Was bedeutet Sharding?

Die Skalierbarkeit des Ethereum-Netzwerks

Wie du in den Lektionen 16 und 18 der Bitpanda Academy für Fortgeschrittene bereits erfahren hast, gibt es derzeit kein Blockchain-Netzwerk, das entsprechend strukturiert ist, um mühelos mit den Dimensionen herkömmlicher Zahlungsnetzwerken mitzuhalten.

Eines dieser Blockchain-Netzwerke ist Ethereum, das von Vitalik Buterin als Ethereum Classic gegründet wurde und derzeit noch auf einer einzelnen Blockchain läuft, obwohl es immer mehr dezentrale Anwendungen (DApps) und Nutzer unterstützt.

Wenn auch die durchschnittliche Blockzeit von Ethereum mit etwa 20 Sekunden weit unter der des Bitcoin-Netzwerks von 10 Minuten liegt, hinken die Verarbeitungszeiten (der Durchsatz) im Vergleich zu einem Zahlungsanbieter wie VISA, der 1.700 tps (Transaktionen pro Sekunde) verarbeiten kann, immer noch extrem hinten nach. Ethereum selbst hat derzeit eine maximale tps von 15. Denn mit dem Wachstum einer Blockchain nimmt auch die Datenmenge im Netzwerk exponentiell zu.

Laut gängiger Meinung soll der Konsens auf Basis des Proof of Stake Lösungen für die Unzulänglichkeiten von Ethereum und generell auch für die Nachteile von Proof of Work bringen. Ethereum-Entwickler erachten dies jedoch nur als ein Teil des Puzzles. Ethereum hat angekündigt, den Übergang des Netzwerks zum Einsatz eines Proof-of-Stake-Konsensalgorithmus im zweiten Quartal 2021 im Rahmen von "Ethereum 2.0", einer Reihe von Upgrades, abzuschließen.

Die ideale Struktur für die Skalierung des Netzwerks bietet jedoch Sharding in Kombination mit einem Proof-of-Stake-Konsensprotokoll. Für besseres Verständnis definieren wir zunächst, was Sharding bedeutet und wie es funktioniert. Dabei behalten wir im Hinterkopf, wie Ethereum Sharding für die Skalierung des Netzwerks nutzen will.

Was ist Sharding?

Sharding als Technologie wurde bereits lange vor dem Aufkommen der Blockchain-Technologie eingesetzt. 

Das Konzept fußt auf der Partitionierung einer Datenbank. Dabei wird eine große Datenbank in kleinere, besser zu verwaltende Datenbanken aufgeteilt. Unabhängig von weiteren Kriterien können nach so einer Aufteilung diejenigen Abfragen, die nur auf einen Teil der Daten zugreifen müssen, schneller ausgeführt werden, da weniger Daten zu durchsuchen sind. Auf diese Weise wird der Transaktionsdurchsatz (die Zahl der pro Zeiteinheit verarbeiteten Daten) verbessert und die Speicher- und Rechenressourcen werden über das gesamte Netzwerk verteilt. 

Sharding als Technologie wurde bereits lange vor dem Aufkommen der Blockchain-Technologie eingesetzt. 

Im Zusammenhang mit der Blockchain bedeutet das, dass jede Node (dt.  Netzwerknoten) im Netzwerk nur noch die Informationen zu ihrer Splitterkette (engl. “shard chain”) speichert. Diese Informationen können zwar weiterhin gemeinsam genutzt werden, aber Nodes speichern und verarbeiten nicht mehr alle Informationen. 

Was ist Sharding im Zusammenhang mit Ethereum 2.0?

Das Ziel von Sharding ist es, die Struktur des Ethereum-Netzwerks wie ein Netz anstelle einer einzelnen Kette aufzubauen. Eine bestimmte Blockchain, die "Beacon-Chain", bildet das Kernstück. Im Großen und Ganzen wird abgesehen von wenigen Änderungen alles auf die gleiche Weise funktionieren wie mit der aktuellen Ethereum-Blockchain. Eine Vielzahl von Mini-Blockchains, die "Shards" genannt werden, werden dann über die Beacon-Kette koordiniert. Diese Shards wickeln in weiterer Folge sämtliche Transaktionen über ihre Validatoren ab, nicht über die Beacon-Kette, die als Haus für das Protokoll des Netzwerks fungiert.

Diese grundlegenden Änderungen in der Struktur des Netzwerks sollen einen exponentiell höheren Durchsatz ermöglichen, der, wie du dich erinnerst, das Maß für die gesamte Verarbeitungsfähigkeit aller Transaktionen eines Netzwerks darstellt.

Birgt Sharding Risiken für das Ethereum-Netzwerk?

Herkömmliche Proof-of-Work-Netzwerke auf 51%-Angriffe anfällig. Neben den Risiken eines gesplitteten Netzwerks, die angemessen berücksichtigt werden müssen, sind gesplitterte Netzwerke hingegen anfällig auf ein Risiko, das als "1%-Shard-Angriff" bezeichnet wird. Wäre ein Blockchain-Netzwerk in 100 Shards aufgeteilt, müssten böswillige Agenten theoretisch nur einen einzigen dieser Shards beschädigen, um damit gefälschte Transaktionen durchzuführen.

Für den Eintritt eines solchen Szenarios müsste jedoch jeder Validator in einem Shard ein fixer Teil einer Gruppe sein oder fix immer als Teil der gleichen Gruppe zum Einsatz kommen. Dahingehend ist so ein Angriff höchst unwahrscheinlich, da die Ethereum Beacon Chain einen Algorithmus einsetzt, der nach Zufallsprinzip die verschiedenen Validatoren regelmäßig willkürlich den verschiedenen Shards zuweist und so ein konstanter Austausch stattfindet. 

Daher ist es im Grunde so gut wie unmöglich, das System zu betrügen und einen Shard zu “übernehmen”, da kein einziger Nutzer ausschließlich einem bestimmten Shard zugeteilt bleibt. Wie sich Sharding auf die Geschwindigkeit von Ethereum auswirken wird, sehen wir erst, wenn wir Ethereum 2.0 live in Aktion erleben. 

Es wird sich weisen, ob Sharding tatsächlich die Lösung aller Skalierungsprobleme des Ethereum-Netzwerks birgt. In unserer nächsten Lektion bleiben wir noch ein wenig beim Thema der Strukturen und Prozesse in Netzwerken, denn hier erfährst du mehr über dezentrale autonome Organisationen (DAOs).