Das Blockchain Trilemma

Auch wenn Blockchains allgemein als traditionellen Netzwerken überlegen gelten, ist keine einzelne Blockchain perfekt. Das liegt an der Schwierigkeit, die Komponenten Skalierbarkeit, Sicherheit und Dezentralisierung zu maximieren – das sogenannte Blockchain-Trilemma.

Bevor wir in die Dynamik des Trilemmas eintauchen, definieren wir grob, was Skalierbarkeit, Sicherheit und Dezentralisierung bedeuten:

  • Skalierbarkeit ist die Fähigkeit der Blockchain, ein höheres Transaktionsvolumen aufzunehmen
  • Sicherheit ist die Fähigkeit, die in der Blockchain gespeicherten Daten vor verschiedenen Angriffen zu schützen oder die Verteidigung der Blockchain gegen Double Spending
  • Dezentralisierung ist die Redundanz im Netzwerk, die sicherstellt, dass nicht einige wenige Einheiten das Netzwerk vollständig kontrollieren.

Das Blockchain-Trilemma oder Skalierbarkeits-Trilemma wird oft einfach als Gesetz angegeben, was nicht unbedingt zutrifft. Es ist nicht zwingend der Fall, dass eine Blockchain niemals ein Optimum an Dezentralisierung, Sicherheit und Skalierbarkeit erreichen kann. Bevor wir uns weiter vertiefen, müssen wir zuerst verstehen, warum oder wie dies in den gegenwärtigen öffentlichen Blockchains umgesetzt wird. Wir erklären das Kräftespiel zwischen den drei Qualitäten am Beispiel der Bitcoin Blockchain.

Die Bitcoin Blockchain

Der Durchbruch von Bitcoin bestand darin, dass es das Problem des Double Spending ohne eine zentrale Instanz löste. „Ohne zentrale Einheit“ ist hier ausschlaggebend, da Double Spending in zentralisierten Einrichtungen ein triviales Problem ist. Das Ziel war immer, den Austausch von Werten zwischen zwei Parteien mit einer Minimierung des Vertrauens zu erleichtern. Vertrauensminimierung findet statt, wenn es keine zentralen Einheiten gibt. Das bedeutet, dass Bitcoin von mehreren Minern (statt einer zentralen Clearing-Stelle) abhängig ist.

Bitcoin führt nämlich eine Verzögerung in Form von Blöcken ein. Dies stellt sicher, dass die Mehrheit der Miner genügend Zeit hatte, um die Transaktionen zu überprüfen. Die Entscheidung, Geschwindigkeit zu opfern, war also eine bewusste Entscheidung, um Vertrauensminimierung oder Dezentralisierung zu gewährleisten. Der einfachste Weg, die Geschwindigkeit oder Skalierbarkeit zu erhöhen, wäre demnach die Entfernung dieser Zeitverzögerung. Dies würde allerdings auf Kosten der Dezentralisierung geschehen. Alle anderen Blockchains sind mit Bitcoin in ihrer DNA in irgendeiner Form versehen.

Das Zusammenspiel von Skalierbarkeit, Sicherheit und Dezentralisierung

Das Netzwerk muss sich zunächst über die Gültigkeit der Transaktion einigen, um sie abzuwickeln. Wenn das System eine grosse Anzahl von Teilnehmern hat, kann die Einigung einige Zeit in Anspruch nehmen. Daher sehen wir bei ähnlichen Sicherheitsparametern, dass die Skalierbarkeit umgekehrt proportional zur Dezentralisierung ist.
Nun gehen wir davon aus, dass zwei Proof of Work Blockchains den gleichen Grad an Dezentralisierung aufweisen. Dann können wir uns Sicherheit als die Hashrate der Blockchain vorstellen. Wenn die Hashrate höher ist, ist die Bestätigungszeit kürzer, und die Skalierbarkeit nimmt mit der Sicherheit zu. Daher sind Skalierbarkeit und Sicherheit proportional bei konstanter Dezentralisierung.

Somit kann eine Blockchain nicht gleichzeitig alle drei gewünschten Eigenschaften optimieren und muss Kompromisse eingehen. Die jüngste Beobachtung des Trilemmas im Einsatz war Ethereum. Im Zuge des Anstiegs der Anwendungen im Bereich des dezentralen Finanzbereichs (DeFi) in diesem Sommer stieg die Nutzung der Ethereum-Plattform sprunghaft an. Ethereum kann nicht über einen bestimmten Punkt hinaus skalieren. Daher drückte die gestiegene Nachfrage die Transaktionsgebühren so stark hoch, dass es für einige unmöglich wurde, mit der Blockchain zu interagieren.

Die erhöhten Gebühren für Ethereum sind ein gutes Beispiel für das Trilemma. Wir können beobachten, dass Ethereum nicht skalieren kann, ohne auf Sicherheit oder Dezentralisierung zu verzichten. Im Fall von Ethereum wurde der Schwerpunkt auf Dezentralisierung und Sicherheit gelegt, wobei die Anzahl der Transaktionen pro Sekunde begrenzt wurde (Skalierbarkeit). Die Nutzer zahlten eine höhere Gebühr, um den Minern einen Anreiz zu geben, ihrer Transaktion Vorrang einzuräumen. Ethereum und Bitcoin haben Dezentralisierung und Sicherheit der Skalierbarkeit vorgezogen. Ripple, eine Zahlungslösung, zieht Sicherheit und Skalierbarkeit der Dezentralisierung vor. Und EOS bevorzugt Skalierbarkeit auf Kosten von Dezentralisierung und Sicherheit.

Abbildung 1: Das Blockchain Trilemma

Quelle: SEBA Bank AG

Stellenwert jeder Komponente im Trilemma

Nicht alle Komponenten sind für verschiedene Anwendungsfälle und Blockchains gleich wichtig. Ein Überblick über die Eigenschaften, Vor- und Nachteile der einzelnen Komponenten.

Dezentralisierung

Dezentrale Netzwerke betonen die Fähigkeit einer Blockchain, sich auf eine ausreichend grosse Zahl von Akteuren zu stützen. Dezentralisierung ist auf verschiedenen Ebenen zu beobachten: die Anzahl der Miner, die Anzahl der vollständigen Nodes, die geographische Verteilung, die Anzahl der aktiven Entwickler und so weiter. Es ist unbedingt zu beachten, dass nicht alle Blockchains in gleichem Masse dezentralisiert sind. Dezentralisierung ist ein Spektrum; sie ist nicht binär.

Vorteile von dezentralen Netzwerken
    • Dezentralisierung ermöglicht es, einen Konsens aufrechtzuerhalten, ohne dass die Nutzer einer einzigen Instanz vertrauen müssen.
    • Dezentralisierung ist wünschenswert, weil sie die Robustheit des Systems erhöht. Sie macht das Netz widerstandsfähig gegen Zensur und ermöglicht es somit jedem, das Netz unter Wahrung der Eigentumsrechte zu nutzen.

 

Nachteile und Schwierigkeiten von dezentralen Netzwerken
  • Dezentralisierung führt zu Verzögerungen und verlangsamt das Netzwerk.
  • Sie ist teuer, da sie Redundanz einführt, und daher nicht für alle Anwendungen wünschenswert.

 

Skalierbarkeit

Die Skalierbarkeit bezieht sich auf die Fähigkeit eines Blockchain-Systems, das Grössenwachstum (mehr Benutzer, mehr Anwendungsfälle und letztlich mehr Transaktionen) zu unterstützen und massenhafte Adoption ohne Leistungseinbussen zu bewältigen. Es läuft im Wesentlichen darauf hinaus, die Abwicklungszeit einer Transaktion zu reduzieren, um die TPS (Transaktionen pro Sekunde) der Kette zu erhöhen. Wie kann die Skalierbarkeit einer Blockchain erhöht werden? Es gibt zwei Möglichkeiten (oder eine Kombination dieser beiden Möglichkeiten).

  • Reduzierung der Anzahl der Einheiten, die die Transaktionen überprüfen (Kompromiss bezüglich Dezentralisierung).
  • Reduzierung der Blockzeit, was eine Verringerung der Schwierigkeit des Netzwerks erfordert (Kompromiss bei der Sicherheit).

 

Vorteile eines auf Skalierbarkeit ausgerichteten Netzwerks
  • Ermöglicht es dem Netzwerk, ein hohes Transaktionsvolumen zu unterstützen.
  • Kann in Anwendungen nützlich sein, bei denen Sicherheit nicht im Vordergrund steht, z.B. bei Social Media Applikationen.

 

Nachteile eines auf Skalierbarkeit ausgerichteten Netzwerks
  • Wie bereits erwähnt, könnte die Skalierbarkeit auf Kosten der Sicherheit gehen.
  • Wenn ein Netzwerk skaliert, wird auch der Konsensmechanismus skalieren müssen, was zu zusätzlicher Zentralisierung führen könnte.

 

Sicherheit

Sicherheit ist die Fähigkeit einer Blockchain, die Unwiderruflichkeit von Transaktionen aufrechtzuerhalten. Sie tut dies, indem sie die Netzwerkteilnehmer zwingt, Ressourcen für Belohnungen auszugeben. Je mehr Ressourcen die Netzwerkteilnehmer aufwenden, desto sicherer ist die Blockchain. Bei einem kürzlichen Angriff von Ethereum Classic (ETC) organisierte der Angreifer über 4000 Blöcke neu, und dem Angreifer gelang es, ETC im Wert von fast 2 Millionen USD doppelt auszugeben. Warum war der Angreifer erfolgreich? Weil die Kosten für den Erwerb von mehr als 51% der Hash-Power des gesamten Netzwerks im Vergleich zum gestohlenen Wert unbedeutend waren. Kurz gesagt, der Wert in diesen 4000 Blöcken überstieg bei weitem die von den Netzwerkteilnehmern eingesetzten Ressourcen.

Vorteile einer auf Sicherheit ausgerichteten Blockchain
  • Ermöglicht grosse Wertüberweisungen, die schneller und billiger sind als herkömmliche Methoden.
  • Die Sicherheit der öffentlichen Blockchain kommt von den Netzwerkteilnehmern. Höhere Sicherheit impliziert höhere Netzwerkeffekte, die nicht leicht zu replizieren sind.

 

Nachteil einer auf Sicherheit ausgerichteten Blockchain
  • Erfordert mehr Ressourcen, d.h. mehr Investitionen

 

Vielversprechende Lösungen

Es ist kein Geheimnis, dass die derzeitige Skalierbarkeit von Blockchains wie Bitcoin und Ethereum eine Einschränkung darstellt. Die Entwickler nähern sich dem Problem aus verschiedenen Blickwinkeln. Die erhöhte Blockgrösse von Bitcoin Cash (BCH) war ein Versuch, die Skalierbarkeit von Bitcoin zu erhöhen. Es gibt jedoch keine Anzeichen dafür, dass sie an Popularität gewonnen hat. Bitcoin versucht, das Problem zu lösen, indem es eine Schicht über die bestehende Blockchain-Ebene hinzufügt. Die Idee ist, dass die Lösung auf der zweiten Shicht (Layer 2) mehrere Transaktionen gebündelt durchführt und die Blockchain der Basisschicht nur von Zeit zu Zeit abfragt.

Ethereum verfolgt einen etwas hybriden Ansatz, bei dem Sharding die Blockchain der Basisschicht skalieren wird, und die Community erwartet, dass verschiedene Layer 2 Lösungen die Skalierbarkeit weiter erhöhen werden. Keine der Skalierbarkeitslösungen ist bisher perfekt. Wir werden abwarten müssen, um herauszufinden, welche der genannten Lösungen am besten funktioniert.

Konklusion

Wir haben uns mit dem Blockchain Trilemma befasst, das sich auf die Idee bezieht, dass eine Blockchain nicht alle drei gewünschten Qualitäten (Sicherheit, Dezentralisierung und Skalierbarkeit) auf einmal erfüllen kann. Anhand von Beispielen stellten wir verschiedene bestehende Blockchains vor und zeigten, wie sich ihre Designwahl auf die anderen Parameter im Trilemma auswirkt. Schliesslich stellten wir einige vielversprechende Lösungen vor.

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Über den Autor

Yves Longchamp

Yves Longchamp ist Head Research bei SEBA Bank. Zuvor war er tätig bei Ethenea Independent Investor, Pictet & Cie, UBS und der Schweizerischen Nationalbank. Marktfinanzierung und Makroökonomie sind die Forschungsthemen, die seine Karriere auszeichnen, die ihn von der SNB zu Grossbanken und Vermögensverwaltern in die Welt der digitalen Assets führte

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