cryptomonday.de
StartseiteBlockchainWas ist Layer 1? Alles über Layer-1-Blockchain nachlesen!

Was ist Layer 1? Alles über Layer-1-Blockchain nachlesen!

Zuletzt aktualisiert am 23rd Nov 2022
Hinweis

Das Layer-1-Protokoll 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 und Protokolle 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 Netzwerks funktionieren.

Je größer Blockchains wurden, desto schwieriger war es, die steigende Zahl von Transaktionsanfragen zu bewältigen. Da die Sicherheit der 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 einer schlechten Erfahrung für die Nutzer führen. Es wird auch als das Problem der Skalierbarkeit von Blockchains bezeichnet.

Layer-1-Blockchains können dieses Problem durch so genannte On-Chain-Lösungen angehen, 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-Chains eingesetzt, die zwar in die übergeordnete Blockchain integriert sind, aber separat arbeiten.

In diesem Leitfaden über Layer-1-Blockchains erklären wir ihre Funktionsweise, was das Skalierbarkeitsproblem verursacht und warum dieses Problem so wichtig ist. Schließlich werden wir uns mit Off-Chain-Lösungen befassen.

Wie funktionieren Layer 1 Blockchains?

Basis-Blockchains, oder einfach Blockchains, sind ein verteiltes System, bei dem die teilnehmenden Knoten gemeinsam die Integrität des Netzwerks verwalten, anstatt sich auf eine zentrale Stelle zu verlassen.

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 und die Mehrheit des Netzwerks muss den Vorgang 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, da eben die Mehrheit der Knoten daran beteiligt sein musst.

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 gesagt, sind Layer-1-Chains in sich geschlossen, d.h. sie enthalten 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.

Bitcoin-Trilemma: Das Problem der Skalierbarkeit

Die Einhaltung der drei wichtigsten Grundsätze trägt dazu bei, dass Blockchain-Netzwerke nicht nur funktionieren, sondern auch gedeihen:

Dezentralisierung

Die Dezentralisierung ist die wichtigste Säule, auf der Blockchain-Netzwerke aufgebaut sind. Indem die Autorität an die Mitglieder verteilt wird, machen Blockchain-Netzwerke eine zentrale Autorität oder einen Broker überflüssig, dem man bei der Ausführung von Vereinbarungen und den damit verbundenen Überweisungsgebühren vertraut. 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, da aus Sicherheitsgründen mehrere Knoten jede Transaktion genehmigen müssen. Eine Überlastung des Netzwerks kann zu hohen Gebühren (weil mehr Knoten mit der Verarbeitung beschäftigt sind) und zu langen Bearbeitungszeiten führen.

Sicherheit

Obwohl die Implementierung von Konsensmechanismen zu Staus führen kann, wenn viele Transaktionen gleichzeitig ausgeführt werden, ist sie für die Sicherheit von entscheidender Bedeutung: Mit Hilfe von selbstausführenden Regeln lassen dezentrale Netzwerke die Mehrheit der Knoten Transaktionen authentifizieren.

Das hat zwei Auswirkungen: Jede Änderung an der Transaktion muss von der Mehrheit genehmigt werden, die auch davon überzeugt sein muss, dass die Transaktionseinträge korrekt und echt sind; und jeder teilnehmende Knotenpunkt hat 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, da böswillige Akteure den Großteil des Netzwerks übernehmen können, um zum Beispiel Transaktionen zu fälschen. Das ist der Grund, warum Skalierbarkeit erforderlich ist, um Geschwindigkeit und Sicherheit zu gewährleisten.

Skalierbarkeit

Skalierbarkeit bezieht sich auf die Fähigkeit einer Blockchain, einen steigenden Transaktionsdurchsatz, gemessen in Transaktionen pro Sekunde (tps), zu bewältigen. Das bedeutet, dass die Leistung 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, die Gebühren steigen.

Das Trilemma rührt von der Überzeugung her, dass es für Blockchains unglaublich schwierig, wenn nicht gar unmöglich ist, alle drei Säulen gleichzeitig aufrechtzuerhalten. Skalierbarkeit ist für die breite Akzeptanz von Blockchain-Netzwerken und für den Wettbewerb mit zentralisierten Institutionen absolut notwendig. Aber mit den derzeitigen Betriebsmodellen ist sie nicht nachhaltig.

Das ist der Punkt, an dem verschiedene Layers ins Spiel kommen. Der Grundgedanke von Layer 0 und Layer 2 Lösungen ist es, eine alternative Reihe von Protokollen, sogenannte Layers, zu schaffen, die an die Basis-Blockchains angehängt werden und dabei helfen, 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, bieten Layer-1-Blockchains 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, ohne dabei von einer anderen Blockchain abzuhängen. 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, bei dem so genannte Schürfer komplexe Rechenaufgaben lösen, 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 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.

Um die Transaktionszeiten zu verbessern und zu verhindern, dass sich ungeprüfte Transaktionspools bilden, haben einige Blockchains, vor allem Ethereum, ihr Konsensmodell gewechselt und zu Proof-of-Stake (PoS) übergegangen. Bei diesem Modell 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 Rechenleistung wie bei PoW notwendig, was PoS viel effizienter macht.

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 hätte 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 nicht bekannt, wie verwundbar Shards gegen Angriffe sein werden. 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.

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. Beide Lösungen 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, und bieten Nutzern eine hilfreiche Plattform, auf der sie ihre eigenen Blockchains starten oder dezentrale Anwendungen entwickeln können, sodass die übermäßige Abhängigkeit von Basis-Blockchains abgebaut wird.

Layer-0-Lösungen gehen das Problem der Skalierbarkeit an, indem sie den Transaktionsdurchsatz der Basis-Blockchains erhöhen, d.h. die Anzahl der Transaktionen, die eine Chain gleichzeitig verarbeiten kann.

  • Layer 2: Bei Layer-2-Lösungen werden Protokolle an die Basis-Layer 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 und so eine wachsende Nutzerbasis und viele Transaktionen gleichzeitig ohne große Belastung bewältigen.

Das Zahlungsprotokoll Lightning Network zum Beispiel ist das Layer-2-Protokoll, das das Bitcoin-Netzwerk nutzt, um von schnelleren Überweisungen und niedrigeren Gebühren zu profitieren. Mit dem Lightning Network können Nutzer einander Bitcoins nur über ihre Wallets schicken. Das sind Off-Chain-Transaktionen, da sie über die sekundäre Layer laufen und die Blockchain entlasten.

Wird sich Layer 1 durchsetzen?

Bei der Frage der Skalierbarkeit ist es wichtig, zwischen öffentlichen und privaten 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 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 Multi-Chain-Lösungen könnte auch ein vielversprechender Ansatz für die Bewältigung der bestehenden Probleme sein.

Häufig gestellte Fragen

Was ist der Unterschied zwischen Layer 1 und Layer 2?
Ist Ethereum Layer 1 oder Layer 2?
Was ist ein Beispiel für Layer 0 Krypto?
Jan Nagir

Jan Nagir

Jan ist schon seit einigen Jahren ein überzeugter Krypto-Fan. Als studierten Wirtschaftsingenieur fasziniert ihn sowohl die Blockchain-Technologie als auch die Wirkung der Kryptowährungen auf die Finanzwelt.