Blockchain-Aufschlüsselung: Was ist Layer 2?

Einleitung

Kryptowährungen wachsen täglich. Im Juni 2024 gab es 617 Millionen Krypto-Besitzer, und die gesamte Marktkapitalisierung betrug 2,24 Billionen US-Dollar. Doch trotz dieses massiven Wachstums birgt die Blockchain-Technologie noch immer ein großes Problem: die Skalierbarkeit. Das Ethereum-Mainnet hat einen Durchsatz von etwa 15–30 Transaktionen pro Sekunde (TPS), der nicht fest ist. Er kann je nach Blockgröße und Netzwerkaktivität leicht variieren. Auch Ethereums Umstellung auf Proof of Stake (PoS) mit Ethereum 2.0 wird die Skalierbarkeit 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 Haupt-Blockchain, Layer 1 (L1), aufbauen, um Transaktionen schneller, günstiger und effizienter zu machen. Einige L2-Lösungen wie Arbitrum, Polygon und Optimism können 4.000 Transaktionen pro Sekunde verarbeiten. Nicht, dass sie es täglich tun, aber sie können es bei Bedarf, was eine enorme Verbesserung gegenüber der üblichen Geschwindigkeit darstellt. Dieser Durchsatz ermöglicht es uns, komplexere Anwendungen wie DeFi, Gaming und Supply Chain reibungslos auf der Blockchain laufen zu lassen.

Kurz gesagt: Während Layer 1 mit großen Veränderungen wie der Erhöhung der Blockgröße beschäftigt ist, nutzt Layer 2 clevere Tricks wie Rollups und Sidechains, um die Dinge zu beschleunigen, ohne die Sicherheit zu beeinträchtigen. In diesem Artikel tauchen wir tief in Layer 2 ein und sehen, wie es die Welt der Blockchain verändern wird.

Was ist eine Layer-2-Lösung?

Layer-2-Lösungen sind wie das Geheimrezept, das die Blockchain-Technologie auf die nächste Stufe hebt und die größten Probleme löst, die traditionelle Layer-1-Blockchains wie Bitcoin und Ethereum nicht immer bewältigen können. Zwar übernehmen Layer-1-Blockchains die Hauptarbeit – sie verarbeiten Transaktionen und sorgen mit Konsensmethoden wie Proof of Work (PoW) oder Proof of Stake (PoS) für Sicherheit. Doch bei der Skalierung stoßen sie oft auf Schwierigkeiten. Dieses Problem ist Teil des „Blockchain-Trilemmas“, das besagt, dass es schwierig ist, Skalierbarkeit, Sicherheit und Dezentralisierung gleichzeitig zu vereinen. Dadurch können Layer-1-Netzwerke langsamer werden, was zu längeren Wartezeiten und höheren Gebühren führt, insbesondere bei hohem Netzwerkaufkommen. Layer-2-Lösungen sorgen dafür, dass alles reibungslos läuft, auch wenn das Netzwerk unter Druck steht.

Das Lightning Network ist beispielsweise eine von mehreren Layer-2-Lösungen für Bitcoin, nicht die einzige, die Transaktionen schneller und günstiger macht, indem sie sie vorübergehend von der Haupt-Blockchain trennen. Stellen Sie sich vor, Sie und ein Freund eröffnen einen privaten Zahlungskanal, der wie ein digitales Konto nur für Sie beide funktioniert. Obwohl die Transaktionen außerhalb der Blockchain im Lightning Network stattfinden, werden sie dennoch durch das Layer-1-Sicherheitsmodell von Bitcoin durch Hash-Timelock-Verträge (HTLCs) abgesichert. Diese gewährleisten im Streitfall eine sichere Abwicklung der Zahlungen auf der Haupt-Blockchain. Das Besondere daran ist, dass Sie die Blockchain nur zweimal aktualisieren müssen: einmal beim Öffnen und einmal beim Schließen des Kanals. So wird die Blockchain nicht durch jede einzelne Transaktion überlastet, was den gesamten Prozess schneller und günstiger macht. Die Rollups von Ethereum – Optimistic Rollups und Zero-Knowledge (ZK) Rollups – funktionieren etwas anders, verfolgen aber dasselbe Ziel: die Belastung der Haupt-Blockchain zu reduzieren. Welche Skalierungslösungen gibt es also?

Ethereums Layer-2-Skalierung

Rollups

Rollups sind Softwareprotokolle, die auf der Mainchain arbeiten, Transaktionen optimieren und Staus reduzieren. Optimistische Rollups wie Base, Arbitrum, Optimism und Boba Network bündeln mehrere Transaktionen in einem Batch und übermitteln diesen komprimierten Batch als Aufrufdaten an die Ethereum-Mainchain. Interessant ist: Diese Rollups gehen von der Gültigkeit der Transaktionen aus und übermitteln die Transaktionsdaten an die Mainchain, ohne die Berechnung in der Chain durchzuführen. Im Streitfall können Transaktionen durch einen Challenge-Mechanismus verifiziert werden, der ihre Gültigkeit sicherstellt. Bei Verdacht auf einen Fehler oder eine betrügerische Transaktion kann innerhalb des Challenge-Fensters ein Betrugsnachweis eingeleitet werden. Ist dieser erfolgreich, wird der Batch zurückgesetzt, und der Einreicher kann seine Einzahlung verlieren. Betrugsnachweise in Optimistic Rollups funktionieren durch die Anfechtung potenziell ungültiger Zustandsübergänge, die dann eine On-Chain-Verifizierung auslösen. Dieses System reduziert den Rechenaufwand der Hauptkette, wodurch die Dinge schneller und billiger werden, ist aber aufgrund dieses Anfechtungsmechanismus immer noch sicher.

ZK Rollups hingegen verfolgen einen anderen Ansatz. Anstatt davon auszugehen, dass alles in Ordnung ist, bis das Gegenteil bewiesen ist, verwenden ZK Rollups kryptografische Beweise, insbesondere Zero-Knowledge Succinct Non-Interactive Arguments of Knowledge (zk-SNARKs) oder zk-STARKs, um einen Stapel von Transaktionen außerhalb der Blockchain zu validieren. Sie generieren für jeden Transaktionsstapel einen sogenannten „prägnanten Beweis“ (oft ein SNARK oder STARK). Dieser Beweis ist eine hocheffiziente Methode, um die Gültigkeit aller Transaktionen im Stapel nachzuweisen, ohne jede einzelne Transaktion in der Ethereum-Hauptkette durchlaufen zu müssen. Die Hauptkette verifiziert lediglich diesen Beweis, was sehr schnell geht, und kann dann den gesamten Transaktionsstapel sicher akzeptieren. Diese Methode ist äußerst sicher und effizient, wenn auch technisch etwas komplexer.

Side Chains

Eine weitere Art der Skalierungslösung. Side Chains sind fast wie Paralleluniversen, die als separate Blockchains neben der Hauptkette operieren. Binance Smart Chain (jetzt bekannt als BNB Smart Chain) und Avalanche sind Layer-1-Blockchains mit eigenen Konsensmodellen, nicht streng Layer-2-Sidechains zu Ethereum. Polygon fungiert sowohl als Proof-of-Stake-Sidechain als auch als Aggregator von Layer-2-Lösungen und verfügt über eigene Validierer und Konsensmechanismen. Dadurch können Transaktionen selbstständig abgewickelt werden, ohne vollständig auf die Hauptchain angewiesen zu sein. Das Besondere daran ist, dass Sidechains typischerweise auf Brücken (z. B. Plasmabrücken oder Smart Contracts) setzen, um Asset-Transfers zu ermöglichen. Diese funktionieren jedoch nicht immer als echte Zwei-Wege-Kopplung wie im Liquid-Netzwerk von Bitcoin. Dadurch können Assets zwischen der Hauptchain und der Sidechain übertragen werden, was besonders bei Nutzern beliebt ist, die die einzigartigen Funktionen verschiedener Netzwerke oder niedrigere Transaktionsgebühren nutzen möchten. Sidechains nutzen hierfür oft Brücken, die eine reibungslose Kommunikation und Asset-Transfers zwischen den beiden Chains ermöglichen, auch wenn ihre Konsensmechanismen völlig unterschiedlich sein können.

Zustandskanäle

Ein weiteres Skalierungsprodukt sind Zustandskanäle. Zustandskanäle sind Off-Chain-Mechanismen, die es Nutzern ermöglichen, mehrere Transaktionen privat durchzuführen, ohne jede Transaktion an die Blockchain zu senden. Nur die Eröffnungs- und Abschlusstransaktionen werden On-Chain aufgezeichnet. Dies reduziert Überlastungen und beschleunigt Interaktionen. Zustandskanäle sind Off-Chain-Mechanismen, die es Teilnehmern ermöglichen, direkt miteinander zu handeln, ohne jede Interaktion auf der Hauptkette aufzeichnen zu müssen. Nur der endgültige Zustand wird On-Chain festgelegt.

Stellen Sie sich vor, Sie und Ihre Freunde könnten sich privat unterhalten. Anstatt jede Nachricht in die Welt hinauszuposaunen, behalten Sie einfach den Überblick über Ihre Unterhaltung und teilen allen nur das Endergebnis mit. So funktionieren State Channels. State Channels erfordern die anfängliche Einrichtung und die endgültige Abwicklung on-chain. Dabei wird ein Multi-Signatur-Wallet verwendet, um sicherzustellen, dass die Off-Chain-Transaktionen von allen Teilnehmern gemeinsam vereinbart werden. Beachten Sie außerdem, dass State Channels in erster Linie für wiederholte Transaktionen mit geringem Wert (Mikrozahlungen) und nicht für komplexe Smart-Contract-Interaktionen nützlich sind. Dies ist besonders effizient für Anwendungen wie Spiele oder kleine Zahlungen.

Plasma

Plasma unterscheidet sich grundlegend dadurch, dass es ein Framework ist, das eine Familie kleinerer Blockchains hostet, die mit der Haupt-Blockchain verbunden sind. Diese kleineren Blockchains, oft als Child Chains bezeichnet, arbeiten nach eigenen Regeln und Validatoren, sind aber aus Sicherheitsgründen auf regelmäßige Verpflichtungen gegenüber der Haupt-Blockchain angewiesen. Plasma bietet zwar Skalierungsvorteile, steht aber auch vor Herausforderungen wie langsamer Endgültigkeit und potenziellen Problemen mit der Datenverfügbarkeit. Die Akzeptanz von Plasma ist aufgrund seiner Sicherheits- und Endgültigkeitsbeschränkungen zurückgegangen, da Benutzer lange Ausstiegsfristen (oft 7–14 Tage) abwarten müssen, um Gelder zurück auf Ethereum abzuheben. Es ist wichtig hervorzuheben, dass Plasma teilweise von Rollups überholt wurde, die effizienter und sicherer sind, und eine der frühesten und bekanntesten Implementierungen von Plasma ist OMG Network.

Plasma-Chains übermitteln die endgültigen Transaktionszustände regelmäßig zur Validierung an Ethereum zurück, um Sicherheit und Finalität zu gewährleisten. Sie verarbeiten ein hohes Transaktionsvolumen außerhalb der Blockchain, unterstützen jedoch nur eingeschränkt komplexe Smart Contracts und haben aufgrund ihrer langsamen Auszahlungszeiten eine geringere Akzeptanz erfahren. Ihre primären Anwendungsfälle konzentrierten sich zunächst auf Anwendungen mit einfachen Überweisungen, doch neuere Lösungen haben Plasma überholt.

Durch die Entlastung des Ethereum-Mainnets senkt Plasma die Gebühren und beschleunigt Transaktionen. Die Auszahlung von Geldern von Plasma-Chains an Ethereum kann jedoch bis zu 7 Tage dauern. Diese Zeitspanne ist notwendig, um mögliche Streitigkeiten oder Betrugserkennung zu ermöglichen, bevor die Gelder vollständig auf der Mainchain verfügbar sind.

Beispiele für Layer-2-Lösungen

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

1. Optimism

• Typ: Optimistic Rollup
• Beschreibung: Optimism ist eine Ethereum-Layer-2-Lösung, die Optimistic Rollups nutzt, um den Transaktionsdurchsatz zu erhöhen. Sie geht von gültigen Transaktionen aus und führt nur bei einer Anfrage eine rechnerische Prüfung durch. Optimism reduziert den Rechenaufwand in der Blockchain durch die Verwendung von Betrugsnachweisen und übermittelt gleichzeitig minimale (komprimierte) Transaktionsdaten an Layer 1. Dies senkt die Gasgebühren deutlich und erhöht die Transaktionsgeschwindigkeit.
• Anwendungsfälle: 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 sie den Großteil der Transaktionsverarbeitung außerhalb der Blockchain verlagert und gleichzeitig die Sicherheit des Ethereum-Mainnets gewährleistet. Arbitrum ist bekannt für seine Kompatibilität mit bestehenden Ethereum-Smart Contracts und erleichtert Entwicklern die Migration ihrer Anwendungen.
• Anwendungsfälle: DeFi, Gaming und andere Anwendungen mit hohem Transaktionsaufkommen.

3. Polygon (formerly Matic)

• Beschreibung: Polygon ist eine Multi-Chain-Layer-2-Lösung, die ein Framework für den Aufbau vernetzter Blockchain-Netzwerke bietet. Sie kombiniert Proof-of-Stake (PoS)-Sidechains und Plasma-Technologie und bietet so eine skalierbare Lösung mit schneller Transaktionsverarbeitung und niedrigen Gebühren. Die PoS-Chain von Polygon läuft parallel zu Ethereum und unterstützt eine Vielzahl dezentraler Anwendungen.
• Anwendungsfälle: NFTs, DeFi, Gaming und verschiedene DApps.

4. zkSync

• Typ: Zero-Knowledge-Rollup (zk-Rollup)
• Beschreibung: zkSync ist eine Layer-2-Lösung mit Zero-Knowledge-Rollups, die kryptografische Beweise zur Validierung von Transaktionen verwenden. Dies ermöglicht eine hocheffiziente und sichere Transaktionsverarbeitung außerhalb der Blockchain, wobei die Gültigkeit dieser Transaktionen in der Blockchain durch prägnante kryptografische Beweise nachgewiesen wird. zk-Rollups bieten die volle Sicherheit von Layer 1, im Gegensatz zu optimistischen Rollups, die auf dem Challenge-Mechanismus basieren.
• Anwendungsfälle: Zahlungssysteme, DeFi-Anwendungen und Token-Transfers.

5. Loopring

• Typ: Zero-Knowledge-Rollup (zk-Rollup)
• Beschreibung: Loopring ist ein dezentrales Börsenprotokoll (DEX), das Zero-Knowledge-Rollups nutzt, um durchsatzstarken und kostengünstigen Handel auf Ethereum zu ermöglichen. Durch die Bündelung von Transaktionen außerhalb der Blockchain und deren Verifizierung mit zk-Proofs ermöglicht Loopring Nutzern den Handel mit Vermögenswerten mit minimalen Gebühren und schneller Ausführung.
• Anwendungsfälle: 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 nutzt zk-Rollups, um schnelles und gasfreies Prägen, Kaufen und Verkaufen von NFTs zu ermöglichen. Immutable X strebt durch Layer-2-Skalierung CO2-Neutralität an und reduziert den Energieverbrauch im Vergleich zu den Layer-1-Transaktionen von Ethereum. Dies macht es zu einer umweltfreundlichen Option für NFT-Plattformen.
• Anwendungsfälle: NFT-Marktplätze, Gaming-Plattformen und digitale Kunst.

7. StarkNet

• Typ: Zero-Knowledge-Rollup (zk-Rollup)
• Beschreibung: StarkNet ist ein dezentrales zk-Rollup, das jeder dezentralen Anwendung (DApp) unbegrenzte Skalierbarkeit ermöglicht, ohne die Zusammensetzbarkeit und Sicherheit von Ethereum zu beeinträchtigen. Es nutzt STARKs (Scalable Transparent ARguments of Knowledge), um die Gültigkeit von Off-Chain-Transaktionen sicherzustellen und so hochgradig sicher und skalierbar zu sein.
• Anwendungsfälle: Komplexe DApps, DeFi, Gaming und mehr.

Vorteile von Layer 2

Layer-2-Produkte helfen Blockchains, einige ihrer größten Probleme zu lösen, insbesondere Skalierung, Kosten, Geschwindigkeit und Datenschutz. Durch die Abwicklung von Transaktionen außerhalb der Hauptkette (Layer 1) machen sie Blockchain-Netzwerke deutlich leistungsfähiger. Sie können mehr Nutzer bedienen und mehr Transaktionen verarbeiten, ohne dabei Sicherheit oder Dezentralisierung zu beeinträchtigen. Das bedeutet niedrigere Transaktionskosten, einen besseren Zugang zu Blockchain für alle und eine höhere Geschwindigkeit, was für Echtzeitanwendungen wie Gaming und Finanzen entscheidend ist. Einige Layer 2-Protokolle bieten sogar mehr Datenschutz, da sie mehr Transaktionsdetails außerhalb der öffentlichen Kette halten.

Skalierbarkeit

Wie ein Verkehrspolizist entlasten Layer 2-Protokolle den Verkehr und ermöglichen Netzwerken wie Ethereum und Bitcoin die Abwicklung von deutlich mehr Transaktionen. Ohne sie wäre es wie eine Autobahnfahrt zur Hauptverkehrszeit – langsam und frustrierend! Layer-2-Lösungen erweitern die Blockchain-Kapazität und ermöglichen einen höheren Durchsatz und geringere Latenzzeiten, was für Anwendungen mit hohem Transaktionsvolumen entscheidend ist.

Geringere Kosten

Layer-2-Protokolle machen Transaktionen zudem deutlich günstiger, indem sie das Hauptnetzwerk entlasten. Dies ist besonders wichtig für stark frequentierte Bereiche wie DeFi und Gaming, in denen hohe Gebühren ein großes Problem darstellen.

Schnellere Transaktionen

Geschwindigkeit ist in der Blockchain entscheidend, und Layer-2-Netzwerke liefern nahezu sofortige Transaktionsbestätigungen. Durch die Off-Chain-Abwicklung von Transaktionen und die ausschließliche Aufzeichnung des Endzustands in der Hauptkette vermeiden Layer-2-Netzwerke die Verzögerungen, die mit Layer-1-Blockbestätigungen einhergehen.

Mehr Datenschutz

Datenschutz wird immer wichtiger, und einige Layer-2-Netzwerke wie Zero-Knowledge (ZK)-Rollups bieten erweiterte Datenschutzfunktionen. Durch die Off-Chain-Abwicklung von Transaktionen halten diese Lösungen die meisten Transaktionsdetails von der öffentlichen Blockchain fern und verbergen so Benutzeridentitäten und sensible Daten.

Layer 2 in der Zukunft

Mit dem Wachstum der Blockchain wird der Bedarf an skalierbaren, effizienten und benutzerfreundlichen Produkten stetig steigen. Zukünftige Entwicklungen konzentrieren sich auf die nahtlose Integration mit Layer-1-Blockchains, die Erweiterung branchenübergreifender Anwendungsfälle und die Interoperabilität zwischen verschiedenen L2-Netzwerken. Dies wird die globale Skalierung von Blockchains ermöglichen, ohne dabei Sicherheit oder Dezentralisierung zu beeinträchtigen. Layer 2 wird damit zu einem Schlüsselfaktor für die Zukunft der Blockchain. Mehr dazu.

Layer-1-Integration

Ein großes Ziel für L2s ist die Integration mit Layer-1-Blockchains. Mit der Weiterentwicklung dieser Technologien muss die Verbindung zwischen der Hauptkette und ihren L2-Erweiterungen nahtloser und benutzerfreundlicher werden. Stellen Sie sich einen problemlosen Wechsel zwischen verschiedenen Layern vor – das bedeutet, dass Ihr Erlebnis deutlich reibungsloser verläuft und Sie sich nicht mit komplizierten Prozessen herumschlagen müssen. Möglicherweise werden wir neue Tools und Funktionen sehen, die Transaktionen automatisch auf L2 verschieben, wenn L1 überlastet ist, oder die die Nutzung dieser Technologien vereinfachen, ohne dass Sie alle Details verstehen müssen. Dadurch werden Blockchain-Netzwerke stabiler und sicherer und können mehr Datenverkehr bewältigen, ohne dass es zu Verzögerungen kommt.

Erweiterte Anwendungsfälle

L2s sind äußerst vielseitig und ihr Nutzen geht weit über Skalierung und Kosteneinsparungen in DeFi und Gaming hinaus. Künftig könnten sie in vielen verschiedenen Branchen zum Einsatz kommen. Beispielsweise könnten sie im Supply Chain Management dazu beitragen, Waren effizient über Grenzen hinweg zu verfolgen und große Datenmengen problemlos zu verarbeiten. Auch Branchen außerhalb der Blockchain, wie das Gesundheitswesen und die Telekommunikation, könnten L2-Lösungen zur Verwaltung sensibler Daten einsetzen. Die Geschwindigkeit, Kosteneinsparungen und Skalierbarkeit von L2 machen es ideal für alle Branchen, die ein leistungsstarkes dezentrales Datenmanagement benötigen. Mit dem technologischen Fortschritt werden wir erleben, wie L2 auf neue und innovative Weise zur Lösung branchenspezifischer Probleme eingesetzt wird.

Fazit

L2s werden der Schlüssel zur Blockchain-Welt sein und die großen Probleme der Skalierbarkeit, Kosten und Benutzerfreundlichkeit lösen, die die breite Akzeptanz dezentraler Netzwerke bisher behindert haben. Mit fortschreitender Entwicklung dieser Technologien werden Blockchain-Plattformen besser funktionieren, mehr Nutzer und Transaktionen weltweit abwickeln und dabei sicher und dezentralisiert bleiben. Die Zukunft sieht für L2 vielversprechend aus – es gibt viel zu erwarten. Wir werden eine bessere Integration mit Layer-1-Blockchains, neue branchenübergreifende Anwendungsfälle und die Interoperabilität zwischen Netzwerken erleben. Dies wird nicht nur bestehende Blockchain-Systeme effizienter machen, sondern auch neue Möglichkeiten für dezentrale Anwendungen in verschiedenen Branchen eröffnen und die Zukunft der Blockchain prägen.