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Was sind modulare Blockchains ?


November 2022


modular Eine Blockchain hat grundsätzlich folgende Kernaufgaben: Konsensus und Sicherheit schaffen, Datenverfügbarkeit garantieren und Transaktionen ausführen. Typischerweise erledigen die meisten Blockchains diese Aufgaben auf einer einzigen Ebene bzw. Schicht (Layer). Solche Blockchains, wie z.B. Bitcoin, werden als monolithische Blockchains bezeichnet.


Diese monolithischen Blockchains sind bislang der Standard, jedoch haben sie Leistungsschwächen und kämpfen mit dem sogenannten Trilemma-Problem, nämlich hohe Dezentralität, Sicherheit und Skalierbarkeit zu erreichen. Hier könnten modulare Blockchains Vorteile besitzen und den Weg weisen. Eine modulare Kette konzentriert sich nur auf bestimmte Aufgaben, während der Rest auf andere Schichten ausgelagert wird.


Das Problem monolithischer Blockchains


Netzwerkknoten, die eine Blockchain validieren, müssen den Konsensus und Transaktionen auf Gültigkeit prüfen. Daher skalieren monolithische Ketten nicht gut. Insbesondere wenn die Knoten den gesamten Status und Verlauf des Netzwerks ausführen müssen.


Die Aufgaben einer Blockchain


Die Aufgaben einer Blockchain bestehen aus vier Bereichen: Konsensus, Ausführung, Datenverfügbarkeit und Abwicklung. Diese Aufgaben müssen erfüllt werden, damit die Blockchain ordnungsgemäß funktioniert.


  1. Konsensus: Der Konsensus ist der Mechanismus, durch den Knoten sich darüber einigen, welche Daten in der Blockchain als wahr und korrekt verifiziert werden. Das Konsensusprotokoll bestimmt, wie Transaktionen geordnet werden und wie neue Blöcke zur Kette hinzugefügt werden.
  2. Ausführung: Die Ausführung bestimmt, wie Knoten Transaktionen verarbeiten, die Blockchain zwischen Zuständen zu überführen und Transaktionen ausführen und bestätigen, sowie Blöcke validieren.
  3. Datenverfügbarkeit: Blockchains arbeiten mit Regeln, die die Verfügbarkeit von Transaktionsdaten sichern. Blockproduzenten müssen Daten für jeden Block veröffentlichen, damit Netzwerkpartner sie herunterladen und speichern können.
  4. Abwicklung: Die Abwicklung garantiert, dass alle Transaktionen, die in der Kette gespeichert werden, irreversibel und unveränderlich sind. Dazu muss das Netzwerk von der Gültigkeit einer Transaktion überzeugt werden. Die Abwicklungsfunktion ermöglicht, dass die Kette Transaktionen validiert, Beweise verifiziert und Streitigkeiten schlichtet.

Monolithische Blockchains


Monolithisch bedeutet "aus einem Stück geformt" und auf einem einheitlichen Strukturmodell basierend. Eine monolithische Kette ist eine Kette, in der die Netzwerkknoten für alle oben beschrieben Aufgaben (Konsensus, Ausführung, Datenverfügbarkeit) verantwortlich sind. Da Transaktionen on-chain validiert werden, dient die monolithische Kette zumeist auch als Abrechnungsschicht.


In einer monolithischen Kette werden alle Aufgaben auf einer einzigen Ebene/Schicht oder einer Gruppe eng gekoppelter Ketten, die auf derselben Schicht arbeiten, erledigt.


Die Aufgaben von Netzwerkknoten in einer monolithischen Kette, die für jede Transaktion entstehen:


  1. Konsensus: Die Knoten vereinbaren, welche Transaktionen in welcher Reihenfolge für neue Blöcke verarbeitet werden.
  2. Ausführung: Alle Knoten führen Transaktionen erneut aus, um die Gültigkeit zu prüfen. Auf einer kontobasierten Blockchain, die z.B. Smart-Contracts unterstützt, führen Knoten Transaktionen aus, um den neuen Netzwerkstatus zu berechnen.
  3. Datenverfügbarkeit: Jeder Knoten enthält eine Kopie der gesamten Blockchain und speichert jede Transaktion.
  4. Abwicklung: Ein berechtigter Knoten schreibt eine Transaktion in einem Block fest. Die Berechtigung muss durch einen wirtschaftlichen Einsatz erworben werden. Bei Proof-of-Work-Blockchains ist dies die Energie, die für das Mining neuer Blöcke aufgewendet wird, während Proof-of-Stake-Blockchains verlangen, dass Validatoren Token auf die Gültigkeit von Blöcken setzen/staken. In beiden Fällen werden die Validatoren für ihren Einsatz mit neuen Token belohnt.

Eine monolithische Blockchain-Architektur erfordert, dass Knoten alle diese Aufgaben erfüllen können. Das unterscheidet sie von einer modularen Kette, die die Ausführung von der Abwicklung, dem Konsensus und der Datenverfügbarkeit trennt.


Die Vorteile eines monolithischen Blockchain-Designs zeigen sich in den Eigenschaften Sicherheit, Nützlichkeit und Einfachheit.


  1. Sicherheit: Knoten können Transaktionen sehen, die in der Kette ausgeführt werden, und ihre Gültigkeit überprüfen, bevor sie einen Konsensus erzielen. Die Datenverfügbarkeit ist hoch, da Blockchain-Daten auf allen oder auf mehreren Knoten gespeichert werden.
  2. Nutzen: Die Kryptowährung/der Token hat ein besseres Wertversprechen, weil er als nativer Token für mehrere Verwendungszwecke eingesetzt werden kann und so möglicherweise einen höheren Wert erzielen kann.
  3. Einfachheit: Monolithische Blockchains sind einfacher zu entwerfen und zu implementieren, da Entwickler auf jahrelange Erfahrung in der Blockchain-Technologie zugreifen können. Das Entwerfen modularer Ketten erfordert bislang noch ein höheres Maß an Fähigkeiten und Wissen.

Die Nachteile monolithischer Blockchains sind ineffiziente Ausführung, Ressourcenbeschränkungen, Flexibilität, Skalierbarkeit, Sicherheit und Dezentralisierung. Diese Nachteile gelten nicht für alle monolithischen Ketten und nicht immer sind alle Nachteile zu finden.


Trilemma Die ineffiziente Ausführung ergibt sich aus der Tatsache, dass Knoten Transaktionen erneut ausführen müssen, um die Gültigkeit zu überprüfen. Eine Beschränkungen von Ressourcen eines Knotens, wie z. B. Speicherplatz und Bandbreite, wirken sich auf die Effizienz der Blockchain aus. Monolithische Ketten sind zumeist unflexibel und können nicht immer und problemlos für gewünschte Funktionen optimiert werden. Das größte Problem ist nicht selten die geringe Skalierbarkeit, das heißt, die Begrenzung des Durchsatzes, bzw. der Anzahl der Transaktionen, die pro Sekunde (TPS) möglich sind. Häufig wird die durch schnellere Blockzeiten und größere Blockgrößen zu lösen versucht, was aber höhere Hardwareanforderungen an die Knoten stellt und dadurch die Anzahl der Knoten reduzieren kann, was zu einer höheren Zentralisierung mit größeren Sicherheitsrisiken führt. Um nämlich eine hohe Dezentralisierung und Sicherheit zu erreichen, begrenzen monolithische Blockchains die Blockzeiten und Blockgrößen eigentlich. Dies erhöht die Anzahl der validierungsfähigen Knoten. Aber wenn viele Knoten Transaktionen verarbeiten, führt dies zu einem geringeren Durchsatz.
Schließlich führt das umfassende Speichern von Transaktionsdaten in der Kette im Laufe der Zeit zu einem exponentiellen Wachstum der Größe der Blockchain, was wiederum zu höheren Hardwareanforderungen führt und der Dezentralisierung schaden kann.


Modulare Blockchains


Modulare Blockchains arbeiten nach dem Prinzip der Modularität, das auf der Aufteilung eines Systems in verschiedene Komponenten/Module beruht. Diese können auf verschiedene Weise kombiniert werden, um bestimmte Ziele zu erreichen und Aufgaben zu erledigen. Jede Komponente/jedes Modul ist spezialisiert auf nur wenige Funktionen, die besonders gut beherrscht und effektiv ausgeführt werden.


Die Module einer modularen Blockchains können je nach Anwendungsfall und Zielsetzung kombiniert und ausgetauscht werden. Eine modulare Blockchain kann so konzipiert werden, dass sie eine oder eine Kombination der oben beschrieben Aufgaben übernimmt. Jedes Modul ist ein Spezialist für diese eine Aufgabe oder einer Kombination.


Beispiele sind Layer-2- und Layer-3-Lösungen, die auf einer Layer-1-Blockchain aufsetzen, um beispielsweise eine hohe Skalierbarkeit mit schnellen Transaktionszeiten und geringen Gebühren mit der Sicherheit und Dezentralität der Hauptkette zu kombinieren.


Rollups sind auch ein Beispiel für eine modulare Blockchain. Eine Rollup-Kette verarbeitet Transaktionen (Ausführung), lagert jedoch den Konsensus, die Datenverfügbarkeit und die Abwicklung an die Basiskette aus.


Sharding ist ein anderes Beispiel dafür, wie ein System (z.B. eine Datenbank) aufgeteilt werden kann, um in Teilen schneller und effektiver zu arbeiten. Durch die Aufteilung von Funktionen auf mehrere Komponenten erreicht das System mehr Leistung und Effizienz, als wenn alle Teile gemeinsam an denselben Aufgaben arbeiten würden. In Blockchain-Netzwerken teilt Sharding die Blockchain in mehrere Unterketten auf, von denen jede einen anderen Teil der Netzwerkaktivität abwickelt. Zilliqa, Near, Harmony und bald auch Ethereum arbeiten beispielsweise mit dieser Technologie.


Sharding ermöglicht, dass die sogenannten Shards Transaktionen parallel verarbeiten (Ausführungs-Sharding) oder als Depots zum Speichern verschiedener Blöcke von Blockchain-Daten dienen (Daten-Sharding) können. Mithilfe von Daten-Sharding speichert ein Netzwerk-Knoten nur Daten, die in seiner Shard-Kette veröffentlicht wurden.


Die Vorteile modularer Blockchains sind höhere Skalierbarkeit, Flexibilität und die Möglichkeit, neue Blockchains einfacher und schneller zu starten.


Die Skalierbarkeit kann deutlich erhöht werden, wenn ein Modul sich darauf spezialisieren kann, ohne die Probleme und Kompromisse des Blockchain-Trilemmas berücksichtigen zu müssen. Beispielsweise bieten Rollups, die sich auf die Ausführung konzentrieren, eine größere Skalierbarkeit als normale Ketten. Dennoch erreichen sie ein hohes Maß an Sicherheit, indem sie sich z.B. auf Ethereum für Konsens und Datenverfügbarkeit verlassen.


Modularität bietet Flexibilität, weil Module ziel- und aufgabengerecht kombiniert werden können, so dass alle Module entsprechend profitieren. Ein modulares Blockchain-System kann modulare Ketten umfassen, die sich auf Sicherheit und Datenverfügbarkeit konzentrieren, während andere sich auf die Ausführung konzentrieren. Dabei sind die Module austauschbar und einzeln optimierbar.


Die Einführung neuer Blockchains kann schwierig und langwierig sein, da deren Sicherheitseigenschaften und Dezentralisierung erst aufgebaut werden müssen. Nutzt man diese Eigenschaften einer bereits bestehenden Kette, können sich Entwickler auf das Modul konzentrieren, das später mit der älteren Kette kombiniert wird.


Nachteile modularer Blockchains können Sicherheit, Komplexität und der Token-Wert sein.


Mangelnde Sicherheit kann ein Problem darstellen, wenn die Sicherheitsschicht (für Konsensus und Datenverfügbarkeit) nicht effektiv ist, kann das die ganze modulare Kette gefährden. Komplexität kann zum Nachteil oder Problem werden, wenn die Module nicht exakt aufeinander abgestimmt sind und korrekt funktionieren. Fehler oder Fehlfunktionen in einem Modul können sich auf andere auswirken und sind ggfs. schwierig zu beheben.
Der Wert eines Blockchain-Tokens ist abhängig von seinen Nutzungsmöglichkeiten, weil das die Nachfrage bestimmt. Modulare Ketten können möglicherweise aufgrund ihrer begrenzten Anwendungen den Wert ihrer nativen Token nicht steigern.


Die Zukunft wird zeigen, ob und inwieweit sich modulare Blockchain-Designs durchsetzen oder klassische monolithische Designs ergänzen oder gar verdrängen.



Modulare versus monolitische Blockchains


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