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Erste Schritte

Blogbeiträge, Vordenkerrolle | 04/19/2023

Über die Zukunft von Ethereum

Charles Guillemet, CTO bei Ledger, reflektiert über die Zukunft von Ethereum und das Potenzial des Protokolls, die allgemeine Verbreitung des Web 3.0 zu unterstützen.


Das sollten Sie wissen:

– Ethereum, die nach Marktkapitalisierung zweitgrößte Blockchain der Welt, hat vor kurzem ein bedeutendes Software-Upgrade namens „The Merge“ erhalten, mit dem vom „Proof-of-Work“- auf den „Proof-of-Stake“-Konsens umgestellt wurde.

– Trotz des erfolgreichen Übergangs bleiben Fragen zur Skalierbarkeit von Ethereum und seiner Eignung für die nächste Phase der Entwicklung des Web 3.0.

– Dieser Artikel befasst sich mit den Skalierungsproblemen von Ethereum und bewertet seine Fähigkeit, die Anforderungen der breiten Masse zu erfüllen. Es wird argumentiert, dass es zwar noch keine einwandfreie Skalierungslösung gibt, aber Layer 2, einschließlich Optimistic und Validity Rollups, das größte Potenzial für eine höhere Skalierbarkeit mit einem guten Kompromiss für das Blockchain-Trilemma bieten.

– Genauer gesagt werden Optimistic und Validity Rollups unter Verwendung der ZKP-Technologie eine Schlüsselrolle bei der Gestaltung der Zukunft von Ethereum spielen, indem sie vertrauenslose, komplexe und genehmigungsfreie Transaktionen in großem Umfang ermöglichen.

Skalierung von Ethereum: Die Suche nach einer Lösung

Ethereum hat, wie viele andere Blockchains auch, derzeit nur eine begrenzte Kapazität zur Verarbeitung von Transaktionen. Trotz der Unterstützung von ETH-Transfers und Tausenden von DApps hat die erhöhte Nutzung zu langsameren und teureren Transaktionen geführt.

Um die hohen Gebühren abzumildern, führte diese Situation zu unsicheren Design-Entscheidungen, wie z. B. zentralisierte Off-Chain-Dienste für NFT-Marktplätze. Mit der Einführung der EIP-1559 wurden die Gebührenschätzung und die Anreize verbessert, aber die Skalierbarkeit wurde nicht wesentlich verbessert. Die Herausforderung der Skalierbarkeit wird im Rahmen des beliebten Blockchain-Trilemmas von Skalierbarkeit, Dezentralisierung und Sicherheit gut verstanden.

Das Blockchain-Trilemma besagt, dass es nicht möglich ist, drei Eigenschaften gleichzeitig zu erreichen: Dezentralisierung, Sicherheit und Skalierbarkeit. Verzichten Sie auf die Dezentralisierung, es ist viel einfacher, ein skalierbares und sicheres System aufzubauen, wie das Web 2.0 bereits bewiesen hat. Wenn man der Skalierbarkeit den Vorrang gibt und den Konsensmechanismus opfert, hat man eine sinnlose, unsichere, dezentralisierte Blockchain. Die Lösung des Blockchain-Trilemmas ist unglaublich komplex und war in den letzten zehn Jahren eine ständige Herausforderung.

Steigerung des Durchsatzes: Mehrere Ansätze

Im Laufe der Jahre wurden viele Lösungen für das Ethereum-Blockchain-Trilemma entwickelt. Ein beliebter Vorschlag ist, größere Blöcke oder Blöcke pro Sekunde zu entwickeln. Auch wenn dies eine gute Idee zu sein scheint, erhöht es die Anforderungen an die Blockchain-Knoten und die Validatoren/Miner für den Konsens, was zu einer stärkeren Zentralisierung führt. Außerdem verlangsamt es die Reorgs und erhöht die Sicherheitsrisiken.

Eine Alternative ist die Schaffung einer Side-Chain, um die Last der Main-Chain zu verringern, wie beim Polygon-Netzwerk zu sehen ist. Dieses System ist mit Sicherheitskompromissen verbunden, da es sich auf einen schwächeren Konsens als Ethereum stützt (geringere Marktkapitalisierung). Dies mag zwar für bestimmte Anwendungsfälle geeignet sein, führt aber häufig zu einer Zentralisierung und löst die Skalierungsprobleme von Ethereum nicht vollständig. Außerdem ist es noch weit von den Zehntausenden von Anfragen pro Sekunde entfernt, die für ein Visa-ähnliches System erforderlich sind.

Layer 2s und Sharding: Lösungen für Ethereums Skalierbarkeitsprobleme?

Sharding und Layer 2s werden weithin als die besten Optionen für Ethereum angesehen, um zu skalieren und gleichzeitig das Blockchain-Trilemma zu bewahren.

Einerseits gilt das Blockchain-Sharding seit langem als Schlüssel zur Skalierbarkeit in der Blockchain-Welt. Dies war das Hauptmerkmal von Eth2.0 im Jahr 2019 mit der Umstellung auf das BLS-Signaturschema, dem PoS-Konsensmechanismus und der Implementierung von eWASM. Auf der anderen Seite haben die „Layer 2s“ durch die laufende Forschung im Bereich der Roll-up-Mechanismen rasche Fortschritte gemacht. Untersuchen wir den aktuellen Stand dieser beiden konkurrierenden Ansätze und ihre mögliche Zukunft.

Wie funktioniert Blockchain Sharding?

Der Begriff Sharding stammt aus der Datenbankwissenschaft, wo wir eine Datenbank horizontal in kleinere, überschaubare Teile, so genannte Shards, partitionieren. Jede Shard ist eine separate Datenbank, die eine Teilmenge von Daten enthält. Sharding wird zur Skalierung von Datenbanken verwendet, indem Daten und Abfragen auf mehrere Server verteilt werden, so dass die Datenbank ein größeres Datenvolumen verarbeiten kann, ohne dass ein einziger leistungsstarker Server benötigt wird.

Diese Idee der Nutzung von Sharding auf Blockchains wurde unter Entwicklern schnell populär. Beim Blockchain-Sharding wird das Netzwerk in kleinere Teilnetzwerke, sogenannte Shards, unterteilt, die eine parallele Verarbeitung von Transaktionen ermöglichen. Bei einer “Sharded Blockchain” ist jeder Shard eine separate Chain, die unabhängig arbeitet. Das bedeutet, dass jeder Knoten, Miner/Validator sich auf einen bestimmten Shard konzentrieren kann, um einen lokalen Konsens zu schaffen. Erstens ermöglicht es die parallele Verarbeitung von Transaktionen. Zweitens hat jeder Shard weniger Transaktionen zu verwalten. Klingt perfekt, aber wo ist der Haken?

Sharding-Herausforderungen: Konsens, Cross-Shard-Kommunikation und Sicherheit

Beim Blockchain-Sharding ist es nicht einfach, den Gesamtkonsens zu definieren. Was ist der globale Konsens des Netzwerks? Handelt es sich um die Vereinigung der einzelnen lokalen Konsense? Wie und wo verankert man diesen lokalen Konsens, um einen globalen Konsens zu schaffen, dem jeder vertrauen kann? Solche Fragen sind nicht leicht zu beantworten.

Eine weitere große Herausforderung bei der Implementierung von Sharding ist die Shard-übergreifende Kommunikation. Bei Datenbanken gibt es dieses Problem nicht, da die Daten auf verschiedene Shards aufgeteilt sind, die unabhängig voneinander gelesen oder geschrieben werden können, ohne dass es echte Probleme gibt. Wenn es um Blockchain-Shards geht, die Code ausführen, ist dies viel komplexer. Jeder Shard muss in der Lage sein, seinen eigenen Code auszuführen, den Status eines anderen Shards abzufragen und Code auf einem anderen Shard auszuführen. Dies ist nicht trivial.

Dieses Sharding-Problem hat auch mit dem Problem der Sicherheit zu tun. Dieses Problem wurde von Experten untersucht, und verschiedene Sharding-Verfahren wurden als anfällig für viele neue Formen von Angriffen eingestuft. Zunächst einmal stellt sie einfach den Konsensmechanismus in Frage. Wenn man 10 Shards hat und die Miner pro Shard verteilt sind, ist die Übernahme eines Shards 10 Mal weniger kostspielig als die Übernahme der gesamten Blockchain. Schematisch ausgedrückt, entspricht der 51%-Attacke nun einer 5,1%-Attacke. Eine Lösung für dieses Problem ist die Änderung des Konsensmechanismus von „Proof of Work“ zu „Proof of Stake“. Dies war die Hauptmotivation für den Übergang von Ethereum zum Proof of Stake.

Was die Sicherheit betrifft, so sind die Auswirkungen von The Merge weitgehend umstritten. Was die Dezentralisierung betrifft, so hat der aktualisierte Ethereum-Konsens die Zentralisierung begünstigt, da der Besitz von Token die Kontrolle über das Netzwerk bestimmt.

Was den neuen Ethereum-Konsens betrifft, so haben mehrere Parameter die Zentralisierung gefördert:

  • Der Betrieb eines Ethereum-Knotens ist nicht einfach und erfordert Ressourcen und Betriebszeit. Es verhindert einfach, dass Ihre Wallet diesen implementiert und auf Ihrem Laptop oder sogar Ihrem Handy läuft.
  • Der Schwellenwert von 32 ETH und die Tatsache, dass es nicht möglich ist, das Staking bis zu einem unbekannten Zeitpunkt zu beenden, führten zu einem Pooling und Liquid Staking, bei dem Lido und diverse Tauschbörsen den größten Teil des Marktes einnahmen. Heute kontrollieren vier Akteure mehr als 55 % der auf der Ethereum-Blockchain eingesetzten Coins (Lido 29,2 %, Coinbase 13,1 %, Kraken 7,6 % und Binance 6,2 %).

Alles in allem ist Blockchain Sharding eine interessante Idee, um die Skalierbarkeit zu erhöhen, erfordert aber eine komplexe Architektur, insbesondere wenn es darum geht, den allgemeinen Konsens zu definieren und ein effizientes Cross-Shard-Protokoll zu implementieren. Es wurde viel für diese Ziele getan, aber wir sind noch weit davon entfernt, sie umzusetzen und die Auswirkungen auf das Blockchain-Trilemma zu nutzen.

Rollups als Rettung

Rollups komprimieren mehrere Transaktionen zu einer einzigen Transaktion, die von Ethereum ausgeführt werden kann. Dies ermöglicht die Off-Chain-Ausführung vieler Transaktionen mit der Sicherheit von Ethereum für Abrechnungen. Es gibt zwei wesentliche Umsetzungen dieser Idee:

  • Optimistic Rollups, die es den Nutzern ermöglichen, im Streitfall Betrugsnachweise zu erbringen.
  • ZK-Rollups, bei denen das L2-Netzwerk Gültigkeitsnachweise ausstellt.
Optimistic Rollups und die Frage der Endgültigkeit:

Optimistic Rollups wurden als wurden als die Rollups entwickelt, die am meisten nach einer EVM (Ethereum Virtual Machine) aussehen. Sie sind „optimistisch“, da sie davon ausgehen, dass die Nutzer keine betrügerischen Transaktionen einreichen, so dass die Blockchain direkt beschrieben werden kann.

Es gibt einen Mechanismus, der Betrugsnachweise verwendet, die L2-Validatoren initialisieren können, um die Off-Chain-Transaktionen zu überprüfen, die innerhalb weniger Tage (7 Tage bei Optimism) durchgeführt werden. Ein gültiger Betrugsnachweis identifiziert betrügerische Schritte im Transaktionsprozess, was zur Rückgängigmachung der Transaktion und zu einer Strafe für den genehmigenden Validator führt. Dadurch wird der Transaktionsdurchsatz verbessert, während die Sicherheit der Ethereum-Mainchain erhalten bleibt.

Optimistic Rollups stellen jedoch eine neue Herausforderung dar: Endgültigkeit. Bei Blockchains gelten bestätigte Transaktionen als dauerhaft und unumkehrbar, was jedoch vom Konsensmechanismus abhängt. Zum Beispiel betrachten PoW-Chains Transaktionen als endgültig, wenn die Wahrscheinlichkeit einer Reorg gering ist, und Bitcoin-Transaktionen sind nach 6 Bestätigungen endgültig. Bei Optimistic Rollups können Transaktionen nach mehreren Tagen rückgängig gemacht werden, was eine Herausforderung für die Endgültigkeit darstellt und einen anderen Kompromiss erfordert.

Eine andere Art von Rollups: ZK-Rollups

ZK-Rollups, benannt nach der Verwendung von Zero-Knowledge Proof (ZKP)-Technologie wie SNARKs oder STARKs, sind eine weitere Art von Rollup. Da die Eigenschaft „Zero-knowledge“ nicht wirklich nützlich ist, könnte die Bezeichnung „Validity Rollups“ zutreffender sein.

Das Rollup führt eine Reihe von Transaktionen aus und erstellt einen Gültigkeitsnachweis, der von einem Smart Contract auf der Ethereum-Blockchain überprüft wird und das Endergebnis der Transaktionen bestätigt. Der kryptografische Beweis wird mit kryptografischen Zero Knowledge-Primitiven erstellt.

Allgemeiner ausgedrückt: Zero-Knowledge-Beweise ermöglichen es einer Partei (Prover), einer anderen Partei (Verifier) den Besitz bestimmter Informationen nachzuweisen, ohne die tatsächlichen Informationen preiszugeben. Der Verifier kann sich der Wahrheit der Aussage des Provers sicher sein, ohne deren Inhalt zu kennen.

Ursprünglich für die Vertraulichkeit entwickelt, verwenden die ZK-Rollups sogenannte „Zero-Knowledge-Proofs“ für einen ganz anderen Zweck: Komprimierung und vertrauenswürdige Datenverarbeitung. Die beiden führenden Zero-Knowledge-Technologien sind zk-STARKs (steht für ein skalierbares transparentes Zero-Knowledge-Argument des Wissens) und zk-SNARKs (steht für ein prägnantes nicht-interaktives Zero-Knowledge-Argument des Wissens).

Problem der Datenverfügbarkeit für L2:

Wie wir gesehen haben, stellen ZKP-Technologien die Gültigkeit des L2-Zustands sicher, aber der Nachweis allein ermöglicht keinen Zugriff auf den Zustand. Um den Durchsatz zu erhöhen, wird die Ausführung aus der Chain ausgelagert, aber die Daten müssen für die Rekonstruktion immer noch leicht zugänglich sein. Um dies zu erreichen, werden Transaktionsdaten als „Calldata“ an Ethereum übermittelt, um sicherzustellen, dass die Daten für eine zukünftige Rekonstruktion verfügbar sind. Diese Daten könnten auch in vertrauenswürdigen dezentralen Speichern wie IPFS oder Arweave gespeichert werden, die es jedem ermöglichen, die L2 zu rekonstruieren und die inneren Anreize der dezentralen Speicherung zu nutzen.

Noch besser wäre es, diese Daten auf der Chain zu speichern, aber die Daten dienen nur zur Rekonstruktion des Zustands/Wahrheit der L2 und werden nicht ausgeführt, was eine ineffiziente und teure Nutzung der Blockchain-Kapazität darstellt.

Um diese Hürde zu überwinden, haben die Ethereum-Entwickler zwei EIPs vorgeschlagen: EIP-4488 und EIP-4844 (viel Glück bei der Vermeidung von Verwechslungen). Der erste senkt die Gaskosten für Calldata, während der zweite einen neuen Transaktionstyp für die L2-Datenspeicherung schafft. Diese Daten sind unveränderlich und schreibgeschützt und können von der EVM nicht eingesehen und daher auch nicht ausgeführt werden.

Diese EIPs sind genau der Punkt, an dem die ZK-Rollup-Roadmap auf die Execution Sharding-Roadmap trifft, da beide das gleiche Konzept für unterschiedliche Zwecke vorschlagen. EIP-4488 zielt darauf ab, wesentliche L2-Daten zu speichern, während EIP-4844, auch bekannt als Proto-Danksharding, ein Schritt zur Implementierung von Danksharding und Execution Sharding ist.

Danksharding:

Beim Danksharding werden große Datensätze in kleinere Teile aufgeteilt, die dann getrennt und – oft parallel – verarbeitet werden. Diese Methode wird in den Bereichen Big Data und künstliche Intelligenz eingesetzt, wo die Trainingsmengen sehr groß sein können.

Proto-Danksharding (EIP-4844) implementiert kein Sharding, bietet aber billigeren Calldata-Speicher, der gesharded werden könnte. Dieser billigere Calldata-Speicher wird die Skalierbarkeit von Ethereum auf L2 erheblich verbessern und möglicherweise das Sharding überflüssig machen.

Proto-Danksharding:

Beim Proto-Danksharding wird die Ethereum-Blockchain nicht skalierbare Berechnungen und skalierbare Daten haben. Und Zk-Rollups wandeln diese skalierbaren Daten und nicht skalierbaren, aber vertrauenswürdigen Berechnungen im Wesentlichen in skalierbare Berechnungen um.

ZK-Rollups im Blockchain-Trilemma:

ZK-Rollups haben starke Skalierbarkeitsvorteile, ohne die zugrunde liegenden Blockchain-Eigenschaften zu verändern. Die Verifizierung des Zero-Knowledge-Beweises auf der Chain ist die Hauptanforderung, während die Datenverfügbarkeit außerhalb der Chain implementiert werden kann. Langfristig ist zu erwarten, dass Layer-1s einfach, sicher und hoffentlich dezentralisiert werden, während Layer-2s für Skalierbarkeit sorgen werden.

Wo ist der Haken?

L2 kann in der Tat stark skalieren. Um jedoch auf der Chain (auf L1) abgerechnet zu werden, muss man einen Gültigkeitsnachweis für den Gesamtzustand der L2 erbringen, was zu Zentralisierungsproblemen führt. Derzeit haben L2-Designs nur einen Prover, was bedeutet, dass sie Ihre Transaktionen zensieren können. Sie können Ihr L1-Vermögenswerte nicht wirklich einfrieren, da native Brückenfunktionen entwickelt werden. Die Forschung wird fortgesetzt, um diese Herausforderung zu bewältigen, so dass andere Parteien in der Lage sein werden, Beweise zu übermitteln, aber einige schwierige Fragen bleiben für die Schlichtung zwischen diesen Beweisen. In jedem Fall ist dies ein wichtiges Problem, das es für die Zukunft zu lösen gilt.

Starknet hat dies als ein wichtiges Thema auf der Roadmap identifiziert, während Arbitrum die Verantwortung zwischen der „Sequencer Inbox“ und der „verzögerten Inbox“ aufteilt, um sicherzustellen, dass die Mittel im Falle einer Zensur abgerufen werden können.

Schlusswort

Wie wir untersucht haben, kann die Skalierbarkeit auf Kosten der Sicherheit und Dezentralisierung gehen, während Layer-2-Lösungen als die vielversprechendsten Möglichkeiten angesehen werden, die Skalierbarkeit zu erhöhen, ohne die anderen Aspekte des Blockchain-Trilemmas zu beeinträchtigen.

Optimistic und Validity Rollups, die die ZKP-Technologie nutzen, werden die Zukunft von Ethereum entscheidend mitgestalten, indem sie vertrauenslose, komplexe und genehmigungsfreie Transaktionen in großem Umfang ermöglichen. Validity Rollups haben einen entscheidenden Vorteil gegenüber den Optimistic Rollups: kurze Endgültigkeit. Die Roadmap von Ethereum hat sich kürzlich geändert, um diese Rollups auf der Blockchain-Ebene zu unterstützen.

Die Zukunft der Blockchain-Skalierbarkeit umfasst komplexe DApps, die auf Layer 2 (oder rekursiven Rollups) laufen und eine praktisch unendliche Skalierbarkeit ermöglichen, wobei eine dezentrale und sichere Layer-1 gegeben ist. Langfristig könnte Layer 1 zu Abrechnungsschichten werden, wobei die Komplexität der DApps auf Layer 2 verlagert wird.

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