Das Problem der Skalierbarkeit des Bitcoin-Netzwerks

Überprüfung von Transaktionen

Wie du in Lektion 8 im Abschnitt für Anfänger der Bitpanda Academy gelernt hast, werden Transaktionen im Bitcoin-Netzwerk in einem Prozess bekannt als "Mining" überprüft. Die Computer von Minern sammeln Transaktionen, die in Blöcken versandt wurden. Die Nodes konkurrieren dann darum, die erste Node zu sein, die eine komplexe kryptographische Rechenaufgabe löst. Ziel ist es, als erster Miner den neuen Block zu validieren. Ein Block wird nur in die Blockchain aufgenommen, wenn alle Transaktionen in diesem Block gültig sind und enthaltene Beträge noch nicht ausgegeben wurden.

Laut Einschätzungen von Satoshi Nakamoto im Bitcoin Whitepaper wird ungefähr alle zehn Minuten ein Block generiert - dies wird als “block time” (dt. Blockzeit) des Bitcoin-Netzwerks bezeichnet und ist die geschätzte Zeit, die benötigt wird, um einen Block abzubauen. Ein Block ist normalerweise ungefähr 1 MB groß. Dauert es länger, einen Block im Bitcoin-Netzwerk zu schürfen, wird die “Difficulty” - der Schwierigkeitsgrad verringert. Wenn weniger Zeit benötigt wird, erhöht sich die Difficulty. Die Anpassung der Difficulty erfolgt ungefähr alle 2016 Blöcke (zeitlich ungefähr alle zwei Wochen).

Transaktionsvolumen

Derzeit steigt der Gesamtwert der Beträge, die im Bitcoin-Netzwerk bewegt werden, jährlich an, ebenso wie die Anzahl der verarbeiteten Transaktionen. Da jede Transaktion mindestens 250 Byte umfassen muss - eine Zahl, die im Bitcoin-Protokoll fest codiert ist - kann das Bitcoin-Netzwerk bis zu 7 Transaktionen pro Sekunde (tps) verarbeiten, wenn die Blockzeit zehn Minuten beträgt. Ethereum verarbeitet ungefähr 15 Transaktionen pro Sekunde und Ripple ist am schnellsten mit einer Kapazität von ungefähr 1.500 Transaktionen pro Sekunde.

Derzeit steigt der Gesamtwert der Beträge, die im Bitcoin-Netzwerk bewegt werden, jährlich an, ebenso wie die Anzahl der verarbeiteten Transaktionen. 

Warum ist die Skalierbarkeit ein Problem?

Um die Akzeptanzrate von Kryptowährungen für alltägliche Transaktionen zu unterstützen, muss ein Netzwerk zunächst in der Lage sein, eine bestimmte Anzahl an Transaktionen in jedem Fall ohne Verarbeitungsprobleme und Verzögerungen abzuwickeln. 

Zweitens muss das Netzwerk glaubwürdig nachweisen, dass es auch in Zukunft eine wachsende Anzahl an Transaktionen abwickeln kann. Das bezeichnet man als "Skalierbarkeit" eines Netzwerks: die Erweiterung der Netzwerkgröße, der Kapazität und folglich der Sicherheit. Andererseits muss ein Netzwerk Minern ausreichende Anreize in Bezug auf Transaktionsgebühren bieten, um sie zur Teilnahme zu motivieren und wettbewerbsfähig zu bleiben. 

Im Vergleich zu herkömmlichen Zahlungsanbietern wie VISA oder PayPal ist die Transaktionskapazität von Kryptowährungen wie Bitcoin und Ethereum vergleichsweise sehr gering. Der weltweit führende Anbieter von digitalen Zahlungen, VISA, gibt an, dass er mehr als 65.000 Transaktionsnachrichten pro Sekunde verarbeiten kann und tatsächlich durchschnittlich 150 Millionen Transaktionen pro Tag abwickelt. Im Gegensatz dazu verarbeitet das Zahlungsnetzwerk PayPal “nur“ 193 Transaktionen pro Sekunde oder etwa 5 Millionen Transaktionen pro Tag.

Daher sind Netzwerkgeschwindigkeit und Netzwerksicherheit die beiden vorherrschenden Faktoren, die dem Ansehen eines Zahlungsnetzwerks zugrunde liegen. Folglich ist es essenziell, die derzeitige Infrastruktur von Kryptowährungs-Netzwerken in geeigneter Weise zu erweitern, um zunehmende Transaktionsvolumina zusammen mit einer zunehmenden Anzahl an Nutzern aufzunehmen.

Ansätze zur Lösung der Skalierung

Wie du in Lektion 8 für Fortgeschrittene der Bitpanda Academy über Hard Forks und Soft Forks erfahren hast, hat die Bitcoin-Community SegWit 2017 in der Form einer Soft Fork (Abspaltung) des Bitcoin-Protokolls aktiviert, um Second-Layer-Lösungen für die Skalierung zu ermöglichen. Im Wesentlichen umfasste SegWit das Entfernen (Trennen) der “Zeugen“ - Daten (engl. witness data), die zur Überprüfung der Gültigkeit von Transaktionen benötigt werden - aus der Liste der Eingaben.

Ein weiterer Lösungsansatz zur Skalierung zielt darauf ab, die Datenmenge in der Blockchain zu reduzieren. Das ist das sogenannte Lightning-Netzwerk, ein "Layer 2" - Zahlungsprotokoll, das auf Bitcoin und einem Netzwerk bidirektionaler Zahlungskanäle basiert. Dadurch werden alltägliche Transaktionen erleichtert, ohne die Einhebung von unangemessenen Gebühren.

Nachdem das Bitcoin-Netzwerk in Bezug auf Transaktionen Ende 2017 beinahe seine Kapazitätsgrenzen erreicht hatte, entstanden zwei grundlegende Lösungsansätze zur Netzwerkskalierung. Die Befürworter einer Gruppe wollten sich darauf konzentrieren, die Grenze der Blockgröße zu erhöhen, die andere auf die Skalierung außerhalb der Blockchain, indem sie zusätzliche Protokolle auf höheren Ebenen hinzufügen wollen, ähnlich der gegenwärtigen Struktur des Internets.

Horizontale und vertikale Skalierung

Ein weiteres Merkmal hinsichtlich der Wirksamkeit von Skalierungslösungen ist die Unterteilung in sogenannte horizontale und vertikale Skalierungslösungen. Beide haben Vor- und Nachteile in puncto Dezentralisierung.

Bei der vertikalen Skalierung werden jeder Node Verarbeitungsleistung und Speicher hinzugefügt, wodurch die Leistungsfähigkeit von Nodes erhöht wird. Folglich wird die Effizienz einzelner Transaktionen verbessert. Bei einer horizontalen Skalierung hingegen werden einem System mehr Maschinen hinzugefügt und die Gesamtkapazität der Datenverarbeitungsmenge gesteigert. 

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass weniger Nodes und damit eine höhere Zentralisierung eines Netzwerks (wie EOS) im Allgemeinen die Netzwerkgeschwindigkeit erhöhen, während die Transparenz und die Eigenschaft der allgemeinen Unveränderbarkeit (engl. immutability) geringer sind als in einem stark dezentralen Netzwerk wie Bitcoin.

Derzeit ist es eher unwahrscheinlich, dass aus technologischer Sicht eine einzelne Skalierungslösung alle nötigen Faktoren berücksichtigt, um die optimale Lösung für das Bitcoin-Netzwerk bereitzustellen. Gleichzeitig arbeiten auch viele andere Coins an Proposals mit unterschiedlichen und innovativen Lösungsansätzen für dieses Dilemma.