Ethereum ist die größte Smart-Contract-Plattform der Welt. Daher werden die meisten dezentralen Applikationen auf Basis von Ethereum entwickelt und das Netzwerk wächst demnach am stärksten.
Wenn man es optimistisch betrachtet, dann wird Ethereum in den kommenden Jahren nicht nur von mehr DApps bevölkert, sondern vor allen Dingen wesentlich mehr User anziehen. Für Spekulanten hätte das einen handfesten Vorteil, weil sie dann vermutlich einen viel höheren Preis für Ether am Markt erzielen könnten. Gleichzeitig würde es aber auch eng auf der Ethereum-Blockchain, denn im Optimalfall möchten Millionen von Usern gleichzeitig darauf zugreifen.
Die Realität im Jahr 2024 sieht jedoch ganz anders aus, denn es fehlt nicht nur die Massenadaption, sondern Ethereum kann nicht annähernd so viele Menschen gleichzeitig bedienen. Dieses Problem ist nicht unbekannt und beschränkt sich nicht nur auf Ethereum. Auch andere Blockchains haben das gleiche Problem und streben in vielen Fällen die gleiche Lösung an wie Ethereum.
In diesem Artikel nehmen wir euch mit auf die Reise und zeigen, warum Ethereum Layer 2 Lösungen wichtig sind und wie sie funktionieren.
Das Blockchain-Trilemma
Das Blockchain-Trilemma begleitet nicht nur Ethereum, sondern auch Bitcoin und viele andere Kryptowährungen, die auf Distributed Ledger Technology setzen. Das Trilemma ist der Ausgangspunkt für den Bedarf von Ethereum Layer 2 Lösungen. Es gibt im Wesentlichen drei Qualitäten, die von der Blockchain-Technologie abgebildet werden können.
- Skalierbarkeit: Sie bestimmt, wie viele Transaktionen pro Sekunde (Tps) verarbeitet werden können. Eine weitere Metrik neben den Tps ist die Zeit, die es braucht, bis die Transaktionen finalisiert sind. Sie spielt aber für die Skalierbarkeit eine untergeordnete Rolle, denn es geht in erster Linie darum, wie hoch das Transaktionsvolumen ist.
- Sicherheit: Eine Blockchain muss sicher sein, denn sonst könnten bösartige Akteure beispielsweise die Geldmenge manipulieren. Angriffe können auf verschiedenen Ebenen stattfinden und deshalb ist dies einer der wichtigsten Aspekte der Technologie.
- Dezentralisierung: Man könnte argumentieren, dass dieser Punkt mit in die Sicherheit der Blockchain hineinspielt. Tatsächlich kann eine Blockchain aber gegen Angriffe geschützt sein, dafür aber nicht über viele verschiedene Computer verteilt werden. Die Distribution des Netzwerks ist deshalb wichtig, weil sie sicherstellt, dass nicht nur wenige Teilnehmer die Kryptowährung kontrollieren.
Das Trilemma besteht im Wesentlich darin, dass eine Blockchain immer nur zwei dieser drei Aspekte voll verwirklichen kann. Nehmen wir Bitcoin als Beispiel, um das Trilemma zu verdeutlichen.
Bitcoin ist wegen des Proof of Work extrem sicher, denn es braucht eine unvorstellbar hohe Rechenleistung, um das Netzwerk anzugreifen. Gleichzeitig ist Bitcoin extrem dezentral aufgebaut, weil im Kern jede Full Node eine vollständige Kopie der Bitcoin-Blockchain vorhält und alle Transaktionen validiert. Das Problem ist, dass dieses System alles entschleunigt. Proof of Work soll der Definition nach verhindern, dass Transaktionen besonders schnell laufen können. Ursprünglich war es als Lösung gegen E-Mail-Spam konzipiert worden. Auch ein verteiltes Netzwerk macht Bitcoin nicht schneller oder sorgt dafür, dass mehr Transaktionen gleichzeitig verarbeitet werden können. Hätte man nur wenige Server, dann wäre das eher der Fall.
Bitcoin opfert also Skalierbarkeit für Sicherheit und Dezentralisierung. Im Schnitt schafft Bitcoin deshalb nur sieben Transaktionen pro Sekunde, weil die anderen beiden Komponenten ausbremsen. Das Trilemma besteht darin, dass man die Skalierbarkeit nicht hochschrauben kann, ohne entweder die Sicherheit zu opfern oder das Netzwerk zu zentralisieren.
Dementsprechend gibt es auch andere Beispiele, bei denen die Verteilung anders aussieht. Solana ist etwa sicher und skalierbar, aber dezentral ist das Netzwerk im direkten Vergleich zu Bitcoin nicht aufgestellt. Dabei liefert Solana bereits einen guten Hinweis darauf, wie Bitcoin und auch Ethereum das Problem der Skalierbarkeit lösen können.
Ethereum Layer 2 Lösungen verlagern das Problem
Wie der englische Begriff Layer 2 bereits verrät, handelt es sich hierbei um eine zweite Schicht oder Ebene, auf der Transaktionen ausgeführt werden.
Ethereum und Bitcoin verwenden beide das gleiche Konzept, um besser zu skalieren. Die Transaktionen werden nämlich nicht mehr auf der Blockchain ausgeführt und können daher nicht nur schneller, sondern auch in viel größerer Zahl bearbeitet werden. Wer sich bereits in die Thematik etwas eingearbeitet hat, wird spätestens an dieser Stelle stutzig, denn die Transaktionen außerhalb der Blockchain vorzunehmen, bedeutet selbstverständlich auch die Sicherheit und alle anderen Konzepte über Bord zu werfen.
Das ist jedoch nur teilweise richtig, denn Ethereum Layer 2 Lösungen als auch die vorhandene Lösung für Bitcoin verwenden trotzdem die Blockchain als Ankerpunkt. Daher werden alle Transaktionen effektiv auf der Blockchain finalisiert, allerdings unter anderen Bedingungen, was immer noch einen großen Vorteil gegenüber sogenannten On-Chain-Transaktionen verspricht.
Während es bei Bitcoin das Lightning Network als Layer 2 Lösung gibt, verfügt Ethereum über mehr als eine Lösung. Das gilt sowohl in technischer Hinsicht, als auch dafür, wer diese Lösungen entwickelt und betreibt.
Denn klarerweise sind Layer 2 Netzwerke häufig stark zentralisiert, dafür aber skalierbar und sicher. Zwar kann man anmerken, dass wenigstens das Lightning Network wesentlich besser verteilt ist, aber im Fall von Ethereum Layer 2 Lösungen sieht die Sache schon anders aus.
ZK-Rollups und Optimistic Rollups
Es gibt zwei verschiedene Lösungen, die eingesetzt werden, um dem Problem der Skalierbarkeit von Ethereum zu begegnen. Beide sind sogenannte Rollups, daher bündeln oder „rollen“ sie viele verschiedene Transaktionen zusammen. Diese werden dann alle gemeinsam auf der Blockchain finalisiert. Der Clou daran ist, wie diese Lösungen nachweisen, dass jede einzelne Transaktion in einer dieser Rollen nicht fingiert, sondern gültig ist.
Optimistic Rollups
Optimistic Rollups gehen das Problem so an, dass per se davon ausgegangen wird, dass alle Transaktionen gültig sind. Daher auch der Name, denn es handelt sich um eine optimistische Ausgangslage. Es finden also nur noch Berechnungen statt, wenn eine Transaktion angezweifelt wird.
Damit genug Zeit bleibt, um eine Transaktion anzuzweifeln, gibt es eine festgelegte Periode, die es braucht, damit ein Bündel von Transaktionen auf der Blockchain finalisiert wird. Verstreicht die sogenannte Challenge Period ohne, dass es einen Disput bezüglich der Transaktionen gibt, dann werden sie auf der Ethereum-Blockchain finalisiert.
Der Nachteil dieser Methode ist die Wartezeit, die es braucht, um Kryptos aus dem Second Layer zurück auf das eigene Ethereum Wallet abzuziehen. Es dauert nämlich Wochen, bis man wieder über die Mittel On-Chain verfügt. Zwar gibt es Dienstleister, welche dieses Risiko übernehmen und die Beträge sofort freigeben, doch das ist mit zusätzlichen Gebühren verbunden.
ZK-Rollups
Die zweite Option sind sogenannte ZK-Rollups. Sie bedienen sich des Zero Knowledge Proofs. Dieses Konzept wird auch verwendet, um Transaktionsdaten zu schützen. Bei den Ethereum Layer 2 Lösungen wird es jedoch verwendet, um ein Bündel an Transaktionen zu bilden. Dazu berechnet das Protokoll einen solchen Beweis, der vorgelegt wird. Er kann auf seine Richtigkeit hin überprüft werden, ohne dass sämtliche Transaktionsdaten vorliegen bzw. übertragen werden müssen.
Diese Methode hat den Vorteil, dass die Transaktionen direkt validiert und somit sofort finalisiert werden. Es gibt daher anders als bei den Optimistic Rollups keine Wartezeiten. Aus diesem Grund halten viele Befürworter von Ethereum Layer 2 Lösungen diesen Ansatz als den vielversprechenden.
Beiden Methoden ist aber im Kern gemein, dass sie im übertragenen Sinne nur noch eine Quittung einreichen, auf der alle Transaktionen festgehalten sind. Diese Quittung ist viel schlanker und enthält viel weniger Daten, weshalb mit einem Rollup direkt hunderte Transaktionen auf der Blockchain validiert werden können, ohne dass die Größe der Blöcke verändert wird.
Was ist der Unterschied zwischen Sidechains und Layer 2 Lösungen?
Die Unterschiede zwischen Sidechains und Layer-2-Lösungen sind nicht marginal. Sidechains gibt es schon sehr lange, und zwar nicht nur für Ethereum, sondern auch für Bitcoin. Auch Sidechains versuchen dem Problem der Skalierbarkeit zu begegnen.
Sogenannte Sidechains sind eigenständige Blockchains, die parallel zur eigentlichen Ethereum-Blockchain laufen. Sie haben ihre eigenen Sicherheitsmechanismen und Konsensmodelle, die unabhängig von Ethereum sind.
Sidechains ermöglichen es, Kryptos zwischen der Ethereum-Blockchain und der Sidechain direkt zu übertragen. Zudem bieten sie eine Plattform für Anwendungen, die nicht direkt auf der eigentlichen Blockchain ausgeführt werden können. Das ist beispielsweise bei Bitcoin der Fall, weil es hier nämlich anders als bei Ethereum keine komplexeren Smart Contracts gibt.
Diese Unabhängigkeit erlaubt es zwar, eigene Regeln und Funktionalitäten zu entwickeln, bedeutet jedoch auch, dass eine Sidechain ihre eigene Sicherheit gewährleisten muss. Dieser Aspekt knüpft an den größten Kritikpunkt an, den sich diese Lösungen gefallen lassen müssen. Denn Second-Layer-Lösungen bedienen sich der Sicherheit der eigentlichen Haupt-Blockchain. Sidechains machen das nicht und laufen Gefahr, am Ende ein robustes System durch unzureichende Absicherung zu gefährden. Schließlich kann eine Sidechain kaum darauf hoffen, die gleiche Absicherung wie Ethereum oder Bitcoin zu erfahren.
Welche Ethereum Layer 2 Lösungen gibt es?
Die beiden beschriebenen Technologien werden von verschiedenen Protokollen verwendet. Daher ist eine Layer 2 Lösung eine eigene Plattform, auf der Transaktionen außerhalb der Blockchain vorgenommen werden können. Um sich mit einer der Ethereum Layer 2 Lösungen zu verbinden, kann man ein Wallet wie Metamask verwenden, muss aber in den Einstellungen das entsprechende Netzwerk auswählen.
Zudem muss auf der Ethereum Adresse Ether liegen, um Transaktionen zu tätigen. Denn die Gebühren, welche fällig werden, müssen immer noch mit Ether gespeist werden. Selbstverständlich muss man dann auch noch Kryptos an das jeweilige Second Layer Netzwerk überweisen. Die Überweisung erfolgt an die eigene Adresse. Sobald man die Assets auf den Second Layer übertragen hat, kann man loslegen und von den schnellen und günstigen Transaktionen profitieren.
Hier also eine kurze Auswahl an exemplarischen Ethereum Layer 2 Lösungen und eine kurze Beschreibung ihrer Funktionsweise.
Optimism
Optimism nutzt eine vereinfachte Version der Ethereum Virtual Machine (EVM), die sich OVM (Optimistic Virtual Machine) nennt. Dies erleichtert Entwicklern die Migration bestehender Smart Contracts. Optimism priorisiert Einfachheit und EVM-Äquivalenz, was bedeutet, dass es eng mit der Funktionsweise der eigentlichen Ethereum-Blockchain übereinstimmt. Wie der Name bereits verrät, basiert die Second Layer Lösung auf den Optimistic Rollups.
Arbitrum
Bietet eine vollständige EVM-Kompatibilität und erlaubt somit eine nahtlose Übertragung von Smart Contracts von Ethereum. Es verwendet eine Technik namens "fraud proofs", um die Sicherheit zu gewährleisten und ermöglicht eine schnellere Transaktionsfinalität als Optimism. Arbitrum wird oft wegen seiner höheren Geschwindigkeit und niedrigeren Gebühren im Vergleich zu Optimism gelobt. Dennoch basiert auch Arbitrum im Kern auf den Optimistic Rollups.
StarkNet
Nutzt die sogenannten STARKs (Scalable Transparent Arguments of Knowledge) für die in diesem Kapitel geschilderten Zero Knowledge Proofs. Diese Technologie ist bekannt für ihre hohe Skalierbarkeit und Sicherheit. STARKs benötigen weniger Rechenleistung und bieten verbesserten Datenschutz. StarkNet ist besonders geeignet für Anwendungen, die eine hohe Durchsatzrate und erweiterte Datenschutzfunktionen benötigen.
zkSync
Fokussiert sich auf die Verwendung von zk-SNARKs (Zero-Knowledge Succinct Non-Interactive Arguments of Knowledge), eine andere Form der Zero-Knowledge-Beweise. zkSync betont Benutzerfreundlichkeit und Entwicklerfreundlichkeit und zielt darauf ab, eine nahtlose Nutzererfahrung zu erzeugen und Entwickler einen direkten und einfachen Zugang zu bieten. Die Ethereum Second Layer Lösung versucht dabei, eine Balance zwischen Sicherheit, Skalierbarkeit und Nutzererfahrung zu gewährleisten.
Base
Hierbei handelt es sich um ein Layer-2-Netzwerk, das von der Krypto-Börse Coinbase ins Leben gerufen wurde. Coinbase nutzt es, um Transaktionsgebühren für interne Transaktionen zu senken und integriert Base zudem in den eigenen Produktkosmos (Mehr zur Coinbase Wallet). Base setzt ebenfalls auf Optimistic Rollups und bietet Nutzern alle bekannten Optionen auf einem Second-Layer zu handeln. Dazu gehören ebenfalls NFTs.
