Top 10 Skalierungslösungen für Blockchain-Netzwerke

Dapp-Entwickler treiben die Grenzen der Blockchain-Technologie weiter voran, indem sie innovative Skalierungslösungen einführen. Diese genialen Schöpfer nutzen heutzutage jede mögliche Methode, um sicherzustellen, dass ihre Netzwerke dem Druck und der Stauung der heutigen digitalen Wirtschaft standhalten können. Die Skalierbarkeit Ihrer Blockchain zu erhalten, ist keine leichte Aufgabe, wenn Milliarden von Transaktionen stattfinden.

Die unterschiedlichen Ansätze

Methoden, um ausreichende Skalierung sicherzustellen, sind vielfältig, von der Anpassung des Quellcodes bis zum Stapeln eines Protokolls auf ein anderes.  Mit diesem Hintergrund hier die Top 10 Skalierungslösungen für Blockchain-Netzwerke.

Neue Konsensmechanismen

An der Spitze der Liste steht die Einführung neuer Konsensmechanismen. Es ist selten, Proof-of-Work-Blockchains wie Bitcoin oder Ethereum V1 zu sehen. Diese Systeme bleiben hochsicher, mangeln jedoch oft an der Leistung der heutigen fortschrittlichsten Blockchains. Diese Optionen entfernen PoW und Miner und ersetzen diese Aufgaben durch Staking-Protokolle.

Staking-Funktionen ermöglichen es Nutzern, ihre Token in Netzwerk-Wallets zu sperren, um das Netzwerk zu sichern. Dieser Prozess ist einfach und bietet Netzwerkbenutzern passives Einkommen, ohne dass teure Mining-Rigs gekauft oder neue technische Fähigkeiten wie Programmierung erlernt werden müssen. PoS-Netzwerke sind beliebter denn je, weil sie oft bessere Transaktionsdurchsätze bieten und deutlich weniger Energie für den Betrieb benötigen.

PoS-Netzwerke entwickeln sich weiter, und heute sind DPoS (Delegated Proof of Stake)-Netzwerke eine beliebte Option für Händler. Diese Systeme senken die Staking-Anforderungen, indem sie Nutzern ermöglichen, ihre Token an Staker zu delegieren. Dieser Ansatz verbessert die Leistung, indem er die Anzahl der benötigten Knoten zur Finalisierung von Transaktionen reduziert. Bemerkenswerterweise nutzen diese Systeme häufig geprüfte Knoten, um die geringere Dezentralisierung auszugleichen.

Layer-2-Protokolle

Layer-2-Lösungen gehören zu den besten Möglichkeiten, die Leistung eines Netzwerks zu verbessern, ohne das Netzwerk direkt zu verändern. Das Wesentliche bei Layer-2-Lösungen ist, dass sie separate Netzwerke sind, die dazu konzipiert sind, die Performance anderer Blockchains zu steigern. Protokolle wie das Lightning Network bei Bitcoin und FUEL bei Ethereum haben diesen Giganten geholfen, weiterhin brauchbare Optionen zu bleiben.
Die besten Layer-2-Lösungen nutzen Layer 1 für Sicherheit, während sie Berechnungen und Transaktionen vorübergehend off-chain verlagern. Diese Struktur reduziert die Stauung des Hauptnetzes. Die häufigsten Arten von Layer‑2‑Lösungen sind Sidechains und Zahlungskanäle.

Sidechains sind so konzipiert, dass sie parallel zu einer Layer‑1‑Lösung laufen. Sie übernehmen in der Regel Aufgaben wie die Ausführung von Smart Contracts, während die Validierung den Layer‑1‑Knoten überlassen wird. Zahlungskanal‑Layer‑1‑Lösungen wie das Lightning Network führen direkte Gateways ein, die unbegrenzte, kostengünstige Transaktionen ermöglichen, wobei die Daten nach Schließung des Kanals zum Hauptnetz gepostet werden.
Der Nachteil von Layer‑2-Protokollen ist, dass viele aufgrund ihrer Struktur die Dezentralisierung verringern. Zum Beispiel reduziert das Lightning Network die Dezentralisierung von Bitcoin, indem es zentralisierte Kanalbetreiber verwendet. Kanalbetreiber können erlauben, dass Ihre Mittel durch sie fließen, was eine weitaus stärkere Zentralisierung als das Bitcoin‑Mainnet darstellt.

Hard Forks

Wenn eine Entwicklergemeinschaft nicht entscheiden kann, wie die Leistung verbessert werden soll, kann dies manchmal zu einem Hard Fork führen. Ein Hard Fork ist eine vollständige Änderung der Netzwerkprogrammierung, die von den Knoten verlangt, das ursprüngliche Netzwerk aufzugeben und neue Software herunterzuladen, um mit einem neuen Netzwerk zu kommunizieren. Die Notwendigkeit, das Mining der alten Blockchain einzustellen, hat Hard Forks zu einem umstrittenen und oft herausfordernden Prozess für die Blockchain-Community gemacht.

Eine Plattform kann aus vielen Gründen einen Hard Fork durchführen, darunter Leistung, Sicherheit oder Funktionalität. Bemerkenswerterweise war einer der berühmtesten Hard Forks das Bitcoin Cash-Fiasko. Die Bitcoin-Community geriet in einen Streit über die Änderung der 1‑MB-Blockgröße. Die Debatte wurde so hitzig, dass sich die Community schließlich spaltete: Befürworter einer größeren Blockgröße gründeten Bitcoin Cash, während die Gegner bei Bitcoin Core blieben.
Diese Art von Hard Fork ist seltener geworden, da Projekte verschiedene Strategien eingeführt haben, um solche umstrittenen Spaltungen zu verhindern. Eine der heute genutzten Haupttechnologien dafür ist DAO (Dezentrale Autonome Organisationen). Diese Protokolle ermöglichen es der Community, Vorschläge einzubringen und darüber abzustimmen, welche Änderungen umgesetzt werden sollen.

ZK Roll-ups

ZK-Technologie ermöglicht es Nutzern, das Eigentum an bestimmten Vermögenswerten oder Informationen zu verifizieren, ohne ihre Identität oder weitere Details über das besessene Objekt oder Konto preiszugeben. Zero Knowledge, der Name des Protokolls, verweist auf seine zusätzlichen Datenschutzkontrollen. Der Begriff Roll-up beschreibt, wie dieses Protokoll Transaktionsdaten zu einem einzigen Block kombiniert.

Dieser Vorgang reduziert die Stauung im Mainnet erheblich. Der Hauptvorteil von ZK‑Roll-ups ist die zusätzliche Skalierbarkeit, ohne Sicherheit oder Dezentralisierung zu opfern. Mit ZK‑Roll-up ausgestattete Skalierungslösungen liefern nur eine minimale Datenmenge an die Mainchain, um Validität und Authentizität sicherzustellen.

Spezielle Smart Contracts sind dafür verantwortlich, die Daten zusammenzuführen. Die ursprünglichen ZK‑Roll-up‑Netzwerke sendeten stark komprimierte Daten an das Mainnet. Diese Art von Roll-up hält Berechnungen im Layer‑2‑Netzwerk, was höhere Leistung ermöglicht, ohne die Sicherheit zu beeinträchtigen. Außerdem hat sich dieser Ansatz als hervorragende Methode erwiesen, den Durchsatz mithilfe von Layer‑2‑Lösungen zu erhöhen.

Optimistic Roll-up

Eine weitere heute beliebte Form der Roll-up-Technologie sind Optimistic Roll-ups. Diese Systeme funktionieren wie ihre Vorgänger, jedoch bündeln sie die Daten unter der Annahme, dass die Informationen korrekt sind. Anschließend gibt es eine Phase, in der jeder Knoten die Daten im Block anfechten kann.
Optimistic Roll-ups bieten dank ihrer schnelleren Skalierbarkeit und Fähigkeiten erhebliche Vorteile. Sie können auch komplexe Smart-Contract-Berechnungen verarbeiten. Im Vergleich dazu sind traditionelle Roll-ups auf grundlegende Smart-Contract-Funktionalität beschränkt. Derzeit sind Optimism und Arbitrum die beiden führenden Skalierungslösungen, die diese Technologie wirkungsvoll nutzen.

Sharding

Sharding ist eine beliebte Methode zur Verbesserung der Skalierbarkeit von Unternehmensdatenbanken und hat kürzlich Einzug in die Blockchain-Wirtschaft gefunden. Der Begriff Sharding wurde von Google geschaffen, um die Struktur und Funktionen ihres Produkts Big Table zu beschreiben. Sharding bedeutet, Datenbanken in kleinere Teile zu zerlegen und Informationen an mehreren Orten zu speichern.

Die beste Analogie, um zu erklären, wie das funktioniert, ist ein Spiegel, der in Scherben zerbrochen ist. Jede Scherbe wird auf einem separaten Server gespeichert, was die Skalierbarkeit verbessert, indem Berechnungen und Daten linear betrieben und skaliert werden können. Diese Lösung hat geholfen, das Problem immer größer werdender Datenbanken und der zusätzlichen Zeit, die für deren Warteschlangen benötigt wird, zu lösen.

Sharded-Netzwerke können Anwendungen parallel berechnen, was sie viel schneller macht als Einzelrechenoptionen. Derzeit nutzen mehrere Blockchains diese Technologie. Der Hauptnachteil von Sharding ist die Abhängigkeit von zusätzlichen Off‑Chain‑Ressourcen zur Aufrechterhaltung des Netzwerks.

Segregated Witness (SegWit)

Das Konzept, Segwit zur Skalierung von Bitcoin zu nutzen, kam 2015 auf den Markt. Die Skalierungslösung wurde von Blockstream eingeführt und erhielt starke Unterstützung von Bitcoin Core. Segwit (Segregated Witness) funktioniert, indem es die Signaturdaten vorübergehend von den Validierungsdaten jeder Transaktion trennt, bevor sie am Ende der Transaktion wieder hinzugefügt werden.

Bemerkenswerterweise ermöglicht dieser Vorgang der Blockchain, sich auf die Rechenleistung zu konzentrieren, während die entfernten Daten getrennt bleiben, bis sie nach den Berechnungen wieder benötigt werden. Das Entfernen der Signatur‑ bzw. Witness‑Daten erhöht die Menge an Transaktionsdaten, die innerhalb von Blockchain-Blöcken gesendet werden können.

Das Segwit-Upgrade wurde entwickelt, um Proof‑of‑Work‑Netzwerke wie Bitcoin zu verbessern. Das Upgrade ermöglichte zudem die Integration des Lightning Networks, das die Bitcoin‑Stauung weiter reduzierte. Heute ist Segwit ein Kernprotokoll für Bitcoin‑Nutzer weltweit. Interessanterweise hat der durch das Upgrade geschaffene zusätzliche Platz zu neuer Funktionalität für Bitcoin in Form von BRC‑20‑Token geführt.

Modulares Design

Die Zukunft von Blockchain könnte modular sein. Um zu verstehen, warum modulare Blockchains so wichtig sind, muss man den Unterschied zwischen monolithischen Netzwerken und modularen verstehen. Eine monolithische Blockchain ist Ihr traditionelles Netzwerk, das versucht, alle Hauptaufgaben in einem einzigen Netzwerk zu bewältigen.
Diese Aufgaben umfassen Validierung, Berechnungen, Datenverfügbarkeit, Ausführung von Smart Contracts und Konsens. Diese Struktur bedeutet, dass einzelne Knoten in der Regel mehrere Aufgaben wie Validierung und Smart‑Contract‑Ausführungen übernehmen. Die Anforderung, dass jeder Knoten sowohl validieren als auch ausführen muss, beeinträchtigt die Leistung monolithischer Netzwerke.

Modulares Skalieren

Modulare Blockchains verbessern die Leistung, indem sie eine dieser Berechnungen aus dem Hauptnetz entfernen. In den meisten Netzwerken sind es die Ausführungen von Smart Contracts oder andere fortgeschrittene Prozesse, die erhebliche Leistung und Zeit beanspruchen. Man kann sagen, dass Ethereum die allererste war, die diese Struktur versuchte, da es eine separate Schicht für die Ausführung von Smart Contracts namens Ethereum Virtual Machine (EVM) besitzt.

Bemerkenswerterweise gibt es derzeit mehr modulare Blockchains auf dem Markt als monolithische Optionen. Diese leicht zu erstellenden und hoch nützlichen Netzwerke gewinnen an Beliebtheit dank ihres verbesserten Onboarding‑Prozesses und ihrer Performance. Einer der Hauptvorteile, den modulare Blockchains nutzen, ist die Verwendung von Standards und sofort verfügbaren Toolsets.

Im Jahr 2020 führte das SKALE-Netzwerk ein modulares Design in die Blockchain-Struktur ein. Das neue Format ermöglichte mehr Interoperabilität und reduzierte Hindernisse für das Onboarding von Dapp‑Entwicklern. Entwickler erhielten die Möglichkeit, ihre Kreationen auf mehreren Chains oder sogar in Subnetzwerken, den sogenannten Skale Chains und Hubs, zu deployen. Heute ist Skale nach Nutzerzahl immer noch die führende modulare Blockchain.

Blockgröße

Es gab viele Jahre, bevor Layer‑2‑Lösungen verfügbar waren. In dieser Zeit gab es zahlreiche Debatten darüber, wie eine Blockchain die Performance verbessern könnte. Eine der beliebtesten Optionen war die Erhöhung der Blockgröße. Die Blockgröße bezieht sich auf die Datenmenge, die jeder Block in der Blockchain enthält.

Zum Beispiel hat Bitcoin eine Blockgröße von 1 MB, was ihm ermöglicht, etwa 7 Transaktionen pro Sekunde zu verarbeiten. Wird sie verdoppelt, könnte das Netzwerk 14 TPS ohne Einführung von Upgrades oder Second‑Layer‑Lösungen aufrechterhalten. Interessanterweise war die Bitcoin‑Blockgrößen‑Debatte in der Vergangenheit ein Thema.

Das Konzept, die Blockgröße zu erhöhen, führte zu einem ständigen Wachstum dieser Funktionen. Selbst Bitcoin Cash, das aus einem Hard Fork von Bitcoin entstand, der aus einer Blockgrößen‑Debatte resultierte, erlebte bereits wenige Monate nach seiner Entstehung einen Hard Fork, um größere Blockgrößen zu ermöglichen. Zusätzlich reduzieren größere Blockgrößen die Anzahl der Personen, die über die notwendige Hardware verfügen, um am Netzwerk teilzunehmen. Aus diesen Gründen haben sich viele davon abgewandt, die Blockgrößen ständig zu erhöhen.

Gerichteter azyklischer Graph (DAG)

Eine weitere Methode, Netzwerke zu skalieren, ist die Verwendung von DAG‑Technologie (Directed Acyclic Graph). Der Begriff DAG bezieht sich auf eine Datenbank, bei der nicht nur die letzten Transaktionen mit der endgültig bestätigten Aktion kommunizieren, sondern alle Transaktionen miteinander kommunizieren können. Dieser Ansatz bedeutet, dass es keine Zyklen für die Validierung gibt. Auf diese Weise kann man diese Netzwerke eher als Bäume denn als Ketten betrachten.

Ein Grund, warum Blockchains diese Technologie nutzen würden, ist die Reduzierung der Anzahl von Blöcken, die nicht in die Kette gelangen. Diese Blöcke werden als Orphans bezeichnet und können die Performance durch Stauung verringern. Bemerkenswerterweise erzeugen Sie, wenn Sie die Blockgröße und -zeiten erhöhen, unbeabsichtigt mehr Orphans.

DAG schafft ein günstigeres Umfeld, das die Entstehung von Orphans reduziert und gleichzeitig mehr Skalierbarkeit ermöglicht. Da alle Blöcke auf die Spitzen des Graphen verweisen können, können Miner die gesamte Kette referenzieren, anstatt vom letzten Block rückwärts voranzuschreiten. Dieser Ansatz steht im starken Gegensatz zur ursprünglichen Proof‑of‑Work‑Struktur, bietet jedoch mehr Performance.

Hashgraph-Netzwerke

Hashgraph-Netzwerke sind technisch gesehen keine Blockchains, bieten jedoch denselben dezentralen Netzwerkschutz. Ähnlich wie bei der DAG‑Technologie kommunizieren alle Netzwerkknoten frei miteinander, anstatt in einer chronologischen Reihenfolge. In einem Hashgraph-Netzwerk teilen Knoten ihre Daten mit anderen zufälligen Knoten, um sicherzustellen, dass alle Teilnehmer Zugriff auf die Informationen erhalten.
Der Hauptvorteil dieses Stils von Distributed Ledger ist die Möglichkeit, geordnete Transaktionen mithilfe verifizierbarer Zeitstempel zu erstellen, ohne auf Drittanbieter‑Protokolle angewiesen zu sein. Zusätzlich bieten diese Netzwerke den Nutzern mehr Datenschutzkontrollen. Derzeit ist Hedera das wichtigste Hashgraph-Netzwerk, das im Blockchain‑Sektor tätig ist.

Blockchains benötigen Skalierbarkeit zum Überleben

Blockchain-Entwickler verstehen heute die Bedeutung von Skalierbarkeit. Diese Entwickler treiben die Grenzen dieser Technologie ständig voran, um bessere Leistung und Funktionen zu bieten. Die oben genannten Skalierungslösungen sind die beliebtesten, aber nicht die einzigen Optionen. Es ist zu erwarten, dass noch mehr geniale und kreative Lösungen entstehen, während die Blockchain‑Technologie weiter in den Mainstream vordringt.