Skalierung

Skalierungsübersicht

Da die Zahl der Nutzer von Ethereum gestiegen ist, hat die Blockchain gewisse Kapazitätsgrenzen erreicht. Dies hat die Kosten für die Nutzung des Netzes in die Höhe getrieben und den Bedarf an „Skalierungslösungen" geschaffen. Es gibt mehrere Lösungen, die erforscht, getestet und umgesetzt werden, die unterschiedliche Ansätze verfolgen, um ähnliche Ziele zu erreichen.

Das Hauptziel der Skalierbarkeit ist die Erhöhung der Transaktionsgeschwindigkeit (schnellere Endgültigkeit) und des Transaktionsdurchsatzes (viele Transaktionen pro Sekunde), ohne dabei die Dezentralisierung oder die Sicherheit zu opfern (mehr zur Ethereum Vision). Hohe Nachfrage auf der Layer-1 Ethereum Blockchain, führt zu langsameren Transaktionen und untragbaren Gas Preisen. Die Erhöhung der Netzwerkkapazität in Bezug auf Geschwindigkeit und Durchsatz ist von grundlegender Bedeutung für eine sinnvolle und massenhafte Einführung von Ethereum.

Geschwindigkeit und Durchsatz sind zwar von Bedeutung, aber es ist entscheidend, dass Skalierungslösungen, die diese Ziele ermöglichen, dezentralisiert und sicher bleiben. Eine niedrige Einstiegshürde für die Betreiber von Knotenpunkten ist von entscheidender Bedeutung, um eine Entwicklung hin zu zentralisierter und unsicherer Rechenleistung zu verhindern.

Konzeptionell unterteilen wir die Skalierung zunächst in On-Chain-Skalierung und Off-Chain-Skalierung.

Voraussetzungen

Sie sollten über ein gutes Verständnis aller grundlegenden Themen verfügen. Die Umsetzung von Skalierungslösungen ist weit fortgeschritten, da die Technologie weniger erprobt ist und weiter erforscht und entwickelt wird.

On-Chain Skalierung

Diese Methode der Skalierung erfordert Änderungen am Ethereum-Protokoll (Layer 1

Sharding

Unter Sharding versteht man die horizontale Aufteilung einer Datenbank, um die Last zu verteilen. Im Ethereum-Kontext wird das Sharding die Netzwerküberlastung reduzieren und die Transaktionen pro Sekunde erhöhen, indem neue Ketten, die sogenannten „Shards", geschaffen werden. Dies entlastet auch die einzelnen Prüfer, die nicht mehr die Gesamtheit aller Transaktionen im Netz bearbeiten müssen.

Erfahren Sie mehr über Sharding.

Off-Chain-Skalierung

Off-Chain-Lösungen werden getrennt vom Layer 1 Mainnet implementiert - sie erfordern keine Änderungen am bestehenden Ethereum-Protokoll. Einige Lösungen, die als „Layer-2"-Lösungen bekannt sind, leiten ihre Sicherheit direkt vom Layer-1 Ethereum Konsens her, wie zum Beispiel optimistische Rollups,Zero-Knowledge Rollups oder State Channels. Andere Lösungen beinhalten die Schaffung neuer Ketten in verschiedenen Formen, die ihre Sicherheit getrennt vom Mainnet beziehen, wie Sidechains oder Plasma Ketten. Diese Lösungen kommunizieren mit dem Mainnet, leiten aber ihre Sicherheit anders ab, um eine Vielzahl von Zielen zu erreichen.

Layer-2 Skalierung

Diese Kategorie von Off-Chain-Lösungen bezieht ihre Sicherheit aus dem Mainnet Ethereum.

Layer-2 ist ein Sammelbegriff für Lösungen, die dazu dienen, Ihre Anwendung zu skalieren, indem sie Transaktionen außerhalb des Ethereum Mainnet (Layer-1) abwickeln und gleichzeitig das robuste dezentrale Sicherheitsmodell vom Mainnet nutzen. Die Transaktionsgeschwindigkeit leidet, wenn das Netzwerk ausgelastet ist, was die Benutzererfahrung im Umgang mit bestimmten Arten von dApps verschlechtert. Und wenn die Netzwerk-Aktivitäten steigen, dann steigen auch die Gaspreise, während sich Transaktionsabsender gegenseitig überbieten wollen. Dies kann die Verwendung von Ethereum sehr teuer machen.

Die meisten Layer-2-Lösungen basieren auf einem Server oder einer Gruppe von Servern, von denen jeder als Knotenpunkt, Validator, Operator, Sequenzer, Blockproduzent oder ähnlich bezeichnet wird. Je nach Implementierung können diese Layer-2-Knotenpunkte von Einzelpersonen, Unternehmen oder Einrichtungen, die sie nutzen, oder von einem Drittanbieter oder von einer großen Gruppe von Einzelpersonen (ähnlich wie beim Mainnet) betrieben werden. Im Allgemeinen werden die Transaktionen an diese Layer-2-Knotenpunkte übermittelt, anstatt direkt an Layer-1 (Mainnet) übermittelt zu werden. Bei einigen Lösungen fasst die Layer-2-Instanz diese dann in Gruppen zusammen, bevor sie sie in Layer-1 verankert werden, woraufhin sie wiederum von Layer-1 gesichert werden und nicht mehr verändert werden können. Die Details, wie dies geschieht, variieren erheblich zwischen verschiedenen Layer-2-Technologien und -Implementierungen.

Eine bestimmte Layer-2-Instanz kann offen sein und von vielen Anwendungen gemeinsam genutzt werden, oder sie kann von einem Projekt bereitgestellt werden und nur dessen Anwendung unterstützen.

Warum wird Layer-2 gebraucht?

• Mehr Transaktionen pro Sekunde verbessern die Benutzererfahrung erheblich und reduzieren die Netzwerküberlastung auf dem Ethereum Mainnet.
• Transaktionen werden zu einer einzigen Transaktion auf dem Ethereum Mainnet zusammengefasst, wodurch die Gasgebühren für Benutzer gesenkt werden. Dadurch wiederum wird Ethereum für die Menschen überall integrativer und zugänglicher.
• Keine Aktualisierungen der Skalierbarkeit sollten auf Kosten der Dezentralisierung oder Sicherheit gehen - Layer-2 baut auf Ethereum auf.
• Es gibt anwendungsspezifische Layer-2-Netzwerke, die ihre eigenen Vorteile im Umgang mit Assets im großen Maßstab mit sich bringen.

Rollups

Rollups führen Transaktionen außerhalb von Layer-1 aus, und die Daten werden dann an Layer-1 weitergeleitet, wo ein Konsens erzielt wird. Da die Transaktionsdaten in Layer-1-Blöcken enthalten sind, können Rollups durch die eigene Ethereum-Sicherheit gesichert werden.

Es gibt zwei Arten von Rollups mit verschiedenen Sicherheitsmodellen:

• Optimistische Rollups: geht davon aus, dass Transaktionen standardmäßig gültig sind, und führt nur im Falle einer Anfechtung Berechnungen über einen
  Betrugsnachweis

  Fraud proof

  A security model for certain layer 2 solutions where, to increase speed, transactions are rolled up into batches and submitted to Ethereum in a single transaction. Other network participants can re-execute the transactions to check that they were executed honestly. If they uncover a discrepancy between the posted data and their own version they can post a cryptographic proof that demonstrates where some fraud took place. Some rollups use validity proofs.
  durch. Mehr über Optimistische Rollups.
• Zero-Knowledge Rollups: Führt die Berechnung außerhalb der Kette durch und reicht einen
  Gültigkeitsnachweis

  Validity proof

  A security model for certain layer 2 solutions where, to increase speed, transactions are rolled up into batches and submitted to Ethereum in a single transaction. The transaction computation is done off-chain and then supplied to the main chain with a proof of their validity. This method increases the amount of transactions possible while maintaining security. Some rollups use fraud proof. More on zero-knowledge rollups.
  an die Kette ein. Mehr zu Zero-Knowledge Rollups.

Zustandskanäle

Zustandskanäle nutzen Multisig-Verträge, um den Teilnehmenden die Möglichkeit zu geben, schnell und frei Transaktionen außerhalb der Kette durchzuführen und diese dann über das Mainnet abzurechnen. Dadurch werden Netzwerküberlastungen, Gebühren und Verzögerungen auf ein Minimum reduziert. Die beiden Arten von Kanälen sind derzeit Zustandskanäle und Zahlungskanäle.

Erfahren Sie mehr über Zustandskanäle.

Seitenketten

Eine Seitenkette ist eine unabhängige EVM-kompatible Blockchain, die parallel zum Mainnet läuft. Diese sind über Zweiseitige Brücken mit Ethereum kompatibel und laufen nach ihren eigenen Konsensregeln und Blockparametern.

Erfahren Sie mehr über Seitenketten.

Plasma

Eine Plasmakette ist eine separate Blockchain, die an der Ethereum-Blockchain verankert ist und Betrugsnachweise (wie Optimistische Rollups) verwendet, um Streitigkeiten zu schlichten.

Erfahren Sie mehr über Plasma.

Validium

Eine Validium-Kette nutzt Gültigkeitsnachweise wie Zero-Knowledge-Rollups, aber Daten werden nicht auf der Main Layer-1 Ethereum Chain gespeichert. Dies kann zu 10.000 Transaktionen pro Sekunde pro Validium-Kette führen, zudem können mehrere Ketten parallel laufen.

Lernen Sie mehr über Validium.

Warum werden so viele Skalierungslösungen benötigt?

• Mehrere Lösungen können dazu beitragen, die Gesamtüberlastung in einem Teil des Netzes zu verringern, und verhindern außerdem einzelne Fehlerquellen.
• Das Ganze ist größer als die Summe seiner Teile. Es können verschiedene Lösungen existieren und miteinander harmonieren, was einen exponentiellen Effekt auf die künftige Transaktionsgeschwindigkeit und den Durchsatz ermöglicht.
• Nicht alle Lösungen erfordern die direkte Nutzung des Ethereum-Konsens-Algorithmus, und Alternativen können Vorteile bieten, die sonst nur schwer zu erreichen wären.
• Eine einzige Skalierungslösung reicht nicht aus, um die Ethereum Vision zu erfüllen.

Eher der visuelle Lernende?

Beachten Sie, dass in der Erklärung im Video der Begriff „Layer 2" für alle Off-Chain-Skalierungslösungen verwendet wird, während wir „Layer-2" als eine Off-Chain-Lösung bezeichnen, die ihre Sicherheit aus dem Layer 1 Mainnet-Konsens bezieht.

Weiterführende Informationen

• Eine Rollup-zentrische Ethereum Roadmap(opens in a new tab)Vitalik Buterin
• Aktuelle Analysen zu Layer 2 Skalierungslösungen für Ethereum(opens in a new tab)
• Evaluierung von Ethereum Layer 2 Skalierungslösungen: Ein Vergleichsrahmen(opens in a new tab)
• Ein unvollständiger Leitfaden für Rollups(opens in a new tab)
• Ethereum-betriebene ZK-Rollups: Weltmeister(opens in a new tab)
• Optimistische Rollups ggü. ZK-Rollups(opens in a new tab)
• Zero-Knowledge Blockchain Skalierung(opens in a new tab)
• Warum Rollups + Daten-Shards die einzige nachhaltige Lösung für hohe Skalierbarkeit sind(opens in a new tab)

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