Die Rolle von Layer-2-Lösungen bei der Skalierung von Blockchains

Layer-2-Skalierungslösungen werden in der Kryptowährungsbranche immer beliebter, da die Nachfrage nach Erweiterbarkeit und Effizienz weiter steigt.

Diese Systeme sollen die Einschränkungen der Basisschicht, wie hohe Transaktionsgebühren und Netzüberlastung, überwinden.

Es gibt jedoch verschiedene Ansätze für die Layer-2-Skalierung in Blockchain-Netzwerken, von denen jeder seine eigenen Vor- und Nachteile hat.

Im Folgenden wird die Bedeutung von Layer-2-Lösungen erläutert und ein Vergleich der verschiedenen auf dem Markt erhältlichen Typen durchgeführt.

Was sind Layer-2-Lösungen?

Layer-2-Lösungen sind Protokolle oder Frameworks, die auf bestehende Blockchains aufgesetzt werden, um die Skalierbarkeit und den Transaktionsdurchsatz zu erhöhen.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Blockchains verlagern Layer-2-Lösungen den Großteil der Rechenarbeit auf eine zusätzliche Schicht, wodurch die Belastung der Hauptkette verringert und gleichzeitig Sicherheit und Dezentralisierung gewährleistet werden.

Die Skalierung bei diesen Anwendungen wird durch die Verarbeitung von Tausenden von Transaktionen außerhalb der Kette und deren anschließende Bündelung zu einer einzigen Transaktion auf der Hauptkette erreicht.

Mit anderen Worten: L2-Lösungen stellen sicher, dass das Mainnet die kritischen Aspekte der Dezentralisierung, Datenverfügbarkeit und Sicherheit übernimmt, während sie die Transaktionslast auf ihr paralleles Netzwerk verlagern und das Hauptnetz dadurch entlasten.

Die Rolle von Layer 2 bei Kryptowährungen

Layer-2-Skalierungslösungen sind für das Wachstum und die Akzeptanz von Kryptowährungen entscheidend. Die zugrundeliegenden Blockchains, wie Ethereum (ETH), haben oft mit Überlastung und hohen Transaktionsgebühren zu kämpfen, was sie für eine breite Nutzung unpraktisch macht.

Layer 2 lindert diese Probleme, indem sie schnellere und günstigere Transaktionen ermöglicht, das Benutzererlebnis verbessert und Anreize für eine aktivere Beteiligung am Blockchain-Ökosystem schafft.

Dadurch werden die robusten dezentralen Sicherheitsstandards von Blockchains wie Bitcoin (BTC) und Ethereum für eine breite Palette dezentraler Anwendungen (DApps) zugänglich, die sich immer mehr durchsetzen.

3/ Layer 2 solutions are like nutrients. Each one serves a specific role and collectively they ensure the smooth functioning of the blockchain. Let's dive into the different scalability solutions developed.

— G U I G Z (@Guigz_web3) August 9, 2023

Verschiedene Arten von Layer-2-Lösungen

Es sind verschiedene Typen von Layer-2-Lösungen entstanden, die jeweils einen eigenen Ansatz für die Skalierung von Blockchain-Netzwerken bieten. Zu den bekanntesten davon zählen:

1. Optimistic Rollups

Optimistic Rollups sind Layer-2-Lösungen, die die Skalierbarkeit in den Vordergrund stellen, ohne die dezentrale Natur der Blockchain zu beeinträchtigen. Dabei werden Transaktionen außerhalb der Kette ausgeführt und dann kryptografische Beweise erstellt, die an die Hauptkette übermittelt werden.

Bei einem Optimistic Rollup findet der Großteil der Transaktionsverarbeitung außerhalb der Kette statt, in der so genannten „Rollup“ oder „Commitment Chain“. Dies ermöglicht schnellere Transaktionsbestätigungszeiten und verringert die Belastung des zugrunde liegenden Blockchain-Netzwerks.

Das Schlüsselkonzept von Optimistic Rollups liegt in optimistischen Annahmen und Betrugsnachweisen. Bei Transaktionen, die außerhalb der Kette verarbeitet werden, wird davon ausgegangen, dass sie gültig sind, und jeder potenzielle Betrug wird durch den Mechanismus der Betrugsnachweise erkannt und angefochten.

Sollte eine betrügerische Transaktion festgestellt werden, greift das System auf die Hauptblockchain zurück, um den Streit zu schlichten und den böswilligen Akteur zu bestrafen.

Optimistic Rollups bieten mehrere Vorteile, darunter Verbesserungen der Skalierbarkeit, da mehr Transaktionen außerhalb der Kette verarbeitet werden können, niedrigere Kosten für Nutzer aufgrund geringerer Gebühren und eine schnellere Transaktionsabwicklung.

Außerdem bleiben sie mit bestehenden Smart Contracts und DApps kompatibel, ohne dass wesentliche Änderungen erforderlich sind.

Allerdings haben Optimistic Rollups auch gewisse Einschränkungen. Da die Rollup-Kette nicht vollständig dezentralisiert ist und sich bei der Beilegung von Streitigkeiten auf die Hauptblockchain verlässt, gibt es eine kleine Verzögerung, bevor Transaktionen als abgeschlossen gelten können.

Außerdem hängt die Sicherheit der Off-Chain-Transaktionen von der korrekten Funktionsweise der Betrugsnachweise ab.

2. ZK-Rollups

ZK-Rollups, auch bekannt als Zero-Knowledge-Rollups, sind Layer-2-Skalierungslösungen, die auf die Verbesserung der Skalierbarkeit und die Senkung der Transaktionskosten abzielen.

Sie verarbeiten Transaktionen außerhalb der Blockchain und erstellen dann prägnante Beweise, die zur Verifizierung an die Hauptblockchain übermittelt werden.

Bei einem ZK-Rollup wird eine Reihe von Transaktionen zusammengefasst und außerhalb der Kette von einer Gruppe von Prüfern verarbeitet.

Anstatt alle Details jeder Transaktion aufzunehmen, generieren die Prüfer einen kompakten Beweis, auch bekannt als ZK-SNARK (Zero-Knowledge Succinct Non-Interactive Argument of Knowledge) oder ZK-STARK (Zero-Knowledge Scalable Transparent Arguments of Knowledge).

Mit diesem Beweis wird kryptografisch belegt, dass die Transaktionen gültig sind, ohne dass sensible Informationen preisgegeben werden. Der Beweis wird dann auf der Hauptblockchain eingereicht und validiert.

Beim Einsatz von ZK-Rollups muss die Hauptblockchain nur die Gültigkeit der Beweise überprüfen, was die Rechenlast erheblich reduziert und den Transaktionsdurchsatz erhöht. Die Hauptblockchain fungiert als „Datenverfügbarkeitsschicht“ und gewährleistet die Integrität der Off-Chain-Transaktionen.

Zu den Vorteilen von ZK-Rollups gehören eine höhere Skalierbarkeit, geringere Transaktionsgebühren und ein verbesserter Datenschutz.

Durch die Zusammenfassung mehrerer Transaktionen in einem einzigen Beweis ermöglichen ZK-Rollups einen wesentlich höheren Durchsatz im Vergleich zur Verarbeitung einzelner Transaktionen auf der Kette.

ZK-Rollups haben jedoch auch gewisse Herausforderungen und Einschränkungen. Zum einen kann die Erstellung und Verifizierung von ZK-SNARK- oder ZK-STARK-Beweisen rechenintensiv sein und spezielle Kenntnisse erfordern.

Darüber hinaus setzen die Einrichtung und Pflege des ZK-Rollup-Systems auch ein gewisses Maß an Vertrauen in die Gültigkeit der Off-Chain-Transaktionen voraus.

Wenn ein böswilliger Akteur erfolgreich einen ungültigen Beweis erstellt, könnte er möglicherweise die Integrität des gesamten Rollups gefährden.

3. Sidechains

Sidechains sind separate Ketten, die parallel zur Hauptblockchain laufen und einen höheren Transaktionsdurchsatz und eine bessere Skalierbarkeit ermöglichen.

Diese Ketten können ihre eigenen Konsensmechanismen und Regeln haben und sind dennoch mit der Hauptkette interoperabel, sodass Vermögenswerte zwischen den beiden Ketten verschoben werden können.

Der Hauptzweck von Sidechains besteht darin, die Einschränkungen der Basisblockchain, wie z. B. Skalierbarkeit, Datenschutz und Flexibilität, auszugleichen und dabei die Sicherheit und Dezentralisierung der übergeordneten Blockchain zu nutzen.

Zu den wichtigsten Vorteilen von Sidechains gehören Skalierbarkeit, Anpassbarkeit, Interoperabilität und verbesserter Datenschutz. Sidechains können auch für bestimmte Zwecke entwickelt werden, z. B. Spiele, Finanzanwendungen, Lieferkettenmanagement oder Identitätsüberprüfung.

Es ist erwähnenswert, dass die Sicherheit von Sidechains mit der Hauptblockchain verknüpft ist. Validierer oder Prüfer spielen eine entscheidende Rolle bei der Gewährleistung der Integrität und Vertrauenswürdigkeit der Vorgänge auf der Sidechain.

Zudem müssen die Nutzer darauf vertrauen, dass die Hauptblockchain ihre Aktivitäten auf der Sidechain korrekt wiedergibt.

4. State-/Zahlungskanäle

State- und Zahlungskanäle sind Off-Chain-Vereinbarungen, bei denen mehrere Teilnehmer zahlreiche Transaktionen durchführen können, ohne dass die Hauptkette für jede Transaktion involviert ist.

Diese Kanäle ermöglichen es Nutzern, privat und mit viel höherer Geschwindigkeit zu interagieren und den endgültigen Status in der Hauptkette nur bei Bedarf festzulegen.

State Channels ermöglichen es Teilnehmern, mehrere Transaktionen außerhalb der Hauptblockchain durchzuführen und nur den Endzustand dieser Transaktionen zu speichern.

Das bedeutet, dass nur der Anfangs- und Endzustand einer Transaktion auf der Blockchain aufgezeichnet wird, sodass nicht jede Transaktion auf der Blockchain verarbeitet werden muss.

Zahlungskanäle, eine besondere Art von State Channel, werden für die Durchführung wiederkehrender oder mehrerer Transaktionen zwischen zwei Parteien verwendet.

Anstatt jede Transaktion auf der Blockchain zu verarbeiten, öffnen die Teilnehmer einen Zahlungskanal, in dem sie mehrere Transaktionen außerhalb der Blockchain durchführen können.

Der endgültige Status dieser Transaktionen wird dann in der Blockchain aufgezeichnet, was Sicherheit und Transparenz gewährleistet.

State-/Zahlungskanäle basieren auf Smart Contracts und kryptografischen Techniken, um Off-Chain-Transaktionen zu erleichtern.

Dabei müssen Teilnehmer einen bestimmten Betrag an Kryptowährungen im Kanal sperren, um sicherzustellen, dass jegliches betrügerische Verhalten bestraft werden kann.

Die Teilnehmer können den Status des Kanals aktualisieren, indem sie signierte Mitteilungen erstellen und austauschen, die so lange gültig sind, bis eine der Parteien beschließt, den Kanal zu schließen und den endgültigen Status in der Blockchain festzulegen.

5. Plasma-Ketten

Bei Plasma-Ketten handelt es sich um Layer-2-Lösungen, die die Erstellung von miteinander verbundenen Blockchains, sogenannten Child Chains, ermöglichen.

Diese Child Chains wickeln eine Teilmenge der Transaktionen außerhalb der Kette ab und übermitteln die Zusammenfassung regelmäßig an die Hauptkette.

Das Plasma-Framework verwendet eine Kombination aus On-Chain- und Off-Chain-Berechnungen, um eine sichere und effiziente Verarbeitung von Transaktionen zu ermöglichen.

Wenn ein Nutzer mit einer Plasma-Kette interagieren möchte, hinterlegt er seine Token oder Vermögenswerte in einem Smart Contract auf der Hauptkette.

Von dort aus können sie innerhalb der Plasma-Kette aktiv werden, indem sie Smart Contracts ausführen, Transaktionen tätigen und andere Vorgänge vornehmen. Diese Transaktionen werden auf der Plasma-Kette aufgezeichnet.

Der endgültige Status wird jedoch in regelmäßigen Abständen an die Hauptkette zurückgegeben, um Sicherheit zu gewährleisten und Betrug zu verhindern.

Plasma-Ketten bieten eine Reihe von Vorteilen, darunter erhöhte Skalierbarkeit, geringere Gebühren, schnellere Transaktionsabwicklung und verbesserter Datenschutz.

Die Hauptkette kann einen höheren Durchsatz bewältigen und mehr Nutzer aufnehmen, indem ein großer Teil der Transaktionsverarbeitung auf Nebenketten ausgelagert wird.

Neben dem Potenzial der Plasma-Ketten, die Skalierbarkeit der Blockchain deutlich zu verbessern, gibt es noch weitere Herausforderungen zu bewältigen, z. B. Datenverfügbarkeit, Massenausstieg sowie Synchronisierung des Netzwerks.

5/ Plasmas, on the other hand, are smaller clones of the main chain. They use encryption techniques to create an infinite number of blockchains, thus improving transaction speed and reducing costs. However, they only allow fund transfers, not smart contract execution.

— G U I G Z (@Guigz_web3) August 9, 2023

6. Validiums

Validiums sind eine Mischung aus ZK-Rollups und Optimistic Rollups. Sie führen Berechnungen aus und verifizieren Transaktionen außerhalb der Kette, was eine hohe Skalierbarkeit gewährleistet.

Im Gegensatz zu ZK-Rollups werden bei Validiums jedoch Datenschutzgarantien gegen Skalierbarkeit eingetauscht, so dass sie für Szenarien geeignet sind, in denen Datenschutzbedenken weniger wichtig sind.

Beliebteste L2- Skalierungslösungen für Ethereum

Hier sind einige der zurzeit beliebtesten Layer-2-Skalierungslösungen für Ethereum:

1. StarkWare: Bei StarkWare kommt die Technologie von ZK-Rollups zum Einsatz, um massive Skalierbarkeit und kryptografische Beweise auf Ethereum zu liefern. Es eignet sich für Anwendungen wie dezentrale Börsen, NFT-Marktplätze und mehr.
2. Optimism: Optimism ist eine Optimistic Rollup-Lösung, die eine hohe Skalierbarkeit gewährleistet und gleichzeitig die Dezentralisierungs- und Sicherheitseigenschaften von Ethereum bewahrt. Durch die Nutzung der Ethereum Virtual Machine (EVM) bietet Optimism Kompatibilität mit bestehenden Ethereum-Anwendungen, was es Entwicklern erleichtert, ihre Projekte auf Layer 2 zu migrieren.
3. Arbitrum: Auch Arbitrum setzt die Technologie Optimistic Rollup zur Skalierung von Ethereum ein. Sie bietet eine nahezu sofortige Transaktionsbestätigung und senkt die Gasgebühren erheblich. Dies erreicht Arbitrum durch die Bündelung mehrerer Off-Chain-Transaktionen zu einem einzigen On-Chain-Proof, wodurch die Kapazität und Verarbeitungsgeschwindigkeit von Ethereum erhöht wird.
4. Polygon: Polygon, früher bekannt als Matic, ist eine Layer-2-Lösung, die auf einer Kombination aus Plasma-Ketten und Sidechains zur Skalierung von Ethereum basiert. Sie bietet ein einheitliches Framework für den Aufbau und die Verbindung von Ethereum-kompatiblen Blockchains und verbessert die Skalierbarkeit bei gleichzeitiger Wahrung eines hohen Sicherheitsniveaus.

Fazit

Layer-2-Skalierungslösungen spielen eine Schlüsselrolle bei der Bewältigung sämtlicher Skalierungsprobleme von Blockchain-Netzwerken. Durch die Verlagerung der meisten Transaktionen auf sekundäre Schichten wird der Durchsatz erhöht, die Transaktionskosten gesenkt und die allgemeine Skalierbarkeit optimiert.

Es gibt eine Reihe verschiedener Ansätze für die Layer-2-Skalierung in der Blockchain, wobei zwei der bekanntesten Optimistic Rollups und ZK-Rollups sind. Es gibt auch andere, weniger bekannte L2-Typen, die jeweils ihre Vor- und Nachteile haben.