Zusammenfassung

Die Anzahl der Transaktionen, die eine Blockchain pro Sekunde verarbeiten kann, ist begrenzt. Beispielsweise kann das Bitcoin-Netzwerk etwa sieben Transaktionen pro Sekunde verarbeiten. Nach der breiten Einführung der Blockchain-Technologie werden die Datenverarbeitungsfähigkeiten und -geschwindigkeiten erheblich verbessert, und die Zunahme der Benutzerzahl wird das Netzwerk nicht verlangsamen oder die Kosten erhöhen. Die grundlegenden Designprinzipien vieler dezentraler Netzwerke konzentrieren sich jedoch auf die Verbesserung der Skalierbarkeit, oft auf Kosten der Dezentralisierung oder Sicherheit. Dies ist das sogenannte „Blockchain-Trilemma“. Entwickler experimentieren mit verschiedenen Konsensmechanismen sowie Skalierbarkeitslösungen wie Sharding, Sidechains und State Channels, in der Hoffnung, dieses Problem zu lösen.

Einführung

Kurz gesagt ist Blockchain eine verteilte digitale Datenbank. Datenblöcke werden in chronologischer Reihenfolge organisiert. Blöcke werden durch kryptografische Beweise verbunden und gesichert. Diese branchenübergreifend implementierte Technologie verändert bereits jetzt die Art und Weise, wie wir arbeiten und leben.

Die Idee dahinter ist, dass Menschen mit dem Aufkommen sicherer, dezentraler Blockchains die Welt am Laufen halten können, ohne auf Netzwerke oder Märkte Dritter angewiesen zu sein. Allerdings gehen Experten allgemein davon aus, dass für eine breite Verbreitung dieser Technologie zunächst ein Kernproblem gelöst werden muss, nämlich das viel diskutierte „blockchain ternary paradox“-Problem.

Der Begriff wurde vom Ethereum-Mitbegründer Vitalik Buterin populär gemacht. Um dieses Konzept zu verstehen, müssen Sie zunächst die drei Hauptelemente der Blockchain kennen: Dezentralisierung, Sicherheit und Skalierbarkeit. Das Konzept des „Blockchain-Trilemmas“ bezieht sich auf die Schwierigkeit der Blockchain, das optimale Niveau dieser drei Attribute gleichzeitig zu erreichen. Eine Erhöhung eines Attributs führt häufig zu einer Verschlechterung eines anderen Attributs.

In diesem Artikel werden die drei Hauptelemente des Trilemmas untersucht und einzeln einzeln erläutert. Eine ausführliche Diskussion der einzelnen Elemente und ihrer Kombination miteinander wird dazu beitragen, unser Verständnis dafür zu vertiefen, wie und warum das Blockchain-Trilemma existiert. In diesem Artikel werden auch mehrere von Entwicklern vorgeschlagene Lösungen hervorgehoben.

Was ist Dezentralisierung?

Bitcoin ist wie andere ähnliche Blockchain-Netzwerke von Natur aus dezentralisiert. Die Gesamtarchitektur dieser Art von Netzwerk wird nicht von einer Einzelperson oder einer einzelnen Organisation verwaltet, sondern ist dezentralisiert. Die Netzwerkebene steht allen Teilnehmern offen. Dadurch liegt die Kontrolle vollständig dezentral und nicht in den Händen einer einzigen Einheit. Jeder hat Zugriff auf die gleichen Daten. Wenn jemand versucht, das System zu betrügen, indem er die Aufzeichnungen nach eigenem Gutdünken manipuliert, können andere Teilnehmer die fehlerhaften Daten zurückweisen.

Dieser Vorgang ist recht technisch. Nehmen wir als Beispiel das Bitcoin-Netzwerk, das keine Kontrolle durch Dritte beinhaltet. Wir vergleichen dies mit der Abhängigkeit von Banken im Finanzsystem. Banken stärken das Vertrauen zwischen den Transaktionsparteien und stellen sicher, dass alle Aufzeichnungen ordnungsgemäß geführt werden. Allerdings teilt die Bitcoin-Blockchain Daten mit allen im Netzwerk, um sicherzustellen, dass die Daten überprüft werden, bevor sie der digitalen Datenbank hinzugefügt werden. Das Ergebnis ist ein System, das kein Eingreifen Dritter erfordert.

Die Dezentralisierung bietet die Möglichkeit für das sogenannte Web3. Unser aktuelles Internet befindet sich im Web2-Stadium. Websites und Anwendungen in Web2 werden alle von großen Unternehmen kontrolliert, aber Benutzer erstellen den Inhalt. Web3 ist der nächste Entwicklungstrend. Im Web3-Internet kontrollieren Menschen mithilfe der dezentralen Blockchain-Technologie ihre eigenen Daten und ihr Online-Leben.​

Allerdings ist zu beachten, dass die Art und Weise, wie diese verteilten Systeme funktionieren, eine große Anzahl von Teilnehmern erfordert, die sich auf die Gültigkeit aller Daten einigen müssen, was die gemeinsame Nutzung und Verarbeitung von Informationen erfordert, was zu langsameren Transaktionszeiten führt. Daher muss die Blockchain skalierbar sein, d. h. in der Lage sein, mehr Daten schneller zu verarbeiten. Wir werden damit fortfahren, wenn wir über die Skalierbarkeit sprechen.

Um eine Dezentralisierung zu erreichen, muss zudem zunächst die Sicherheit der zugrunde liegenden Blockchain gewährleistet werden. Wenn es der Blockchain an Sicherheit mangelt, haben Kriminelle die Möglichkeit, die Daten zu manipulieren. Dies führt zum zweiten Teil des Trilemmas: Sicherheit.

Was ist Blockchain-Sicherheit?

Egal wie dezentral eine Blockchain ist, es nützt nichts, wenn es ihr an Sicherheit mangelt. Ein robustes Blockchain-Netzwerk muss gegen Angriffe böswilliger Einheiten resistent sein. Zentralisierte Systeme sind geschlossen und sorgen so für Sicherheit. Der Verantwortliche kann sicherstellen, dass die Daten nicht gestört werden. Doch wie erreicht man Sicherheit in einem dezentralen System, an dem jeder teilnehmen kann?

Das ist ein komplexes Thema. Kehren wir als Beispiel zurück zu Bitcoin und seiner dezentralen Blockchain-Sicherheit. Die Bitcoin-Blockchain verwendet eine Kombination aus Kryptographie und einem Netzwerkkonsensmechanismus namens Proof of Work (PoW). Aus kryptografischer Sicht verfügt jeder Block über eine digitale Signatur oder einen „Hash“. Jede Änderung ändert den Hash des Blocks, sodass jeder Datenblock auf eine Weise verbunden ist, die nicht manipuliert werden kann. Jeder Versuch, Daten zu verändern, wird vom Rest des Netzwerks schnell erkannt.

Dabei spielt auch der Proof-of-Work-Konsensmechanismus eine Rolle, der die Sicherheit des Kryptowährungs-Ledgers effektiv gewährleistet. Das Verständnis von Proof-of-Work ist an sich schon eine große Sache, aber für die Zwecke dieses Artikels bedenken Sie einfach, dass Netzwerkmitglieder neue Transaktionen nur durch die Aktivität des „Minings“ validieren und zum Hauptbuch hinzufügen können. Dabei wird Rechenleistung zur Lösung schwieriger mathematischer Probleme eingesetzt. Für den Berechnungsprozess müssen diese Computer eine große Anzahl von Hashing-Funktionen ausführen. Obwohl der Proof-of-Work-Mechanismus sicher ist, ist er relativ langsam, was zu Skalierbarkeitsproblemen führt.

Beachten Sie außerdem, dass das Netzwerk umso sicherer ist, je mehr Teilnehmer (Knoten) in einem Netzwerk vorhanden sind. Je größer die Teilnehmerzahl, desto schwieriger ist es für böswillige Akteure, die Kontrolle über das System zu erlangen. Dabei handelt es sich um den sogenannten „51 %-Angriff“. Die allgemeine Bedeutung dieses Konzepts besteht darin, dass eine einzelne Entität (oder eine Gruppe von Kriminellen), die mehr als 50 % der Hash-Rate des gesamten Blockchain-Netzwerks kontrolliert, den Konsens willkürlich aufheben und die Daten in der Kette manipulieren kann, z als Double-Spending-Token.​

Kurz gesagt: Sicherheit ist für den Erfolg der Blockchain von grundlegender Bedeutung. Ohne Sicherheit und ohne willkürliche Kontrolle durch Angreifer ist die Blockchain wertlos.

Was ist Skalierbarkeit?

Unter Skalierbarkeit versteht man das Ziel, eine Blockchain aufzubauen, um die Geschwindigkeit von Transaktionen pro Sekunde zu erhöhen. Wenn die Blockchain-Technologie der breiteren Gesellschaft oder Milliarden von Nutzern dienen soll, ist eine Erweiterung unerlässlich. Dies ist jedoch etwas, mit dem viele Blockchains immer noch zu kämpfen haben.​

Der Grund dafür ist, dass Dezentralisierung und Sicherheit grundlegende Themen der Blockchain sind und daher stets Priorität genießen. Dezentralisierung ist der Kern der Philosophie und der Ziele der Blockchain. Die meisten bekannten Blockchains halten an diesem Kern fest. Wie oben erwähnt, ist Sicherheit die Grundvoraussetzung für den Erfolg und Wert der Blockchain.

Allerdings macht die Priorisierung von Dezentralisierung und Sicherheit die Skalierbarkeit zu einer Herausforderung. Die Anzahl der Transaktionen, die eine einzelne Kette verarbeiten kann, ist stark begrenzt. Zentralisierte Zahlungssysteme wie Visa geben an, 24.000 Transaktionen pro Sekunde verarbeiten zu können, da das Netzwerk geschlossen ist und nicht von öffentlichen Knoten und Konsens beeinflusst wird. Vergleichen wir verschiedene bekannte Blockchains.

Laut Bloomberg im Jahr 2022: „Im September hatte Bitcoin Schwierigkeiten, mehr als 7 Transaktionen pro Sekunde zu verarbeiten, während das zweitbeliebteste Ethereum-Netzwerk auf etwa 15 Transaktionen pro Sekunde beschränkt war. Im Vergleich zu herkömmlichen Handelsplattformen ist es einfach so langsam.“ dass man am Leben zweifelt.“

Wie bereits erwähnt, sind die Transaktionsgeschwindigkeiten auf diesen Blockchains aufgrund der Art und Weise, wie Teilnehmer in einem dezentralen Netzwerk Informationen verarbeiten müssen, sowie der Art des Proof-of-Work-Konsensmechanismus selbst begrenzt. Wenn immer mehr Menschen beginnen, die Blockchain-Technologie in der Gesellschaft zu nutzen, wird die Transaktionsverarbeitungskapazität des Netzwerks begrenzt, was zu einer Überlastung des Netzwerks führt.

Warum gibt es das ternäre Blockchain-Paradoxon?

Die offensichtlichste und grundlegendste Lösung für das oben genannte Problem besteht darin, das Netzwerk zu erweitern und die Geschwindigkeit zu erhöhen, indem die Anzahl der Teilnehmer verringert wird, die Netzwerkdaten bestätigen und hinzufügen. Dadurch wird jedoch die Dezentralisierung verringert und die Kontrolle in die Hände einiger weniger Teilnehmer gelegt. Weniger Teilnehmer bedeuten ein erhöhtes Angriffsrisiko, was auch zu einer schwächeren Sicherheit führen kann.

Daraus ergibt sich das Trilemma: In der Grundkonstruktion des Funktionsprinzips der Blockchain sind die beiden notwendigen Attribute Dezentralisierung und Sicherheit eng miteinander verbunden, sodass eine Skalierbarkeit nur schwer zu erreichen ist. Die drei befinden sich in einem Zustand des Auf und Ab. Wie können wir die Skalierbarkeit verbessern, ohne die Dezentralisierung, die Sicherheit oder beides zu beeinträchtigen?

Lösung des Blockchain-Trilemmas

Es gibt keine allgemeingültige Lösung für das Trilemma. Angesichts der Bedeutung der Lösung dieses Problems hat die Community eine Vielzahl unterschiedlicher Lösungen mit vielversprechenden Ergebnissen entwickelt. Lassen Sie uns die Top-Trends skizzieren, um jedem einen Eindruck von den neuesten Entwicklungen in diesem Bereich zu geben.

1. Sharding

Auf diese Weise wird eine Blockchain oder eine andere Art von Datenbank in kleinere Partitionen der Blockchain aufgeteilt, um bestimmte Datensegmente zu verwalten. Dieser Aufbau entlastet eine einzelne Kette, alle Netzwerktransaktionen und -interaktionen abzuwickeln. Jede Partition der Blockchain wird als „Shard“ bezeichnet und verfügt über ein eigenes spezifisches Ledger. Diese Shards können dann eigenständig Transaktionen verarbeiten, die Beacon-Kette oder Hauptkette verwaltet jedoch die Interaktionen zwischen den Shards. Dies ist eine Änderung am Blockchain-Mainnet, sodass Sharding zu einem Skalierbarkeits-Upgrade für Layer-1-Netzwerke wird.

2. Verschiedene Konsensmechanismen

Einer der Gründe, warum das ternäre Paradoxon im Bitcoin-Netzwerk besteht, liegt in der Art und Weise, wie Proof-of-Work die Sicherheit gewährleistet. Um die Systemsicherheit zu erreichen, sind Miner, Kryptowährungsalgorithmen und enorme dezentrale Rechenleistung unverzichtbar, führen aber auch zu einem langsamen System. Das Finden anderer Wege zur Sicherstellung des Konsenses ist ebenfalls eine Möglichkeit, das Trilemma zu lösen. Dies ist ein wichtiger Grund, warum Ethereum von Proof-of-Work zu Proof-of-Stake (PoS) übergegangen ist.

In einer Proof-of-Stake-Blockchain müssen die Teilnehmer ihre Token einsetzen (sperren), um an der Transaktionsüberprüfung teilzunehmen, hochspezialisierte Mining-Maschinen sind jedoch nicht erforderlich. Es ist einfacher und bequemer, dem Netzwerk weitere Validatoren hinzuzufügen. Proof-of-Stake-Konsensmechanismen sind nur eine von vielen Möglichkeiten, die Skalierbarkeit zu verbessern.

3.Layer-2-Lösung

Sharding und verschiedene Konsensmechanismen sind sogenannte Layer-1-Lösungen, die darauf abzielen, das grundlegende Design des zugrunde liegenden Netzwerks zu ändern. Andere Entwickler versuchen jedoch, Lösungen auf bestehenden Netzwerkstrukturen aufzubauen, um das Trilemma-Problem zu lösen. Mit anderen Worten: Sie glauben, dass die Lösung in der Layer-2-Vernetzung oder „Layer 2“ liegt. Relevante Beispiele sind Sidechains und State Channels.

Sidechains sind im Wesentlichen unabhängige Blockchains, die mit der Hauptkette verbunden sind. Mit diesem Setup können Vermögenswerte frei zwischen den beiden Ketten fließen. Wichtig ist, dass Sidechains nach unterschiedlichen Regeln arbeiten können, um Geschwindigkeit und Skalierbarkeit zu erreichen. Ebenso sind State Channels eine weitere Möglichkeit, Layer 1 zu entlasten, indem Transaktionen aus der Hauptkette entfernt werden. Anstatt eine separate Kette zu verwenden, verwenden staatliche Kanäle intelligente Verträge, die es Benutzern ermöglichen, miteinander zu interagieren, ohne Transaktionen auf der Blockchain zu veröffentlichen. Die Blockchain muss lediglich den Anfang und das Ende des Kanals aufzeichnen.

Zusammenfassen

Das Blockchain-Trilemma behindert das Potenzial der Blockchain-Technologie, zur Veränderung der Welt beizutragen. Wenn ein Blockchain-Netzwerk nur eine kleine Anzahl von Transaktionen pro Sekunde verarbeiten kann, um dezentral und sicher zu bleiben, wird es schwierig sein, eine Massenakzeptanz zu erreichen. Allerdings können Blockchain-Netzwerke, gemessen an den neuesten Lösungen, die von Entwicklern zur Lösung dieses Problems vorgeschlagen wurden, in Zukunft nur dann auf einen Sprung in der Datenverarbeitungskapazität hoffen, wenn sie die aktuellen technologischen Fortschritte weiter vorantreiben.