Was sind Layer-1- und Layer-2-Blockchain-Netzwerke?

Ein Leitfaden zum Blockchain-Trilemma und zur Skalierbarkeit

Von: Rahul Nambiampurath

Während sich die Smart-Contract-Kriege verschärfen, unterscheiden sich Layer-1- und Layer-2-Blockchains.

Von Proof-of-Work- bis hin zu Proof-of-Stake-Blockchains hat jede ihre eigene Art der Skalierung, um das Transaktionsvolumen zu berücksichtigen.

Alle Computernetzwerke, einschließlich Blockchain-Netzwerke, sind für die Weiterleitung von Daten auf Bandbreite angewiesen. Letztere sind jedoch anfälliger für ein Bandbreitenskalierungsproblem als stark zentralisierte Netzwerke:

Dieser Balanceakt zwischen Sicherheit, Dezentralisierung und Skalierbarkeit wird als Blockchain-Trilemma bezeichnet. Einfach ausgedrückt: Wenn ein Blockchain-Netzwerk stark zentralisiert ist, ist es weniger sicher und skalierbarer. Die geringe Knotenzahl würde Transaktionen schneller machen, da die Rechenleistung weniger verteilt wäre.

Die geringe Knotenzahl würde wiederum die Verwundbarkeit des Netzwerks erhöhen. Immerhin übernimmt es die Kontrolle über 51 % der Knoten, die von Hackern kompromittiert werden.

In einem solchen Szenario wäre es dann möglich, das Hinzufügen neuer Transaktionen zur Blockchain zu blockieren. Darüber hinaus könnten die Transaktionen neu angeordnet oder sogar rückgängig gemacht werden. Letzteres würde dann zum Double-Spending-Problem führen, bei dem die gleiche Menge an digitalem Bargeld mehr als einmal ausgegeben wird.

Es versteht sich von selbst, dass die drohende Bedrohung durch den 51-Prozent-Angriff alle Kryptowährungen wertlos machen würde. Aus diesem Grund ist es kein Zufall, dass die am stärksten dezentralisierten Blockchain-Netzwerke auch die beliebtesten sind: Ethereum (ETH) mit 4.457 Knoten und Bitcoin (BTC) mit 15.733 Knoten. Von Tausenden von Kryptowährungen hat das Paar eine Marktkapitalisierung von 503 Milliarden US-Dollar oder 57 % des Gesamtwerts aller Kryptowährungen.

Da sie jedoch so dezentralisiert und sicher sind, sind sie weniger skalierbar. In der Praxis führt dies zu hohen Transaktionsgebühren und langen Transaktionsbestätigungszeiten.

Je dezentraler die Blockchain ist, desto beliebter ist sie, allerdings wird sie auch weniger erschwinglich und langsamer. Das ist ein ziemliches Rätsel.

Was tun mit einer sicheren, aber verstopften Autobahn? Es ist ganz einfach: Sie verbinden eine Straße damit, um den Verkehr zu entlasten. Dies ist genau der Unterschied zwischen Layer-1- und Layer-2-Blockchain-Netzwerken.

Schicht 1 ist das Haupt-Blockchain-Netzwerk, das für On-Chain-Transaktionen zuständig ist, während Schicht 2 das verbundene Netzwerk ist, das für Off-Chain-Transaktionen zuständig ist. Das Bitcoin-Netzwerk ist Layer 1.

Es bietet eine katastrophale Geschwindigkeit von fünf bis sieben Transaktionen pro Sekunde (tps). Dies führte zu Transaktionen, deren Abschluss manchmal Stunden dauerte. Es genügt zu sagen, dass ein solches Netzwerk niemals die Verwendung von Bitcoin als Kryptowährung beim regulären täglichen Einkauf ermöglichen könnte.

Das Lightning Network von Bitcoin ist eine Layer-2-Skalierbarkeitslösung, die Bitcoin-Transaktionen mit vernachlässigbaren Gebühren und nahezu sofortiger Transaktionszeit ermöglicht.

Seit Mai 2021 hat sich die Zahl der LN-Sender mehr als verdoppelt. Seine Kanäle ermöglichen Off-Chain-Transaktionen, die dann gebündelt und zurückgebracht werden, um auf der Layer-1-Hauptkette von Bitcoin aufgezeichnet zu werden.

Auf technischer Ebene handelt es sich bei Lightning Network um ein Peer-to-Peer-System (P2P), das Kanäle zwischen Parteien, beispielsweise einem Kunden und einem Shop, öffnet. Obwohl die Anzahl der Transaktionen unbegrenzt und nahezu sofort möglich ist, muss man zunächst einen bestimmten Bitcoin-Betrag sperren. Nach der Sperrung stellen die Empfänger den gesperrten Betrag effektiv in Rechnung, je nach Bedarf und solange der Kanal geöffnet und finanziert bleibt.

Am wichtigsten ist, dass auf einem LN-Kanal keine Layer-1-Bestätigungen erforderlich sind. Wenn die Transaktionen auf einem Kanal abgeschlossen sind, wird der Kanal geschlossen und sein Zahlungsdatensatz wird als eine einzelne Transaktion konsolidiert. Als solches wird es dann zur Schicht 1 von Bitcoin hinzugefügt.

Das Endergebnis besteht darin, mehrere Transaktionen außerhalb der Kette (auf Schicht 2) zu bündeln und sie in kompakter Form zur Schicht 1 hinzuzufügen. Ebenso funktioniert das gleiche Prinzip der Bündelung von Off-Chain-Daten zur Rückmeldung an Schicht 1 mit Ethereum und seinen vielen Schichten 2 Skalierbarkeitslösungen.

Top 10 Layer-2-Skalierbarkeitslösungen für Ethereum. Bildnachweis: L2beat.com

Obwohl sie demselben Zweck dienen, können Layer-2-Skalierbarkeitslösungen weiter unterteilt werden in:

Es gibt jedoch Blockchain-Layer-1-Netzwerke, die nicht auf externe Layer-2-Netzwerke jeglicher Art angewiesen sind. Sie wurden von Anfang an so konzipiert, dass sie intern die Skalierbarkeit als Layer-1-Netzwerke gewährleisten.

Obwohl Ethereum auf externe L2-Skalierbarkeitsnetzwerke angewiesen ist, hat es auch einige Layer-1-Skalierbarkeitstricks im Ärmel. Sie werden jedoch höchstwahrscheinlich später im Jahr 2023 als Teil des gesamten ETH 2.0-Upgrades vom Proof-of-Work- zum Proof-of-Stake-Konsens implementiert.

Das wichtigste ist das Sharding. Schon bevor die Blockchain-Technologie populär wurde, war Sharding eine beliebte Datenbankverwaltungsmethode. Diese Layer-1-Skalierungslösung unterteilt das Netzwerk in Stücke, sogenannte Shards. Jeder Shard verarbeitet und validiert Transaktionen parallel.

Darüber hinaus müssen den Shards zugewiesene Knoten nicht den gesamten Blockchain-Datensatz enthalten. Stattdessen tauschen sie Daten (Salden, Adressen) untereinander aus und geben Beweise an die Hauptkette weiter. Neben Ethereum sind Tezos, Zilliqa und Qtum Blockchains, die Sharding nutzen oder erforschen.

Hier sind einige PoS-Blockchains, die Layer 1 sind:

Algorand hat seinen modifizierten Pure Proof-of-Stake (PPoS)-Konsens. Einfach ausgedrückt bedeutet dies, dass alle ALGO-Inhaber mit nur einem Token Netzwerkbelohnungen erhalten, wenn Menschen die Blockchain nutzen. Im Gegensatz dazu hat Ethereum bei einem Einsatz von 32 ETH (~90.000 US-Dollar) eine ziemlich hohe Eintrittsbarriere.

Was die Skalierbarkeit betrifft, verfügt Algorand über eine integrierte zweistufige Architektur, in der komplexere Transaktionen, die für DeFi-Protokolle reserviert sind, von einer Kette abgewickelt werden, während einfache Transaktionen (Token-Transfers) von einer anderen abgewickelt werden. Auf diese Weise kann Algorand von Natur aus TPS von bis zu 1.000 erreichen und damit die Schicht 1 von Ethereum mit 14–17 TPS deutlich übertreffen.

Wenn man jedoch bedenkt, dass Algorand weniger als 100 dApps zur Verfügung hat, verglichen mit fast 3.000 bei Ethereum, bleibt abzuwarten, ob es wirklich skalierbar ist. Man könnte argumentieren, dass eine niedrige Hürde für das Abstecken das Netzwerk anfälliger für böswillige Akteure machen könnte. Ebenso verfügt Algorand im Gegensatz zu Ethereum nicht über einen Kürzungsmechanismus zur Bestrafung schlechter Akteure.

Elrond verwendet Sharding als wichtigste Skalierbarkeitslösung der Schicht 1. Theoretisch kann es dank der Kombination aus sicherem Proof-of-Stake (SPoS)-Konsensprotokoll und Adaptive State Sharding (ASS) bis zu 100.000 tps verarbeiten.

ASS ist dynamisches Sharding, bei dem Shards je nach Verkehrslast des Netzwerks entweder geteilt oder zusammengeführt werden. Darüber hinaus ist nicht nur das Netzwerk fragmentiert, sondern auch die Transaktionen selbst. Die Sicherheit wird durch die Tatsache erhöht, dass Validatoren über mehrere Shards verteilt sind, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer böswilligen Shard-Übernahme geringer wird.

Celo ist ein Hard Fork von Go Ethereum (Geth), der 2017 stattfand. Nach dem Fork wurden ein Proof-of-Stake und ein brandneues Adresssystem implementiert. Dadurch ist es möglich, eine Telefonnummer als öffentlichen Schlüssel zu verwenden, was Celo zur weltweiten Lösung für mobiles Bezahlen macht.

Celo hat einen eigenen Stablecoin. Tatsächlich drei davon: cEUR, cUSD und cREAL. Da Celo PBFT (Practical Byzantine Fault Tolerance) für seinen PoS-Konsens verwendet, kann es bösartige Knoten tolerieren, selbst wenn es nur eine kleine Anzahl davon gibt. Mit anderen Worten: Ein zusätzlicher Knoten erhöht den Kommunikationsaufwand des Netzwerks exponentiell.

Harmony, eine weitere Blockchain mit einem eigenen optimierten PoS, verwendet einen effektiven Proof-of-Stake (EPoS). Seine Hauptkette besteht aus vier Shards, die gleichzeitig neue Transaktionen verifizieren und hinzufügen. Jeder verfügt nicht nur über separate Validatoren, sondern jeder kann Transaktionen auch mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ausführen, was zu unterschiedlichen Blockhöhen führt.

Die Blockhöhe ist für die Blockchain-Sicherheit von entscheidender Bedeutung, da sie zwischen den Blöcken unterscheidet. Mit Sharding und Blockhöhen-Randomisierung schafft Harmony ein Gleichgewicht zwischen Skalierbarkeit und Sicherheit. Dies wird durch die Cross-Chain-Horizon-Bridge von Harmony noch verstärkt, die es dem Netzwerk ermöglicht, eine Verbindung zu den Layer-2-Skalierbarkeitslösungen von Ethereum herzustellen.

Es gibt viele weitere Layer-1-Netzwerke, die in Betracht gezogen werden sollten: Cardano (ADA), Solana (SOL), THORChain (RUNE), Polkadot (DOT), Avalanche (AVAX), Fantom (FTM), Binance Smart Chain (BNB), Tron (TRX). ), Kava (KAVA), Radix (DLT) und andere.

Allerdings wurde keiner von ihnen unter realen Bedingungen so stark einem Stresstest unterzogen wie Ethereum mit seinem großen Portfolio an dApps. Auf dem Papier erhebt jedes L1-Netzwerk den Anspruch, das Blockchain-Trilemma auf irgendeine Weise zu lösen.

Der realistischste und praktischste Weg scheint darin zu bestehen, den Engpass auf Layer-2-Netzwerke auszulagern. Dieses Bridging bringt für den Endbenutzer zwar ein gewisses Maß an Komplexität mit sich, aber auch Cross-Chain-Bridging.

Letztendlich wird das Blockchain-Ökosystem diversifiziert, wobei viele Layer-1- und Layer-2-Lösungen als Meta-Blockchain-Netzwerk zusammenarbeiten.