pro Sekunde ab. Um mit diesen bestehenden Systemen konkurrieren zu können, muss die Blockchain-Technologie diese hohe Skalierbarkeit erreichen oder übertreffen.

Hier stehen wir jedoch vor einem Dilemma – oder präziser gesagt: vor einem Trilemma, wie es von Vitalik Buterin, dem Mitgründer und konzeptionellen Erfinder der Kryptowährung Ether sowie des Blockchain Netzwerks Ethereum, beschrieben wird. Danach fehlt es bisher an einer Lösung, mit der die Skalierbarkeit eines Blockchain-Netzwerks erhöht werden kann, ohne gleichzeitig Einbußen seitens der Sicherheit zu erleiden und ohne die Eigenschaft der Dezentralisierung des Netzwerks (z.B. durch Aufsicht) zu schwächen.

Die Suche nach diesem heiligen Gral hat zu einer erheblichen Fragmentierung der technischen Lösungen, der Plattformen und der darauf aufbauenden Anwendungen geführt. Welche sich letztendlich durchsetzen werden steht hingegen noch in den Sternen.

Derzeit gibt es zwei grundlegende Ansätze, um das Skalierbarkeitsproblem der Blockchain zu lösen: Layer-1- und Layer-2-Lösungen.

1.       Layer-1-Protokolle

Layer-1 wird als Begriff verwendet, um die zugrunde liegende Blockchain-Architektur zu beschreiben. Layer-2 hingegen ist ein über einer Layer 1 Blockchain-Architektur gelagertes Netzwerk. Es sind Protokolle von meist Drittanbietern, die sich in eine zugrunde liegende Layer-1-Blockchain integrieren, um die Transaktionsanzahl zu erhöhen und zu beschleunigen.

Layer-1-Lösungen sind insbesondere die Folgenden: Bitcoin, Ethereum, Cardano, Solana, Algorand, Litecoin, Qtum, Tezos, Harmony, Binance, Avalanche, Terra Luna u.v.m.

Die einzelnen Layer-1-Lösungen unterscheiden sich dahingehend, dass sie unterschiedliche Regeln der Blockchain ändern, um die Transaktionskapazität und -geschwindigkeit zu erhöhen und gleichzeitig mehr Nutzer und Daten aufnehmen zu können. Layer-1-Skalierungslösungen können beispielsweise die Erhöhung der in jedem Block enthaltenen Datenmenge oder die Beschleunigung der Blockbestätigungsrate beinhalten, um den Gesamtdurchsatz des Netzwerks zu erhöhen.

Eine weitere Möglichkeit, um die Skalierbarkeit zu erhöhen ist die Optimierung des Konsensprotokolls. Jegliche Transaktion auf einer Blockchain muss verifiziert werden (sog. Konsens), um eine hohe Sicherheit des Netzwerks zu gewährleisten. Dafür gibt es unterschiedliche Konsensmechanismen.

Proof of Work (PoW) ist ein Konsensprotokoll, das etwa beim Bitcoin verwendet wird. Obwohl PoW sicher ist, kann es jedoch langsam sein. Hierbei lösen müssen Miner kryptografische Algorithmen mit erheblicher Rechenleistung lösen damit ein neuer Bitcoin im Netzwerk entsteht.

Aus diesem Grund bevorzugen viele neuere Blockchain-Netzwerke einen Proof-of-Stake (PoS)-Konsensmechanismus. Anstatt Rechenaufgaben lösen müssen, verarbeiten und validieren PoS-Systeme neue Blöcke von Transaktionsdaten auf der Grundlage von Sicherheiten, die Teilnehmer im Netzwerk hinterlegen.

Dieses scheint Anklang zu finden, so will Ethereum mit Version 2.0 zu einem PoS-Konsensalgorithmus übergehen, von dem erwartet wird, dass er die Kapazität des Ethereum-Netzwerks drastisch und grundlegend erhöht, während er die Dezentralisierung verstärkt und die Netzwerksicherheit bewahrt.

Ein neuerer Lösungsansatz ist das sogenannte Sharding. Sharding ist ein von verteilten Datenbanken (distributed databases) übernommener Mechanismus, der trotz seines eher experimentellen Charakters im Blockchain-Bereich zu einer der beliebtesten Layer-1-Skalierungslösungen geworden ist. Beim Sharding wird der Zustand des gesamten Blockchain-Netzwerks in verschiedene Datensätze, sogenannte “Shards”, aufgeteilt – eine leichter zu bewältigende Aufgabe, als wenn alle Knoten das gesamte Netzwerk pflegen müssten. Diese Netzwerksplitter werden gleichzeitig und parallel vom Netzwerk verarbeitet, was eine sequentielle Bearbeitung zahlreicher Transaktionen ermöglicht.

Außerdem wird jeder Netzwerkknoten einem bestimmten Shard zugewiesen, anstatt eine Kopie der gesamten Blockchain zu verwalten. Die einzelnen Shards stellen der Hauptkette Beweise zur Verfügung und interagieren miteinander, um Adressen, Guthaben und allgemeine Zustände mithilfe von Shard-übergreifenden Kommunikationsprotokollen auszutauschen. Ethereum 2.0 ist eines der bekanntesten Blockchain-Protokolle, das mit Shards experimentiert, ebenso wie Zilliqa, Tezos und Qtum.

2.       Layer-2-Protokolle

Nun zu den Layer 2 Lösungen. Diese verfolgen einen fundamental unterschiedlichen Ansatz, indem aufbauend auf einem Layer-1-Protokoll ein weiteres Netzwerk bzw. ein Protokoll darübergelegt wird und mit diesem zusammenarbeitet, um die Skalierbarkeit und Effizienz der Main-Chain zu verbessern. Dadurch können Teile der Transaktionslast eines Blockchain-Protokolls auf eine angrenzende Systemarchitektur ausgelagert werden, die dann die Hauptlast der Datenverarbeitung des Netzwerks trägt und die Ergebnisse erst nach Abschluss der Datenverarbeitung an die zugrundeliegende Haupt-Blockchain (Main Chain) zurück übermittelt. Durch die Auslagerung des Großteils der Datenverarbeitung auf eine Hilfsarchitektur wird die Mainchain weniger belastet und wird dadurch letztendlich skalierbarer. Gleichzeitig kann diese Hilfsarchitektur auch für Sicherheit und Dezentralität sorgen.

Unterschieden werden dabei mehrere Arten von Ansätzen, die bei Layer-2-Lösungen verwendet werden, je nachdem wie eine solche Auslagerung integrierten wurden.

So ermöglichen etwa State-Channel-Lösungen, den Nutzern, mehrere Transaktionen auf einer anderen Kette (Layer 2) durchzuführen. Im Gegensatz dazu verarbeitet die Hauptkette (Layer 1) nur zwei Transaktionen, und zwar eine, wenn der Kanal geöffnet wird, und eine, wenn dieser wieder geschlossen wird. Das bedeutet, sobald die Transaktionen abgeschlossen sind und der Kanal nicht mehr benötigt wird, übermitteln die Teilnehmer ihre Kopien des Transaktionsverlaufs, um ihre Kopien der Daten gegen zu prüfen und sicherzustellen, dass es keine Diskrepanzen gibt. Zu den Projekten, die an State-Channels arbeiten, gehören Celer und Raiden Network.

Plasma hingegen besteht aus mehreren Kopien der Mainchain, sog. Child Chains, die nebeneinander laufen, wodurch sehr viele Transaktionen zeitgleich in diesen Child Chains verarbeitet, gebündelt und als eine einzige Transaktion an die Hauptkette zurückgeschickt werden können. Da diese Child Chains jedoch über keinen Verifikationsmechanismus verfügen, können sich Nutzer im Falle von Fehlern daher nur auf die letzten korrekten Snapshots der Plasmakette beziehen und ihre Token wiederherstellen. Zu den Projekten, die Plasmaschichten verwenden, gehören Polygon und das OMG Netzwerk.

Side Chains unterscheiden sich von Child Chains dahingehend, dass es sich dabei um separate Blockchains handelt, die parallel zur Hauptkette laufen und über eigene Konsensmechanismen und Sicherheitsalgorithmen verfügen. xDai und Polygon sind zwei Beispiele für Ethereum-Sidechains.

Rollups verlagern die Transaktionsberechnungen außerhalb der Mainchain, speichern die Transaktionsdaten jedoch in der Ethereum-Kette, was bedeutet, dass Rollups durch die Mainchain gesichert sind.

Dies wird durch Smart Contracts erreicht, deren Hauptfunktion darin besteht, Transaktionsdaten zu bündeln und zur Verarbeitung außerhalb der Kette zu verschieben (Roll-up). Diese Daten werden von Netzwerkteilnehmern dann verarbeitet, die typischerweise als Sequenzer oder Validierer bezeichnet werden und die dann Stapel (batches) hochkomprimierter Transaktionsdaten an die Hauptkette zurücksenden. Diese Stapel enthalten die Mindestinformationen, die erforderlich sind, um zu überprüfen, ob die Transaktionen gültig sind.

Da Rollups die Berechnungen außerhalb der Chain verlagern, aber dennoch (hochkomprimierte) Daten an die-Mainchain übermitteln, können sie die Skalierbarkeit erhöhen, ohne dass es zu Problemen mit der Datenverfügbarkeit kommt, wie es bei anderen Layer-2-Lösungen manchmal der Fall ist. Einige Rollups bieten auch die Option der Off-Chain-Datenverfügbarkeit (bei der keine Daten tatsächlich auf der Mainchain gepostet werden), was zu erheblichen Steigerungen des Durchsatzes führen kann, allerdings auf Kosten einer geringeren Sicherheit.

Die Verifizierungsmethode ist der Hauptunterschied zwischen den beiden Arten von Rollups – Zero Knowledge (ZK) Rollups und optimistische Rollups. ZK-Rollups erzeugen kryptografische Beweise, die zum Nachweis der Gültigkeit von Transaktionen verwendet werden können. Jeder Stapel von Transaktionen hat seinen eigenen “Gültigkeitsnachweis”, der an die Hauptkette übermittelt wird.

Im Gegensatz dazu gehen optimistische Rollups davon aus, dass alle Transaktionen gültig sind, und übermitteln Stapel, ohne irgendwelche Berechnungen durchzuführen, was zu erheblichen Verbesserungen der Skalierbarkeit führen kann. Sie beinhalten jedoch eine Anfechtungsfrist, in der jeder die Legitimität der in einem Stapel enthaltenen Daten anfechten kann.

Validium verwendet Gültigkeitsnachweise ähnlich wie Zero-Knowledge-Rollups, behält aber die Daten außerhalb der Kette, anstatt sie an die Ethereum-Hauptkette zu senden. Da alle Daten außerhalb der Kette gehalten werden, kann Validium eine noch höhere TPS von bis zu 20’000 erreichen.

Da die Daten jedoch nicht auf der Mainchain gespeichert werden, erfordert Validium einige Vertrauensannahmen, und eine Mehrheit der Validatoren kann sich dafür entscheiden, Gelder einzufrieren, indem sie keine Daten bereitstellt. StarkWare’s StarkEx ist eine validiumbasierte Lösung. StarkEx ist in die Derivatebörse dYdX und die NFT-Plattform ImmutableX integriert.

Weiter zu Teil 4: Wesen der Dezentralisierung – Rekurs auf die Grundlage der Blockchain und die Idee der DAOs