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Blockchains versprechen das Geld des Internets, den Weltcomputer, die Zukunft der Finanzwelt, das Metaverse und vieles mehr. Aufgrund ihrer dezentralen Architektur und des Skalierungsproblems haben sie jedoch Schwierigkeiten, auch nur einen Bruchteil der Nutzerbasis der älteren zentralisierten Systeme zu unterstützen.
In der Wechselwirkung zwischen dem Blockchain-Trilemma können Ketten in der Regel zwei der drei Eigenschaften Skalierbarkeit, Dezentralisierung und Sicherheit erreichen. Bei einem bestimmten Sicherheitsniveau ist die Skalierbarkeit umgekehrt proportional zur Dezentralisierung. Daher muss eine Blockchain Kompromisse eingehen. Skalierbarkeit bezieht sich auf die Fähigkeit eines Blockchain-Systems, das Wachstum von Nutzern und Transaktionen ohne Leistungseinbussen zu unterstützen.
Netzwerküberlastung
Bei den meisten aktuellen Blockchains wird das Netzwerk mit zunehmender Anzahl von Transaktionen durch ausstehende Transaktionen überlastet, so dass die Nutzer gezwungen sind, übermässig hohe Gebühren zu zahlen. Skalierbarkeit ist wichtig, denn sie ermöglicht günstige Gebühren und die Erschliessung neuer Anwendungsfälle, was schliesslich dazu beiträgt, neue Nutzer aufzunehmen.
Diese Probleme sind bei Blockchains der älteren Generation wie Ethereum und Bitcoin besonders ausgeprägt. Die folgenden Abbildungen zeigen den Durchschnittspreis der Transaktionsgebühren von Bitcoin und Ethereum in USD und ihre Kapazitätsauslastung. Es ist zu beachten, dass die Kapazitätsauslastung von Ethereum aufgrund der Umsetzung des Ethereum Improvement Proposal 1559 in letzter Zeit auf etwa 50% – das Zielniveau – gesunken ist. Nach EIP-1559 steigen die Gebühren immer dann, wenn die Blockauslastung über 50% liegt, und umgekehrt.
Bei Bitcoin besteht ein direkter Zusammenhang zwischen Kapazitätsengpässen – mangelnder Skalierbarkeit – und der Gebühr. Wenn das System stark nachgefragt wird, kommt es zu Engpässen und die Gebühren steigen an.
Traditionelle Zahlungsnetze
Im Vergleich zu herkömmlichen Finanzlösungen ist das Verhältnis zwischen Transaktionsgeschwindigkeit und Kosten bei älteren Blockchain-Netzwerken ungünstig. Die Zahlungsabwickler von Visa führen rund 1’700 Transaktionen pro Sekunde (TPS) aus und können auf bis zu 65’000 TPS skalieren. Zum Vergleich: Eine Blockchain wie Ethereum kann nur 15 TPS verarbeiten. Aufgrund dieser Einschränkung sind Konkurrenten wie Binance Smart Chain, Solana und Polkadot aufgetaucht, die höhere TPS bieten, oft auf Kosten einer stärkeren Zentralisierung. Die folgende Tabelle zeigt den TPS-Vergleich verschiedener Blockchain-Plattformen mit VISA und PayPal.
Während er über das Skalierungsproblem sprach, twitterte Elon Musk über Dogecoin: „Idealerweise beschleunigt Doge die Blockzeit um das 10-fache, erhöht die Blockgrösse um das 10-fache und senkt die Gebühren um das 100-fache. Dann gewinnt es haushoch.“ So verlockend das auch klingt, es hat seinen Preis.
Macht Elons Vorschlag Sinn?
Einer der wichtigsten Grundsätze der Blockchain-Technologie ist es, das Vertrauen zu minimieren, wie es oft heisst: „Don’t trust, verify“. Eine Blockchain sollte möglichst wenig Hindernisse bieten, wenn ein Nutzer einen Node betreiben und die Blockchain selbst „verifizieren“ möchte. Dies trägt zur Maximierung der Dezentralisierung bei und ermöglicht es der Blockchain, zensurresistent zu bleiben und bietet Sicherheit gegen Angriffe. Bitcoin überwand das Verbot chinesischer Miner, weil es dezentral genug war, um das Netzwerk auch dann am Laufen zu halten, als der wichtigste Akteur ausfiel.
Um die Dezentralität und Vertrauenswürdigkeit zu maximieren, sollte eine Blockchain leicht genug sein, um auf durchschnittlicher Verbraucherhardware zu laufen. Die Anforderungen für Bitcoin- und Ethereum-Nodes sind gerade so niedrig, dass sie auch auf Laptops von Verbrauchern ausgeführt werden können. Für eine Kette mit höherem Durchsatz wie Solana sind die Anforderungen höher, und nur spezielle institutionelle Prüfer können Transaktionen verifizieren. Wenn wir Elons Vorschlag umsetzen, werden die Anforderungen an die Nodes verzehnfacht, was die Dezentralisierung zunichte macht und die Kette anfällig für Zensur macht. Daher ist es notwendig, alternative Lösungen für die Skalierbarkeit zu erforschen. Um diesen Weg zu veranschaulichen, werden wir Ethereum als Beispiel nehmen und verstehen, wie sich diese Lösungen auswirken und welche Kompromisse bei der Auswahl dieser Alternativen eingegangen werden müssen.
Erfreulicherweise gibt es inzwischen verschiedene Skalierungslösungen. Einige sind bereits im Einsatz und befinden sich in verschiedenen Adoptionsphasen, während andere noch in der Entwicklung sind. Jede dieser Lösungen bietet einzigartige Kompromisse und kann grundsätzlich wie folgt kategorisiert werden:
- Layer-1- oder On-Chain-Lösungen: Bei diesen Lösungen werden alle Transaktionen auf der Hauptkette selbst abgewickelt.
- Layer-2- oder Off-Chain-Lösungen: Diese Lösungen verwenden einen Off-Chain-Mechanismus, bei dem Transaktionen und Berechnungen außsserhalb der Hauptkette stattfinden.
Um den Unterschied zwischen Layer-1- und Layer-2-Lösungen besser zu verstehen, stellen Sie sich eine Strasse vor, die für Staus bekannt ist. Die Layer-1-Lösung besteht darin, die Strasse auszubauen, Kreuzungen zu entschärfen und die Fahrspuren zu verbreitern, um mehr Autos zu „verarbeiten“. Die Layer-2-Lösung besteht darin, eine zweite Strasse oder eine öffentliche Verkehrsinfrastruktur wie Busse oder U-Bahnen zu schaffen, um Staus zu vermeiden.
Layer-1-Lösungen
Zur Veranschaulichung der Skalierungslösungen für Layer-1-Blockchains stellen wir den Fall von Ethereum vor, das sein Upgrade auf Ethereum 2.0 begonnen hat. Der Hauptgrund für die Umstellung auf ETH 2.0 ist die Erhöhung des Durchsatzes von Ethereum, damit es mehr Transaktionen verarbeiten und mit neueren Layer-1-Lösungen konkurrieren kann. Der TPS sollte von heute ~15 auf ~100’000 steigen, sobald das Upgrade zusammen mit den Rollups vollständig implementiert ist. Dies wird eine erhebliche Verbesserung darstellen, die mehr Anwendungsfälle und niedrigere Transaktionskosten ermöglicht.
Um diese Geschwindigkeit zu erreichen, wird die Ethereum-Architektur „gesharded“ (dt. = aufgesplittert) sein. Sharding bedeutet, dass die Hauptkette in mehrere parallele Ketten aufgeteilt wird, um Transaktionen zu verarbeiten. Dies ist vergleichbar mit dem Ausbau einer einspurigen Strasse zu einer Autobahn mit vielen Fahrspuren, im Fall von Ethereum mit 64.
Durch Sharding können Rechenleistung und Speicherkapazität auf mehrere Systeme verteilt werden, wodurch die Anforderungen an die Node-Betreiber sinken. Jeder Shard wird seinen eigenen unabhängigen Zustand und Transaktionsverlauf haben. Im Gegensatz zur aktuellen Version ist es also nicht erforderlich, einen kompletten Ethereum-Node zu betreiben. Unter allen parallel laufenden Ketten wird die Beacon Chain als Koordinationsschicht fungieren, um alle Systemaktivitäten zu koordinieren, das Register der Validatoren zu speichern und zu verwalten, die Blockproduzenten auszuwählen und die Konsensregeln anzuwenden.
Damit Blockchains und Krypto-Assets ihre ambitionierten Versprechen von Weltcomputern und Geld für das Internet erfüllen können, müssen sie nachhaltig skalierbar sein. Die Lösung der Skalierbarkeit wird kein „Winner-take-all“-Szenario sein, und verschiedene Anwendungsfälle werden unterschiedliche Skalierungs- und Sicherheitsanforderungen erfordern. Während wir uns auf das Skalierbarkeitsproblem und Ideen für Layer-1-Blockchains konzentriert haben, wird ein kommender Artikel verschiedene darauf aufbauende Lösungen – sogenannte Layer-2-Plattformen – beleuchten.