Layer 1 bezieht sich auf eine Basis-Blockchain, wie zum Beispiel Ethereum. So eine Blockchain ist in der Lage, Transaktionen in ihrem eigenen Netzwerk zu validieren und anschließend durchzuführen. Gleichzeitig kann die Blockchain-Infrastruktur für die darauf aufbauenden DApps, Layer 2 und Layer 3 bereitstellen. Das wichtigste Merkmal einer Layer-1-Blockchain ist der Konsensmechanismus, der über die Geschwindigkeit, die Sicherheit und den Durchsatz (Anzahl der Transaktionen pro Zeiteinheit) entscheidet.
Layer-1-Blockchains: Einführung
Blockchains der Layer 1 haben ihre eigenen Netzwerke, eine Ansammlung von Knoten (Nodes), die über das Internet verbunden sind und zusammenarbeiten. Auf diese Weise wird ein Distributed Ledger (dt. verteiltes Register) erstellt, in dem Informationen über Transaktionen aufgezeichnet werden. Darüber hinaus kann eine Layer-1-Blockchain weitere Protokolle beinhalten, die auf vordefinierten Regeln basieren und innerhalb dieses Blockchain-Netzwerks funktionieren.
Je größer die Layer-1-Blockchains wurden, desto schwieriger war es, die steigende Zahl von Transaktionsanfragen zu bewältigen. Da die Sicherheit der Layer-1-Blockchain auf eine dezentrale Art und Weise gewährleistet wird, ist es schwierig, viele Transaktionen zur selben Zeit zu validieren und zu bearbeiten. Das kann schnell zur Überlastung des Netzwerks führen und zu einer schlechten Erfahrung für die Nutzer führen. Es wird auch als das Problem der Skalierbarkeit von Blockchains bezeichnet. Experten bezeichnen es auch als Blockchain-Trilemma aus diesen drei Eigenschaften, die es gilt auf einen gemeinsamen Nenner zu bringen: Dezentralisierung, Sicherheit und Skalierbarkeit. Wir gehen weiter unten näher darauf ein.
Layer-1-Blockchains können dieses Problem durch zusätzliche Blockchain-Ebenen angehen, so genannte Layer-0- oder Layer-2-Lösungen. Aber auch On-Chain-Lösungen stehen zur Verfügung, zum Beispiel die Sharding-Technologie - solche Lösung werden direkt auf der Blockchain implementiert. Die Alternative sind Off-Chain-Lösungen, die auf andere Blockchains delegiert werden. Es werden zum Beispiel Layer-2-Lösungen eingesetzt, die zwar in die übergeordnete Blockchain integriert sind, aber separat arbeiten: Sidechains (Child Chains) und Parachains.
In diesem Leitfaden über Layer-1-Blockchains erklären wir ihre Funktionsweise innerhalb des Blockchain-Ökosystems. Wir gehen näher darauf ein, was das Skalierbarkeitsproblem verursacht und warum es so wichtig ist, dieses Problem zu lösen. Anschließend werden wir uns detailliert mit Off-Chain-Lösungen befassen, aber auch näher auf Layer-0- und Layer-2-Projekte eingehen.
Wie funktionieren Layer-1-Blockchains?
Layer 1 sind Haupt-Blockchains und ein verteiltes System, bei dem die teilnehmenden Knoten gemeinsam die Integrität des Netzwerks verwalten. Layer-1-Netzwerke sind dezentral und verlassen sich nicht auf eine zentrale Stelle.
Die Merkmale einer Blockchain der Layer 1 lassen sich wie folgt zusammenfassen:
Verteilt: Die Verantwortung für die Pflege des dezentralen Registers wird sicher auf die Knoten im Netzwerk verteilt. Dabei werden alle Daten kryptografisch verschlüsselt, um Vertraulichkeit und Sicherheit zu gewährleisten.
Sicher: Jede Information wird in Blöcken gespeichert, die eine begrenzte Menge an Informationen enthalten können und kryptografisch verschlüsselt sind. Damit ein neuer Block zur Kette hinzugefügt werden kann, muss ein Knoten ein kryptografisches Rätsel lösen. Die Mehrheit des Layer-1-Netzwerks muss den Vorgang anschließend genehmigen. Wenn er genehmigt wird, wird ein neuer Block hinzugefügt, der mit dem vorherigen Block verbunden ist.
Konsensbasiert: An der Überprüfung der Informationen im Netzwerk muss mehr als die Hälfte der Knoten beteiligt sein. Diese Knoten sind dezentralisiert, es handelt sich dabei um die Rechenleistung einzelner Netzwerkteilnehmer, die dafür mit einer bestimmten Anzahl von nativen Krypto-Token belohnt werden. Die Verwendung einer Methode, mit der die Knoten einen Konsens über die verifizierte Transaktion erzielen, wird zusammen mit dem Belohnungssystem als Konsensmechanismus bezeichnet. Dieser stellt sicher, dass sich die Knoten über den Zustand des Registers einig sind.
Der Konsensmechanismus stellt nicht nur die Authentizität des Netzwerks sicher, sondern gewährleistet auch seine Sicherheit und Integrität. Da die Blöcke miteinander verbunden sind, ist es für Hacker ziemlich schwierig, die Aufzeichnungen im Register zu verfälschen oder falsche Transaktionen zu genehmigen. Das liegt daran, dass die Mehrheit der Knoten an diesem Genehmigungsvorgang beteiligt sein muss.
Es wird auch angenommen, dass durch die wirtschaftlichen Anreize die Interessen der Knoten aufeinander abgestimmt werden: Jeder Nutzer, der den nativen Token besitzt, hat die besten Interessen des Netzwerks im Sinn. Andererseits würden Manipulationen im Netzwerk dazu führen, dass die Token an Wert verlieren, was nicht im Interesse der Token-Besitzer ist.
Wie bereits erwähnt, sind Layer-1-Chains in sich geschlossen. Sie enthalten also alle oben genannten Komponenten, die für die Aufrechterhaltung eines dezentralen Netzwerks erforderlich sind, ohne auf ein anderes Netzwerk angewiesen zu sein. Sie sind dezentralisiert, unveränderlich und auch programmierbar: Sie bieten eine Plattform, auf der Programme wie zum Beispiel dezentrale Anwendungen (DApps) oder dezentrale autonome Organisationen (DAOs) aufgebaut werden können.
Blockchain-Trilemma: Das Problem der Skalierbarkeit
Die Einhaltung der 3 wichtigsten Grundsätze trägt dazu bei, dass Blockchain-Netzwerke nicht nur funktionieren, sondern auch gedeihen:
Dezentralisierung
Die Dezentralisierung ist die wichtigste Säule, auf der die Haupt-Blockchain-Architektur aufgebaut ist. Indem die Autorität an die Mitglieder verteilt wird, ist bei den Blockchain-Netzwerken eine zentrale Autorität oder ein Krypto-Broker überflüssig. Bei zentralen Netzwerken vertraut man einer Institution die Ausführung von Vereinbarungen an und muss die damit verbundenen Überweisungsgebühren entsprechend akzeptieren. Zum Beispiel führen Banken ein Register für ihre Kunden und erheben Gebühren für Gemeinkosten, Bearbeitung und Gewinn.
In einem dezentralen System werden die Überweisungsgebühren als wirtschaftlicher Anreiz an die Mitglieder verteilt, die sich durch die Überprüfung von Transaktionen beteiligen. Der Gewinn aus der Verarbeitung wird also an die Community der Blockchain-Nutzer verteilt.
Das gewährleistet zwar die Integrität des Systems, bedeutet aber auch, dass eine hohe Anzahl von Dateneingaben zu einer Überlastung des Netzwerks führen kann. Denn aus Sicherheitsgründen müssen mehrere Knoten jede Transaktion genehmigen. Eine Überlastung des Netzwerks kann zu hohen Gebühren (weil mehr Knoten mit der Verarbeitung beschäftigt sind) und zu langen Bearbeitungszeiten führen.
Sicherheit
Die Implementierung von Konsensmechanismen kann also zu Staus führen, wenn viele Transaktionen gleichzeitig ausgeführt werden. Sie ist aber für die Sicherheit von entscheidender Bedeutung. Mit Hilfe von selbstausführenden Regeln lassen dezentrale Netzwerke die Mehrheit der Knoten Transaktionen authentifizieren.
Das hat 2 Auswirkungen: Jede Änderung an der Transaktion muss von der Mehrheit genehmigt werden. Diese muss auch davon überzeugt sein, dass die Transaktionseinträge korrekt und echt sind. Außerdem hat jeder teilnehmende Knotenpunkt eine Kopie des Registers, mit der er Gegenkontrollen durchführen und unrechtmäßige Handlungen erkennen kann.
Die Begrenzung der Zahl der Nutzer kann das Problem der Netzwerküberlastung lösen, aber auch die Sicherheit gefährden. Ein kleinerer Pool von Knoten bedeutet geringere Barrieren gegen mögliche Manipulationen. Böswillige Akteure könnten dann den Großteil des Netzwerks übernehmen, um zum Beispiel Transaktionen zu fälschen. Geschwindigkeit und Sicherheit sollten also im Idealfall beide gewährleistet sein. Das ist der Grund, warum Skalierbarkeit erforderlich ist.
Skalierbarkeit
Skalierbarkeit bezieht sich auf die Fähigkeit einer Blockchain, einen steigenden Transaktionsdurchsatz zu bewältigen - gemessen in Transaktionen pro Sekunde (tps). Das bedeutet, dass die Leistung im Idealfall nicht beeinträchtigt wird, egal wie stark das Netzwerk wächst.
Aufgrund der verwendeten Konsensmechanismen sind Blockchains in der Anzahl der Transaktionen, die das System in einem bestimmten Zeitraum durchlaufen können, begrenzt. Die steigende Anzahl von Nutzern und Anwendungen führt zu einer Überlastung des Systems. Die Wartezeiten für die Bearbeitung einer Transaktion wachsen und die Transaktionsgebühren steigen.
Das Trilemma rührt von der Überzeugung her, dass es für Blockchains unglaublich schwierig, wenn nicht gar unmöglich ist, alle 3 Säulen gleichzeitig aufrechtzuerhalten. Skalierbarkeit ist für die breite Akzeptanz von Blockchain-Netzwerken und für den Wettbewerb mit zentralisierten Institutionen absolut notwendig. Aber mit den bisherigen Blockchain-Modellen ist sie nicht nachhaltig.
Das ist der Punkt, an dem verschiedene Layer (Layer 0, Layer 2 und Layer 3) ins Spiel kommen. Der Grundgedanke von Layer 0 und Layer-2-Lösungen ist es, eine alternative Reihe von Protokollen zu schaffen. Die Layer 0 und Layer 2 werden an die Basis-Blockchain angehängt und helfen dabei, die übermäßige Abhängigkeit von ihnen in Bezug auf die Datenvalidierung, die Erstellung und Nutzung von Anwendungen zu verringern. Während Layer 0 und Layer 2 das Skalierbarkeitsproblem außerhalb der Blockchain lösen, bietet das Layer-1-Blockchain-Protokoll auch autarke Lösungen an.
Layer-1-Lösungen für Skalierbarkeit
Bei Layer-1-Lösungen wird versucht, an das Problem der Skalierbarkeit heranzugehen, indem man das zugrunde liegende Protokoll verbessert. Das Ziel ist dabei gleichzeitig nicht von einer anderen Blockchain abhängig zu sein. Die häufigsten Versuche sind die Verbesserung der verwendeten Konsensmechanismen und der Einsatz von Sharding.
Änderung des Konsensprotokolls
Die meisten populären Blockchain-Netzwerke, darunter Bitcoin, Litecoin und Monero, verwenden den Proof-of-Work (PoW) Konsensmechanismus. Beim Proof-of-Work lösen sogenannte Schürfer komplexe Rechenaufgaben, um neue Blöcke zu erzeugen.
Der Prozess erfordert eine Menge Rechenleistung und wird zum Arbeitsnachweis, mit dem andere Knoten ihre Gültigkeit anerkennen und einen Konsens erreichen können. Die Schürfer werden für die Bereitstellung der Rechenleistung mit nativen Token der Blockchain entlohnt.
Die größte Herausforderung ist, dass die Lösung dieser Probleme bei Bitcoin durchschnittlich 10 Minuten dauert. Zum Beispiel verarbeitet das Bitcoin-Netzwerk 7 Transaktionen pro Sekunde. Das ist ein Wettbewerbsmodell, bei dem jeder Knoten ein Validator sein kann.
Die Transaktionszeiten sollten also weiter verbessert werden und es wird versucht zu verhindern, dass sich ungeprüfte Transaktionspools bilden. Deshalb haben einige Blockchains, vor allem Ethereum, ihr Konsensmodell gewechselt und sind zu Proof-of-Stake (PoS) übergegangen. Beim Proof-of-Stake werden die Validatoren aus einer Gruppe von Knoten ausgewählt, die Token "gestaked" haben. Sie haben also Token erworben und auf ein spezielles Konto dauerhaft eingezahlt.
Der Höchstbietende erhält in der Regel den Zuschlag für die Validierung und wird wie bei PoW mit einem bestimmten Betrag belohnt. Wenn die Validatoren auf diese Weise ausgewählt werden, ist keine Bereitstellung der energieaufwändigen Rechenleistung wie bei PoW notwendig. Das macht PoS viel effizienter und umweltfreundlicher.
Sharding
Die Sharding-Technologie, die derzeit von Ethereum getestet wird, gehört zu den beliebtesten Layer-1-Lösungen, um das Problem der Skalierbarkeit zu lösen. Beim Sharding werden alle Transaktionen in Teile, sogenannte "Shards", aufgeteilt und unabhängig, aber gleichzeitig verarbeitet.
In jedem Shard ist nur ein kleiner Teil an Daten gespeichert, und jeder Knoten in den Shards hat nur die Daten der jeweiligen Partition und nicht des gesamten Ledgers. Dennoch können Shards miteinander geteilt werden und damit die Qualität eines Blockchain-Netzwerks beibehalten.
Das Hauptproblem bei Shards ist die Sicherheit: Es ist noch nicht bekannt, wie verwundbar Shards gegen Angriffe sind. Ethereum hat vor kurzem 64 neue Shard-Chains im Rahmen von "Merge" eingeführt, bei der die Plattform auch den PoS-Mechanismus einsetzt. Ethereum plant, die Sicherheit zu gewährleisten, indem man die Knoten nach dem Zufallsprinzip den Shards zuweist und sie in regelmäßigen Abständen neu zuweist. Dies erschwert gezielte Angriffe auf die Haupt-Blockchain.
Layer 0 und Layer-2-Lösungen
Layer 0 und Layer-2-Lösungen schlagen vor, der Haupt-Blockchain eine Alternative hinzuzufügen, an die sie die Arbeitslast delegieren kann. Sowohl Layer 0 als auch Layer 2 versuchen, das Problem der Skalierbarkeit zu lösen:
Layer 0: Layer-0-Lösungen schaffen eine Basisinfrastruktur, die Layer-1-Blockchains verbinden kann. Um das Problem der Skalierbarkeit zu lösen, tragen Layer-0-Lösungen dazu bei, die Cross-Chain-Kommunikation zu verbessern. Sie bieten Nutzern eine hilfreiche Plattform, auf der sie ihre eigenen Blockchains starten oder dezentrale Anwendungen entwickeln können. Dadurch wird die übermäßige Abhängigkeit von der Haupt-Blockchain abgebaut.
Layer-0-Lösungen gehen das Problem der Skalierbarkeit an, indem sie den Transaktionsdurchsatz der Haupt-Blockchain erhöhen. Damit ist die Anzahl der Transaktionen gemeint, die eine Chain gleichzeitig verarbeiten kann.
Layer 2: Bei Layer-2-Lösungen werden Layer-2-Protokolle an die Basis-Layer 1 angehängt, um einen Teil der Transaktionen zu übernehmen und so die Skalierbarkeit zu erhöhen. Mit anderen Worten: Die Blockchains können die Überprüfung von Transaktionen an Layer-2-Protokolle auslagern. So können, trotz einer wachsende Nutzerbasis, mit Hilfe der Layer-2-Blockchains immer mehr Transaktionen gleichzeitig und schnell bewältigt werden.
Das Zahlungsprotokoll Lightning Network gehört zum Beispiel zu den Layer-2-Lösungen, welches das Bitcoin-Netzwerk nutzt, um von schnelleren Überweisungen und niedrigeren Gebühren zu profitieren. Mit dem Lightning Network können Nutzer einander Bitcoins ganz einfach über ihre Wallets schicken. Lightning Network gehört zu den Off-Chain-Transaktionskanälen, da sie über die sekundäre Layer 2 läuft und die Blockchain entlastet.
Wird sich Layer 1 durchsetzen?
Bei der Frage der Skalierbarkeit ist es wichtig, zwischen privaten und öffentlichen Blockchains zu unterscheiden. Private Blockchains sind von Natur aus skalierbare Lösungen, da sie in der Anzahl der Nutzer limitiert sind und meist nicht vollständig verteilt sind. Eine Umfrage von Deloitte zeigte, dass 81% der Finanzdienstleister glauben, die private Blockchain-Technologie sei weitgehend skalierbar.
Bei öffentlichen Blockchains hingegen besteht die Gefahr, dass sie die steigende Zahl von Transaktionen nicht bewältigen können. Daher suchen die Entwickler von Layer-1-Lösungen derzeit nach Wegen, die Effizienz und Sicherheit zu erhöhen. Der Wechsel von PoW zu PoS bei Ethereum ist das beste Beispiel dafür. Die Entwicklung von Cross-Chain- bzw. Multi-Chain-Lösungen könnte auch ein vielversprechender Ansatz für die Bewältigung der bestehenden Probleme sein.
