Aufgrund des „unmöglichen Dreiecks“ können Dezentralisierung, Sicherheit und Skalierbarkeit in der Blockchain-Branche immer nur zwei von drei Punkten erreicht werden. Bitcoin, die ursprüngliche Kryptowährung, legt die Messlatte für Dezentralisierung und Sicherheit extrem hoch, ist jedoch hinsichtlich der Skalierbarkeit unzureichend. Für das Bitcoin-Netzwerk:

Transaktionen pro Sekunde (TPS) = Anzahl der Transaktionen pro Block / Blockzeit

Transaktionen pro Block = Blockgröße / durchschnittliche Transaktionsgröße

Derzeit hat das Bitcoin-Netzwerk eine Blockgröße von 1 MB und die Blockzeit beträgt etwa 10 Minuten. Wenn die durchschnittliche Transaktionsgröße 0,25 KB beträgt, enthält ein Block etwa 4000 Transaktionen. Der berechnete TPS beträgt also etwa 7, was bedeutet, dass nur 7 Transaktionen pro Sekunde verarbeitet werden können, was offensichtlich nicht der Forderung nach schnellem Wachstum entspricht.

Um das Skalierbarkeitsproblem von Bitcoin zu lösen, wurden verschiedene Lösungen vorgeschlagen. Die grundlegenden Lösungen können in zwei Arten von Layer-1- und Layer-2-Skalierungsschemata unterteilt werden

Layer-1-Skalierungslösung: Fork und SegWit

Schicht 1 bezieht sich auf die Bitcoin-Blockchain selbst, während sich die Skalierungslösung der Schicht 1 auf die Änderung der Natur der Blockchain selbst bezieht, um deren TPS zu erhöhen. Gemäß der Formel TPS = Blockgröße / (Blockzeit * durchschnittliche Transaktionsgröße) kann die Erhöhung der Blockgröße, die Reduzierung der Blockzeit und die Komprimierung der Transaktionsgröße den TPS von Bitcoin verbessern. Aufgrund der begrenzten Geschwindigkeit der Datenübertragung in der physischen Welt führt eine Reduzierung der Blockzeit jedoch zu einer Verringerung der Sicherheit des Systems. Aus diesem Grund werden hauptsächlich die Erhöhung der Blockgröße und die Komprimierung der Transaktionsgröße in Betracht gezogen.

Bitcoin Fork: Erhöhung der Blockgröße

„Skalieren“ ist wohl der naheliegendste Weg, den TPS von Bitcoin zu erhöhen.

Historisch gesehen hat die Nachfrage nach Blockup zu zwei großen Forks von Bitcoin geführt, was zu zwei neuen Blockchains und Token führte, BCH und BCHSV. Beim Forking wird im Wesentlichen eine Kopie des Bitcoin-Kerncodes dupliziert und Teile davon geändert, um die Leistung nach Bedarf zu optimieren. Es gibt jedoch immer noch Vor- und Nachteile dieses Ansatzes, die abgewogen werden müssen.

Bitcoin-Forkung aufgrund von Meinungsverschiedenheiten in der Community über die zukünftige Richtung

Da es sich bei Bitcoin um eine Open-Source-Blockchain handelt, wird sie von einer Gemeinschaft Gleichgesinnter entwickelt. Wenn sich Mitglieder der Bitcoin-Community über die zukünftige Richtung von Bitcoin nicht einig sind, kann es zu einer Abspaltung kommen.

Einige Community-Mitglieder möchten beispielsweise möglicherweise die Blockgröße von Bitcoin erhöhen, um die Skalierbarkeit zu verbessern und Wartezeiten und Kosten für Transaktionen zu reduzieren. Andere Mitglieder glauben möglicherweise, dass die ursprüngliche Blockgröße beibehalten werden sollte, um die Netzwerksicherheit zu gewährleisten, oder sie haben aus technischen Gründen möglicherweise unterschiedliche Ansichten über die Bitcoin-Konsensvereinbarung. Solche Meinungsverschiedenheiten können zu einer Abspaltung führen.

BCH wurde 2017 gespalten und BCHSV wurde 2018 auf Basis von BCH gespalten

Im August 2017 bündelten einige Miner, die eine größere Blockgröße befürworteten, ihre Rechenleistung und teilten die Bitcoin-Blockchain auf, wodurch BCH (Bitcoin Cash) entstand und die Blockgröße auf 8 MB erhöht wurde. Im November 2018 wurde BCHSV unter dem Einfluss radikaler Mitglieder der BCH-Community abgespalten, um den sogenannten „Mega-Block“ oder sogar „unbegrenzten Block“ zu unterstützen.

Die Blockgröße erhöht den Knotenschwellenwert. Die Sicherheit kann nach der Verzweigung nicht garantiert werden

Es gibt jedoch viele Probleme, wenn man einfach die Blockgröße erhöht. Mit zunehmender Größe eines einzelnen Blocks nimmt die Hardwarebelastung eines einzelnen Knotens erheblich zu, und Knoten, die sich die zugehörige Hardware nicht leisten können, werden nach und nach aus dem Netzwerk ausgeschieden. Darüber hinaus nimmt die Blockgröße zu, während sich die Geschwindigkeit der Datenübertragung zwischen Knoten und die Datenverarbeitungskapazität der Knoten kaum verbessern, was die Sicherheit und Stabilität des Bitcoin-Systems gefährdet. Daher geht die Lösung zur Blockgrößenerweiterung tatsächlich auf Kosten der Dezentralisierung und Sicherheit.

Segregated Witness (SegWit): Separate Transaktionsnachrichten, um die Datengröße zu komprimieren

Als Bitcoin zum ersten Mal entworfen wurde, begrenzte Satoshi Nakamoto die Größe des Blocks, der Transaktionen enthält, auf 1 MB, wobei die Transaktionsdaten sowohl die grundlegenden Informationen über die Transaktion als auch die Signaturinformationen der Händler enthalten. Die SegWit-Technologie hingegen erhöht die Anzahl der Transaktionen, die in einem Block enthalten sein können, um etwa 40 %, indem sie die Skriptsignaturen von den Transaktionsinformationen trennt und sie im Block-Header speichert, ohne die Block-Audit-Regeln zu verletzen.

In Bitcoin-Adressen sind diejenigen, die mit Zeichen wie 3 oder bc beginnen, Segwit-fähige Wallet-Adressen, während Adressen, die mit der Zahl 1 beginnen, ältere Adressen sind.

Eine Überprüfung auf Blockchain.com auf kürzlich geprägte Blöcke zeigt, dass die meisten neuen Blöcke mit der Segwit-Technologie ausgestattet sind. Dank Segwit übersteigt die tatsächliche Größe dieser Blöcke 1 MB. Darüber hinaus drängte das Bitcoin-Netzwerk am 14. November 2021 auf weitere Taproot-Upgrades zusätzlich zu SegWit, um die Stabilität, Sicherheit und den Datenschutz des Netzwerks weiter zu verbessern.

Layer2-Skalierung: Lightning Network

Die Layer-2-Skalierung wird auch als Off-Chain-Skalierung bezeichnet. Hierbei handelt es sich um eine Leistungslösung, die außerhalb des Mainnets skaliert, um die Transaktionsverarbeitungsgeschwindigkeit und Effizienz des Bitcoin-Netzwerks durch die Schaffung einer weiteren Netzwerkschicht zu verbessern.

Zu den gängigen Layer2-Lösungen gehören Side Chain, Plasma, State Channels, Rollup usw. Für Bitcoin ist die bekannteste Layer-2-Lösung das Lightning Network, das 2015 gegründet wurde.

Lightning-Netzwerk

Das Bitcoin Lightning Network ist ein dezentrales Zahlungssystem, das darauf abzielt, Bitcoin-Transaktionen schneller, sicherer und kostengünstiger zu machen. Transaktionen im Bitcoin-Netzwerk können langsam sein, da sie von mehreren Knoten bestätigt werden müssen, bevor sie in der Blockchain aufgezeichnet werden.

Lightning Network wurde gegründet, um diese Probleme anzugehen.

Integration von Zahlungskanälen zwischen mehreren Benutzern und Aggregation von Transaktionsnachrichten zur Veröffentlichung im Mainnet

Lightning Network richtet im Wesentlichen Zahlungskanäle zwischen zwei Benutzern ein und ermöglicht so Off-Chain-Transaktionen (typischerweise kleine Zahlungen), was das Mainnet von der Transaktionsnachfrage entlastet und eine schnellere Verarbeitung von Transaktionen ermöglicht. Lightning Network-Knoten können Zahlungskanäle zwischen mehreren Benutzern verbinden, bevor sie alle Kanalinformationen in einer einzigen Transaktion zusammenfassen und diese zur dauerhaften Aufzeichnung an das Bitcoin-Mainnet senden.

Dadurch ist auf der Bitcoin-Blockchain nur die erste und letzte Transaktion in einem Zahlungskanal gültig; Alle anderen Transaktionen zwischen den beiden Parteien finden außerhalb der Kette statt.

Um den Zahlungskanal aufzubauen, müssen beide Parteien eine bestimmte Menge an Bitcoins einreichen, die ebenfalls in der Bitcoin-Blockchain gespeichert werden, bis der Kanal deaktiviert oder geschlossen wird. Die Gesamtmenge an Bitcoins, die beide Parteien über diesen Zahlungskanal handeln können, darf die Anzahl der eingereichten Bitcoins nicht überschreiten, es kann jedoch eine unbegrenzte Anzahl von Transaktionen ohne Gebühren durchgeführt werden.

Bedenken hinsichtlich des Lightning-Netzwerks: Die Geschwindigkeit wird immer noch durch das Mainnet, die Knotensicherheit und einen hohen Schwellenwert für die Nutzung begrenzt

Das Lightning Network scheint auf den ersten Blick eine gute Lösung für das Skalierbarkeitsproblem von Bitcoin zu sein. Es wurde noch nicht weit verbreitet und weist die folgenden Einschränkungen auf:

Die Geschwindigkeit wird immer noch durch die Leistung des Mainnets begrenzt: Die Transaktionsgeschwindigkeit von Lightning Network wird immer noch durch die Leistung des Mainnets begrenzt, wobei die maximale Transaktionsgeschwindigkeit nur einige Dutzend Transaktionen pro Sekunde beträgt.

Bedenken hinsichtlich der Sicherheit: Da das Lightning Network dezentralisiert ist, hängt seine Sicherheit von der Sicherheit jedes einzelnen Knotens ab. Wenn es an einem Knoten zu einer Sicherheitsverletzung kommt, kann das gesamte Lightning-Netzwerk betroffen sein.

Schwierigkeit bei der Nutzung: Das Lightning Network ist immer noch schwierig zu nutzen.

Höhepunkte

• Aufgrund des PoW-Konsensmechanismus ist Bitcoin relativ dezentralisiert und sicher; Seine größte Schwäche ist jedoch die mangelnde Skalierbarkeit mit einer durchschnittlichen Transaktionsrate von 7 Transaktionen pro Sekunde. Um dieses Problem zu lösen, gibt es einige Ideen, wie zum Beispiel die direkte Änderung des Kerncodes von Bitcoin und die Verbesserung des Lightning-Netzwerks durch die Nutzung des Mainnets.
• Die beiden Bitcoin-Forks BCH und BCHSV haben die Blockgröße und Transaktionsgeschwindigkeit erhöht, aber mit zunehmender Blockgröße werden auch die Anforderungen an die Knotenhardware steigen, was sich auf den Grad der Dezentralisierung auswirkt, und die Datenkomplexität wird sich auf die Sicherheit auswirken. Der Fork opfert also immer noch Dezentralisierung und Sicherheit.
• Segwit reduziert die Datengröße durch die Trennung von Signaturen, und die meisten Bitcoin-Knoten haben diese Technologie übernommen.
• Um Transaktionen zu beschleunigen, erstellt Lightning Network kontoübergreifende Zahlungskanäle, die mehrere Transaktionsnachrichten konsolidieren, bevor sie an die Hauptkette gesendet werden. Doch die Entwicklung und die Sicherheit des Mainnets, der teilnehmenden Knoten sowie die hohe Nutzungsschwelle begrenzen weiterhin die Geschwindigkeit.