Ergo & Blockchain: Skalierbarkeit und Adoption

In dieser Episode der Ergo & Blockchain-Serie werden wir verschiedene Aspekte der Skalierbarkeit betrachten und warum sie entscheidend für die Adoption von Kryptowährungen sind. Seit der Einführung von Smart Contracts in Blockchains hat die Branche Probleme im Zusammenhang mit dem exponentiellen Wachstum von Speicher, Knotenanforderungen und steigenden Gasgebühren erlebt. Diese Probleme haben Eintrittsbarrieren für neue Nutzer geschaffen, oft aufgrund hoher Transaktionsgebühren. Es gibt nur wenige Optionen, um die Überlastung zu reduzieren und den Durchsatz zu erhöhen, entweder durch Aufrüstung der Hardware und höheren Energieverbrauch oder durch effizientere Gestaltung der zugrunde liegenden Infrastruktur.

Vertikale Skalierung

Die vertikale Skalierung ist der einfachste Weg, die Skalierbarkeit eines Netzwerks zu erhöhen. In diesem Modell wird die Skalierbarkeit durch die Aufrüstung der Rechenhardware und den Einsatz von mehr Energie erhöht. Es gibt keine Softwareentwicklung, da die Bandbreitenerhöhung auf roher Leistung beruht. Deshalb gibt es eine Grenze für diese Art der Entwicklung - die Kosten steigen, während das Netzwerk wächst. 

Wenn man sich Blockchains ansieht, bedeutet vertikale Skalierung, dass die Validator-Knoten hohe Hardwareanforderungen haben. Unweigerlich führt dies zur Zentralisierung, wenn nur große Akteure mit leistungsstarken Servern am Konsens des Netzwerks teilnehmen. In diesem Fall kann eine Blockchain leicht Tausende von Transaktionen pro Sekunde (TPS) erreichen. Diese Art von Blockchain würde ein Netzwerk darstellen, in dem nur eine Handvoll Knoten den gesamten Konsens repräsentiert.

Angenommen, nur eine Handvoll von Validatoren schützt das Netzwerk. In diesem Fall kann das Netzwerk als Blockchain-as-a-Service (BaaS) bezeichnet werden, was bedeutet, dass ein Drittanbieter einen Cloud-Service bereitstellt, um dezentrale Anwendungen bereitzustellen. Das Problem mit diesem Modell ist, dass das Netzwerk zentrale Ausfallpunkte enthält. Daher können nur die Dienstanbieter den Konsensmechanismus aufrechterhalten, und es kann für neue Teilnehmer schwierig sein, dem Konsens beizutreten.

Horizontale Skalierung

Die horizontale Skalierung bedeutet, dass die vorhandenen Ressourcen (z. B. Hardware und Energie) nicht verändert werden, sondern die Fähigkeit des Netzwerks, die Ressourcen zu nutzen, erhöht wird. Diese Entwicklung hat höhere Kosten (zumindest kurzfristig), da sie mehr personelle Ressourcen, mehr Forschung und mehr Zeit ohne das Versprechen sofortiger Renditen erfordert. Dennoch können technologische Fortschritte eine kollaborative Entwicklung sein und eine Kraft, die mehr Forschung antreibt. Wenn man diesen Weg verfolgt, können die Renditen im Laufe der Zeit exponentiell steigen.

Neben der Reduzierung der Rechenkosten auf lange Sicht ist ein weiterer Vorteil dieser Art der Skalierung die Fähigkeit, zentrale Ausfallpunkte zu verringern. Da das Netzwerk weniger auf Supercomputer angewiesen ist, können mehr Akteure das Netzwerk besitzen und die Blockchain kann dezentraler werden. Das gesagt, liegt es immer an den Einzelnen, ob sie bestehende Lösungen nutzen oder neue Fortschritte unterstützen möchten.

Adoption von Kryptowährungen

Es ist sicher, dass Blockchains skalieren müssen, um eine Massenadoption zu ermöglichen. Wie oben erwähnt, kann dies erreicht werden, indem entweder leistungsstärkere Server verwendet oder kleinere Einheiten effektiver genutzt werden. Für die Massenadoption von Kryptowährungen müssen Blockchains eine große Anzahl von Transaktionen, einschließlich Mikropayments und einfachen Vertragsunterzeichnungen, verarbeiten.

Layer-2-Skalierungslösungen sind Smart Contracts, die Blockchain-Transfers erleichtern, indem sie Kosten und Verarbeitungszeit reduzieren. Layer-2-Lösungen werden auch als Off-Chain-Lösungen bezeichnet, da die Transfers und Interaktionen nicht auf der Haupt-Blockchain stattfinden. Stattdessen interagieren die Benutzer mit einer separaten Schicht, die mit der Haupt-Blockchain verbunden ist. Um die Layer-2-Skalierbarkeit zu nutzen, müssen die Vermögenswerte zunächst von der Hauptkette auf das Off-Chain-Protokoll übertragen werden.

Layer-2-Lösungen

Lightning Network: Layer-2-Lösungen haben ebenfalls Validator-Knoten, sodass ihre Sicherheit nicht immer ausschließlich an die Hauptkette gebunden ist. Zum Beispiel ist das Lightning Network eine Bitcoin-Skalierungslösung und hat auch eigene Knoten, die Transaktionen validieren. Es gibt keine Mining-Belohnungen für das Hosten eines Lightning Network-Knotens, sodass das Einkommen des Knotenbetreibers ausschließlich auf Transaktionsgebühren beruht.

Plasma Chains: Dies ist ein hybrider Ansatz (der von Polygon angewendet wird), der eine Proof-of-Stake (PoS) Konsensschicht über Ethereum verwendet. Diese parallele Side-Chain, die auf dem Plasma Chains Design basiert, ist eine kostengünstigere Kette, die auf Stakeholder angewiesen ist, um das Netzwerk zu sichern. Da die Staking-Token mit der Hauptkette interagieren, nutzt das Modell einen Teil der Sicherheit von Ethereum und einen Teil seiner eigenen innerhalb des PoS-Konsenses. Wenn Benutzer ihre Token staken, delegieren sie den Konsens an einen validierenden Betreiber, der als vertrauenswürdiger und sicherer Serveranbieter bekannt ist.

ZK-Rollups: Durch die Nutzung von zkSNARKs (Zero-Knowledge Succinct Non-Interactive Arguments of Knowledge) können sie die Netzwerkbelastung verringern, indem sie Transaktionen in großen Chargen verarbeiten. Die Sicherheit der Transaktionen beruht direkt auf der Hauptkette, die durch das Hinzufügen mathematischer Beweise zur Validierung von Transaktionen gesichert ist. Es ist jedoch relativ schwieriger als hybride Ansätze, alle Funktionen des Mainnets mit voller Sicherheit zu implementieren. Verschiedene Projekte entwickeln ihren eigenen Ansatz zur Implementierung von zkSNARKs.

Optimistic Rollups: Optimistic Rollups funktionieren ein wenig anders als Plasma und zkSNARK in Bezug auf die Sicherung der Schicht. Optimistic Rollups berechnen die Transaktionen auf einer parallelen EVM-kompatiblen Kette namens Optimistic Virtual Machine (OVM) und kommunizieren mit der Hauptkette. Das Modell wird als optimistisch bezeichnet, da es auf dem Fraud-Proof-Prinzip basiert, bei dem die Aggregatoren die Layer-2 nicht aktiv verifizieren, sondern im Falle eines Betrugsstreits eingreifen.

State Channels: Schließlich ist ein Modell namens State Channels eine Art Peer-to-Peer-Signierungsmodell, und das Design kann auch als Zahlungskanäle für einfache Zwecke verwendet werden. Das Problem ist jedoch, dass die State Channels vordefinierte Verträge sind, für die die Teilnehmer bei der Einführung festgelegt werden. Jedes Mal, wenn ein neuer Teilnehmer den Kanal nutzen möchte, ist die Erstellung eines neuen Vertrags erforderlich. Im Gegenzug gibt es eine höhere Privatsphäre und Sicherheit, aber wenig bis keine Flexibilität für ein offenes System. IOHK-Forschungsmitglieder veröffentlichten ein neues Modell namens Hydra: Isomorphic State Channels, das Mehrparteien-State-Channels einführt, indem sowohl On-Chain- als auch Off-Chain-Berechnungen, die durch das eUTXO-Design unterstützt werden, genutzt werden.

NIPoPoWs: Non-Interactive Proofs of Proof of Work ist ein allgemeiner Begriff, der sich auf Light Clients und Side-Chains bezieht. Light Clients, die aus Light Nodes und Light Wallets bestehen, sind effiziente Clients, die die gesamte Blockchain nicht halten müssen, um Transaktionen zu verifizieren und effiziente mobile Wallets sowie schnellere Miner-Bootstrapping zu ermöglichen. Clients können nur mit den Block-Headern interagieren, wodurch die Rechenressourcen reduziert werden. Ergo hat die NIPoPoW-Unterstützung seit dem Genesis-Block aktiviert, und sie können mit einem einfach zu implementierenden velvet fork auf Ergos Blockchain angewendet werden. NIPoPoWs können auch eingesetzt werden, um die Kommunikation zwischen PoW- und PoS-Blockchains zu unterstützen.

Im nächsten Artikel werden wir das Thema Nachhaltigkeit & Wachstum von Blockchains analysieren. Dabei werden wir einen Blick auf die Geschichte und das aktuelle Ökosystem werfen; wie sich die rechtlichen Rahmenbedingungen entwickeln, welche Art von Akteuren teilnehmen und welche Art von Problemen wir möglicherweise erwarten müssen.

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