Blockchains wie Ethereum versprechen das Geld des Internets, den Weltcomputer, die Zukunft der Finanzwelt (DeFi), das Metaverse und vieles mehr. Aufgrund ihrer dezentralen Architektur führt hohe Nutzung jedoch oft zu absurden Transaktionskosten. Layer-2-Lösungen versuchen, diese Skalierungsprobleme zu überwinden.
Im Zusammenspiel mit dem Blockchain-Trilemma können Ketten in der Regel zwei der drei Eigenschaften Skalierbarkeit, Dezentralisierung und Sicherheit erreichen. Bei einem bestimmten Sicherheitsniveau ist die Skalierbarkeit umgekehrt proportional zur Dezentralisierung. Daher muss eine Blockchain Kompromisse eingehen. Bei der bekanntesten Blockchain Ethereum werden die Nutzer durch hohe Transaktionsgebühren und lange Wartezeiten benachteiligt. Einige Lösungen versuchen, dieses inhärente Problem durch die Verarbeitung von Transaktionen auf einer zweiten Schicht zu lösen. Es gibt fünf Arten von Ansätzen, die für den Einsatz von Layer-2-Lösungen verwendet werden.
State-Channels
State-Channel-Lösungen ermöglichen es den Nutzern, mehrere Transaktionen auf einer anderen Kette (Layer 2) durchzuführen. Im Gegensatz dazu verarbeitet die Hauptkette (Layer 1) nur zwei Transaktione;, eine, wenn der Kanal geöffnet wird, und eine, wenn er geschlossen wird. Auf diese Weise verarbeitet die Hauptkette nicht alle Transaktionen, bietet aber dennoch das gleiche Mass an Sicherheit in Bezug auf die Endgültigkeit der Transaktionen. Sobald die Transaktionen abgeschlossen sind und der Kanal nicht mehr benötigt wird, übermitteln die Teilnehmer ihre Kopien des Transaktionsverlaufs, um ihre Kopien der Daten gegenzuprüfen und sicherzustellen, dass es keine Diskrepanzen gibt. Danach wird die letzte Nettotransaktion auf die Kette hochgeladen und der Kanal geschlossen.
State Channels sind vorteilhaft, wenn es sich um mehrere kleine Transaktionen handelt und sich die Parteien untereinander kennen. Die Grenzen der State Channels liegen darin, dass Gelder blockiert sind, solange die Kanäle aktiv sind. Ausserdem ist es zeitaufwändig, verschiedene Kanäle zu öffnen und zu überwachen. Und zuletzt ist nur eine begrenzte Smart-Contract-Funktionalität verfügbar. Zu den Projekten, die an State-Channels arbeiten, gehören Celer und Raiden Network.
Plasma (Child Chains)
Plasma besteht aus mehreren Kopien der Hauptkette, die neben ihr laufen. Tausende von Transaktionen werden in diesen Child Chains verarbeitet, gebündelt und als eine einzige Transaktion an die Hauptkette zurückgeschickt. Definitionsgemäss ist eine Child Chain eine vertrauenslose und nicht-verwahrende Kette, in der die Nutzer ihre Gelder selbst kontrollieren. Im Falle von Fehlern oder Exploits können sie sich daher auf die letzten korrekten Snapshots der Plasmakette beziehen und ihre Token wiederherstellen.
Der Vorteil von Plasmaschichten ist ihr hoher Durchsatz, der über 1'000 Transaktionen pro Sekunde (TPS) zu einem Bruchteil der Kosten verarbeiten kann. Hier muss man nicht unbedingt eine feste Anzahl von bekannten Unternehmen oder Personen haben, mit denen man Transaktionen durchführen kann, und sie können flexibel sein. Wie State Channels unterstützen auch Plasmalösungen Smart Contracts nicht vollständig und eignen sich nur für Transaktionen und Swaps. Zu den Projekten, die Plasmaschichten verwenden, gehören Polygon und das OMG Netzwerk.
Sidechains
Sidechains und Child Chains (Plasma) sind sich bis auf ein Element ähnlich: die Sicherheit. Während Plasmaketten sich auf die Sicherheit ihrer Hauptkette in einer vertrauenslosen Umgebung verlassen und für hohe Durchsatzleistung und Sicherheit optimiert sind, sind Sidechains separate Blockchains, die parallel zur Hauptkette laufen und über eigene Konsensmechanismen und Sicherheitsalgorithmen verfügen.
Der Vorteil von Sidechains besteht darin, dass sie in der Regel Blockchain-unabhängig sind und mehrere Basisschichten unterstützen können, indem sie eine Verbindung zu einer beliebigen Blockchain herstellen, mit der sie laufen wollen. Diese Sidechains können ihre eigenen Token haben, Smart Contracts unterstützen und nur dann mit der Mainchain kommunizieren, wenn sie den Status ihres Ledgers aktualisieren wollen. Je nach Design können diese Sidechains bis zu 10'000 TPS erreichen. Allerdings ist dies auch nicht ohne Nachteile. Die Nutzer müssen die Verwahrung von Geldern auf die Sidechain übertragen, und der Sicherheitsmechanismus der Sidechain kann schwächer sein als der der Hauptkette. xDai und Polygon sind zwei Beispiele für Ethereum-Sidechains.
Rollups
Rollups bündeln Tausende von Transaktionen in einem einzigen Rollup-Block und veröffentlichen auf der Hauptkette nur zusammenfassende Daten. Sie können den Durchsatz potenziell um das 100-fache erhöhen, da alle Berechnungen und Speicherungen ausserhalb der Hauptkette stattfinden. Durch die Bündelung von Transaktionen und die Verlagerung der Verarbeitung ausserhalb der Kette werden die Transaktionsgebühren und die Verarbeitungszeit erheblich reduziert. Es gibt zwei Arten von Rollups:
Optimistische Rollups
Optimistische Rollups verwenden eine Sidechain, um einen Stapel von Transaktionen parallel zur Ethereum-Mainchain zu verarbeiten, zusammenzufassen und die Transaktionen zusätzlich zum Mainnet zu beglaubigen. Sie arbeiten mit der Grundannahme, dass alle an die Mainchain übermittelten Transaktionen gültig sind. Nur wenn ein Nutzer eine Zusammenfassung anfechtet, wird der gesamte Block auf der Basisschicht berechnet. Um genügend Zeit für eine Anfechtung zu haben, werden die Gelder daher für eine gewisse Zeit, in der Regel eine Woche, gesperrt, bevor sie auf der Basisschicht freigegeben werden.
Optimistische Rollups können in ihrer derzeitigen Implementierung etwa 2'000 einfache Überweisungen pro Sekunde oder etwa 300 Smart-Contract-Aufrufe verarbeiten. Sie sind auch mit der Ethereum Virtual Machine (EVM) kompatibel. Dies bedeutet, dass optimistische Rollups alles tun können, was Ethereum tut. Allerdings gibt es zwei Kompromisse. Erstens sind die Gelder gefährdet, wenn eine böswillige Transaktion nicht angefochten wird, und zweitens ist das Zurückziehen von Geldern auf die Mainchain ebenfalls zeitaufwändig. Beispiele für Rollups sind Optimism und Arbitrum. Diese Projekte sind bereits in Betrieb, und beliebte Projekte wie Uniswap, 1inch und Chainlink nutzen sie bereits, um Transaktionskosten für die Nutzer zu sparen.
Zero-Knowledge (ZK) Rollups
ZK Rollups führen alle Berechnungen ausserhalb der Kette durch und legen einen Gültigkeitsnachweis auf Ethereum vor. Sie unterscheiden sich von optimistischen Rollups dadurch, dass kein Vertrauen vorausgesetzt wird, da der Gültigkeitsnachweis auf der Kette verarbeitet wird. Während optimistische Rollups einen Betrugsnachweis während der Anfechtung benötigen, haben zk Rollups Gültigkeitsnachweise für jede Transaktion.
Es wird geschätzt, dass zk Rollups über 3'000 Transaktionen pro Sekunde auf Ethereum verarbeiten können. Da kein Vertrauen vorausgesetzt wird, gibt es keine Verzögerung bei der Übertragung von Geldern von Layer 1 auf Layer 2 und umgekehrt. Derzeit gibt es keine allgemeine EVM-kompatible zk rollup-basierte Lösung, und es sind nur spezifische Lösungen für Überweisungen oder Token-Swaps verfügbar. Loopring ist eine dezentralisierte Börse, die mit zk Rollups arbeitet und Transaktionskosten von weniger als einem Cent benötigt.
Validium
Validium verwendet Gültigkeitsnachweise ähnlich wie zk Rollups, behält aber die Daten ausserhalb der Kette, anstatt sie an die Ethereum-Hauptkette zu senden. Da alle Daten ausserhalb der Kette gehalten werden, kann Validium eine noch höhere TPS von bis zu 20'000 erreichen.
Da die Daten jedoch nicht auf der Mainchain gespeichert werden, erfordert Validium einige Vertrauensannahmen, und eine Mehrheit der Validatoren kann sich dafür entscheiden, Gelder einzufrieren, indem sie keine Daten bereitstellt. StarkWare's StarkEx ist eine validiumbasierte Lösung. StarkEx ist in die Derivatebörse dYdX und die NFT-Plattform ImmutableX integriert.
Fazit
Damit Blockchains und Krypto-Assets ihre Versprechen von Weltcomputern und Geld für das Internet erfüllen können, müssen sie nachhaltig skalierbar sein. Hierfür ist eine Kombination aus Layer-1- und Layer-2-Lösungen erforderlich. Derzeit opfern einige Ketten die Dezentralisierung, um Skalierbarkeit zu erreichen, oder es wird ein Sammelsurium von Lösungen mit begrenzter Integration zwischen ihnen implementiert, was die Benutzererfahrung verschlechtert und die Benutzerbasis fragmentiert.
Bei der Lösung des Skalierungsproblems gibt es kein "Winner-takes-it-all"-Szenario, und unterschiedliche Anwendungsfälle erfordern unterschiedliche Skalierungs- und Sicherheitsanforderungen. Die Verbesserungen der Skalierbarkeit von Layer-1- und Layer-2-Lösungen werden sich in Zukunft vervielfachen und zu nachhaltigen, skalierbaren Blockchains führen.
