Das Blockchain-Trilemma

Das Blockchain-Trilemma ist eine Theorie, die 2017 von Vitalik Buterin, einem der Mitbegründer von Ethereum, vorgestellt wurde. Es hebt die Herausforderung hervor, Dezentralisierung, Sicherheit und Skalierbarkeit innerhalb der Blockchain-Technologie auszubalancieren. Diese drei Eigenschaften sind in Blockchain-Systemen miteinander verflochten, wo die Verbesserung einer oft zu einem Kompromiss mit den anderen führt und das bildet, was als Trilemma bekannt ist.

Das Blockchain-Trilemma

Dezentralisierung

Dezentralisierung ist ein grundlegendes Merkmal der Blockchain-Technologie. Durch die Nutzung verteilter Speicher- und Rechenleistung stellen Blockchain-Netzwerke sicher, dass alle Netzwerkknoten gleiche Rechte und Pflichten haben. Diese Konfiguration ermöglicht Transparenz, bei der Daten und Transaktionen für alle Teilnehmer offen sichtbar sind. Darüber hinaus gewährleistet die verteilte Natur der Blockchain, dass Datenkopien auf mehrere Knoten verteilt sind, was die Sicherheit und Stabilität erhöht.
Da Blockchain auf kryptografischen Algorithmen anstelle von Vertrauenszertifikaten basiert, beseitigt es die Notwendigkeit von Vermittlern und vertrauenswürdigen Institutionen und vereinfacht traditionelle Vertrauensmechanismen. Durch die Eigenschaften von Blockchain können Parteien Vertrauen aufbauen und zusammenarbeiten, ohne die Beteiligung Dritter.
Die dezentrale Natur von Blockchain-Netzwerken erfordert jedoch einen Konsens unter allen Knoten, was zu langsameren Verarbeitungsgeschwindigkeiten und längeren Transaktionsbestätigungszeiten führen kann, was die Leistung und Skalierbarkeit des Systems erheblich einschränkt.

Sicherheit

Sicherheit ist ein grundlegender Pfeiler von Blockchain-Netzwerken, der für die Abwehr von bösartigen Angriffen unerlässlich ist. Ein robustes Blockchain-Netzwerk muss über die Fähigkeit verfügen, solche Angriffe abzuwehren, da mangelnde Sicherheit den eigentlichen Wert eines Blockchain-Systems untergraben kann.
Am Beispiel der Sicherheit der Bitcoin-Blockchain kombiniert sie kryptografische Techniken mit dem Proof of Work (PoW)-Konsensmechanismus. Aus kryptografischer Sicht hat jeder Block eine eindeutige digitale Signatur, die als "Hashwert" bekannt ist. Jede Änderung an den Daten führt zu einer Änderung des Hashwerts, wodurch sichergestellt wird, dass die Daten auf manipulationssichere Weise miteinander verknüpft sind. Der PoW-Mechanismus erfordert, dass Knoten komplexe mathematische Probleme lösen, um Transaktionen zu validieren und neue Blöcke zu erstellen. Ein Angreifer müsste mehr als die Hälfte der Rechenleistung kontrollieren, um einen erfolgreichen Angriff zu starten, was die Datenintegrität und die Netzwerkstabilität gewährleistet. Darüber hinaus trägt eine Zunahme der Netzwerkteilnehmer zu einer verbesserten Sicherheit bei, was es bösartigen Akteuren erschwert, das gesamte System zu kontrollieren, und das Risiko eines "51%-Angriffs" verringert.
Bei der Sicherheit oberste Priorität zu gewährleisten, können Technologien wie PoW und Kryptographie die Skalierbarkeit der Blockchain aufgrund von Rechenkomplexitäten beeinflussen und die Effizienz beeinträchtigen.

Skalierbarkeit

Skalierbarkeit bezieht sich auf die Fähigkeit eines Blockchain-Systems, Transaktionsinformationen zu verarbeiten. Die Skalierbarkeit eines Blockchain-Systems hängt stark von der Leistung der Transaktionsverarbeitung ab, die häufig in TPS (Transaktionen pro Sekunde) gemessen wird. Bestehende Blockchain-Systeme stoßen auf erhebliche Leistungsprobleme bei der Verarbeitung von Transaktionen im großen Maßstab, was die Skalierbarkeit zu einem kritischen Engpass in der aktuellen Blockchain-Entwicklung macht.
In dezentralen Blockchain-Systemen erfordert jede Transaktion einen Konsens über alle Knoten, um die Sicherheit und Dezentralisierung des Systems zu gewährleisten, aber die Skalierbarkeit zu begrenzen. Mit zunehmender Anzahl von Knoten steigen auch die Zeit- und Bandbreitenkosten für die Transaktionsverifizierung, was zu einer verringerten Systemleistung führt. Derzeit beträgt die Netzwerk-TPS von Bitcoin etwa 7, die Netzwerk-TPS von Ethereum liegt bei etwa 14, im krassen Gegensatz zum Durchschnitt von 63.000 TPS, die vom globalen Zahlungsplattform Visa verarbeitet werden. Die geringe TPS der Mainstream-Blockchain-Systeme stellt ein erhebliches Hindernis in der praktischen Anwendung dar.
Während es möglich ist, die Transaktionseffizienz durch verschiedene technische Mechanismen zu verbessern, wie z.B. Solana, das eine durchschnittliche TPS von 2000 erreicht oder ICP, das eine durchschnittliche TPS von 3000 erreicht, beeinflussen diese Fortschritte unweigerlich die Dezentralisierung der Blockchain in gewissem Maße.

Der aktuelle Status des Blockchain-Unmöglichen Dreiecks

Laut einem Bericht von Bloomberg aus dem Jahr 2022 kämpft Bitcoin bis September damit, mehr als 7 Transaktionen pro Sekunde zu verarbeiten, während das zweitbeliebteste Ethereum-Netzwerk ungefähr 15 Transaktionen pro Sekunde verarbeitet. Im Vergleich zu traditionellen Handelsplattformen ist dies so langsam, dass es die ganze Existenz in Frage stellt.
Wenn die Blockchain-Technologie in Zukunft einer breiteren Gesellschaft dienen soll und dabei mit der gleichen Anzahl von Benutzern wie traditionelle Plattformen konfrontiert wird, ist die Skalierbarkeit der unvermeidliche Weg für Blockchain-Upgrades. Die Erweiterung des Netzwerks würde jedoch eine Verringerung der Anzahl der Teilnehmer erfordern, was wiederum die Kerndezentralisierung der Blockchain beeinträchtigt. Darüber hinaus erhöht eine Verringerung der Teilnehmer die Wahrscheinlichkeit von Angriffen, was die Sicherheit gefährdet.
In Situationen, in denen diese drei Aspekte nicht miteinander in Einklang gebracht werden können, entscheiden sich die Menschen immer noch für die Dezentralisierung, das Kernziel der Blockchain, und die Sicherheit als Eckpfeiler des Netzwerks innerhalb dieses "unmöglichen Dreiecks". In einem solchen Szenario ist die Verarbeitung von Transaktionsnummern auf einer einzigen Kette stark eingeschränkt, was die Skalierbarkeit zu einem Engpass für die Blockchain-Entwicklung macht.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass in der heutigen Blockchain-Landschaft, in der Dezentralisierung und Sicherheit eng miteinander verflochten sind, Skalierbarkeit oft schwer zu erreichen ist. Die Kompromisse zwischen diesen drei Elementen führen zur Bildung des unmöglichen Dreiecks.

Lösungen für das Blockchain-Trilemma

In der praktischen Anwendung ist zwar noch keine perfekte Lösung entstanden, die alle drei Aspekte ausbalanciert, aber kontinuierliche Bemühungen und Experimente haben zu einigen weit verbreiteten Lösungen geführt.

Layer-1-Lösungen

Layer-1-Lösungen beziehen sich auf Verbesserungen und Optimierungen, die an den zugrunde liegenden Protokollen in der Blockchain-Technologie vorgenommen werden, um die Leistung, Sicherheit und Skalierbarkeit des gesamten Netzwerks zu verbessern. Durch Anpassung und Aktualisierung der grundlegenden Protokolle der Blockchain können eine höhere Transaktionsdurchsatzrate, niedrigere Transaktionskosten und eine verbesserte Dezentralisierung erreicht werden.
Ein herausragendes Beispiel für eine Layer-1-Lösung ist Ethereum 2.0, das von einem Proof-of-Work-(PoW)-Konsensmechanismus zu einem Proof-of-Stake-(PoS)-Mechanismus übergegangen ist, um die Bestätigungsgeschwindigkeiten von Transaktionen und die Netzwerk-Skalierbarkeit zu verbessern und gleichzeitig den Energieverbrauch zu reduzieren. Ein weiteres bemerkenswertes Beispiel ist die Solana-Blockchain, die einen neuartigen Konsensalgorithmus namens Proof of History nutzt, um Transaktionsverarbeitungsfähigkeiten von Tausenden pro Sekunde zu erreichen und dabei niedrige Transaktionsgebühren aufrechtzuerhalten.

Layer-2-Lösungen

Layer-2-Lösungen sind Skalierungslösungen, die auf den zugrunde liegenden Protokollen der Blockchain aufbauen und darauf abzielen, die Transaktionsverarbeitungsgeschwindigkeiten zu steigern, die Kosten zu senken, die Benutzererfahrung zu verbessern und die Last auf das zugrunde liegende Blockchain-Netzwerk zu verringern. Diese Lösungen begleichen Transaktionen und verarbeiten Daten off-chain, um eine effiziente Skalierbarkeit zu erreichen, ohne die Hauptkette direkt zu beeinflussen und somit die Sicherheits- und Dezentralisierungsmerkmale der zugrunde liegenden Blockchain zu bewahren.
Eine typische Layer-2-Lösung ist das Lightning Network für das Bitcoin-Netzwerk, das schnelle und kostengünstige Mikrotransaktionen ermöglicht, die Transaktionslast auf der Bitcoin-Hauptkette reduziert. Ein weiteres Beispiel sind Rollups, eine Layer2-Lösung für Ethereum, die ein großes Volumen an Transaktionsdaten in einen einzelnen Block komprimiert und die Skalierbarkeit und Durchsatz von Ethereum erheblich verbessert, während Sicherheit und Dezentralisierung gewahrt bleiben. Diese Layer2-Lösungen bringen eine höhere Effizienz und Skalierbarkeit in Blockchain-Netzwerke und bieten den Nutzern eine bessere Handelserfahrung.