Layer 2 Blockchain: Wie Ethereum das Skalierungsproblem meistern möchte

Das Ethereum Netzwerk ist inzwischen im Kryptospace nicht mehr wegzudenken. Dennoch steht der Riese unter den Smart Contract Plattformen, vor einer seiner größten Herausforderungen: dem Skalierungsproblem.

Seit seinem Start 2015 hat Ethereum eine bemerkenswerte Entwicklung zurückgelegt – ja sogar der Wechsel von Proof of Work zu dem Proof of Stake Konsensus wurde erfolgreich durchgeführt.

Doch trotz dieser Evolution bleibt das Skalierungsproblem weiterhin ein Thema. In meinem neuesten Artikel erkunden wir daher Layer-2-Netzwerke, die versprechen, Ethereums Skalierungsproblem zu lösen.

Ethereum Layer 1

Ethereums Hauptnetzwerk, auch als Layer 1 bekannt, bildet das Herzstück der Ethereum-Blockchain. Hier werden über die Sicherheitsmechanismen der Blockchain Konsens gefunden und sämtliche Transaktionen abgewickelt. Layer 1 bildet damit die Basis für die Smart Contract Plattform.

Im Juli 2015 produzierte Ethereum seinen ersten Block mithilfe des „Proof of Work“ (PoW) Konsensmechanismus. Dieses System blieb bis September 2022 unverändert, bis das Netzwerk den wechsel auf den „Proof of Stake“ (PoS) Konsensmechanismus vollzog.

2015–2022: Proof of Work

Ursprünglich nutzte Ethereum – ähnlich wie Bitcoin – das PoW-Konsensprinzip. Bei diesem Verfahren setzten Miner, Grafikkarten (GPUs) und spezialisierte Schaltkreise (ASICs) ein, um komplexe mathematische Probleme zu lösen und dadurch neue Transaktionen zu validieren und der Blockchain hinzuzufügen. Obwohl diese Methode eine hohe Sicherheit bietet, ist sie extrem energieintensiv, da sie eine enorme Rechenleistung erfordert.

PoW profitiert auch nicht unbedingt von Skaleneffekten, da mit wachsender Beliebtheit, die Lösung der mathematischen Probleme immer schwieriger wird. Dies erfordert ständig steigende Rechenleistung bei gleichbleibenden Durchsatz.

Bitaxe Bitcoin Miner mit Noctua Lüfter
Bitaxe Bitcoin ASIC Miner für Proof of Work

2022-Heute: Proof of Stake

Um die Effizienz des Netzwerks zu verbessern und den Skalierungsprobleme entgegenzuwirken, vollzog Ethereum im September 2022 den Wechsel zu einem PoS-Konsensmechanismus. Diese Methode ist wesentlich weniger energieintensiv.

Im Gegensatz zu PoW, wo Miner in Konkurrenz treten, um mathematische Probleme zu lösen, basiert PoS auf einem anderen Prinzip. Validatoren werden aufgrund der Menge an Coins, die sie besitzen und als Sicherheit „staken“ oder einfrieren, ausgewählt, um neue Blöcke zu erstellen.

Im Fall von Ethereum setzen Validatoren das native Ether ($ETH) ein. Validatoren beteiligen sich auch an der Bestätigung oder Zustimmung zur Gültigkeit vorgeschlagener Blöcke. Dieser Prozess stellt sicher, dass der Kette hinzugefügte Blöcke gültig sind und von der Mehrheit der Validatoren akzeptiert werden.

Ethereum Skalierungsproblem besteht weiterhin

Die erfolgreiche Umstellung des Ethereum-Netzwerks von PoW auf PoS im September 2022 war ein voller Erfolg. Der Wechsel des Konsensalgorithmus senkte den Energiebedarf des Netzwerks erheblich und verlief ohne Störungen.

Doch trotz dieser positiven Weiterentwicklung bleibt das Skalierbarkeitsproblem von Ethereum – gepaart mit hohen Transaktionsgebühren, auch bekannt als Gasgebühren – weitestgehend ungelöst.

Aktuell kann Ethereum Layer 1 lediglich rund 20 Transaktionen pro Sekunde (TPS) verarbeiten. Zudem sind die Transaktionskosten vor allem bei starker Auslastung des Netzwerks extrem hoch.

Diese hohen Kosten stellen ein ernsthaftes Hindernis für die breite Akzeptanz und Nutzung von Ethereum dar, besonders für kleinere Transaktionen, bei denen die Gebühren den eigentlichen Wert der Transaktion übersteigen können.

Ethereum Transaktionskosten in USD der letzten 3 Jahre.

https://bitinfocharts.com/comparison/ethereum-transactionfees.html#3y

Das Blockchain-Trilemma

Das Blockchain-Trilemma umreißt eine der zentralen technischen Herausforderungen in der Blockchain-Technologie: die gleichzeitige Optimierung von Sicherheit, Dezentralisierung und Skalierbarkeit.

Diese drei Aspekte sind entscheidend für leistungsfähige Blockchain-Netzwerke, doch es wird oft argumentiert, dass eine Verbesserung eines dieser Aspekte zwangsläufig zu Kompromissen bei einem oder beiden der anderen führt.

Sicherheit sorgt dafür, dass das Netzwerk vor Angriffen sicher ist, Dezentralisierung eliminiert die Abhängigkeit von einer zentralen Kontrollinstanz, und Skalierbarkeit ermöglicht das effiziente Verarbeiten einer großen Anzahl an Transaktionen.

Blockchain Trillema

Die Herausforderung des Trilemmas liegt darin, eine Balance zu finden, die kein Element zu stark beeinträchtigt. Fortlaufende Innovationen und Entwicklungen in der Blockchain-Technologie zielen darauf ab, Lösungen zu finden, die dieses Trilemma adressieren und ein ausgewogenes, effizientes Netzwerk ermöglichen.

Layer-2 Blockchain – Wie Ethereum das Skalierungsproblem lösen möchte

Um das Skalierungsproblem von Ethereum anzugehen, richtet sich der Fokus zunehmend auf sogenannte Layer-2-Lösungen. Diese Technologien arbeiten auf einer Schicht oberhalb der Ethereum-Blockchain (Layer 1) und zielen darauf ab, die Transaktionskapazität zu erhöhen, ohne die zugrundeliegende Blockchain zu überlasten.

Ethereum Layer 2

Indem sie Transaktionen außerhalb der Hauptkette verarbeiten und erst das Endergebnis auf die Hauptkette zurückführen, ermöglichen sie eine deutliche Steigerung der Effizienz und eine Reduzierung der Transaktionsgebühren.

Zu den prominentesten Ansätzen gehören Rollups, die Transaktionen in einem einzigen Datenblock bündeln, bevor sie zur Hauptkette zurückgesendet werden.

Rollups erklärt

Rollups funktionieren, indem sie viele kleine Transaktionen in einer Einzigen komprimierten Transaktion bündeln, die dann an den Rollup-Smart-Contract auf der Layer-1-Kette übermittelt wird.

Sobald dies geschieht, wird der Zustand für alle Transaktionen aktualisiert. Dies kann ähnlich wie bei Zip-Dateien betrachtet werden, bei denen mehrere Dateien in einer einzelnen Datei zusammengefasst werden, um Speicherplatz zu sparen.

Rollups haben drei entscheidende Vorteile:

  • Berechnungen erfolgen off-chain, was die Geschwindigkeit erhöht.

  • Der Nachweis von Transaktionen und Daten bleibt auf Layer 1, was die Sicherheit gewährleistet.

  • Der Rollup-Smart-Contract auf Ethereum stellt sicher, dass Transaktionen auf L2 korrekt mithilfe der Daten auf L1 durchgeführt werden.

Dies ermöglicht eine erhöhte Durchsatzrate, während gleichzeitig alle Sicherheits- und Dezentralisierungsmerkmale der Layer-1-Blockchain beibehalten werden.

Es gibt zwei Hauptarten von Rollups, die wir unterscheiden Optimistic Rollups und Zero-Knowledge (ZK) Rollups.

Optimistic Rollups

Optimistic Rollups nehmen an, dass alle Transaktionen gültig sind und führen sie ohne sofortige Überprüfung aus, wodurch sie effizient, aber anfällig für Betrug werden, wenn nicht innerhalb eines bestimmten Zeitfensters Einwände erhoben werden. Dieses Zeitfenster ist die sogenannte “Challenge Period” und kann mehrere Tage bis Wochen dauern. Da der Ansatz des Rollups grundsätzlich davon ausgeht, dass keiner der Teilnehmer betrügerische Transaktionen durchführt, ist diese Zeit unbedingt notwendig, um fehlerhafte Transaktionen zu identifizieren und zu verhindern.

Dieses Prinzip hat jedoch auch einen entscheidenden Nachteil, da erst nach Ablauf dieser Zeit die Layer 2 Daten wieder auf die Ethereum Hauptblockchain geschrieben und somit final validiert werden können. Konkret bedeutet das, dass der Wechsel von Layer 2 zurück auf den Layer 1 mehrere Tage bis Wochen dauern kann. Erst danach hast du auch wieder Zugriff auf deine nativen ETH. Mittels Dienstleister lässt dich diese Wartezeit zwar umgehen, kostet aber wiederum Gebühren, die wir eigentlich einsparen wollten.

ZK-Rollups

ZK-Rollups verwenden mathematische Beweise, um die Gültigkeit von Transaktionen zu bestätigen, bevor sie zur Hauptkette hinzugefügt werden, was sie sicherer, aber auch technisch komplexer macht. Auch wenn diese Variante der Rollups komplexer ist, hat sie den entscheidenden Vorteil, das die Wartezeit für den Wechsel auf Layer 2 entfällt.

Zero Knowledge Proofs (ZKP) sind eine fortschrittliche kryptografische Methode, die es ermöglicht, die Wahrheit einer Aussage zu beweisen, ohne dabei spezifische Informationen über die Aussage selbst preiszugeben.

Diese Technologie ermöglicht eine neue Ebene der Privatsphäre und Sicherheit in digitalen Transaktionen. In der Praxis bedeutet das, dass jemand beweisen kann, dass er über bestimmte Informationen verfügt oder eine bestimmte Anforderung erfüllt, ohne diese Informationen oder die Details der Anforderung offenlegen zu müssen. ZKPs sind besonders relevant für die Blockchain-Technologie, da sie die Validierung von Transaktionen ermöglichen, ohne sensible Daten zu kompromittieren.

Sidechains

Weitere Lösungen umfassen Sidechains, eigenständige Blockchains, die parallel zur Hauptkette laufen und spezifische Aufgaben oder Anwendungen unterstützen können, bevor die Ergebnisse wieder in die Hauptkette eingebettet werden. Dies erlaubt eine größere Flexibilität und Skalierbarkeit für spezifische Anwendungsfälle.

Sidechains bieten zwar die Flexibilität, eigene Regeln und Funktionalitäten zu implementieren, doch mit dieser Unabhängigkeit geht eine bedeutende Verantwortung einher: die Sicherstellung der eigenen Sicherheit. Dies unterscheidet sie maßgeblich von Second-Layer-Lösungen, die sich auf die umfassende Sicherheit der Haupt-Blockchain stützen.

Sidechains hingegen müssen ihre eigene Sicherheitsarchitektur entwickeln, was sie anfällig für Sicherheitsrisiken machen kann. Angesichts der Tatsache, dass eine Sidechain nur selten die gleiche Sicherheitsebene wie etablierte Blockchains wie Ethereum oder Bitcoin erreichen kann, stellt dies einen kritischen Nachteil dar.

Die Herausforderung, ein robustes Sicherheitssystem zu etablieren, ohne dabei die Vorteile der zugrundeliegenden Haupt-Blockchain zu kompromittieren, bleibt somit eine der größten Hürden für die Entwicklung und Akzeptanz von Sidechains.

Kostenersparnis mit Layer 2 Transaktionen

Die Einführung von Layer-2-Lösungen, insbesondere Rollups, hat nicht nur die Effizienz und Skalierbarkeit von Ethereum-Transaktionen verbessert, sondern bietet auch signifikante Kostenvorteile.

Durch das Bündeln von Transaktionen und deren Verarbeitung außerhalb der Hauptkette (Layer 1) reduzieren Rollups die benötigte Datenmenge, die auf der Ethereum-Blockchain gespeichert werden muss. Diese Verringerung der Datenlast führt direkt zu einer Abnahme der Gasgebühren, da weniger Rechenleistung von den Minern bzw. Validatoren für die Verarbeitung und Validierung der Transaktionen benötigt wird.

Somit ermöglichen Layer-2-Lösungen nicht nur eine höhere Transaktionsgeschwindigkeit, sondern machen die Nutzung von Ethereum auch kosteneffizienter – ein entscheidender Faktor für die breitere Akzeptanz und Nutzung dezentraler Anwendungen (dApps) und Smart Contracts.

Ethereum Dencun Update

Das Dencun-Upgrade war das nächste große Ereignis in der Ethereum-Entwicklung, seit Ethereum im September 2022 mit dem Merge erfolgreich zu einer Proof-of-Stake-Blockchain wurde.

Dieses Upgrade verspricht eine direkte Aufwertung der Nutzererfahrung, vor allem durch eine drastische Reduzierung der Gasgebühren auf Layer-2-Netzwerken.

Herzstück dieses Upgrades ist die Implementierung von EIP-4844, auch bekannt als Proto-Danksharding, das einen temporären Speicherplatz für L2-Netzwerke einführt (sogennate Blobs), um deren Daten effizienter an das Mainnet zu übermitteln.

Das Ergebnis? Erheblich geringere L2-Gasgebühren für Endnutzer.

Das Dencun-Upgrade, benannt nach der „The Surge“-Phase der Ethereum-Roadmap, zielt darauf ab, die Skalierbarkeit massiv zu verbessern und strebt das ambitionierte Ziel von über 100.000 Transaktionen pro Sekunde an. Das Dencun-Upgrade markiert somit einen entscheidenden Schritt in Richtung einer effizienteren und zugänglicheren Ethereum Ökosystem.

Ethereum Layer 2 Transaktionskosten vor und nach dem Dencun Upgrade

Welche Ethereum Layer 2 Lösungen gibt es?

Bei den Layer 2 Lösungen ist viel Bewegung zu sehen. Regelmäßig werden neue Projekte vorgestellt die noch mehr Funktionen versprechen. Welche davon sich am ende durchsetzen werden weiß heute niemand. Dennoch möchte ich dir einen kurzen Überblick über aktuelle Layer 2 Lösungen geben.

Zu den führenden Layer-2-Projekten, die derzeit für Ethereum verfügbar sind, gehören Arbitrum, Optimism, zkSync, Immutable X und Base. Diese Projekte nutzen unterschiedliche technische Ansätze, um die Leistung und Effizienz von Ethereum-Transaktionen zu steigern.

Optimisitc Rollups

Arbitrum und Optimism setzen auf Optimistic Rollups, die Transaktionen bündeln und annehmen, dass diese gültig sind, bis eventuell das Gegenteil bewiesen wird. Diese Methode ermöglicht schnelle Transaktionen und ist besonders kompatibel mit Ethereum-Smart-Contracts. Arbitrum hebt sich durch sein großes Ökosystem, das unter anderem NFT-Marktplätze und DeFi-Apps umfasst, und seine hohe Benutzerzahl hervor​​.

Anbieter

Coins

Gebühren

Link

Bitvavo

Über 200

0.00% - 0.25%

Über 600

0.02% - 0.10%

Über 600

0.02% - 0.10%

Über 100

0.00% - 0.26%

5

0.20% - 0.35%

zkRollups

zkSync und Starknet nutzen hingegen Zero-Knowledge (ZK) Rollups, die jede Transaktion überprüfen, bevor sie an die Blockchain übermittelt wird, und somit ein hohes Maß an Sicherheit und Privatsphäre bieten. zkSync zeichnet sich besonders durch seine Sicherheitsorientierung aus und unterstützt alle Ethereum-basierten Projekte ohne erforderliche Codeänderungen​​.

Immutable X ist spezialisiert auf die Skalierung von On-Chain-Gaming und NFTs durch ZK-Rollup-Technologie, was schnelle und sichere NFT-Transaktionen für ein reibungsloses Gaming-Erlebnis ermöglicht.

Coinbase Base Protokoll

Base, entwickelt von Coinbase, nutzt die Technologie von Optimism, um eine erschwingliche, sichere und benutzerfreundliche Umgebung zu schaffen, die darauf abzielt, Ethereum einem breiteren Publikum zugänglich zu machen. Durch die Kombination der umfangreichen Nutzerbasis von Coinbase mit der fortschrittlichen Technologie von Optimism bietet Base einen zugänglichen und kostengünstigen Einstieg.

Layer 2 Blockchain – Mein Fazit

In meinem Blick auf die Zukunft von Ethereum sind Layer-2-Lösungen zweifellos der Schlüssel zur Überwindung der Skalierungsherausforderungen, vor denen die Plattform steht.

Die Vielfalt und der Einfallsreichtum der Projekte, die sich heute in diesem Raum tummeln – von Arbitrum und Optimism bis hin zu zkSync –, sind beeindruckend. Doch bei aller Aufregung bleibt eine Frage offen: Werden all diese Projekte den Test der Zeit bestehen? Es ist fraglich, ob der Markt groß genug ist, um so viele unterschiedliche Lösungen zu unterstützen, besonders wenn man bedenkt, dass mit jedem Layer-2-Projekt zusätzliche Komplexität ins Spiel kommt.

Für die Allgemeinheit ist diese Komplexität eine bedeutende Hürde. Der Schlüssel zum Erfolg liegt meiner Meinung nach in der Vereinfachung – in der Schaffung einer Benutzererfahrung, die so reibungslos und zugänglich wie möglich ist.

Hier macht Base, das von Coinbase unterstützt wird, meiner Meinung nach vieles richtig. Indem es auf die Technologie von Optimism setzt und gleichzeitig die enorme Nutzerbasis von Coinbase nutzt, bietet Base eine Brücke zwischen der Blockchain und der Zukunft des Web3. Diese Art von Ansatz könnte genau das sein, was nötig ist, um Ethereum und die Blockchain-Technologie insgesamt einem breiteren Publikum näher zu bringen.

Die Entwicklung von Ethereum zu einem skalierbaren, benutzerfreundlichen Netzwerk ist noch nicht abgeschlossen, aber die Fortschritte, die durch Layer-2-Lösungen erzielt wurden, zeigen, dass wir auf dem richtigen Weg sind.

 

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Autor:
Richard

Als passionierter Technik-Enthusiast und seit 2017 Nutzer und Investor von Kryptowährungen, teile ich auf www.cryptotant.de mein Fachwissen und meine Ansichten.

Mein Ansatz "KryptoKlartext" steht für klare, verständliche und ehrliche Informationen in der komplexen Welt der digitalen Währungen. Jeder meiner Artikel beruht auf gründlicher Recherche und persönlichen Erfahrungen, um dir fundierte und praxisorientierte Einblicke in Bitcoin, Kryptowährungen und Blockchain-Technologie zu bieten.

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