Im Kontext der Blockchain-Technologie bezieht sich ein Layer 1 (L1) auf das Basisprotokoll oder die zugrunde liegende Blockchain selbst. Es ist die primäre Schicht der Blockchain, die die grundlegenden Regeln und Protokolle des Systems festlegt. Vereinfacht ausgedrückt bezieht sich Schicht 1 auf das Haupt-Blockchain-Netzwerk, das für die Validierung von Transaktionen, die Führung des Hauptbuchs und die Erstellung neuer Blöcke verantwortlich ist.
Layer-1-Protokolle werden oft als „Basisschicht“-Protokolle bezeichnet, da sie als Grundlage für das gesamte Blockchain-Netzwerk dienen. Diese Protokolle können als grundlegende Bausteine der Blockchain betrachtet werden und bieten wesentliche Funktionalitäten wie Konsensmechanismen, Blockvalidierung und Sicherheitsfunktionen.
Eines der Hauptmerkmale von Layer-1-Protokollen ist ihre Fähigkeit, Transaktionen dezentral und vertrauenswürdig abzuwickeln. Dies wird durch den Einsatz von Konsensmechanismen erreicht, die es den Knoten im Netzwerk ermöglichen, einen Konsens über die Gültigkeit von Transaktionen zu erzielen, ohne dass eine zentrale Autorität erforderlich ist.
Eines der bekanntesten Layer-1-Protokolle ist Bitcoin, das seit 2009 im Einsatz ist. Zu den weiteren beliebten Layer-1-Protokollen gehören Ethereum, Bitcoin Cash und Litecoin. Jedes dieser Protokolle verfügt über einzigartige Merkmale und Eigenschaften, wie z. B. Blockzeit, Blockgröße und Transaktionsdurchsatz, die ihre Gesamtleistung bestimmen.
Layer-1-Protokolle sind in der Regel so konzipiert, dass sie sicher und unveränderlich sind. Das bedeutet, dass eine einmal bestätigte und zur Blockchain hinzugefügte Transaktion nicht mehr geändert oder gelöscht werden kann. Dies macht sie ideal für Anwendungsfälle, bei denen Transparenz, Sicherheit und Unveränderlichkeit von entscheidender Bedeutung sind, beispielsweise bei Finanztransaktionen, Lieferkettenmanagement und Abstimmungssystemen.
Obwohl Layer-1-Protokolle unglaublich leistungsfähig sind, weisen sie auch einige Einschränkungen auf, beispielsweise Probleme mit der Skalierbarkeit. Da die Anzahl der Transaktionen im Netzwerk zunimmt, können der Zeit- und Kostenaufwand für die Verarbeitung von Transaktionen erheblich steigen. Dies hat zur Entwicklung von Layer-2-Skalierungslösungen geführt.
Eine Layer-2-Skalierungslösung ist ein Off-Chain-Protokoll, das auf einer Layer-1-Blockchain aufbaut, um deren Skalierbarkeit und Durchsatz zu erhöhen, ohne die Sicherheit zu beeinträchtigen. Layer-2-Lösungen können für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, beispielsweise für Zahlungen, Smart Contracts und dezentrale Börsen. Durch die Verlagerung eines Teils der Transaktionsverarbeitung außerhalb der Kette können Layer-2-Lösungen die Anzahl der Transaktionen, die auf der Hauptblockchain verarbeitet werden müssen, erheblich reduzieren, was zu schnelleren und kostengünstigeren Transaktionen führt.
Eine der beliebtesten Layer-2-Skalierungslösungen ist das Lightning Network, das ursprünglich für Bitcoin entwickelt wurde, inzwischen aber auch für andere Kryptowährungen angepasst wurde. Das Lightning Network ermöglicht sofortige und kostengünstige Transaktionen, indem es Zahlungskanäle zwischen Benutzern schafft, die es ihnen ermöglichen, Transaktionen außerhalb der Kette durchzuführen, ohne auf Bestätigungen in der Hauptblockchain warten zu müssen.
Ein weiteres Beispiel für eine Layer-2-Lösung ist Plasma, das von Vitalik Buterin und Joseph Poon entwickelt wurde. Plasma verwendet eine baumartige Struktur von Seitenketten, um Transaktionen außerhalb der Kette zu verarbeiten, und übermittelt regelmäßig eine Zusammenfassung dieser Transaktionen an die Hauptblockkette. Dies ermöglicht die Verarbeitung eines hohen Transaktionsvolumens bei gleichzeitiger Wahrung der Sicherheit der Hauptblockchain.
State Channels sind eine weitere Art von Layer-2-Lösung, die Off-Chain-Transaktionen zwischen Benutzern ermöglicht. Staatliche Kanäle funktionieren, indem sie einen privaten Kanal zwischen zwei Benutzern erstellen, der es ihnen ermöglicht, Transaktionen außerhalb der Kette durchzuführen, ohne die Hauptblockchain einzubeziehen. Sobald der Kanal geschlossen ist, wird der endgültige Zustand des Kanals an die Hauptblockchain übertragen, um die Sicherheit der Transaktion zu gewährleisten.
Rollup-Lösungen sind eine neuere Art von Layer-2-Lösungen, die in den letzten Jahren an Popularität gewonnen haben. Rollups verwenden Smart Contracts, um Transaktionen außerhalb der Kette zu stapeln und dann regelmäßig eine Zusammenfassung dieser Transaktionen an die Hauptblockchain zu übergeben. Es gibt zwei Arten von Rollups: ZK-Rollups, die wissensfreie Beweise verwenden, um die Gültigkeit der Off-Chain-Transaktionen zu beweisen, und optimistische Rollups, die davon ausgehen, dass die Transaktionen gültig sind, sofern nicht das Gegenteil bewiesen wird.
Layer-2-Lösungen haben gegenüber Layer-1-Lösungen mehrere Vorteile. Zum einen können sie die Skalierbarkeit und den Durchsatz einer Blockchain erheblich steigern, ohne dass die Sicherheit darunter leidet. Sie können außerdem die Transaktionsgebühren senken und die Transaktionsgeschwindigkeit erhöhen, was sie für den täglichen Gebrauch praktischer macht. Darüber hinaus können Layer-2-Lösungen auf jeder Layer-1-Blockchain aufgebaut werden, was bedeutet, dass sie zur Skalierung jeder Kryptowährung verwendet werden können.
Allerdings haben Layer-2-Lösungen auch einige Nachteile. Zum einen können sie komplex und schwer umzusetzen sein, was ihre Akzeptanz einschränken kann. Da Layer-2-Lösungen außerdem auf Off-Chain-Verarbeitung basieren, können sie weniger sicher sein als Layer-1-Lösungen, was sie anfällig für Angriffe machen könnte. Da Layer-2-Lösungen schließlich auf Layer-1-Blockchains aufbauen, sind sie durch die Kapazität der zugrunde liegenden Blockchain begrenzt.
In der Welt der Kryptowährungen ist die Skalierbarkeit eine der größten Herausforderungen für die Blockchain-Technologie. Unter Skalierbarkeit versteht man die Fähigkeit eines Blockchain-Netzwerks, ein großes Transaktionsvolumen zeitnah und kostengünstig abzuwickeln. Da Blockchain-basierte Anwendungen immer beliebter werden, steigt auch die Nachfrage nach einer schnelleren und effizienteren Transaktionsverarbeitung. Hier kommen Skalierungslösungen ins Spiel.
Skalierungslösungen sind Technologien, die oberhalb des Blockchain-Protokolls arbeiten, um die Geschwindigkeit und Effektivität der zugrunde liegenden Blockchain zu verbessern. Diese Lösungen sind darauf ausgelegt, die Skalierbarkeitsherausforderung durch die Verarbeitung von Transaktionen außerhalb des Mainnets zu bewältigen. Dies trägt dazu bei, die Belastung des Haupt-Blockchain-Netzwerks zu verringern und die Transaktionsgebühren zu senken, während gleichzeitig die Sicherheit und Integrität der Blockchain gewahrt bleibt.
Der Zweck von Skalierungslösungen besteht darin, Blockchain-Netzwerken die Verarbeitung eines höheren Transaktionsvolumens zu ermöglichen, ohne Kompromisse bei Geschwindigkeit, Kosten oder Sicherheit einzugehen. Durch die Verlagerung eines Teils der Verarbeitungsarbeit auf Layer-2-Lösungen kann sich das Haupt-Blockchain-Netzwerk auf seine Kernfunktionen konzentrieren und gleichzeitig von der zusätzlichen Effizienz und Skalierbarkeit dieser Lösungen profitieren.
Seit ihrer Gründung ist die Skalierung ein kritisches Thema der Blockchain-Branche. Bitcoin, das erste Blockchain-Netzwerk, kann nur eine begrenzte Anzahl von Transaktionen pro Sekunde (TPS) verarbeiten. Diese Einschränkung stellte ein erhebliches Hindernis für die Einführung dar, da die Bestätigung einer Transaktion mehrere Minuten dauern kann, was zu langsamen Bearbeitungszeiten und hohen Gebühren führt. Dieses Problem hat die Entwicklung zahlreicher Skalierungslösungen vorangetrieben, von denen wir einige in diesem Abschnitt untersuchen werden.
Eine der frühesten Skalierungslösungen war die Erhöhung der Blockgröße. Bitcoin hatte zunächst eine Blockgrößenbeschränkung von 1 MB, die später auf 2 MB erhöht wurde. Allerdings hatte dieser Ansatz seine Grenzen, da größere Blöcke mehr Speicherplatz erfordern, was die Kosten für den Betrieb eines Knotens erhöht und möglicherweise zu einer Zentralisierung führt. Auch die Bitcoin-Community war sich über diesen Ansatz uneinig, was zur Schaffung eines abgespaltenen Netzwerks namens Bitcoin Cash führte, das die Blockgröße auf 8 MB erhöhte.
Eine weitere Skalierungslösung ist das Lightning Network, das erstmals 2015 von Joseph Poon und Thaddeus Dryja vorgeschlagen wurde. Das Lightning Network operiert auf der Bitcoin-Blockchain und ermöglicht Benutzern durch die Schaffung von Zahlungskanälen die Durchführung von Off-Chain-Transaktionen. Dieser Ansatz kann Bitcoin theoretisch auf Millionen von TPS skalieren und gleichzeitig die Gebühren niedrig halten.
Ethereum, ein weiteres führendes Blockchain-Netzwerk, stand aufgrund seiner Beliebtheit und der zunehmenden Zahl darauf aufbauender dezentraler Anwendungen (dApps) ebenfalls vor Skalierungsherausforderungen. Eine der ersten für Ethereum vorgeschlagenen Lösungen hieß Plasma und zielte darauf ab, das Netzwerk durch die Schaffung mehrerer untergeordneter Ketten oder Seitenketten zu skalieren, die Transaktionen unabhängig voneinander verarbeiten können. Allerdings stand Plasma vor mehreren technischen Herausforderungen und seine Entwicklung wurde schließlich eingestellt.
Eine weitere Lösung zur Skalierung von Ethereum ist das sogenannte Sharding. Beim Sharding wird die Ethereum-Blockchain in kleinere Teile, sogenannte Shards, aufgeteilt, die Transaktionen unabhängig voneinander verarbeiten können, wodurch die Gesamt-TPS des Netzwerks erhöht wird. Ethereum arbeitet derzeit an der Implementierung von Sharding im Rahmen seines Ethereum 2.0-Upgrades.
Rollups sind eine weitere Lösung zur Skalierung von Ethereum, die in den letzten Jahren an Popularität gewonnen hat. Bei Rollups werden mehrere Transaktionen zu einer einzigen Transaktion gebündelt, die auf der Ethereum-Blockchain verarbeitet wird. Dadurch wird die Anzahl der erforderlichen Berechnungen reduziert und die TPS erhöht. Abhängig von der zugrunde liegenden Technologie können Rollups weiter in optimistische und ZK-Rollups unterteilt werden.
Die als Optimistic Rollups bekannte Skalierungslösung wurde erstmals 2018 von der Plasma Group vorgeschlagen. Optimistische Rollups ermöglichen die Bündelung mehrerer Transaktionen in einer einzigen Transaktion, die außerhalb der Kette verarbeitet wird, wodurch die Anzahl der erforderlichen Berechnungen reduziert und die TPS erhöht wird. Die Transaktionen werden dann aggregiert und in der Ethereum-Blockchain gepostet, was schnellere und kostengünstigere Transaktionen ermöglicht und gleichzeitig die Sicherheit und Dezentralisierung der zugrunde liegenden Blockchain beibehält.
ZK-Rollups sind eine weitere Art von Rollups, die Zero-Knowledge (ZK)-Beweise verwenden, um Transaktionen in einer einzigen Transaktion zu bündeln. Dieser Ansatz macht eine Off-Chain-Verarbeitung überflüssig und ermöglicht die Verarbeitung von mehr Transaktionen in einem einzigen Block, während gleichzeitig die Sicherheit und Dezentralisierung der Blockchain gewahrt bleibt. ZK-Rollups wurden erstmals 2019 von Matter Labs eingeführt und haben in den letzten Jahren große Aufmerksamkeit erlangt.
Layer 1 und Layer 2 sind beide wichtige Konzepte im Blockchain-Ökosystem. Jede Schicht dient einem bestimmten Zweck und die beiden Schichten arbeiten zusammen, um ein skalierbares und effizientes Blockchain-Netzwerk bereitzustellen. Hier werden wir die beiden Ebenen vergleichen und die Stärken und Schwächen jeder einzelnen Ebene hervorheben.
Schicht 1 ist die Basisschicht der Blockchain. Es besteht aus dem Kernprotokoll der Blockchain und ist für die Verwaltung des Konsensmechanismus, die Validierung von Transaktionen und die Aufrechterhaltung des Status der Blockchain verantwortlich. Auf Schicht 1 wird die native Kryptowährung der Blockchain ausgegeben und alle Transaktionen verarbeitet. Bitcoin, Ethereum und andere große Blockchains arbeiten auf Layer 1.
Layer 2 baut auf Layer 1 auf und bietet zusätzliche Funktionalitäten für das Blockchain-Netzwerk. Es soll die Skalierbarkeit und Effizienz der Blockchain verbessern, indem ein Teil der Verarbeitung von Layer 1 ausgelagert wird. Layer 2-Lösungen umfassen State Channels, Plasma, Rollups und Sidechains.
Der Konsensmechanismus der Schicht 1, wie Proof-of-Work (PoW) oder Proof-of-Stake (PoS), gewährleistet die Integrität und Unveränderlichkeit der Blockchain. Schicht 1 ist ebenfalls dezentralisiert, was bedeutet, dass keine einzelne Instanz das Netzwerk kontrollieren kann. Dadurch ist Layer 1 ideal für die Speicherung hochwertiger Vermögenswerte und die Durchführung von Transaktionen, die ein hohes Maß an Sicherheit erfordern.
Allerdings ist die zur Aufrechterhaltung des Konsensmechanismus erforderliche Rechenleistung hoch, was den Durchsatz des Netzwerks begrenzt. Dadurch ist Layer 1 weniger effizient und weniger skalierbar als Layer 2-Lösungen. Layer 1 hat im Vergleich zu Layer 2 auch höhere Transaktionsgebühren, was es für Mikrozahlungen und andere Transaktionen mit geringem Betrag weniger attraktiv macht.
Layer-2-Lösungen hingegen sollen die Skalierbarkeit und Effizienz der Blockchain verbessern. Durch die Auslagerung eines Teils der Verarbeitung von Schicht 1 kann Schicht 2 Transaktionen schneller und zu geringeren Kosten verarbeiten. Layer 2 ermöglicht auch komplexere Smart-Contract-Funktionalitäten, die auf Layer 1 aufgrund seiner begrenzten Verarbeitungskapazität nicht möglich sind.
Layer-2-Lösungen können im Vergleich zu Layer-1-Lösungen eine viel größere Anzahl von Transaktionen pro Sekunde verarbeiten. Dadurch ist Layer 2 ideal für Anwendungsfälle, die einen hohen Transaktionsdurchsatz erfordern, wie zum Beispiel Online-Gaming oder Hochfrequenzhandel. Layer 2 hat außerdem niedrigere Transaktionsgebühren im Vergleich zu Layer 1, wodurch es sich besser für Mikrozahlungen und andere Transaktionen mit geringem Betrag eignet.
Die Sicherheit von Layer-2-Lösungen hängt von der Sicherheit von Layer 1 ab, und ein kompromittierter Layer 1 könnte sich auf die Sicherheit von Layer 2 auswirken. Layer 2 erfordert im Vergleich zu Layer 1 auch zusätzliche Vertrauensannahmen, da die Verarbeitung von einer kleineren Gruppe von Knoten abgewickelt wird oder vertrauenswürdige Einheiten. Dadurch eignet sich Layer 2 weniger für die Speicherung hochwertiger Vermögenswerte oder die Durchführung von Transaktionen, die ein hohes Maß an Sicherheit erfordern.
Layer-2-Skalierungslösungen sind eine beliebte Art von Skalierungslösungen, die auf dem Haupt-Blockchain-Netzwerk ausgeführt werden. Diese Lösungen zielen darauf ab, die Skalierbarkeitsherausforderung durch die Verarbeitung von Transaktionen außerhalb des Mainnets zu bewältigen. Dadurch können Layer-2-Lösungen die Geschwindigkeit und Effizienz der Transaktionsverarbeitung erheblich steigern und gleichzeitig die Belastung des Haupt-Blockchain-Netzwerks verringern.
Ein Beispiel für eine Layer-2-Skalierungslösung sind Zero-Knowledge-Rollups (ZK-Rollups), die in diesem Kurs ausführlich behandelt werden. ZK-Rollups verwenden eine kryptografische Technik namens Zero-Knowledge-Proofs, um mehrere Transaktionen in einem zu bündeln einzelne Transaktion, die dann an das Haupt-Blockchain-Netzwerk gesendet wird. Dies trägt dazu bei, die Anzahl der Transaktionen zu reduzieren, die vom Hauptnetzwerk verarbeitet werden müssen, während gleichzeitig die Sicherheit und Integrität der Blockchain gewahrt bleibt.
Ein weiteres Beispiel für eine Layer-2-Skalierungslösung sind Optimistic Rollups. Optimistische Rollups funktionieren, indem sie Transaktionen außerhalb der Kette verarbeiten und dann eine Zusammenfassung dieser Transaktionen an das Haupt-Blockchain-Netzwerk übermitteln. Diese Zusammenfassung wird dann vom Hauptnetzwerk überprüft, um sicherzustellen, dass die Transaktionen korrekt und sicher sind. Durch die Verarbeitung von Transaktionen außerhalb der Kette können Optimistic Rollups die Geschwindigkeit und Effizienz der Transaktionsverarbeitung erheblich steigern und gleichzeitig die mit diesen Transaktionen verbundenen Gasgebühren senken.
Layer-2-Lösungen bieten gegenüber herkömmlichen Blockchain-Netzwerken mehrere Vorteile. Hier sind einige der wichtigsten Vorteile:
Verbesserte Transaktionen pro Sekunde (TPS): Layer-2-Lösungen können ein viel höheres Transaktionsvolumen pro Sekunde verarbeiten als herkömmliche Blockchain-Netzwerke. Durch die Verarbeitung von Transaktionen außerhalb des Mainnets können Layer-2-Lösungen die Geschwindigkeit und Effizienz der Transaktionsverarbeitung erheblich steigern, was für Blockchain-basierte Anwendungen, die eine schnelle und zuverlässige Transaktionsverarbeitung erfordern, von entscheidender Bedeutung ist.
Gesenkte Gasgebühren: Unter Gasgebühren versteht man die Transaktionsgebühren, die Benutzer zahlen müssen, um ein Blockchain-Netzwerk zu nutzen. Ein großer Vorteil von Layer-2-Lösungen besteht darin, dass sie die mit Transaktionen verbundenen Gasgebühren erheblich senken können. Durch die Verarbeitung von Transaktionen außerhalb der Kette können Layer-2-Lösungen die Belastung des Haupt-Blockchain-Netzwerks verringern, was zu niedrigeren Gasgebühren für Benutzer führt.
Bewahrte Sicherheit: Layer-2-Lösungen sind darauf ausgelegt, die Sicherheit und Integrität der zugrunde liegenden Blockchain aufrechtzuerhalten. Durch den Einsatz kryptografischer Techniken wie Zero-Knowledge-Proofs und überprüfbare Berechnungen können Layer-2-Lösungen sicherstellen, dass Transaktionen korrekt und sicher sind, selbst wenn sie außerhalb des Mainnets verarbeitet werden.
Anwendungsspezifische Netzwerke: Layer-2-Lösungen können an die spezifischen Anforderungen verschiedener Blockchain-basierter Anwendungen angepasst werden. Einige Layer-2-Lösungen sind beispielsweise speziell für dezentrale Finanzanwendungen (DeFi) konzipiert, während andere für nicht fungible Token (NFTs) oder Gaming-Anwendungen konzipiert sind. Dadurch können Entwickler effizientere und spezialisiertere Anwendungen auf dem Blockchain-Netzwerk aufbauen.
Layer-1-Skalierungslösungen und Layer-2-Skalierungslösungen sind zwei unterschiedliche Ansätze zur Bewältigung der Skalierbarkeitsherausforderung in Blockchain-Netzwerken. Während sich Layer-1-Lösungen auf die Verbesserung des Haupt-Blockchain-Netzwerks selbst konzentrieren, arbeiten Layer-2-Lösungen oberhalb des Hauptnetzwerks und verarbeiten Transaktionen außerhalb der Kette. Hier ist ein genauerer Blick auf den Vergleich der beiden Lösungen:
Layer-2-Lösungen können ein höheres Transaktionsvolumen pro Sekunde verarbeiten als Layer-1-Lösungen. Durch die Verarbeitung von Transaktionen außerhalb der Kette können Layer-2-Lösungen die Geschwindigkeit und Effizienz der Transaktionsverarbeitung erheblich steigern, was für Blockchain-basierte Anwendungen, die eine schnelle und zuverlässige Transaktionsverarbeitung erfordern, von entscheidender Bedeutung ist.
Sowohl Layer-1- als auch Layer-2-Lösungen sind darauf ausgelegt, die Sicherheit und Integrität der zugrunde liegenden Blockchain aufrechtzuerhalten. Layer-2-Lösungen basieren jedoch auf kryptografischen Techniken wie Zero-Knowledge-Proofs und überprüfbaren Berechnungen, um sicherzustellen, dass Transaktionen korrekt und sicher sind, selbst wenn sie außerhalb des Mainnets verarbeitet werden.
Gasgebühren sind die Transaktionsgebühren, die Benutzer zahlen müssen, um ein Blockchain-Netzwerk zu nutzen. Layer-2-Lösungen können die Gasgebühren erheblich senken, da sie Transaktionen außerhalb der Kette abwickeln und die Belastung des Hauptnetzes verringern. Bei Layer-1-Lösungen hingegen können höhere Gasgebühren erforderlich sein, um der erhöhten Transaktionsverarbeitung im Hauptnetz gerecht zu werden.
Layer-2-Lösungen sind im Hinblick auf die Anpassung an bestimmte Anwendungen flexibler als Layer-1-Lösungen. Layer-2-Lösungen können auf die spezifischen Anforderungen verschiedener Blockchain-basierter Anwendungen zugeschnitten werden, sodass Entwickler effizientere und spezialisiertere Anwendungen auf dem Blockchain-Netzwerk aufbauen können.
Layer-2-Lösungen sind oft komplexer als Layer-1-Lösungen, da sie zusätzliche Infrastruktur und kryptografische Techniken erfordern, um Transaktionen außerhalb der Kette zu verarbeiten. Diese zusätzliche Komplexität kann es für Entwickler schwieriger machen, Anwendungen auf der Grundlage von Layer-2-Lösungen zu erstellen.
Layer-1-Lösungen können interoperabler sein als Layer-2-Lösungen, da sie direkt im Haupt-Blockchain-Netzwerk betrieben werden. Dadurch können verschiedene Blockchain-Netzwerke einfacher miteinander kommunizieren und Benutzer können Vermögenswerte zwischen verschiedenen Netzwerken verschieben. Layer-2-Lösungen hingegen erfordern möglicherweise eine zusätzliche Interoperabilitätsinfrastruktur, um kettenübergreifende Transaktionen zu ermöglichen.
Im Kontext der Blockchain-Technologie bezieht sich ein Layer 1 (L1) auf das Basisprotokoll oder die zugrunde liegende Blockchain selbst. Es ist die primäre Schicht der Blockchain, die die grundlegenden Regeln und Protokolle des Systems festlegt. Vereinfacht ausgedrückt bezieht sich Schicht 1 auf das Haupt-Blockchain-Netzwerk, das für die Validierung von Transaktionen, die Führung des Hauptbuchs und die Erstellung neuer Blöcke verantwortlich ist.
Layer-1-Protokolle werden oft als „Basisschicht“-Protokolle bezeichnet, da sie als Grundlage für das gesamte Blockchain-Netzwerk dienen. Diese Protokolle können als grundlegende Bausteine der Blockchain betrachtet werden und bieten wesentliche Funktionalitäten wie Konsensmechanismen, Blockvalidierung und Sicherheitsfunktionen.
Eines der Hauptmerkmale von Layer-1-Protokollen ist ihre Fähigkeit, Transaktionen dezentral und vertrauenswürdig abzuwickeln. Dies wird durch den Einsatz von Konsensmechanismen erreicht, die es den Knoten im Netzwerk ermöglichen, einen Konsens über die Gültigkeit von Transaktionen zu erzielen, ohne dass eine zentrale Autorität erforderlich ist.
Eines der bekanntesten Layer-1-Protokolle ist Bitcoin, das seit 2009 im Einsatz ist. Zu den weiteren beliebten Layer-1-Protokollen gehören Ethereum, Bitcoin Cash und Litecoin. Jedes dieser Protokolle verfügt über einzigartige Merkmale und Eigenschaften, wie z. B. Blockzeit, Blockgröße und Transaktionsdurchsatz, die ihre Gesamtleistung bestimmen.
Layer-1-Protokolle sind in der Regel so konzipiert, dass sie sicher und unveränderlich sind. Das bedeutet, dass eine einmal bestätigte und zur Blockchain hinzugefügte Transaktion nicht mehr geändert oder gelöscht werden kann. Dies macht sie ideal für Anwendungsfälle, bei denen Transparenz, Sicherheit und Unveränderlichkeit von entscheidender Bedeutung sind, beispielsweise bei Finanztransaktionen, Lieferkettenmanagement und Abstimmungssystemen.
Obwohl Layer-1-Protokolle unglaublich leistungsfähig sind, weisen sie auch einige Einschränkungen auf, beispielsweise Probleme mit der Skalierbarkeit. Da die Anzahl der Transaktionen im Netzwerk zunimmt, können der Zeit- und Kostenaufwand für die Verarbeitung von Transaktionen erheblich steigen. Dies hat zur Entwicklung von Layer-2-Skalierungslösungen geführt.
Eine Layer-2-Skalierungslösung ist ein Off-Chain-Protokoll, das auf einer Layer-1-Blockchain aufbaut, um deren Skalierbarkeit und Durchsatz zu erhöhen, ohne die Sicherheit zu beeinträchtigen. Layer-2-Lösungen können für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, beispielsweise für Zahlungen, Smart Contracts und dezentrale Börsen. Durch die Verlagerung eines Teils der Transaktionsverarbeitung außerhalb der Kette können Layer-2-Lösungen die Anzahl der Transaktionen, die auf der Hauptblockchain verarbeitet werden müssen, erheblich reduzieren, was zu schnelleren und kostengünstigeren Transaktionen führt.
Eine der beliebtesten Layer-2-Skalierungslösungen ist das Lightning Network, das ursprünglich für Bitcoin entwickelt wurde, inzwischen aber auch für andere Kryptowährungen angepasst wurde. Das Lightning Network ermöglicht sofortige und kostengünstige Transaktionen, indem es Zahlungskanäle zwischen Benutzern schafft, die es ihnen ermöglichen, Transaktionen außerhalb der Kette durchzuführen, ohne auf Bestätigungen in der Hauptblockchain warten zu müssen.
Ein weiteres Beispiel für eine Layer-2-Lösung ist Plasma, das von Vitalik Buterin und Joseph Poon entwickelt wurde. Plasma verwendet eine baumartige Struktur von Seitenketten, um Transaktionen außerhalb der Kette zu verarbeiten, und übermittelt regelmäßig eine Zusammenfassung dieser Transaktionen an die Hauptblockkette. Dies ermöglicht die Verarbeitung eines hohen Transaktionsvolumens bei gleichzeitiger Wahrung der Sicherheit der Hauptblockchain.
State Channels sind eine weitere Art von Layer-2-Lösung, die Off-Chain-Transaktionen zwischen Benutzern ermöglicht. Staatliche Kanäle funktionieren, indem sie einen privaten Kanal zwischen zwei Benutzern erstellen, der es ihnen ermöglicht, Transaktionen außerhalb der Kette durchzuführen, ohne die Hauptblockchain einzubeziehen. Sobald der Kanal geschlossen ist, wird der endgültige Zustand des Kanals an die Hauptblockchain übertragen, um die Sicherheit der Transaktion zu gewährleisten.
Rollup-Lösungen sind eine neuere Art von Layer-2-Lösungen, die in den letzten Jahren an Popularität gewonnen haben. Rollups verwenden Smart Contracts, um Transaktionen außerhalb der Kette zu stapeln und dann regelmäßig eine Zusammenfassung dieser Transaktionen an die Hauptblockchain zu übergeben. Es gibt zwei Arten von Rollups: ZK-Rollups, die wissensfreie Beweise verwenden, um die Gültigkeit der Off-Chain-Transaktionen zu beweisen, und optimistische Rollups, die davon ausgehen, dass die Transaktionen gültig sind, sofern nicht das Gegenteil bewiesen wird.
Layer-2-Lösungen haben gegenüber Layer-1-Lösungen mehrere Vorteile. Zum einen können sie die Skalierbarkeit und den Durchsatz einer Blockchain erheblich steigern, ohne dass die Sicherheit darunter leidet. Sie können außerdem die Transaktionsgebühren senken und die Transaktionsgeschwindigkeit erhöhen, was sie für den täglichen Gebrauch praktischer macht. Darüber hinaus können Layer-2-Lösungen auf jeder Layer-1-Blockchain aufgebaut werden, was bedeutet, dass sie zur Skalierung jeder Kryptowährung verwendet werden können.
Allerdings haben Layer-2-Lösungen auch einige Nachteile. Zum einen können sie komplex und schwer umzusetzen sein, was ihre Akzeptanz einschränken kann. Da Layer-2-Lösungen außerdem auf Off-Chain-Verarbeitung basieren, können sie weniger sicher sein als Layer-1-Lösungen, was sie anfällig für Angriffe machen könnte. Da Layer-2-Lösungen schließlich auf Layer-1-Blockchains aufbauen, sind sie durch die Kapazität der zugrunde liegenden Blockchain begrenzt.
In der Welt der Kryptowährungen ist die Skalierbarkeit eine der größten Herausforderungen für die Blockchain-Technologie. Unter Skalierbarkeit versteht man die Fähigkeit eines Blockchain-Netzwerks, ein großes Transaktionsvolumen zeitnah und kostengünstig abzuwickeln. Da Blockchain-basierte Anwendungen immer beliebter werden, steigt auch die Nachfrage nach einer schnelleren und effizienteren Transaktionsverarbeitung. Hier kommen Skalierungslösungen ins Spiel.
Skalierungslösungen sind Technologien, die oberhalb des Blockchain-Protokolls arbeiten, um die Geschwindigkeit und Effektivität der zugrunde liegenden Blockchain zu verbessern. Diese Lösungen sind darauf ausgelegt, die Skalierbarkeitsherausforderung durch die Verarbeitung von Transaktionen außerhalb des Mainnets zu bewältigen. Dies trägt dazu bei, die Belastung des Haupt-Blockchain-Netzwerks zu verringern und die Transaktionsgebühren zu senken, während gleichzeitig die Sicherheit und Integrität der Blockchain gewahrt bleibt.
Der Zweck von Skalierungslösungen besteht darin, Blockchain-Netzwerken die Verarbeitung eines höheren Transaktionsvolumens zu ermöglichen, ohne Kompromisse bei Geschwindigkeit, Kosten oder Sicherheit einzugehen. Durch die Verlagerung eines Teils der Verarbeitungsarbeit auf Layer-2-Lösungen kann sich das Haupt-Blockchain-Netzwerk auf seine Kernfunktionen konzentrieren und gleichzeitig von der zusätzlichen Effizienz und Skalierbarkeit dieser Lösungen profitieren.
Seit ihrer Gründung ist die Skalierung ein kritisches Thema der Blockchain-Branche. Bitcoin, das erste Blockchain-Netzwerk, kann nur eine begrenzte Anzahl von Transaktionen pro Sekunde (TPS) verarbeiten. Diese Einschränkung stellte ein erhebliches Hindernis für die Einführung dar, da die Bestätigung einer Transaktion mehrere Minuten dauern kann, was zu langsamen Bearbeitungszeiten und hohen Gebühren führt. Dieses Problem hat die Entwicklung zahlreicher Skalierungslösungen vorangetrieben, von denen wir einige in diesem Abschnitt untersuchen werden.
Eine der frühesten Skalierungslösungen war die Erhöhung der Blockgröße. Bitcoin hatte zunächst eine Blockgrößenbeschränkung von 1 MB, die später auf 2 MB erhöht wurde. Allerdings hatte dieser Ansatz seine Grenzen, da größere Blöcke mehr Speicherplatz erfordern, was die Kosten für den Betrieb eines Knotens erhöht und möglicherweise zu einer Zentralisierung führt. Auch die Bitcoin-Community war sich über diesen Ansatz uneinig, was zur Schaffung eines abgespaltenen Netzwerks namens Bitcoin Cash führte, das die Blockgröße auf 8 MB erhöhte.
Eine weitere Skalierungslösung ist das Lightning Network, das erstmals 2015 von Joseph Poon und Thaddeus Dryja vorgeschlagen wurde. Das Lightning Network operiert auf der Bitcoin-Blockchain und ermöglicht Benutzern durch die Schaffung von Zahlungskanälen die Durchführung von Off-Chain-Transaktionen. Dieser Ansatz kann Bitcoin theoretisch auf Millionen von TPS skalieren und gleichzeitig die Gebühren niedrig halten.
Ethereum, ein weiteres führendes Blockchain-Netzwerk, stand aufgrund seiner Beliebtheit und der zunehmenden Zahl darauf aufbauender dezentraler Anwendungen (dApps) ebenfalls vor Skalierungsherausforderungen. Eine der ersten für Ethereum vorgeschlagenen Lösungen hieß Plasma und zielte darauf ab, das Netzwerk durch die Schaffung mehrerer untergeordneter Ketten oder Seitenketten zu skalieren, die Transaktionen unabhängig voneinander verarbeiten können. Allerdings stand Plasma vor mehreren technischen Herausforderungen und seine Entwicklung wurde schließlich eingestellt.
Eine weitere Lösung zur Skalierung von Ethereum ist das sogenannte Sharding. Beim Sharding wird die Ethereum-Blockchain in kleinere Teile, sogenannte Shards, aufgeteilt, die Transaktionen unabhängig voneinander verarbeiten können, wodurch die Gesamt-TPS des Netzwerks erhöht wird. Ethereum arbeitet derzeit an der Implementierung von Sharding im Rahmen seines Ethereum 2.0-Upgrades.
Rollups sind eine weitere Lösung zur Skalierung von Ethereum, die in den letzten Jahren an Popularität gewonnen hat. Bei Rollups werden mehrere Transaktionen zu einer einzigen Transaktion gebündelt, die auf der Ethereum-Blockchain verarbeitet wird. Dadurch wird die Anzahl der erforderlichen Berechnungen reduziert und die TPS erhöht. Abhängig von der zugrunde liegenden Technologie können Rollups weiter in optimistische und ZK-Rollups unterteilt werden.
Die als Optimistic Rollups bekannte Skalierungslösung wurde erstmals 2018 von der Plasma Group vorgeschlagen. Optimistische Rollups ermöglichen die Bündelung mehrerer Transaktionen in einer einzigen Transaktion, die außerhalb der Kette verarbeitet wird, wodurch die Anzahl der erforderlichen Berechnungen reduziert und die TPS erhöht wird. Die Transaktionen werden dann aggregiert und in der Ethereum-Blockchain gepostet, was schnellere und kostengünstigere Transaktionen ermöglicht und gleichzeitig die Sicherheit und Dezentralisierung der zugrunde liegenden Blockchain beibehält.
ZK-Rollups sind eine weitere Art von Rollups, die Zero-Knowledge (ZK)-Beweise verwenden, um Transaktionen in einer einzigen Transaktion zu bündeln. Dieser Ansatz macht eine Off-Chain-Verarbeitung überflüssig und ermöglicht die Verarbeitung von mehr Transaktionen in einem einzigen Block, während gleichzeitig die Sicherheit und Dezentralisierung der Blockchain gewahrt bleibt. ZK-Rollups wurden erstmals 2019 von Matter Labs eingeführt und haben in den letzten Jahren große Aufmerksamkeit erlangt.
Layer 1 und Layer 2 sind beide wichtige Konzepte im Blockchain-Ökosystem. Jede Schicht dient einem bestimmten Zweck und die beiden Schichten arbeiten zusammen, um ein skalierbares und effizientes Blockchain-Netzwerk bereitzustellen. Hier werden wir die beiden Ebenen vergleichen und die Stärken und Schwächen jeder einzelnen Ebene hervorheben.
Schicht 1 ist die Basisschicht der Blockchain. Es besteht aus dem Kernprotokoll der Blockchain und ist für die Verwaltung des Konsensmechanismus, die Validierung von Transaktionen und die Aufrechterhaltung des Status der Blockchain verantwortlich. Auf Schicht 1 wird die native Kryptowährung der Blockchain ausgegeben und alle Transaktionen verarbeitet. Bitcoin, Ethereum und andere große Blockchains arbeiten auf Layer 1.
Layer 2 baut auf Layer 1 auf und bietet zusätzliche Funktionalitäten für das Blockchain-Netzwerk. Es soll die Skalierbarkeit und Effizienz der Blockchain verbessern, indem ein Teil der Verarbeitung von Layer 1 ausgelagert wird. Layer 2-Lösungen umfassen State Channels, Plasma, Rollups und Sidechains.
Der Konsensmechanismus der Schicht 1, wie Proof-of-Work (PoW) oder Proof-of-Stake (PoS), gewährleistet die Integrität und Unveränderlichkeit der Blockchain. Schicht 1 ist ebenfalls dezentralisiert, was bedeutet, dass keine einzelne Instanz das Netzwerk kontrollieren kann. Dadurch ist Layer 1 ideal für die Speicherung hochwertiger Vermögenswerte und die Durchführung von Transaktionen, die ein hohes Maß an Sicherheit erfordern.
Allerdings ist die zur Aufrechterhaltung des Konsensmechanismus erforderliche Rechenleistung hoch, was den Durchsatz des Netzwerks begrenzt. Dadurch ist Layer 1 weniger effizient und weniger skalierbar als Layer 2-Lösungen. Layer 1 hat im Vergleich zu Layer 2 auch höhere Transaktionsgebühren, was es für Mikrozahlungen und andere Transaktionen mit geringem Betrag weniger attraktiv macht.
Layer-2-Lösungen hingegen sollen die Skalierbarkeit und Effizienz der Blockchain verbessern. Durch die Auslagerung eines Teils der Verarbeitung von Schicht 1 kann Schicht 2 Transaktionen schneller und zu geringeren Kosten verarbeiten. Layer 2 ermöglicht auch komplexere Smart-Contract-Funktionalitäten, die auf Layer 1 aufgrund seiner begrenzten Verarbeitungskapazität nicht möglich sind.
Layer-2-Lösungen können im Vergleich zu Layer-1-Lösungen eine viel größere Anzahl von Transaktionen pro Sekunde verarbeiten. Dadurch ist Layer 2 ideal für Anwendungsfälle, die einen hohen Transaktionsdurchsatz erfordern, wie zum Beispiel Online-Gaming oder Hochfrequenzhandel. Layer 2 hat außerdem niedrigere Transaktionsgebühren im Vergleich zu Layer 1, wodurch es sich besser für Mikrozahlungen und andere Transaktionen mit geringem Betrag eignet.
Die Sicherheit von Layer-2-Lösungen hängt von der Sicherheit von Layer 1 ab, und ein kompromittierter Layer 1 könnte sich auf die Sicherheit von Layer 2 auswirken. Layer 2 erfordert im Vergleich zu Layer 1 auch zusätzliche Vertrauensannahmen, da die Verarbeitung von einer kleineren Gruppe von Knoten abgewickelt wird oder vertrauenswürdige Einheiten. Dadurch eignet sich Layer 2 weniger für die Speicherung hochwertiger Vermögenswerte oder die Durchführung von Transaktionen, die ein hohes Maß an Sicherheit erfordern.
Layer-2-Skalierungslösungen sind eine beliebte Art von Skalierungslösungen, die auf dem Haupt-Blockchain-Netzwerk ausgeführt werden. Diese Lösungen zielen darauf ab, die Skalierbarkeitsherausforderung durch die Verarbeitung von Transaktionen außerhalb des Mainnets zu bewältigen. Dadurch können Layer-2-Lösungen die Geschwindigkeit und Effizienz der Transaktionsverarbeitung erheblich steigern und gleichzeitig die Belastung des Haupt-Blockchain-Netzwerks verringern.
Ein Beispiel für eine Layer-2-Skalierungslösung sind Zero-Knowledge-Rollups (ZK-Rollups), die in diesem Kurs ausführlich behandelt werden. ZK-Rollups verwenden eine kryptografische Technik namens Zero-Knowledge-Proofs, um mehrere Transaktionen in einem zu bündeln einzelne Transaktion, die dann an das Haupt-Blockchain-Netzwerk gesendet wird. Dies trägt dazu bei, die Anzahl der Transaktionen zu reduzieren, die vom Hauptnetzwerk verarbeitet werden müssen, während gleichzeitig die Sicherheit und Integrität der Blockchain gewahrt bleibt.
Ein weiteres Beispiel für eine Layer-2-Skalierungslösung sind Optimistic Rollups. Optimistische Rollups funktionieren, indem sie Transaktionen außerhalb der Kette verarbeiten und dann eine Zusammenfassung dieser Transaktionen an das Haupt-Blockchain-Netzwerk übermitteln. Diese Zusammenfassung wird dann vom Hauptnetzwerk überprüft, um sicherzustellen, dass die Transaktionen korrekt und sicher sind. Durch die Verarbeitung von Transaktionen außerhalb der Kette können Optimistic Rollups die Geschwindigkeit und Effizienz der Transaktionsverarbeitung erheblich steigern und gleichzeitig die mit diesen Transaktionen verbundenen Gasgebühren senken.
Layer-2-Lösungen bieten gegenüber herkömmlichen Blockchain-Netzwerken mehrere Vorteile. Hier sind einige der wichtigsten Vorteile:
Verbesserte Transaktionen pro Sekunde (TPS): Layer-2-Lösungen können ein viel höheres Transaktionsvolumen pro Sekunde verarbeiten als herkömmliche Blockchain-Netzwerke. Durch die Verarbeitung von Transaktionen außerhalb des Mainnets können Layer-2-Lösungen die Geschwindigkeit und Effizienz der Transaktionsverarbeitung erheblich steigern, was für Blockchain-basierte Anwendungen, die eine schnelle und zuverlässige Transaktionsverarbeitung erfordern, von entscheidender Bedeutung ist.
Gesenkte Gasgebühren: Unter Gasgebühren versteht man die Transaktionsgebühren, die Benutzer zahlen müssen, um ein Blockchain-Netzwerk zu nutzen. Ein großer Vorteil von Layer-2-Lösungen besteht darin, dass sie die mit Transaktionen verbundenen Gasgebühren erheblich senken können. Durch die Verarbeitung von Transaktionen außerhalb der Kette können Layer-2-Lösungen die Belastung des Haupt-Blockchain-Netzwerks verringern, was zu niedrigeren Gasgebühren für Benutzer führt.
Bewahrte Sicherheit: Layer-2-Lösungen sind darauf ausgelegt, die Sicherheit und Integrität der zugrunde liegenden Blockchain aufrechtzuerhalten. Durch den Einsatz kryptografischer Techniken wie Zero-Knowledge-Proofs und überprüfbare Berechnungen können Layer-2-Lösungen sicherstellen, dass Transaktionen korrekt und sicher sind, selbst wenn sie außerhalb des Mainnets verarbeitet werden.
Anwendungsspezifische Netzwerke: Layer-2-Lösungen können an die spezifischen Anforderungen verschiedener Blockchain-basierter Anwendungen angepasst werden. Einige Layer-2-Lösungen sind beispielsweise speziell für dezentrale Finanzanwendungen (DeFi) konzipiert, während andere für nicht fungible Token (NFTs) oder Gaming-Anwendungen konzipiert sind. Dadurch können Entwickler effizientere und spezialisiertere Anwendungen auf dem Blockchain-Netzwerk aufbauen.
Layer-1-Skalierungslösungen und Layer-2-Skalierungslösungen sind zwei unterschiedliche Ansätze zur Bewältigung der Skalierbarkeitsherausforderung in Blockchain-Netzwerken. Während sich Layer-1-Lösungen auf die Verbesserung des Haupt-Blockchain-Netzwerks selbst konzentrieren, arbeiten Layer-2-Lösungen oberhalb des Hauptnetzwerks und verarbeiten Transaktionen außerhalb der Kette. Hier ist ein genauerer Blick auf den Vergleich der beiden Lösungen:
Layer-2-Lösungen können ein höheres Transaktionsvolumen pro Sekunde verarbeiten als Layer-1-Lösungen. Durch die Verarbeitung von Transaktionen außerhalb der Kette können Layer-2-Lösungen die Geschwindigkeit und Effizienz der Transaktionsverarbeitung erheblich steigern, was für Blockchain-basierte Anwendungen, die eine schnelle und zuverlässige Transaktionsverarbeitung erfordern, von entscheidender Bedeutung ist.
Sowohl Layer-1- als auch Layer-2-Lösungen sind darauf ausgelegt, die Sicherheit und Integrität der zugrunde liegenden Blockchain aufrechtzuerhalten. Layer-2-Lösungen basieren jedoch auf kryptografischen Techniken wie Zero-Knowledge-Proofs und überprüfbaren Berechnungen, um sicherzustellen, dass Transaktionen korrekt und sicher sind, selbst wenn sie außerhalb des Mainnets verarbeitet werden.
Gasgebühren sind die Transaktionsgebühren, die Benutzer zahlen müssen, um ein Blockchain-Netzwerk zu nutzen. Layer-2-Lösungen können die Gasgebühren erheblich senken, da sie Transaktionen außerhalb der Kette abwickeln und die Belastung des Hauptnetzes verringern. Bei Layer-1-Lösungen hingegen können höhere Gasgebühren erforderlich sein, um der erhöhten Transaktionsverarbeitung im Hauptnetz gerecht zu werden.
Layer-2-Lösungen sind im Hinblick auf die Anpassung an bestimmte Anwendungen flexibler als Layer-1-Lösungen. Layer-2-Lösungen können auf die spezifischen Anforderungen verschiedener Blockchain-basierter Anwendungen zugeschnitten werden, sodass Entwickler effizientere und spezialisiertere Anwendungen auf dem Blockchain-Netzwerk aufbauen können.
Layer-2-Lösungen sind oft komplexer als Layer-1-Lösungen, da sie zusätzliche Infrastruktur und kryptografische Techniken erfordern, um Transaktionen außerhalb der Kette zu verarbeiten. Diese zusätzliche Komplexität kann es für Entwickler schwieriger machen, Anwendungen auf der Grundlage von Layer-2-Lösungen zu erstellen.
Layer-1-Lösungen können interoperabler sein als Layer-2-Lösungen, da sie direkt im Haupt-Blockchain-Netzwerk betrieben werden. Dadurch können verschiedene Blockchain-Netzwerke einfacher miteinander kommunizieren und Benutzer können Vermögenswerte zwischen verschiedenen Netzwerken verschieben. Layer-2-Lösungen hingegen erfordern möglicherweise eine zusätzliche Interoperabilitätsinfrastruktur, um kettenübergreifende Transaktionen zu ermöglichen.