WAS BEDEUTET SKALIERUNG IN DER BLOCKCHAIN UND WARUM IST SIE SO HERAUSFORDERND?

Was ist Blockchain-Skalierung?

Skalierung im Kontext der Blockchain bezeichnet die Fähigkeit eines Blockchain-Netzwerks, eine steigende Anzahl von Transaktionen oder eine wachsende Nutzerbasis zu bewältigen, ohne Kompromisse bei Leistung, Sicherheit oder Dezentralisierung einzugehen. Das grundlegende Ziel der Skalierung ist die Steigerung des Durchsatzes (Transaktionen pro Sekunde), die Reduzierung der Latenz und die Kontrolle der mit der Netzwerknutzung verbundenen Kosten, insbesondere bei zunehmender Verbreitung.

Bitcoin, das ursprüngliche Blockchain-Netzwerk, kann beispielsweise etwa 7 Transaktionen pro Sekunde (TPS) verarbeiten, während Ethereum, die führende Smart-Contract-Plattform, etwa 15–30 TPS schafft. Im Gegensatz dazu können traditionelle Zahlungssysteme wie Visa über 24.000 TPS verarbeiten. Diese enorme Diskrepanz verdeutlicht die Skalierungsherausforderung der Blockchain-Technologie.

Es gibt zwei Hauptkategorien von Skalierungsansätzen:

• On-Chain-Skalierung: Änderungen am Hauptprotokoll der Blockchain, um mehr Transaktionen pro Sekunde zu ermöglichen. Dies kann die Erhöhung der Blockgröße, die Reduzierung der Blockzeit oder die Änderung von Konsensalgorithmen umfassen.
• Off-Chain-Skalierung: Auslagerung der Transaktionsverarbeitung an Hilfssysteme oder sekundäre Schichten, die mit der Haupt-Blockchain interagieren, aber unabhängig arbeiten, um den Gesamtdurchsatz zu erhöhen.

Effektive Skalierung sollte die Sicherheit und Dezentralisierung einer Blockchain gewährleisten.

Das Skalierbarkeitstrilemma

Das von Ethereum-Mitbegründer Vitalik Buterin geprägte Skalierbarkeitstrilemma besagt, dass Blockchain-Systeme maximal zwei der folgenden drei Eigenschaften gleichzeitig erreichen können:

• Dezentralisierung: Gleichberechtigte Beteiligung unabhängiger Knoten ohne Abhängigkeit von zentralen Instanzen.
• Sicherheit: Schutz vor Angriffen und Manipulation.
• Skalierbarkeit: Fähigkeit, größere Transaktionsvolumina effizient zu verarbeiten.

Die Schwierigkeit besteht darin, alle drei Eigenschaften zu optimieren. Eine Steigerung des Durchsatzes kann größere Blöcke erfordern, was die Skalierbarkeit verbessert, jedoch oft mehr Rechenleistung benötigt, die Knotenbeteiligung zentralisiert und die Dezentralisierung schwächt. Ebenso kann das Hinzufügen weiterer Konsensschritte die Sicherheit erhöhen, aber potenziell die Skalierbarkeit verringern.Da die Blockchain-Technologie branchenübergreifend – von der Finanzwelt bis hin zu Lieferketten – immer häufiger eingesetzt wird, ist die Lösung des Skalierungsproblems von entscheidender Bedeutung. Entwickler und Forscher untersuchen aktiv innovative Methoden, um Blockchain-Netzwerke zu skalieren und gleichzeitig deren Kernwerte zu bewahren.

Warum ist die Skalierung von Blockchains so schwierig?

Die Skalierung eines Blockchain-Netzwerks ist aufgrund grundlegender Designentscheidungen, die Dezentralisierung und Sicherheit priorisieren, naturgemäß schwierig. Diese Designprinzipien, die einige der größten Vorteile der Blockchain bieten – wie Unveränderlichkeit und Vertrauenslosigkeit – schränken auch die Verarbeitungsgeschwindigkeit und den Datenspeicher ein.

1. Konsensmechanismen

Das Herzstück jedes Blockchain-Netzwerks ist ein Konsensmechanismus, also die Methode, mit der sich die Teilnehmer auf den Zustand des Hauptbuchs einigen. Gängige Mechanismen wie Proof of Work (PoW) und Proof of Stake (PoS) erfordern entweder intensive Rechenleistung oder verteilte Validierungsbemühungen, um die Legitimität aller Transaktionen zu gewährleisten.

Diese Mechanismen schützen zwar vor Betrug und Manipulation, führen aber auch zu Latenzzeiten. Im Fall von Bitcoin beträgt die durchschnittliche Blockzeit 10 Minuten, was die Geschwindigkeit der Transaktionsabwicklung begrenzt. Eine Erhöhung der Blockgröße, um mehr Transaktionen unterzubringen, kann zwar helfen, belastet aber auch die Knoten mit größeren Datenmengen, was die Teilnahme hemmt und potenziell die Kontrolle zentralisiert.

2. Netzwerkverbreitung

Eine weitere Hürde ist die Zeit, die benötigt wird, um neue Blöcke im gesamten Netzwerk zu verbreiten. In dezentralen Systemen müssen Knoten über weit verstreute Standorte hinweg kommunizieren. Größere Blöcke benötigen mehr Zeit für die Verbreitung, wodurch die Wahrscheinlichkeit verwaister Blöcke und Konsensprobleme steigt, was die Zuverlässigkeit und Effizienz beeinträchtigt.

3. Datenspeicherung und Knotenanforderungen

Blockchain-Daten werden redundant auf jedem vollständigen Knoten gespeichert. Mit dem Wachstum der Blockchain steigen auch die Speicher- und Bandbreitenanforderungen für den Betrieb eines Knotens. Ohne sorgfältige Balance führt dies dazu, dass weniger Personen Knoten betreiben können, was die Dezentralisierung erneut gefährdet. Ethereum hat beispielsweise Vorschläge für eine „State Rent“ eingeführt, um die übermäßigen Datenspeicherprobleme zu lösen, die die Skalierung behindern.

4. Rückwärtskompatibilität und Forks

Die Implementierung von Skalierungsverbesserungen erfordert in der Regel eine Änderung des Kernprotokolls der Blockchain. Diese Änderungen führen häufig zu sogenannten „Hard Forks“, die die bestehende Blockchain und das Ökosystem spalten. Dies kann zu Verwirrung, Fragmentierung und einem Verlust des Community-Konsenses führen. Die Aufrechterhaltung der Rückwärtskompatibilität bei der Implementierung skalierbarer Upgrades bleibt eine große Herausforderung.

5. Sicherheitslücken

Skalierungsbemühungen können unbeabsichtigt zusätzliche Angriffsvektoren schaffen. Beispielsweise operieren Layer-2-Lösungen wie Sidechains und Rollups teilweise außerhalb der Blockchain und können schwächere Sicherheitsannahmen als die Hauptkette übernehmen. Die Gewährleistung einer breiteren Skalierbarkeit, ohne das System anfälliger zu machen, ist eine ständige Herausforderung für Entwickler.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass jeder Versuch, eine Blockchain-Lösung zu skalieren, mit einer Vielzahl von Kompromissen verbunden ist. Ob durch Protokolloptimierungen oder Off-Chain-Lösungen – Entwickler müssen die Grundpfeiler der Blockchain – Sicherheit und Dezentralisierung – bewahren und gleichzeitig die Leistung in einer global verteilten Umgebung verbessern. Es gibt keine Universallösung für alle Netzwerke, daher die Vielfalt der Strategien auf den verschiedenen Plattformen.

Lösungen für die Blockchain-Skalierbarkeit

Angesichts der beschriebenen Herausforderungen haben Entwickler vielfältige Ansätze zur Skalierung von Blockchain-Netzwerken verfolgt. Diese Lösungen zielen auf Schwachstellen wie Transaktionsvolumen, Konsenseffizienz und Datenspeicherung ab. Sie lassen sich grob in On-Chain- und Off-Chain-Skalierungsmethoden sowie Hybridmodelle unterteilen.

1. Layer-2-Lösungen

• State Channels: Diese ermöglichen es zwei Parteien, Transaktionen außerhalb der Blockchain durchzuführen und nur das Endergebnis an die Hauptkette zu übertragen, wodurch die Netzwerkauslastung deutlich reduziert wird. Beispiele hierfür sind das Lightning Network von Bitcoin und das Raiden Network von Ethereum.
• Plasma und Rollups: Plasma-Chains fungieren als semi-autonome Child-Chains, die Transaktionen bündeln, bevor sie diese an die Hauptkette übertragen. Rollups (optimistisch oder Zero-Knowledge) komprimieren Transaktionsdaten und verarbeiten sie außerhalb der Blockchain, während die Nachweise in der Blockchain gespeichert werden. Dies gewährleistet Sicherheit und verbessert den Durchsatz.

Layer-2-Optionen werden zunehmend bevorzugt, da sie eine signifikante Steigerung der Transaktionskapazität ermöglichen, ohne das Basisprotokoll zu verändern.

2. Sharding

Sharding bezeichnet die Aufteilung der Blockchain in kleinere Teile, sogenannte „Shards“, von denen jeder seine Transaktionen und Smart Contracts verarbeiten kann. Koordiniert von der Hauptkette, skalieren Shards linear mit der Netzwerkgröße. Ethereum 2.0 sieht Sharding als zentrales Skalierungsmerkmal vor; die Implementierung ist jedoch komplex und noch nicht abgeschlossen.

3. Alternative Konsensmechanismen

Einige neuere Blockchains verwenden Konsensmodelle, die von Natur aus eine bessere Skalierbarkeit bieten:

• Delegated Proof of Stake (DPoS): DPoS wird von EOS und Tron verwendet und basiert auf einer begrenzten Anzahl von Validatoren. Dies erhöht die Transaktionsgeschwindigkeit, führt aber zu einer geringeren Dezentralisierung.
• Proof of History (PoH): PoH wird von Solana verwendet und ermöglicht eine schnelle Sequenzierung von Transaktionen, wodurch der Durchsatz erhöht wird.

Diese Mechanismen versuchen, Sicherheit und Skalierbarkeit in Einklang zu bringen, haben jedoch jeweils ihre Grenzen und Zentralisierungsrisiken.

4. Blockchain-Pruning und Speichereffizienz

Vollständige Blockchain-Archive sind umfangreich und erfordern daher eine hohe Speicherkapazität. Pruning-Techniken – das Entfernen unnötiger oder historischer Daten – sollen die Teilnahme für Nodes erleichtern. Einige Blockchains erforschen auch zustandslose Client-Modelle, bei denen nur aktuelle Zustandsdaten zur Validierung benötigt werden, wodurch die Gesamtlast reduziert wird.

5. Interoperabilität und Sidechains

Durch die Nutzung von Sidechains – parallelen Blockchains, die mit der Hauptkette verbunden sind – kann die Transaktionslast verteilt werden. Polygon bietet beispielsweise Ethereum-kompatible Sidechains, die Rechen- und Speicherprozesse auslagern. Interoperabilitätsprotokolle wie Polkadot und Cosmos ermöglichen kettenübergreifende Transaktionen und schaffen so ein skalierbares Multi-Chain-Ökosystem.

6. Fazit und Ausblick

Es gibt keine Universallösung für die Skalierbarkeit von Blockchains. Fortschritte sind iterativ und erfordern oft Kompromisse. Führende Plattformen wie Ethereum implementieren schrittweise Sharding und Rollups, während alternative Blockchains neuartige Architekturen erforschen. Währenddessen erforschen Wissenschaftler weiterhin Innovationen, von DAG-basierten Ledgern bis hin zur KI-gestützten Transaktionsvalidierung.Letztendlich wird die Skalierbarkeit von Blockchains darüber entscheiden, wie weit verbreitet sie im globalen Handel, im Finanzwesen und darüber hinaus eingesetzt werden. Skalierbarkeit bleibt sowohl eine technische Herausforderung als auch eine Chance, die digitale Infrastruktur mit dezentralen Systemen neu zu gestalten.