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Was sind Layer-1 und Layer-2 Blockchains ?
Oktober 2021
Derzeit gibt es zwei Hauptmethoden, um eine wesentliche Skalierbarkeit einer Blockchain zu erreichen: Layer-1-
und Layer-2-Lösungen. Layer-1 ist der Begriff, der verwendet wird, um die zugrunde liegende Haupt-Blockchain-Architektur
zu beschreiben. Layer-2 hingegen ist ein überlagerndes Netzwerk, das über der zugrunde liegenden Blockchain
liegt. Es sind Protokolle von zumeist Drittanbietern, die sich in eine zugrunde liegende Layer-1-Blockchain
integrieren, um den Transaktionsdurchsatz zu erhöhen und zu beschleunigen.
Um mit zentralisierten Systemen der Transaktionsabwicklung (wie z.B. VISA oder Mastercard) konkurrieren zu können, müssen Blockchain-Netzwerke hochskalierbar sein, um eine stetig stark wachsende Nutzerzahl, deren Transaktionen und Daten schnell und problemlos abwickeln zu können. Nur wenn die Skalierbarkeit hoch genug ist, können Blockchain-Netzwerke klassische zentralisierte Systeme ablösen.
Ein häufig verwendeter Vergleich, um die Kluft in der Skalierbarkeit anzuzeigen, ist, dass Bitcoin aufgrund seiner aufwendigen Proof-of-Work-Technologie nur zwischen 4-7 Transaktionen pro Sekunde verarbeitet. VISA hingegen wickelt etwa 1.700-2.000 Transaktionen pro Sekunde ab. Um mit diesen bestehenden Systemen konkurrieren zu können, muss die Blockchain-Technologie diese hohe Skalierbarkeit erreichen oder übertreffen. Dazu werden Layer-2-Lösungen wie das Lightning-Netzwerk für Bitcoin entwickelt. Ähnlich verhält es sich mit Ethereum, das ebenfalls bis dato noch sehr langsam und teuer ist, und für das ebenfalls entsprechende Layer-2-Projekte bestehen (u.a. Polygon).
Layer-1-Blockchains sind u.a. Bitcoin, Litecoin, Ethereum, Cardano, Solana, Algorand, Qtum, Tezos, Harmony.
Inzwischen existiert ein ganzer Teilsektor der Blockchain-Industrie, der an der Verbesserung der Skalierbarkeit arbeitet. Entweder auf Layer-1 oder auf Layer-2 Basis oder Kombinationen.
Das Trilemma-Problem
Der Begriff Blockchain-Trilemma wurde von Ethereum-Gründer Vitalik Buterin geprägt. Es beschreibt den Kompromiss,
den Blockchain-Projekte bei der Entscheidung über die Architektur finden müssen, indem sie zwischen drei
der folgenden Eigenschaften abwägen: Dezentralisierung, Sicherheit und Skalierbarkeit. Bitcoin
gilt als sehr sicheres und sehr dezentrales Netzwerk, was zu Lasten seiner Skalierbarkeit geht.
Die Blockchain-Dezentralisierung bezieht sich auf die möglichst große und sinnvolle Verteilung von Rechenleistung und Konsens in einem Netzwerk vieler Knoten, während die Sicherheit die Abwehr eines Blockchain-Protokolls gegen böswillige Hackerattacken oder auch interne Akteure widerspiegelt. Beide sind unverzichtbarbar für die Funktion eines dezentralisierten Blockchain-Netzwerks.
Die Skalierbarkeit bezieht sich auf die Fähigkeit eines Blockchain-Netzwerks, einen hohen Transaktionsdurchsatz und zukünftiges hohes Wachstum zu unterstützen. Sie sorgt für schnelle und kostengünstige Transaktionen im Netzwerk. Skalierbarkeit ist von entscheidender Bedeutung, da sie die einzige Möglichkeit für Blockchain-Netzwerke darstellt, mit veralteten, zentralisierten Plattformen mit schnellen Abwicklungszeiten vernünftig zu konkurrieren.
Layer-1-Lösungen
Layer-1-Lösungen ändern die Regeln des Protokolls der Basis-Blockchain selbst, um die Transaktionskapazität und -geschwindigkeit zu erhöhen und gleichzeitig mehr Benutzer und Daten aufzunehmen. Layer-1-Skalierungslösungen können zum Beispiel eine Erhöhung der in jedem Block enthaltenen Datenmenge oder eine Beschleunigung der Blockbestätigungsrate beinhalten.
Einige Konsensmechanismen sind effizienter als andere. Proof-of-Work (PoW) ist das Konsensprotokoll, das in älteren Blockchain-Netzwerken wie Bitcoin, Litecoin oder Ethereum (bis dato) verwendet wird. Obwohl PoW sehr sicher ist, ist es ziemlich langsam, weil aufwendige Rechenaufgaben bewältigt werden müssen. Aus diesem Grund bevorzugen viele neuere Blockchain-Netzwerke den Konsensmechanismus Proof-of-Stake (PoS). Anstatt von den Minern zu verlangen, kryptografische Algorithmen mit beträchtlicher Rechenleistung zu lösen, verarbeiten und validieren PoS-Systeme neue Blöcke von Transaktionsdaten basierend darauf, dass Netzwerkknoten Sicherheiten im Netzwerk hinterlegen.
Sharding ist eine der beliebtesten Layer-1-Skalierbarkeitsmethoden, an denen derzeit mehrere Projekte arbeiten. Anstatt ein Netzwerk sequentiell an jeder einzelnen Transaktion arbeiten zu lassen, zerlegt Sharding diese Transaktionssätze in kleine Datensätze, die als "Shards" bezeichnet werden. Diese Shards können dann vom Netzwerk parallel verarbeitet werden, was eine sequentielle Arbeit an zahlreichen Transaktionen gleichzeitig ermöglicht.
Darüber hinaus wird jeder Netzwerkknoten einem bestimmten Shard zugewiesen, anstatt eine Kopie der gesamten Blockchain zu verwalten. Einzelne Shards liefern Beweise für die Mainchain und interagieren miteinander, um Adressen, Salden und allgemeine Zustände mithilfe von Shard-übergreifenden Kommunikationsprotokollen auszutauschen. Beispiel: Zilliqa
Layer-2-Lösungen
Layer-2 bezieht sich auf ein Netzwerk oder ein Protokoll, das auf einem zugrunde liegenden Layer-1-Blockchain-Protokoll aufbaut und mit ihm zusammen arbeitet, um seine Skalierbarkeit und Effizienz zu verbessern. Diese Kategorie von Skalierungslösungen beinhaltet die Verlagerung eines Teils der Transaktionslast eines Blockchain-Protokolls auf eine angrenzende Systemarchitektur, die dann die Hauptlast der Verarbeitung des Netzwerks übernimmt und die Ergebnisse erst abschließend an die Haupt-Blockchain zurückmeldet. Durch die Auslagerung des Großteils der Datenverarbeitung auf eine Hilfsarchitektur wird die Basisschicht-Blockchain (Mainchain) weniger überlastet und letztendlich skalierbarer. Sie kann für Sicherheit und Dezentralität sorgen.
Rollups bündeln Tausende von Transaktionen in einem einzigen Rollup-Block in einem Layer-2-Netzwerk,
verarbeiten die Transaktionen als Block und veröffentlichen/schicken die komprimierten Daten dann auf die Hauptkette
zur Speicherung. So können sehr hoher Durchsatz und sehr geringe Transaktionsgebühren, sowie sehr kurze Verarbeitungszeit
erreicht werden. Es gibt zwei Arten von Rollups: Optimistic und ZeroKnowledge (ZK).
Optimistic Rollups arbeiten mit der optimistischen Grundannahme, dass alle an die Mainchain übermittelten
Transaktionen gültig sind. Nur wenn sie angezweifelt werden, findet im Nachhinein eine Prüfung statt (s. Optimism).
Zero-Knowledge (ZK) Rollups führen ebenfalls alle Berechnungen ausserhalb der Kette durch und legen lediglich
einen Gültigkeitsnachweis auf Ethereum vor. Es wird kein Wissen bzw. kein Vertrauen vorausgesetzt (s. Loopring).
Ein State Channel (Zustandskanal) erleichtert die Zwei-Wege-Kommunikation zwischen einer Blockchain und Off-Chain-Transaktionskanälen und verbessert die Gesamttransaktionskapazität und -geschwindigkeit. Ein Zustandskanal erfordert keine Validierung durch Knoten des Schicht-1-Netzwerks. Stattdessen handelt es sich um eine an das Netzwerk angrenzende Ressource, die mithilfe eines Mehrfachsignatur- oder Smart-Contract-Mechanismus abgeschottet wird. Wenn eine Transaktion oder ein Transaktionsstapel auf einem Zustandskanal abgeschlossen wird, werden der endgültige "Zustand" des "Kanals" und alle seine inhärenten Übergänge in der zugrunde liegenden Blockchain aufgezeichnet. Das Liquid Network, Celer, Bitcoin Lightning und das Raiden Network von Ethereum sind Beispiele für staatliche Kanäle. Beim Trilemma-Kompromiss opfern staatliche Kanäle einen gewissen Grad an Dezentralisierung, um eine größere Skalierbarkeit zu erreichen.
Das Lightning Network von Bitcoin und das Raiden Network von Ethereum sind die beiden beliebtesten State-Channel-Lösungen. Beide verwenden Hashed Timelock Contracts (HTLCs), um Zustandskanäle auszuführen. Während Lightning Network es den Teilnehmern ermöglicht, eine große Anzahl von Mikrotransaktionen in einem begrenzten Zeitraum durchzuführen, ermöglicht das Raiden den Teilnehmern, auch Smart Contracts über ihre Kanäle auszuführen.
Eine verschachtelte Blockchain ist im Wesentlichen eine Blockchain innerhalb oder über einer anderen Blockchain. Die verschachtelte Blockchain-Architektur umfasst typischerweise eine Hauptblockkette, die die Sicherheit gewährt, während Transaktionen in einem miteinander verbundenen Netz von sekundären Ketten erfolgt. Mehrere Blockchain-Ebenen können auf einer Mainchain aufgebaut werden, wobei jede Ebene eine Eltern-Kind-Verbindung (Child Chains) verwendet. Die übergeordnete Kette delegiert Arbeit an untergeordnete Ketten, die diese verarbeiten und nach Abschluss an die übergeordneten Kette zurückgeben. Die zugrunde liegende Basis-Blockchain (Mainchain) nimmt nicht an den Netzwerkfunktionen von Sekundärketten teil.
Die Arbeitsverteilung nach diesem Modell reduziert die Verarbeitungslast der Mainchain, um die Skalierbarkeit exponentiell zu verbessern. Beispiel: OMG-Plasma-Projekt auf dem Layer-1-Ethereum-Protokoll.
Eine Sidechain (Seitenkette) ist eine an die Blockchain angrenzende Transaktionskette, die für große Batch-Transaktionen verwendet wird. Sidechains verwenden einen unabhängigen Konsensmechanismus zu dem der Basiskette, der auf Geschwindigkeit und Skalierbarkeit optimiert werden kann. Bei einer Sidechain-Architektur besteht die Hauptaufgabe der Mainchain darin, die allgemeine Sicherheit aufrechtzuerhalten, gestapelte Transaktionsaufzeichnungen zu bestätigen und Streitigkeiten beizulegen. Sidechains arbeiten autark im Blockchain-Verbund und können für hohe Geschwindigkeiten und Skalierung sorgen. Sidechain-Transaktionen zwischen den Teilnehmern werden öffentlich im Hauptbuch aufgezeichnet. Sidechain-Sicherheitsverletzungen haben keine Auswirkungen auf die Mainchain oder andere Sidechains. Der Aufbau einer Sidechain ist sehr aufwendig, aber effektiv.
Layer-1- und Layer-2-Skalierungslösungen sind zwei Seiten derselben Medaille. Es gilt Strategien zu finden, die Blockchain-Netzwerke schneller und anpassungsfähiger für eine schnell wachsende Benutzerbasis zu machen. Viele Blockchain-Netzwerke untersuchen Kombinationen von Layer-1- und Layer-2-Skalierungslösungen, um maximale Skalierbarkeit zu erreichen, ohne auf Sicherheit oder Dezentralisierung zu verzichten.
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