Blockchain-Aufschlüsselung: Was ist Layer 2?

Einleitung

Krypto wird jeden Tag größer. Bis Juni 2024 gab es beeindruckende 617 Millionen Krypto-Besitzer, und die gesamte Marktkapitalisierung lag bei etwa 2,24 Billionen US-Dollar. Doch trotz dieses enormen Wachstums steht die Blockchain-Technologie weiterhin vor einer großen Herausforderung: Skalierbarkeit. Während das Ethereum-Mainnet eine Durchsatzrate von etwa 15–30 Transaktionen pro Sekunde (TPS) hat, ist diese Zahl nicht festgelegt. Sie kann je nach Blockgröße und Netzwerkaktivität leicht variieren. Erwähnenswert ist auch Ethereums Übergang zum Proof-of-Stake (PoS) mit Ethereum 2.0, der darauf abzielt, die Skalierbarkeit zu verbessern, insbesondere in Kombination mit Sharding.

Stellen Sie sich Layer-2-Lösungen (L2) als den Turbo für Blockchain vor. Es handelt sich um Off-Chain-Technologien, die auf der Hauptblockchain, der Layer 1 (L1), aufbauen und Transaktionen schneller, günstiger und effizienter machen. Einige L2s wie Arbitrum, Polygon oder Optimism können beeindruckende 4.000 Transaktionen pro Sekunde verarbeiten. Das bedeutet nicht, dass sie dies täglich leisten, aber sie können es, wenn nötig – ein enormer Fortschritt im Vergleich zur üblichen Geschwindigkeit. Diese Leistung ermöglicht es, komplexe Anwendungen wie DeFi, Gaming und Lieferkettenmanagement problemlos auf der Blockchain laufen zu lassen.

Kurz gesagt, während Layer 1 mit großen Veränderungen wie der Erhöhung der Blockgrößen beschäftigt ist, nutzt Layer 2 clevere Ansätze wie Rollups und Sidechains, um die Geschwindigkeit zu steigern, ohne die Sicherheit zu beeinträchtigen. In diesem Artikel werfen wir einen genaueren Blick auf Layer 2 und zeigen, wie es die Welt der Blockchain revolutionieren wird.

Was ist eine Layer-2-Lösung?

Layer-2-Lösungen sind wie die Geheimzutat, die Blockchain-Technologie auf das nächste Level bringt und die großen Herausforderungen angeht, mit denen traditionelle Layer-1-Blockchains wie Bitcoin und Ethereum oft kämpfen. Klar, Layer-1-Blockchains erledigen die Schwerarbeit – sie verarbeiten Transaktionen und sorgen mit Konsensmethoden wie Proof of Work (PoW) oder Proof of Stake (PoS) für Sicherheit. Aber wenn es um Skalierbarkeit geht, stoßen sie häufig an ihre Grenzen. Dieses Problem ist Teil des „Blockchain-Trilemmas“, das besagt, dass es schwierig ist, Skalierbarkeit, Sicherheit und Dezentralisierung gleichzeitig perfekt zu erreichen. Dadurch können Layer-1-Netzwerke langsamer werden, was zu längeren Wartezeiten und höheren Gebühren führt, besonders bei starker Auslastung. Hier kommen Layer-2-Lösungen ins Spiel, um das System auch bei hoher Belastung am Laufen zu halten.

Ein Beispiel ist das Lightning Network, eine von mehreren Layer-2-Lösungen für Bitcoin, die Transaktionen schneller und günstiger machen, indem sie vorübergehend außerhalb der Haupt-Blockchain abgewickelt werden. Stell dir vor, du und ein Freund eröffnet einen privaten Zahlungskanal – quasi ein digitales Kassenbuch, das nur zwischen euch beiden besteht. Während die Transaktionen im Lightning Network off-chain ablaufen, sind sie dennoch durch das Sicherheitsmodell von Bitcoins Layer 1 abgesichert. Dies geschieht durch sogenannte Hash Timelock Contracts (HTLCs), die sicherstellen, dass Gelder im Falle eines Streits ordnungsgemäß auf der Haupt-Blockchain abgewickelt werden. Das Geniale daran: Ihr müsst die Blockchain nur zweimal aktualisieren – einmal, wenn der Kanal eröffnet wird, und einmal, wenn er geschlossen wird. So wird die Blockchain nicht mit jeder einzelnen Transaktion belastet, was den gesamten Prozess schneller und günstiger macht. Ethereum’s Rollups – Optimistic Rollups und Zero-Knowledge (ZK) Rollups – funktionieren zwar etwas anders, verfolgen aber das gleiche Ziel: die Entlastung der Haupt-Blockchain. Welche Skalierungslösungen gibt es also?

Ethereum’s Layer-2-Skalierung

Rollups

Rollups sind Softwareprotokolle, die auf der Haupt-Blockchain arbeiten und Transaktionen optimieren, um die Überlastung zu verringern.

Optimistic Rollups wie Base, Arbitrum, Optimism oder das Boba Network bündeln mehrere Transaktionen in einem Batch und senden diesen komprimierten Batch als Call-Daten an die Ethereum-Haupt-Blockchain. Und jetzt wird es spannend: Diese Rollups gehen davon aus, dass die Transaktionen gültig sind, und übermitteln die Daten an die Haupt-Chain, ohne die Berechnungen direkt on-chain durchzuführen. Sollte jedoch ein Streitfall auftreten, können die Transaktionen durch einen Challenge-Mechanismus überprüft werden, der ihre Gültigkeit sicherstellt. Wenn jemand vermutet, dass ein Fehler oder eine betrügerische Transaktion vorliegt, kann er innerhalb eines festgelegten Challenge-Zeitfensters einen Betrugsnachweis (Fraud Proof) einreichen. Sollte der Nachweis erfolgreich sein, wird der Batch zurückgesetzt, und der Einreicher könnte eine hinterlegte Kaution verlieren. Betrugsnachweise in Optimistic Rollups funktionieren, indem potenziell ungültige Statusübergänge angefochten werden, die dann eine On-Chain-Verifizierung auslösen. Dieses System reduziert die Menge an Berechnungen, die die Haupt-Blockchain durchführen muss, wodurch der Prozess schneller und günstiger wird, bleibt jedoch durch den Challenge-Mechanismus weiterhin sicher.

ZK Rollups verfolgen hingegen einen anderen Ansatz. Anstatt anzunehmen, dass alles in Ordnung ist, bis das Gegenteil bewiesen wird, nutzen ZK Rollups kryptografische Nachweise, insbesondere Zero-Knowledge Succinct Non-Interactive Arguments of Knowledge (zk-SNARKs) oder zk-STARKs, um Transaktionen off-chain zu validieren. Sie erzeugen einen sogenannten "kurzen Nachweis" (oft ein SNARK oder STARK) für jede Transaktionsgruppe. Dieser Nachweis ist eine extrem effiziente Möglichkeit, zu beweisen, dass alle Transaktionen in der Gruppe gültig sind, ohne jede einzelne direkt auf der Ethereum-Haupt-Blockchain überprüfen zu müssen. Die Haupt-Chain überprüft lediglich diesen Nachweis, was sehr schnell geht, und kann daraufhin die gesamte Transaktionsgruppe sicher akzeptieren. Diese Methode ist äußerst sicher und effizient, wenn auch technisch etwas komplexer.

Sidechains

Eine weitere Art von Skalierungslösung sind Sidechains – fast wie parallele Universen, die als separate Blockchains neben der Haupt-Blockchain laufen.

Binance Smart Chain (heute bekannt als BNB Smart Chain) und Avalanche sind Layer-1-Blockchains mit eigenen Konsensmodellen und daher keine echten Layer-2-Sidechains zu Ethereum. Polygon fungiert hingegen sowohl als Proof-of-Stake-Sidechain als auch als Aggregator von Layer-2-Lösungen. Sidechains haben ihre eigenen Validatoren und Konsensmechanismen, was bedeutet, dass sie Transaktionen unabhängig von der Haupt-Chain abwickeln können. Interessanterweise nutzen Sidechains oft Brücken (z. B. Plasma-Brücken oder Smart Contracts), um den Transfer von Vermögenswerten zu erleichtern. Diese Brücken funktionieren nicht immer als echte Zwei-Wege-Anbindung wie im Liquid-Netzwerk von Bitcoin, ermöglichen jedoch den reibungslosen Austausch von Vermögenswerten zwischen Haupt-Chain und Sidechain. Das macht sie besonders beliebt für Nutzer, die von den einzigartigen Funktionen oder niedrigeren Transaktionsgebühren verschiedener Netzwerke profitieren möchten.

State Channels

Eine weitere Skalierungslösung sind State-Channels. Diese sind Off-Chain-Mechanismen, die es Nutzern ermöglichen, mehrere Transaktionen privat durchzuführen, ohne jede einzelne Transaktion in die Blockchain zu übertragen. Lediglich die Eröffnungs- und Abschluss-Transaktionen werden auf der Blockchain festgehalten, was die Überlastung reduziert und Interaktionen beschleunigt. State-Channels erlauben es den Teilnehmern, direkt miteinander zu handeln, ohne jede Interaktion auf der Haupt-Blockchain aufzeichnen zu müssen. Nur der endgültige Zustand wird letztlich auf der Blockchain abgewickelt.

Stellen Sie sich vor, wie Sie und Ihre Freunde privat sprechen können. Anstatt jede Nachricht laut in die Welt zu rufen, behalten Sie einfach den Überblick über Ihr Gespräch und teilen am Ende nur das Ergebnis mit. Genau so funktionieren State-Channels. Sie erfordern eine initiale Einrichtung und eine abschließende Abwicklung, die beide on-chain stattfinden. Dabei wird ein Multi-Signatur-Wallet genutzt, um sicherzustellen, dass die Off-Chain-Transaktionen von allen Teilnehmern einvernehmlich genehmigt wurden. Beachten Sie, dass State-Channels hauptsächlich für wiederholte, kleine Transaktionen (Mikrozahlungen) geeignet sind und weniger für komplexe Smart-Contract-Interaktionen. Das macht sie besonders effizient für Anwendungen wie Gaming oder kleine Zahlungen.

Plasma

Plasma funktioniert völlig anders und dient als Framework, das eine Familie kleinerer Blockchains beherbergt, die mit der Haupt-Blockchain verbunden sind. Diese kleineren Blockchains, oft als Child-Chains bezeichnet, operieren nach ihren eigenen Regeln und Validatoren, verlassen sich jedoch auf regelmäßige Verpflichtungen gegenüber der Haupt-Blockchain, um Sicherheit zu gewährleisten.

Auch wenn Plasma Skalierungsvorteile bietet, hat es mit Herausforderungen wie langsamer Finalität und möglichen Problemen bei der Datenverfügbarkeit zu kämpfen. Plasma hat aufgrund seiner Einschränkungen bei Sicherheit und Finalität an Popularität verloren, da Nutzer oft lange Ausstiegszeiten (7–14 Tage) abwarten müssen, um Gelder zurück auf Ethereum zu übertragen. Es ist wichtig zu erwähnen, dass Plasma weitgehend durch Rollups ersetzt wurde, die effizienter und sicherer sind. Eine der frühesten und bekanntesten Implementierungen von Plasma ist das OMG Network.

Durch das periodische Übermitteln der endgültigen Transaktionszustände zur Validierung an Ethereum wird die Sicherheit und Finalität gewährleistet. Plasma-Chains können eine große Anzahl von Transaktionen außerhalb der Haupt-Blockchain abwickeln, sind jedoch begrenzt in der Unterstützung komplexer Smart Contracts und haben aufgrund langer Auszahlungszeiten an Bedeutung verloren. Ihre primären Anwendungsfälle waren ursprünglich auf einfache Übertragungen ausgerichtet, wurden jedoch inzwischen von neueren Lösungen übertroffen.

Indem Plasma die Haupt-Blockchain von Ethereum entlastet, werden Gebühren gesenkt und Transaktionen beschleunigt. Allerdings kann die Auszahlung von Geldern von Plasma-Chains zu Ethereum bis zu 7 Tage dauern, da dieser Zeitraum notwendig ist, um potenzielle Streitfälle oder Betrug zu erkennen, bevor die Gelder auf der Haupt-Blockchain vollständig verfügbar sind.

Beispiele für Layer-2-Lösungen

Mehrere Layer-2-Lösungen wurden erfolgreich in verschiedenen Blockchain-Netzwerken implementiert. Hier sind einige bemerkenswerte Beispiele:

1. Optimism
    

• Typ: Optimistic Rollup
   
• Beschreibung: Optimism ist eine Layer-2-Lösung für Ethereum, die Optimistic Rollups nutzt, um die Transaktionskapazität zu erhöhen. Sie geht davon aus, dass Transaktionen gültig sind, und führt nur dann eine rechnerische Überprüfung durch, wenn eine Herausforderung eingereicht wird. Optimism reduziert den auf der Haupt-Blockchain erforderlichen Rechenaufwand durch die Verwendung von Betrugsnachweisen und übermittelt dabei nur minimale (komprimierte) Transaktionsdaten an Layer 1. Dadurch werden die Gasgebühren erheblich gesenkt und die Transaktionsgeschwindigkeit erhöht.
   
• Anwendungsbereiche: DApps, DeFi-Protokolle und alle Ethereum-basierten Projekte, die Skalierbarkeit benötigen.
   

2. Arbitrum
    

• Typ: Optimistic Rollup
   
• Beschreibung: Arbitrum ist eine weitere Layer-2-Lösung, die auf der Optimistic-Rollup-Technologie basiert. Sie verbessert die Skalierbarkeit von Ethereum, indem der Großteil der Transaktionsverarbeitung off-chain erfolgt, während die Sicherheit des Ethereum-Mainnets erhalten bleibt. Arbitrum ist bekannt für seine Kompatibilität mit bestehenden Ethereum-Smart-Contracts, was Entwicklern die Migration ihrer Anwendungen erleichtert.
   
• Anwendungsbereiche: DeFi, Gaming und andere Anwendungen mit hohem Transaktionsaufkommen.
  
   

3. Polygon (ehemals Matic)
    

• Typ: Sidechain und Plasma
   
• Beschreibung: Polygon ist eine Multi-Chain-Layer-2-Lösung, die ein Framework für den Aufbau von miteinander verbundenen Blockchain-Netzwerken bietet. Sie kombiniert Proof-of-Stake-(PoS)-Sidechains und Plasma-Technologie, um eine skalierbare Lösung mit schneller Transaktionsverarbeitung und niedrigen Gebühren anzubieten. Die PoS-Chain von Polygon läuft parallel zu Ethereum und unterstützt eine Vielzahl von dezentralen Anwendungen.
   
• Anwendungsbereiche: NFTs, DeFi, Gaming und verschiedene DApps.
  
   

4. zkSync
    

• Typ: Zero-Knowledge Rollup (zk-Rollup)
   
• Beschreibung: zkSync ist eine Layer-2-Lösung, die Zero-Knowledge-Rollups nutzt, um Transaktionen mithilfe kryptografischer Beweise zu validieren. Dies ermöglicht eine hoch effiziente und sichere Transaktionsverarbeitung off-chain, wobei die Gültigkeit dieser Transaktionen on-chain durch prägnante kryptografische Beweise nachgewiesen wird. zk-Rollups erben die volle Sicherheit von Layer 1, im Gegensatz zu Optimistic Rollups, die sich auf ein Challenge-Mechanismus verlassen.
   
• Anwendungsbereiche: Zahlungssysteme, DeFi-Anwendungen und Token-Transfers.
  
   

5. Loopring
    

• Typ: Zero-Knowledge Rollup (zk-Rollup)
   
• Beschreibung: Loopring ist ein Protokoll für dezentrale Börsen (DEX), das Zero-Knowledge-Rollups nutzt, um hochskalierbaren und kostengünstigen Handel auf Ethereum zu ermöglichen. Durch das Bündeln von Transaktionen off-chain und deren Verifizierung mit zk-Proofs können Nutzer Vermögenswerte mit minimalen Gebühren und schneller Ausführung handeln.
   
• Anwendungsbereiche: Dezentrale Börsen, Zahlungslösungen und DeFi.
  
   

6. Immutable X
    

• Typ: Zero-Knowledge Rollup (zk-Rollup)
   
• Beschreibung: Immutable X ist eine Layer-2-Lösung, die speziell für NFTs auf Ethereum entwickelt wurde. Sie verwendet zk-Rollups, um schnelles und gasfreies Minting, Kaufen und Verkaufen von NFTs zu ermöglichen. Immutable X strebt durch Layer-2-Scaling nach Klimaneutralität und reduziert den Energieverbrauch im Vergleich zu Ethereum-Transaktionen auf Layer 1, was es zu einer umweltfreundlichen Option für NFT-Plattformen macht.
   
• Anwendungsbereiche: NFT-Marktplätze, Gaming-Plattformen und digitale Kunst.
  
   

7. StarkNet
    

• Typ: Zero-Knowledge Rollup (zk-Rollup)
   
• Beschreibung: StarkNet ist ein dezentralisiertes zk-Rollup, das es jeder dezentralen Anwendung (DApp) ermöglicht, unbegrenzte Skalierbarkeit zu erreichen, ohne die Komposierbarkeit und Sicherheit von Ethereum zu beeinträchtigen. Es verwendet STARKs (Scalable Transparent ARguments of Knowledge), um die Gültigkeit von Off-Chain-Transaktionen sicherzustellen, was es besonders sicher und skalierbar macht.

• Anwendungsbereiche: Komplexe DApps, DeFi, Gaming und mehr.

   

Vorteile von Layer 2

Layer-2-Lösungen helfen Blockchains, einige ihrer größten Herausforderungen zu bewältigen, insbesondere in Bezug auf Skalierbarkeit, Kosten, Geschwindigkeit und Privatsphäre. Indem sie Transaktionen abseits der Hauptkette, Layer 1, abwickeln, machen sie Blockchain-Netzwerke leistungsfähiger und ermöglichen es, mehr Nutzer zu bedienen und mehr Transaktionen zu verarbeiten, ohne dabei Sicherheit oder Dezentralisierung zu gefährden. Dies senkt nicht nur die Transaktionskosten, wodurch Blockchain für mehr Menschen zugänglich wird, sondern beschleunigt auch Prozesse, was besonders wichtig für Anwendungen in Echtzeit wie Gaming und Finanzen ist. Darüber hinaus bieten einige L2s eine verbesserte Privatsphäre, indem sie Transaktionsdetails außerhalb der öffentlichen Kette halten.

Skalierbarkeit

Ähnlich wie ein Verkehrspolizist entlasten L2s die Netzwerke wie Ethereum und Bitcoin, sodass sie deutlich mehr Transaktionen verarbeiten können. Ohne diese Lösungen wäre es wie Autofahren auf einer Autobahn zur Hauptverkehrszeit – langsam und frustrierend! Layer-2-Lösungen erhöhen die Kapazität von Blockchains und ermöglichen eine höhere Durchsatzrate und geringere Latenzzeiten, was entscheidend ist, um Anwendungen mit hohem Transaktionsvolumen zu unterstützen.

Reduzierte Kosten

Layer-2-Protokolle senken die Transaktionskosten erheblich, indem sie einen Teil der Last vom Hauptnetzwerk übernehmen. Dies ist besonders wichtig für stark genutzte Bereiche wie DeFi und Gaming, wo hohe Gebühren oft problematisch sind.

Schnellere Transaktionen

Geschwindigkeit ist im Blockchain-Bereich entscheidend, und L2s überzeugen durch nahezu sofortige Transaktionsbestätigungen. Indem Transaktionen off-chain abgewickelt und nur der Endzustand auf der Hauptkette festgehalten wird, vermeiden Layer-2-Netzwerke die Verzögerungen, die durch Layer-1-Blockbestätigungen entstehen.

Verbesserte Privatsphäre

Privatsphäre wird immer wichtiger, und einige L2s, wie Zero-Knowledge (ZK) Rollups, bieten erweiterte Datenschutzfunktionen. Durch die Abwicklung von Transaktionen abseits der Kette bleiben die meisten Transaktionsdetails außerhalb der öffentlichen Blockchain, wodurch Benutzeridentitäten und sensible Informationen besser geschützt werden.

Die Zukunft von Layer 2 in der Blockchain

Mit dem Wachstum der Blockchain-Technologie wird auch der Bedarf an skalierbaren, effizienten und benutzerfreundlichen Produkten weiter steigen. Zukünftige Entwicklungen werden sich darauf konzentrieren, die nahtlose Integration mit Layer-1-Blockchains zu fördern, die Anwendungsbereiche über verschiedene Branchen hinweg zu erweitern und die Interoperabilität zwischen unterschiedlichen Layer-2-Netzwerken zu verbessern. Diese Fortschritte werden Blockchains helfen, global zu skalieren, ohne Sicherheit oder Dezentralisierung zu opfern, und Layer 2 zu einem zentralen Akteur in der Zukunft der Blockchain-Technologie machen.

Integration mit Layer 1

Ein großes Ziel für L2s ist es, sie reibungslos mit Layer-1-Blockchains zusammenarbeiten zu lassen. Mit der Weiterentwicklung dieser Technologien muss die Verbindung zwischen der Hauptkette und ihren Layer-2-Erweiterungen nahtloser und benutzerfreundlicher werden. Stellen Sie sich vor, Sie könnten problemlos zwischen den verschiedenen Schichten wechseln, ohne dass es kompliziert wird – das würde die Nutzererfahrung deutlich verbessern. Wir könnten neue Tools und Funktionen sehen, die Transaktionen automatisch auf Layer 2 verschieben, wenn Layer 1 überlastet ist, oder die es erleichtern, diese Technologien zu nutzen, ohne alle technischen Details verstehen zu müssen. Eine verbesserte Integration wird Blockchain-Netzwerke stabiler und sicherer machen und ihnen helfen, mehr Verkehr zu bewältigen, ohne langsamer zu werden.

Erweiterte Anwendungsbereiche

L2s sind äußerst vielseitig, und ihr Potenzial geht weit über die Skalierung und Kostensenkung in Bereichen wie DeFi und Gaming hinaus. In Zukunft könnten sie in vielen verschiedenen Branchen eingesetzt werden. Zum Beispiel könnten sie im Supply Chain Management helfen, Waren effizient über Grenzen hinweg zu verfolgen und große Datenmengen mühelos zu verarbeiten. Selbst nicht blockchain-basierte Branchen wie Gesundheitswesen und Telekommunikation könnten Layer-2-Lösungen nutzen, um sensible Informationen sicher zu verwalten. Die Geschwindigkeit, Kosteneinsparungen und Skalierbarkeit von Layer 2 machen es zu einer hervorragenden Wahl für jede Branche, die leistungsstarke, dezentrale Datenmanagementlösungen benötigt. Mit der weiteren technologischen Entwicklung ist zu erwarten, dass Layer 2 auf innovative Weise genutzt wird, um verschiedene Branchenherausforderungen zu bewältigen.

Fazit

Layer-2-Lösungen werden unverzichtbare Akteure in der Blockchain-Welt und adressieren wesentliche Probleme wie Skalierbarkeit, Kosten und Benutzerfreundlichkeit, die die weit verbreitete Einführung dezentraler Netzwerke bislang behindert haben. Mit der Weiterentwicklung dieser Technologien werden sie entscheidend dazu beitragen, Blockchain-Plattformen effizienter zu gestalten, mehr Nutzer und Transaktionen global zu unterstützen und dabei Sicherheit und Dezentralisierung zu wahren. Die Zukunft sieht vielversprechend aus für Layer 2, mit spannenden Entwicklungen, die am Horizont stehen. Wir können eine bessere Integration mit Layer-1-Blockchains, neue Anwendungen in verschiedenen Bereichen und eine verbesserte Interoperabilität zwischen Netzwerken erwarten. Diese Fortschritte werden nicht nur aktuelle Blockchain-Systeme effizienter machen, sondern auch neue Möglichkeiten für dezentrale Anwendungen in verschiedenen Branchen schaffen und die Zukunft der Blockchain-Technologie maßgeblich gestalten.