Was sind Blockchain-Schichten (Layers)?

Lernergebnisse:

Am Ende dieses Artikels haben Sie folgendes gelernt:

1. Der Unterschied zwischen den Konzepten L0, L1, L2 und L3 
2. Die Herausforderungen von Blockchains 
3. Wie Skalierungslösungen funktionieren 
4. Wie Bridging-Lösungen funktionieren 

Was sind Blockchain-Schichten (Layers)?

Blockchains wie Bitcoin und Ethereum werden als Abwicklungsebene bezeichnet, weil sie die Transaktionen digitaler Währungen abwickeln und speichern. Sie werden alternativ als Layer-1-Chains bezeichnet, die in einer Hierarchie anderer Schichten von 0-3 stehen. 

Die Fragen, die sich daraus ergeben, lauten: Warum ist mehr als eine Blockchain-Schicht erforderlich, und welche Aufgaben haben die einzelnen Schichten? 

Das Konzept der Blockchain-Schichten 

Es ist üblich, technische Systeme mit dem Konzept eines Stacks oder von Schichten (Layers) zu beschreiben. Die Funktionsweise des Internets ist ein gutes Beispiel, das im Vier-Schichten-TCP/IP-Modell beschrieben wird: Netzzugangsschicht (1) > Internetschicht (2) > Transportschicht (3) > Anwendungsschicht (4). 

Blockchains sind dasselbe. Auf technischer Ebene lassen sich Blockchains in fünf Schichten unterteilen: 

• Die Infrastruktur- oder Hardwareschicht – Das Netz der physischen Computer, die über das Internet auf Peer-to-Peer-Basis miteinander verbunden sind. 

• Die Datenschicht – Die Informationen, die in Blockchains gespeichert und aktualisiert werden.  

• Die Netzwerkschicht – Die Software, die es den Netzwerk-Nodes ermöglichen, nach neuen Blöcken zu suchen, sie vorzuschlagen und dem Netzwerk hinzuzufügen. 

• Die Konsensschicht – Die Systeme, welche die Integrität und Authentizität der in Blockchains gespeicherten Daten aufrechterhalten; die bekanntesten sind Proof of Work und Proof of Stake. 

• Anwendungs- und Präsentationsschicht – APIs, Smart Contracts und die dApps, die eine Benutzeroberfläche bieten. 

Verwirrenderweise werden in der Krypto-Sprache jedoch häufig nummerierte Schichten verwendet, um Lösungen für zwei der größten Herausforderungen von Blockchains zu beschreiben: Interoperabilität und Skalierung. Die Layers 0, 1 und 2 werden in diesem Artikel behandelt. 

Layers 0-2: Ein Überblick 

Layer 0 – Blockchain-Erstellung und Sicherheit: Ein Blockchain-System, das Abrechnung und Sicherheit für unbegrenzt interoperable Blockchains bietet. 

Layer 1 – Basisschicht: Einzel-Instanz-Blockchains, die Abrechnung und Sicherheit bieten.

Layer 2 – Abstraktionsschicht: Batch-Verarbeitung von Transaktionen außerhalb der Chain. 

Layer 2: Skalierbarkeit und das Blockchain-Trilemma 

Der Artikel der Skrill Krypto-Akademie, der das Bitcoin-Whitepaper entschlüsselt, bietet eine vollständige Analyse, wie Bitcoin als Layer-1-Kette für die Abwicklung einer neuen Form von Internet-Geld auf Peer-to-Peer-Basis funktioniert.

Im Whitepaper wird das Wort „Layer“ zwar nicht erwähnt, aber sein pseudonymer Autor, Satoshi Nakamoto, wies an anderer Stelle im Internet auf Mängel hin, die auf die Notwendigkeit einer zweiten Schicht hindeuteten.

„Bitcoin ist derzeit für sehr kleine Mikrozahlungen nicht geeignet. Klein genug, dass man von der Spitze des Mikrozahlungsbereichs sprechen kann. Aber es wird nicht behauptet, dass es für beliebig kleine Kleinstbeträge geeignet ist.“ Satoshi Nakamoto, Referenz 

Am einfachsten lässt sich die Untauglichkeit von Bitcoin für Kleinstzahlungen veranschaulichen, indem man ein Beispiel für einen kostengünstigen, aber zeitkritischen Kauf anführt, wie z. B. den Kauf eines Kaffees zum Mitnehmen.  

Das Coffeeshop-Problem von Bitcoin 

Bitcoin ist darauf ausgelegt, neue Transaktionsblöcke alle 10 Minuten zu bestätigen. Wenn Sie also einen Kaffee mit Bitcoin kaufen und darauf warten, dass Ihr Kauf auf der Chain bestätigt wird, würde das mindestens so lange dauern, da das Netzwerk nur etwa sieben Transaktionen pro Sekunde unterstützen kann.  

Es wird daher empfohlen, dass Einzelhändler bis zu sechs Bestätigungen abwarten sollten, um den endgültigen Abschluss einer Bitcoin-Zahlung sicherzustellen. 

Niemand wird bis zu einer Stunde warten, um einen Kaffee zu kaufen, also dient Bitcoin entweder nur als Wertaufbewahrungsmittel, oder es wird eine Lösung benötigt, die es ermöglicht, Mikrozahlungen ohne lange Blockbestätigungen zu akzeptieren. 

Dieses Problem ist als Blockchain-Trilemma bekannt, weil die einzige Möglichkeit, wie Bitcoin Transaktionen in Bezug auf die Bestätigungszeit oder die Anzahl der Transaktionen pro Block skalieren könnte, darin bestünde, Blöcke entweder schneller zu bestätigen oder Blöcke größer zu machen, um mehr Transaktionen zu speichern; jede dieser Optionen beinhaltet einen inakzeptablen Kompromiss. 

• Schnellere Blöcke würden die Sicherheit gefährden, da sie die Chancen für erfolgreiche Angriffe erhöhen 

• Größere Blöcke würden die Dezentralisierung beeinträchtigen, da der Betrieb eines Nodes durch den steigenden Speicherplatzbedarf erschwert würde.  

Die Blockkriege 

Die Debatte über die Skalierung führte zu den so genannten Blockkriegen. Die Blockkriege erreichten Ende 2017 einen Höhepunkt, als eine alternative Version von Bitcoin namens Bitcoin Cash geschaffen wurde, die größere Blöcke bot.  

Die meisten Miner stimmten dafür, die bestehende Blockgröße beizubehalten, aber das hat Bitcoin Cash nicht daran gehindert, unabhängig zu existieren. Anschließend wurde es abgespaltet, um Bitcoin SV (im November 2018) zu schaffen, das unbegrenzten Blockraum bietet. 

Bitcoin wurde bereits über 100 Mal abgespaltet, aber die Dominanz der ursprünglichen Implementierung zeigt, dass eine Lösung für die Skalierbarkeit auf Bitcoin aufbauen muss, anstatt zu versuchen, es grundlegend zu verändern. 

Das Lightning Network 

Im Jahr 2015 veröffentlichten zwei Entwickler namens Joseph Poon und Thaddeus Dryja einen Vorschlag für eine Skalierungslösung der Schicht 2, die auf der bestehenden Abwicklungsschicht von Bitcoin aufbaut; sie wurde „Lightning Network“ genannt.

Das Lightning Network ermöglicht die Einrichtung von Off-Chain-Peer-to-Peer-Zahlungskanälen (auch State Channels genannt), über die zwei Personen (wir nennen sie Alice und Bob) sofort und mit minimalen Kosten Kleinstbeträge hin- und herschicken können.

Eine On-Chain-Transaktion mit einer 10-minütigen Bestätigungszeit ist nur dann erforderlich, wenn Alice oder Bob den Kanal öffnen oder schließen und Geldmittel hinzufügen oder abheben möchten.

Das Schöne am Lightning Network ist die Art und Weise, wie Zahlungen weitergeleitet werden. Alice braucht nicht unbedingt eine direkte Kanalverbindung mit Bob. Gelder können von Lightning-Hubs weitergeleitet werden, die über genügend Liquidität verfügen, um Zahlungen (einschließlich des Kaufs eines Kaffees) als Proxy-Verbindung für Tausende von Nutzern durchzuführen und von den Transaktionsgebühren zu profitieren. 

Ethereum und Layer 2 

Die Blockkriege und Layer-2-Anwendungen wie das Lightning Network bieten Lösungen für die Skalierung von Bitcoin unter Beibehaltung der bestehenden Proof-of-Work-Konsensmethode, aber alternative Konsensmethoden stellen die Skalierbarkeit auf eine ganz andere Weise dar.

Ethereum, das im Juli 2015 auf den Markt kam, hat das Proof-of-Work so angepasst, dass es eine Bestätigungszeit von etwa 13 Sekunden und einen doppelt so hohen Durchsatz wie Bitcoin ermöglicht. 

Als jedoch die Popularität von DeFi im Sommer 2020 zunahm, wurde die Grenze des Durchsatzes erreicht, was zu einem Bieterkrieg um Blockspace führte, der den offenen Bestrebungen von Ethereum zuwiderlief und auch heute noch ein Problem darstellt.

Genauso wie Lightning eine Layer-2-Lösung bereitstellte, führten die Ethereum-Entwickler Möglichkeiten ein, um Transaktionen zu stapeln, bevor sie über den Standard-Blockbestätigungsprozess übermittelt werden. 

Diese Technologie ist unter dem Begriff „Rollups“ bekannt. Jeder, der eine Transaktion innerhalb eines Rollups einreicht, kommt in den Genuss eines dramatisch höheren Durchsatzes und deutlich günstigerer Gebühren.

• Optimistische Rollups 

Die Transaktionen werden optimistisch als gültig angenommen, können aber angefochten werden.

• Zero-Knowledge-Rollups 

Die Transaktionen werden außerhalb der Chain berechnet. Anschließend werden die komprimierten Daten an das Ethereum-Mainnet übermittelt und mit Validitätsnachweisen versehen, um ihre Legitimität zu belegen. 

Layer 0: Bridging zwischen Blockchains 

Während die Skalierbarkeit von Blockchains durch den Aufbau auf der Basisschicht gelöst wird, stellt die Unfähigkeit von Blockchains, miteinander zu kommunizieren – die Interoperabilität – ein weiteres Problem für die Adoption dar. 

Die demokratische Natur der Blockchain-Entwicklung bedeutet, dass es jetzt viele Layer-1-Chains gibt, von denen jede ihre eigenen Anwendungsfälle und Lösungen für das Blockchain-Trilemma bietet. Um die Sicherheit zu gewährleisten, sind Blockchains jedoch als Silos aufgebaut und können keine Daten mit Blockchains austauschen, die mit anderen Konsensverfahren arbeiten.

Bei der Verifizierung von Transaktionen zwischen verschiedenen Blockchains müssen drei Kriterien erfüllt werden, die als Interoperabilitäts-Trilemma bekannt sind.

• Vertrauenslosigkeit: gleichwertige Sicherheit in beiden Chains 

• Erweiterbarkeit: Unterstützung für jede Domäne 

• Verallgemeinerbarkeit: in der Lage zu sein, beliebige domäne Daten zu verarbeiten 

Dies erschwert das Leben des durchschnittlichen Krypto-Nutzers, der z. B. mit einer Ethereum-basierten dApp Zinsen auf seine Bitcoin verdienen möchte. Zu den Lösungen für dieses Problem gehören:

• Token-Wrapping – Erstellung synthetischer Versionen von Vermögenswerten auf einer 1:1-Basis, z. B. wBTC 

• Bridging – zentralisierte/vertrauensbasierte Lösungen und dezentralisierte-vertrauenslose Optionen 

Durch Wrapping und Bridging wird die Inkompatibilität verschiedener Layer-1-Blockchains gemildert. Die dezentralisierten Optionen sind jedoch mit Sicherheitsrisiken behaftet, während die zentralisierten Ansätze die grundlegenden Ziele von zensurresistenten Zahlungssystemen gefährden.

Eine alternative Lösung ist die Entwicklung einer tieferen Basisschicht für den Blockchain-Stack, einer Blockchain-of-Blockchains (auch Layer 0 genannt). Oder der Aufbau von Chains, die parallel arbeiten. 

Polkadot und Cosmos 

Polkadot und Cosmos sind zwei Beispiele für Layer-0-Blockchains. Beide unterstützen die Erstellung unabhängiger, aber interoperabler Blockchains, die durch die Basisschicht gesichert sind und manchmal als „Nested Blockchains“ bezeichnet werden.  

Sidechains 

Zwischen den Schichten 0-1 liegen die Sidechains, die parallel zur Haupt-Chain mit ihrem eigenen Konsensmechanismus arbeiten. Sidechains stützen sich auf die Haupt-Chain, sowohl was die Sicherheit als auch was die Verarbeitung großer Transaktionsmengen angeht. Polygon ist ein Beispiel für ein Sidechain-Netzwerk.

Layer-0-Blockchains und Sidechain-Netzwerke bieten eine potenzielle Lösung für die künftige Interoperabilität von Blockchains, sind aber nicht abwärtskompatibel. 

Solange Polkadot, Cosmos oder andere grundlegende Blockchains nicht das gesamte Ökosystem erobern, was angesichts der Dominanz von Bitcoin und Ethereum unwahrscheinlich erscheint, wird das Problem der Interoperabilität bestehen bleiben, bis neue Ideen oder Technologien auftauchen.

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