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Übersicht
Ethereum, die beliebteste Blockchain, hat schon seit geraumer Zeit mit Skalierungsproblemen zu kämpfen. Das Hauptproblem sind dabei die hohen Gasgebühren, die durch die Überlastung des Netzwerks verursacht werden. Angesichts der steigenden Kosten für die Nutzung des Netzwerks sind zahlreiche Skalierungslösungen entstanden. In diesem Leitfaden werden wir heute einige Skalierungslösungen für Ethereum vorstellen und uns eingehend mit Rollups befassen.
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Lösungen zur Skalierung von Ethereum
Das Hauptziel aller Skalierungslösungen für Ethereum besteht darin, die Transaktionsgeschwindigkeit und den Durchsatz zu erhöhen, ohne dabei den dezentralen Charakter der Blockchain zu beeinträchtigen.
Es gibt zwei Hauptrichtungen, in denen diese Skalierungslösungen derzeit untersucht werden:
- On-Chain-Skalierung.
- Off-Chain-Skalierung.
On-Chain-Skalierung
On-Chain- oder Layer-1-Skalierungslösungen beziehen sich auf die Erhöhung der Kapazität der zentralen Blockchain-Schicht, in der Regel durch die Erhöhung der Anzahl der Transaktionen, die in einen Block passen. Im Fall von Ethereum würde eine On-Chain-Skalierung eine Änderung des Ethereum-Mainnet-Protokolls bedeuten. Eine Erhöhung der Datenmenge bzw. der Anzahl der Transaktionen, die in einen Ethereum-Block passen, würde auch die Hardwareanforderungen für den Betrieb eines Knotens erhöhen, was bei einigen Kritikern Bedenken hinsichtlich dieser Skalierungslösung hervorruft. Dies kann die Anzahl der Knoten begrenzen und die Dezentralisierung beeinträchtigen. Mit Ethereum 2 wird jedoch das Konzept des Shardings eingeführt; Sharding ist der Prozess der Aufteilung der Ethereum-Infrastruktur bzw. -Datenbank. Dadurch wird die Belastung der Knoten durch die Aufteilung der Arbeit verringert; es handelt sich um ein viel umfassenderes Konzept.
Off-Chain-Skalierung
Off-Chain-Skalierungslösungen zielen darauf ab, die primäre Layer-1-Blockchain indirekt zu skalieren, indem weitere Schichten hinzugefügt werden, um die Transaktionen zu verarbeiten, ohne die eigentliche Kern-Blockchain zu nutzen. Bei der Off-Chain-Skalierung wird die Hauptschicht der Blockchain als Vertrauens- und Schlichtungsschicht genutzt. Die Off-Chain-Skalierung wird oft als Layer-2-Skalierung bezeichnet, da sie eine weitere Schicht auf der Hauptschicht von Ethereum hinzufügt.
Die Layer-2-Skalierung gilt als unmittelbare Lösung für das Skalierbarkeitsproblem von Ethereum, da sie die Dezentralisierung bewahrt – was für die Ethereum-Community von größter Bedeutung ist. Da Layer-2-Lösungen jedoch die Entwicklung zusätzlicher Hardware oder komplexer Software erfordern, dauert es länger, bis sich ihre Auswirkungen im Netzwerk bemerkbar machen. Layer-2-Lösungen beziehen ihre Sicherheit von Ethereum und können je nach Anwendungsfall von Einzelpersonen, Organisationen oder Communities maßgeschneidert entwickelt und betrieben werden.
Im Folgenden werden verschiedene Lösungsansätze aufgeführt:
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Sidechains: Sidechains sind EVM-kompatible Blockchains, die über Brücken mit Ethereum verbunden sind. Sie verfügen über ein eigenes Konsensprotokoll und eigene Blockparameter.
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Rollups: Rollups führen Transaktionen außerhalb der Haupt-Ethereum-Blockchain durch und senden die Transaktionsdaten zurück an das Ethereum-Hauptnetzwerk.
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State-Kanäle: State-Kanäle nutzen Multisig-Kanäle, um Transaktionen zwischen den Parteien außerhalb der Hauptkette abzuwickeln und den Status an die Hauptblockchain zu übermitteln. Diese sind sehr sicher, haben jedoch spezifische Anwendungsfälle.
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Plasma: Plasma ist ein Framework, bei dem Sidechains an die Ethereum-Hauptblockchain angebunden sind und über einen Root-Vertrag mit dieser verbunden sind; dieser Vertrag erfasst den aktuellen Zustand und legt die Regeln für die Childchains fest.
Rollups
Einerseits gibt es Layer-2-Lösungen wie Channels, die zwar vollständig durch die Ethereum-Sicherheit geschützt sind, sich jedoch nur für eine bestimmte Gruppe von Anwendungen eignen; Sidechains hingegen sind in der Regel EVM-kompatibel und können Allzweckanwendungen skalieren, haben jedoch den Nachteil, dass sie in puncto Sicherheit nicht auf Ethereum zurückgreifen, sondern über ein eigenes Konsensmodell verfügen.
Rollups versuchen, das Beste aus beiden Welten zu vereinen, indem sie eine universell einsetzbare Lösung schaffen und gleichzeitig die Sicherheit von Ethereum gewährleisten. Rollups wickeln die Transaktionen außerhalb des Ethereum-Hauptnetzes ab, senden die Transaktionsdaten jedoch zurück an das Ethereum-Netzwerk und beziehen ihre Sicherheit weiterhin aus dem Ethereum-Protokoll. Jeder Rollup verfügt über eigene, spezifische Smart Contracts, die im Ethereum-Hauptnetzwerk bereitgestellt sind. Rollups führen die Transaktionen außerhalb der Hauptkette, hauptsächlich auf einer rollupspezifischen Kette, durch und bündeln anschließend die Transaktionsdaten, komprimieren sie und senden sie an die Ethereum-Hauptkette; dies entlastet das Ethereum-Hauptnetzwerk bei der eigentlichen Verarbeitung dieser Transaktionen.
Dies trägt dazu bei, die Gebühren zu senken und die Akzeptanz der Blockchain durch eine stärkere Beteiligung zu fördern. Rollups ermöglichen zudem die Umstellung aller bestehenden Ethereum-Smart-Contracts auf ein Rollup mit nur geringen oder gar keinen Änderungen.
Arten von Rollups
Rollups scheinen eine vielversprechende Lösung für das Skalierbarkeitsproblem von Ethereum zu sein, aber wie können wir sicherstellen, dass die von Rollups auf Ethereum veröffentlichten Transaktionsdaten gültig sind? Die verschiedenen Rollup-Typen gehen dabei unterschiedlich vor. Je nachdem lassen sich zwei Arten von Rollups unterscheiden: Optimistic Rollups und ZK-Rollups.
Optimistische Rollups:
Optimistische Rollups gehen, wie der Name zunächst vermuten lässt, davon aus, dass die an das Ethereum-Netzwerk übermittelten Transaktionsdaten korrekt und gültig sind. Bei jeder ungültigen Transaktion kommt es zu einer Streitbeilegung. Eine Partei übermittelt einen Stapel von Transaktionsdaten an Ethereum, und sobald jemand eine betrügerische Transaktion entdeckt, kann er einen Betrugsnachweis gegen diese Transaktion vorlegen. Dabei haben beide Parteien – sowohl diejenige, die den Transaktionsdatenstapel übermittelt, als auch diejenige, die den Betrugsnachweis vorlegt – ihre ETH als Sicherheit hinterlegt. Das bedeutet, dass jedes Fehlverhalten einer der beiden Parteien zum Verlust ihrer ETH führen würde. Immer wenn ein Betrugsnachweis eingereicht wird, wird die verdächtige Transaktion erneut ausgeführt, diesmal im Hauptnetzwerk von Ethereum. Um sicherzustellen, dass die Transaktion genau in dem Zustand wiederholt wird, in dem sie ursprünglich auf der Rollup-Kette ausgeführt wurde, wird ein Manager-Vertrag erstellt, der bestimmte Funktionsaufrufe durch einen Zustand aus dem Rollup ersetzt.
Beispiele: Optimism, Arbitrum.
ZK-Rollups:
ZK-Rollups oder Zero-Knowledge-Rollups verfügen im Gegensatz zu optimistischen Rollups über keinen Mechanismus zur Streitbeilegung. Sie nutzen eine ausgeklügelte kryptografische Methode: Zero-Knowledge-Beweise. In diesem Modell enthält jeder an Ethereum übermittelte Transaktionsstapel einen kryptografischen Beweis, einen sogenannten SNARK (Succinct Non-Interactive Argument of Knowledge), der von einem im Ethereum-Hauptnetzwerk bereitgestellten Vertrag verifiziert wird. Dieser Vertrag verwaltet den Status aller Transaktionen auf der Rollup-Kette, und dieser Status kann nur mit einem Gültigkeitsnachweis aktualisiert werden. Das bedeutet, dass im Ethereum-Hauptnetzwerk anstelle umfangreicher Transaktionsdaten lediglich der Gültigkeitsnachweis gespeichert werden muss, wodurch ZK-Rollups vergleichsweise schneller und kostengünstiger sind.
Beispiele: Loopring, STARKWARE, zkSync.
Fazit
Wenn Sie es bis hierher geschafft haben, wissen Sie nun ein bisschen mehr über Skalierungslösungen für Ethereum und deutlich mehr über Rollups.
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