TL;DR

Blockchains können nur eine begrenzte Anzahl von Transaktionen pro Sekunde verarbeiten. Das Bitcoin-Netzwerk kann beispielsweise etwa sieben Transaktionen pro Sekunde verarbeiten. Wenn die Blockchain-Technologie weltweit eingeführt werden soll, sollte sie in der Lage sein, viel mehr Daten und mit höheren Geschwindigkeiten zu verarbeiten, damit mehr Menschen das Netzwerk nutzen können, ohne dass es zu langsam oder zu teuer wird. Das grundlegende Design vieler dezentraler Netzwerke bedeutet jedoch, dass eine zunehmende Skalierbarkeit tendenziell die Dezentralisierung oder Sicherheit schwächt. Dies ist das sogenannte Blockchain-Trilemma. Entwickler, die dieses Problem lösen möchten, experimentieren mit verschiedenen Konsensmechanismen und Skalierbarkeitslösungen wie Sharding, Sidechains und State Channels.

Einführung

Im Grunde genommen ist eine Blockchain eine verteilte digitale Datenbank. Datenblöcke werden in chronologischer Reihenfolge organisiert. Die Blöcke sind verknüpft und durch kryptografische Beweise gesichert. Die Implementierung dieser Technologie in verschiedenen Branchen verändert bereits unsere Arbeits- und Lebensweise.

Die Idee ist, dass dezentralisierte und sichere Blockchains eine Welt ermöglichen, in der wir uns nicht auf Dritte verlassen müssen, damit Netzwerke oder Märkte funktionieren. Experten sind sich jedoch im Allgemeinen einig, dass es ein Kernproblem gibt, das gelöst werden muss, wenn diese Technologie breiter eingesetzt werden soll. Das fragliche Problem ist als „Blockchain-Trilemma“ bekannt.

Dieser Begriff wurde vom Ethereum-Mitbegründer Vitalik Buterin populär gemacht. Damit er Sinn ergibt, müssen Sie sich drei verschiedener Elemente bewusst sein, die in einer Blockchain wünschenswert sind: Dezentralisierung, Sicherheit und Skalierbarkeit. Das Blockchain-Trilemma bezieht sich auf die Idee, dass es für Blockchains schwierig ist, optimale Niveaus aller drei Eigenschaften gleichzeitig zu erreichen. Die Erhöhung einer Eigenschaft führt normalerweise zur Schwächung einer anderen.

In diesem Artikel werden alle drei Elemente des Trilemmas untersucht und im Detail erläutert, was jedes davon ist. Eine eingehendere Diskussion jedes einzelnen Elements und wie sie zusammenpassen, führt zu einem besseren Verständnis, wie und warum das Blockchain-Trilemma existiert. Dieser Artikel wird auch einige der von Entwicklern vorgeschlagenen Lösungen hervorheben.

Was ist Dezentralisierung?

Bitcoin und ähnliche Blockchain-Netzwerke sind von Natur aus dezentralisiert. Die gesamte Struktur ist so angelegt, dass keine einzelne Person oder Organisation die Verantwortung trägt. Vielmehr ist alles dezentralisiert. Die Netzwerkschicht steht jedem offen, der teilnehmen möchte. Dadurch ist die Kontrolle vollständig verteilt und nicht bei einer einzigen Entität. Jeder hat Zugriff auf dieselben Daten. Wenn jemand versucht, das System zu betrügen, indem er die Datensätze zu seinen Gunsten ändert, werden die übrigen Teilnehmer die fehlerhaften Daten ablehnen.

Das kann ziemlich technisch werden, aber nehmen wir als Beispiel das Bitcoin-Netzwerk. Es gibt keine dritte Partei, die die Kontrolle hat. Vergleichen Sie das mit der Notwendigkeit von Banken im Finanzsystem. Die Banken sorgen für Vertrauen zwischen den Menschen, die Transaktionen durchführen, und stellen sicher, dass alle Aufzeichnungen korrekt geführt werden. Die Bitcoin-Blockchain hingegen teilt alle diese Daten mit jedem im Netzwerk, sodass sie überprüft und bestätigt werden können, bevor sie der digitalen Datenbank hinzugefügt werden. Das Ergebnis ist ein System, das ohne die Notwendigkeit von Dritten existieren kann.

Dezentralisierung bietet die Möglichkeit für das sogenannte Web3. Im Moment haben wir Web2 – das Internet von heute. Es ist voller Websites und Apps, die von Unternehmen kontrolliert werden, aber von den Benutzern erstellte Inhalte enthalten. Web3 ist der nächste Schritt. Ein Internet, in dem die dezentrale Blockchain-Technologie den Menschen die Kontrolle über ihre eigenen Daten und ihr Online-Leben gibt.

Zu beachten ist jedoch, dass die Transaktionszeiten aufgrund der Funktionsweise dieser verteilten Systeme – bei denen sich viele Teilnehmer über die Gültigkeit von Daten einig sein müssen – aufgrund der Art und Weise, wie Informationen geteilt und verarbeitet werden müssen, lang sein können. Blockchains müssen also skalierbar sein, das heißt, sie müssen in der Lage sein, mehr Daten bei höherer Geschwindigkeit zu verarbeiten. Wir kommen auf diesen Punkt zurück, wenn wir über Skalierbarkeit sprechen.

Darüber hinaus kann der Traum von der Dezentralisierung nur wahr werden, wenn die zugrunde liegenden Blockchains sicher sind. Wenn es einer Blockchain an Sicherheit mangelt, kann ein böswilliger Akteur die Kontrolle übernehmen und die Daten zu seinen Gunsten verändern. Dies führt zum zweiten Teil des Trilemmas: Sicherheit.

Was ist Blockchain-Sicherheit?

Es spielt keine Rolle, wie dezentralisiert eine Blockchain ist, wenn es ihr an Sicherheit mangelt. Ein gutes Blockchain-Netzwerk sollte gegen Angriffe von böswilligen Entitäten resistent sein. Zentralisierte Systeme beziehen ihre Sicherheit aus der Tatsache, dass das System geschlossen ist. Wer die Kontrolle hat, kann garantieren, dass die Daten frei von Störungen sind. Aber wie wird dies in einem dezentralisierten System erreicht, an dem jeder teilnehmen kann?

Es ist ein kompliziertes Thema, aber wir können zu Bitcoin als Beispiel für dezentralisierte Blockchain-Sicherheit zurückkehren. Die Bitcoin-Blockchain verwendet eine Kombination aus Kryptografie und einem Netzwerkkonsensmechanismus namens Proof of Work (PoW). In Bezug auf die Kryptografie hat jeder Block eine Art digitale Signatur (oder Hash). Jeder Datenblock ist auf eine Weise verbunden, die nicht manipuliert werden kann, da jede Änderung den Hash eines Blocks verändern würde. Jeder Versuch, die Daten zu ändern, würde vom Rest des Netzwerks schnell identifiziert.

Der PoW-Konsensmechanismus ist ein weiteres Teil des Puzzles. Er hilft, das Hauptbuch der Kryptowährung zu sichern. Das Verständnis von Proof of Work ist ein ganzer Artikel für sich, aber für unsere Zwecke sei angemerkt, dass Mitglieder des Netzwerks neue Transaktionen nur durch eine als Mining bezeichnete Aktivität verifizieren und dem Hauptbuch hinzufügen können. Dabei wird Rechenleistung eingesetzt, um ein mathematisches Rätsel zu lösen. Ein Teil des Prozesses erfordert, dass diese Computer zahlreiche Hashing-Funktionen ausführen. Dies spielt eine Rolle bei der Frage der Skalierbarkeit, da der PoW-Mechanismus zwar sicher, aber relativ langsam ist.

Beachten Sie auch, dass das Netzwerk umso sicherer ist, je mehr Teilnehmer (Knoten) es darin gibt. Je größer die Anzahl der Parteien, desto schwieriger wird es für einen böswilligen Akteur, die Kontrolle über das System zu übernehmen. Dies hängt mit dem sogenannten 51-%-Angriff zusammen. Zur Übersicht: Wenn eine einzelne Entität (oder eine Gruppe böswilliger Akteure) mehr als 50 % der gesamten Netzwerk-Hashing-Rate einer Blockchain kontrollieren kann, dann wäre sie in der Lage, den Konsens außer Kraft zu setzen und die Daten der Kette zu ihrem eigenen Vorteil zu ändern, beispielsweise durch die doppelte Ausgabe von Token.

Kurz gesagt: Sicherheit ist eine grundlegende Voraussetzung für den Erfolg einer Blockchain, denn ohne sie können Angreifer die Kontrolle über die Kette übernehmen und sie unbrauchbar machen.

Was ist Skalierbarkeit?

Mit Skalierbarkeit ist das Ziel gemeint, eine Blockchain zu erstellen, die immer mehr Transaktionen pro Sekunde verarbeiten kann. Skalierbarkeit ist erforderlich, wenn die Blockchain-Technologie einer breiteren Gesellschaft und möglicherweise Milliarden von Nutzern dienen soll. Doch genau hier haben viele Blockchains noch Probleme.

Dies liegt daran, dass Dezentralisierung und Sicherheit für Blockchain so grundlegend sind, dass sie in der Regel zuerst in den Mittelpunkt gestellt werden. Dezentralisierung ist für das Ethos und die Ziele von Blockchain so zentral, dass sie im Mittelpunkt der meisten anerkannten Blockchains steht. Sicherheit ist, wie wir bereits besprochen haben, eine Grundvoraussetzung für den Erfolg und Nutzen einer Blockchain.

Wenn jedoch Dezentralisierung und Sicherheit im Vordergrund stehen, wird Skalierbarkeit zur Herausforderung. Die Anzahl der Transaktionen, die eine Kette verarbeiten kann, kann stark begrenzt sein. Ein zentralisiertes Zahlungssystem wie Visa gibt an, 24.000 Transaktionen pro Sekunde verarbeiten zu können. Dies liegt daran, dass das Netzwerk geschlossen ist und keine Aspekte wie öffentliche Knoten und Konsens berücksichtigt werden. Vergleichen Sie dies mit einigen der bekanntesten Blockchains.

Laut Bloomberg aus dem Jahr 2022: „Seit September konnte Bitcoin nicht mehr als sieben Transaktionen pro Sekunde abwickeln und Ethereum, das zweitbeliebteste Netzwerk, war auf etwa 15 pro Sekunde beschränkt – eine Ewigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Börsen.“

Wie bereits erwähnt, sind diese Blockchain-Transaktionsgeschwindigkeiten aufgrund der Art und Weise begrenzt, wie die Informationen von den verschiedenen Teilnehmern des dezentralen Netzwerks verarbeitet werden müssen, und aufgrund der Art des PoW-Konsensmechanismus selbst. Wenn immer mehr Menschen in der Gesellschaft beginnen, die Blockchain-Technologie zu verwenden, werden die Netzwerke aufgrund der begrenzten Anzahl von Transaktionen, die sie verarbeiten können, überlastet.

Warum das Blockchain-Trilemma existiert

Die offensichtlichste und grundlegendste Lösung für das oben beschriebene Problem besteht darin, die Anzahl der Teilnehmer zu reduzieren, die die Netzwerkdaten bestätigen und ergänzen, und dafür mehr Umfang und Geschwindigkeit zu erzielen. Dies würde jedoch zu einer Schwächung der Dezentralisierung führen, da die Kontrolle einer geringeren Anzahl von Teilnehmern überlassen würde. Und es würde auch zu einer Schwächung der Sicherheit führen, da weniger Teilnehmer eine höhere Angriffswahrscheinlichkeit bedeuten.

Hier liegt also das Trilemma: Angesichts der Verbindung zwischen den gewünschten Eigenschaften Dezentralisierung und Sicherheit erschwert das grundlegende Design der Funktionsweise der Blockchain die Skalierung. Erhöhen Sie eine Eigenschaft, schwächen Sie eine andere. Wie steigern Sie die Skalierbarkeit, ohne die Dezentralisierung, die Sicherheit oder beides zu beeinträchtigen?

Die Lösung des Blockchain-Trilemmas

Es gibt keine goldene Lösung für dieses Trilemma. Aber angesichts der Bedeutung der Lösung dieses Problems gab es innerhalb der Community eine Reihe unterschiedlicher Ansätze mit interessanten Ergebnissen. Lassen Sie uns einen Überblick über einige der beliebtesten Entwicklungen geben, um Ihnen ein Verständnis dafür zu vermitteln, was in diesem Bereich passiert:

1. Sharding

Dies ist eine Methode zum Aufteilen von Blockchains (oder anderen Datenbanktypen) in kleinere, partitionierte Blockchains, die bestimmte Datensegmente verwalten. Dieses Setup entlastet eine einzelne Kette, die alle Transaktionen und Interaktionen in einem Netzwerk abwickelt. Jede partitionierte Blockchain wird als Shard bezeichnet und hat ihr eigenes Hauptbuch. Diese Shards können dann ihre eigenen Transaktionen verarbeiten, aber eine Beacon-Blockchain oder Hauptkette verwaltet die Interaktionen zwischen den Shards. Dies macht Sharding zu einem Upgrade der Netzwerkskalierbarkeit auf Layer 1, da es eine Änderung am Mainnet einer Blockchain darstellt.

2. Unterschiedlicher Konsensmechanismus

Einer der Gründe für das Trilemma im Bitcoin-Netzwerk ist die Art und Weise, wie PoW zur Gewährleistung der Sicherheit funktioniert. Der Bedarf an Minern, Kryptoalgorithmen und enormen Mengen dezentraler Rechenleistung führt zu einem sicheren, aber langsamen System. Ein Ansatz zur Lösung des Trilemmas besteht darin, einen anderen Weg zur Sicherung des Konsenses zu finden. Dies war einer der Gründe für Ethereums Wechsel von PoW zu Proof of Stake (PoS).

In PoS-Blockchains müssen Teilnehmer, die an der Validierung von Transaktionen beteiligt sind, ihre Token einsetzen (sperren). Es sind keine hochspezialisierten Mining-Maschinen erforderlich. Das Hinzufügen weiterer Validierer zum Netzwerk ist einfacher und zugänglicher. PoS ist nur einer von vielen verschiedenen Ansätzen für Konsensmechanismen mit Blick auf Skalierbarkeit.

3. Layer-2-Lösungen

Sowohl Sharding als auch verschiedene Konsensmechanismen sind sogenannte Layer-1-Lösungen. Sie versuchen, das grundlegende Design des zugrunde liegenden Netzwerks zu ändern. Andere Entwickler, die das Trilemma lösen wollen, arbeiten jedoch an Lösungen, die auf einer bestehenden Netzwerkstruktur aufbauen. Mit anderen Worten, sie glauben, dass die Antwort in einer zweiten Schicht oder Schicht 2 liegt. Beispiele hierfür sind Sidechains und State Channels.

Eine Sidechain ist im Grunde eine separate Blockchain, die mit der Hauptchain verbunden ist. Sie ist so aufgebaut, dass Vermögenswerte frei zwischen den beiden fließen können. Wichtig ist, dass die Sidechain nach anderen Regeln arbeiten kann, was eine höhere Geschwindigkeit und Skalierbarkeit ermöglicht. Ebenso sind Statuskanäle eine weitere Möglichkeit, Transaktionen von der Hauptchain zu nehmen und den Druck auf Layer 1 zu verringern. Ein Statuskanal verwendet einen Smart Contract anstelle einer separaten Chain, um es Benutzern zu ermöglichen, miteinander zu interagieren, ohne ihre Transaktionen in der Blockchain zu veröffentlichen. Die Blockchain zeichnet nur den Anfang und das Ende des Kanals auf.

Abschließende Gedanken

Das Skalierbarkeitstrilemma steht der Blockchain im Weg, ihr Potenzial als weltverändernde Technologie auszuschöpfen. Wenn Blockchain-Netzwerke nur eine geringe Anzahl von Transaktionen pro Sekunde verarbeiten können, um Dezentralisierung und Sicherheit aufrechtzuerhalten, wird es schwierig sein, eine breite Akzeptanz zu erreichen. Die derzeit von Entwicklern vorgeschlagenen Lösungen zur Lösung dieses Problems lassen jedoch darauf schließen, dass die bereits erzielten technologischen Fortschritte der Blockchain nur anhalten werden und diese Netzwerke in Zukunft möglicherweise viel mehr Daten verarbeiten können.