Was sind Layer-1 und Layer-2 Blockchains?

💡 Layer-1 und Layer-2 Blockchain: Das Wichtigste in Kürze

• Layer-1-Blockchains: Layer-1-Blockchains sind die klassischen Blockchains, die das Rückgrat des Netzwerks bilden. Sie sind für die grundlegende Sicherheit, Konsensfindung und Datenspeicherung verantwortlich. Beispiele sind Bitcoin und Ethereum.
• Skalierungsprobleme: Layer-1-Netzwerke stoßen oft an Grenzen bezüglich Transaktionsgeschwindigkeit und -kapazität, was zu Engpässen und hohen Gebühren führen kann.
• Layer-2-Lösungen: Eine Layer-2-Blockchain ist eine zusätzliche Protokollebene auf einer Layer-1-Blockchain, die Skalierbarkeit und Geschwindigkeit verbessert, ohne die Sicherheit zu beeinträchtigen. Beispiele sind das Lightning Network für Bitcoin und Rollups für Ethereum.
• Ziel von Layer-2: Das Ziel von Layer-2 Protokollen ist die Erhöhung der Transaktionsdurchsätze und Verringerung der Gebühren, um Blockchains für alltägliche Anwendungen praktikabler zu machen, ohne Kompromisse bei der Sicherheit einzugehen.

Was ist eine Layer-1 Blockchain?

Der Begriff Layer-1-Blockchain bezieht sich auf die Haupt-Blockchain-Architektur. Dazu zählen alle bekannten großen Blockchains, wie beispielsweise Bitcoin, Ethereum, Cardano oder Solana.

Das Blockchain-Trilemma: Dezentralität, Skalierbarkeit und Sicherheit

Das Problem älterer Blockchains wie jener von Bitcoin ist oftmals die Skalierbarkeit. Dies lässt sich am besten durch das Blockchain-Trilemma erklären. Das Trilemma beschreibt den Kompromiss, den Blockchain-Entwickler bei der Entscheidung über die Architektur der Blockchain eingehen müssen, indem sie über die Ausprägung der drei Charakteristika Dezentralisierung, Sicherheit und Skalierbarkeit entscheiden.

Die Dezentralisierung bezieht sich auf die Möglichkeit der verteilten Rechenleistung in einem Netzwerk. Die Sicherheit schützt die Blockchain vor Manipulation. Die Skalierbarkeit ist die Fähigkeit einer Blockchain, eine möglichst hohe Anzahl an Transaktionen sowie künftiges Wachstum zu unterstützen.

Das Trilemma besteht darin, dass Blockchains in der Regel nur zwei dieser drei Eigenschaften erreichen können, denn bei einem hohen Sicherheitsniveau ist die Skalierbarkeit umgekehrt proportional zur Dezentralisierung. Blockchain-Entwickler müssen hier demnach Kompromisse eingehen, die oftmals in einer geringeren Skalierbarkeit und demnach - früher oder später - in einer Netzwerküberlastung münden.

Je höher die Anzahl der Nutzer und Transaktionen, desto eher ist das Netzwerk überlastet und Nutzer sind gezwungen, sehr hohe Gebühren für die Transaktionen zu zahlen. Dieses Problem ist bei Blockchains der älteren Generation wie Bitcoin oder Ethereum sehr ausgeprägt.

Um dieses Problem zu umgehen, wurden verschiedene Skalierungslösungen entwickelt. Diese Lösungen stellen Kompromisse dar, die sich in Layer-1- und Layer-2-Lösungen kategorisieren lassen.

Was ist eine Layer-1-Lösung?

Layer-1 ist der erste Schritt in Richtung einer erhöhten Skalierbarkeit. Hierbei geht es im Wesentlichen darum, die Blockchain-Architektur selbst zu verbessern.

Als Beispiel kann Ethereum dienen. Die Entwickler haben mit einem Upgrade auf Ethereum 2.0 begonnen, mit dem Ziel, auf der Blockchain mehr Transaktionen verarbeiten zu können. Dies gelingt, indem die Architektur der Ethereum-Blockchain aufgesplittert (engl. "gesharded") wird. Eine detaillierte Beschreibung dieses Prozesses wird in der Studie von Cortes-Goicoechea et al. dargestellt.

Beim Sharding wird die Haupt-Blockchain in mehrere parallel verlaufende Blockchains aufgeteilt. Auf all diesen Ketten können Transaktionen verarbeitet werden. Die Rechenleistung wird aufgeteilt und die Speicherkapazität insgesamt erhöht.

Was ist eine Layer-2 Blockchain?

Layer-2 kann als Weiterentwicklung von Layer-1 verstanden werden. Layer-2 bezieht sich auf ein Netzwerk oder Protokoll, das auf einer Layer-1-Blockchain aufbaut.

Das Ziel ist es auch hier, die Skalierbarkeit und Effizienz einer Blockchain zu verbessern. Dies wird erreicht, indem ein Teil der Transaktionen eines Blockchain-Protokolls auf eine angrenzende Systemarchitektur verlagert wird. Diese Systemarchitektur übernimmt die Hauptlast der Verarbeitung des Netzwerks und meldet die Ergebnisse an die Haupt-Blockchain zurück.

Durch diese Konstruktion ist die Haupt-Blockchain weniger überlastet und wird dadurch mehr skalierbar.

Layer-1 vs. Layer-2 Blockchain Lösungen im Vergleich

Layer-1- und Layer-2-Blockchains haben dasselbe Ziel: die Skalierbarkeit von Blockchains zu verbessern. Dennoch gibt es einige Unterschiede zwischen den beiden Lösungsansätzen.

Layer-1 Lösungen: Sharding und Algorithmen

Bei Layer-1-Lösungen wird die Protokollschicht skaliert. Dies führt zu einer Verbesserung dieser Schicht.

Die Skalierung erfolgt in der Regel über Sharding, wie dies beispielsweise für Ethereum 2 vorgesehen ist. Sharding bedeutet eine Parallelisierung der Blockchain. Zusätzlich wird die Skalierbarkeit durch die Optimierung der Transaktionen selbst erhöht. Dies geschieht über effizienter gestaltete Signaturalgorithmen.

Bei Layer-1-Lösungen kann außerdem die Blockgröße heraufgesetzt werden.

Layer-2 Lösungen: State-Channels und Nested Blockchains

Bei Layer-2-Lösungen werden die auf dem Protokoll aufgesetzten Lösungen skaliert. Hierbei ist keine Änderung am Basiscode der Blockchain notwendig.

Werden beide Layers, also Layer 1 und Layer 2, skaliert, führt dies zu einem Multiplikationsvorteil. Neben einer Verbesserung der ersten Schicht kommt es zu einer bis zu hundertfachen Verbesserung der zweiten Schicht. Insgesamt führt dies zu einer tausendfachen Durchsatzerhöhung der Transaktionen.

Der wesentliche Unterschied zwischen erster und zweiter Schicht ist die Einführung von zusätzlichen Chains, so genannten Sidechains.

Was ist eine Sidechain?

Der Vorteil hierbei ist, dass die Haupt-Blockchain gut konzipierter Layer-2-Lösungen Informationen darüber enthält, was in der zweiten Schicht gespeichert ist. Die Haupt-Blockchain hat daher eine Manipulations- oder Datenschutzfunktion gegenüber den Sidechains.

Es gibt verschiedene Layer-2-Skalierungstechniken. Eines der älteren Konzepte sind Zahlungskanäle, so genannte State Channels. Diese ermöglichen die Wertübertragung über einen Kanal sowie die Aktualisierung des Blockchain-Zustands. Ein Beispiel für einen solchen State Channel ist etwa das Lightning Network für Bitcoin.

Was ist ein State Channel?

State Channels erlauben es zwei Nutzern, Transaktionen nur untereinander vorzunehmen, ohne dass diese direkt auf die Blockchain geschrieben werden. Nicht die Transaktion, sondern nur das Ergebnis wird auf die Haupt-Blockchain geschrieben. Dies führt zu massiven Skalierungsgewinnen.

Da auch die Anzahl von Sidechains in Layer-Lösungen begrenzt ist, ist es das langfristige Ziel, eine praktisch unbegrenzte Anzahl von Blockchains ausführen zu können. Dies erfolgt über sogenannte Nested Blockchains. Ein Beispiel für deren Anwendung ist die Polkadot-Blockchain.

In der Polkadot-Chain bestehen langfristig Pläne, Nested Chains einzuführen, um eine unbegrenzte Anzahl von Blockchains auf Basis von Polkadot ausführen zu können. Die Slots auf der Blockchain sollen in einem Auktionsmodell bepreist und vermietet werden.

Zusammenfassung zu Layer-1 und Layer-2 Blockchains

Bei vielen Blockchain-Projekten, unter anderem Bitcoin und Ethereum, entsteht ein Problem mit der Skalierbarkeit. Eine erhöhte Anzahl von Nutzern und Transaktionen führt zur Überlastung des Netzwerks. Layer-1- und Layer-2-Lösungen sollen dieses Problem lösen.

Dabei handelt es sich um zwei Strategien der Skalierung. Bei Layer-1-Lösungen wird Sharding angewandt, das Transaktionen durchlaufen lässt, ohne jede einzelne Transaktion auf einem Knoten zu verarbeiten.

Bei Layer-2-Lösungen wird die Skalierbarkeit stärker erweitert, indem die Transaktionen außerhalb der Blockchain durchgeführt werden.