Das Bitcoin 1x1 – Teil 6: Die Skalierbarkeit der Blockchain

In den letzten Beiträgen des Bitcoin 1x1 wurden neben den technischen Gegebenheiten auch die intrinsische Motivation des Bitcoin Erfinder und der ersten Bitcoin Unterstützer erläutert. Der ausschlaggebende Grund für die Erfindung von Bitcoin war der Wunsch nach einem völlig digitalen, dezentralisierten Zahlungsmittel, welches als unabhängige Alternative zu herkömmlichen traditionellen Währungen Anwendung finden sollte. Im Laufe der letzten Jahre teilten immer mehr Bitcoin Enthusiasten das Ziel einer unabhängigen Währung. Die steigende Aufmerksamkeit im gesamten Kryptosektor und das damit verbundene erhöhte Transaktionsaufkommen kristallisierten aber auch eine der grössten Schwachstellen des Bitcoin-Protokolls heraus: Die Skalierbarkeit.

Unter Skalierbarkeit im Rahmen von Bitcoin versteht man die Limitationen der Blockchain in der Verarbeitung mehrerer Transaktionen. Wie bereits beschrieben, werden einzelne Transaktionen in einem Block gesammelt. Die maximale Grösse eines Blocks ist hierbei klar im Bitcoin-Protokoll festgelegt. Die Rahmenbedingungen der Blockgrösse und Blockgeneration des Bitcoin-Protokolls beschränken die durchschnittliche Blockgenerationszeit auf 10 Minuten und die maximale Blockgrösse auf 1 MegaByte. Durch diese Restriktionen ist Bitcoin auf durchschnittlich maximal 7 durchführbare Transaktionen pro Sekunde (TPS) limitiert, was bereits sehr früh im Rahmen der Bitcoin Community zu Unstimmigkeiten führte und massgeblich ausschlaggebend für die Bitcoin Cash Fork war. Ethereums Blockchain ist in der Lage knapp 20 TPS zu verarbeiten während der Zahlungsanbieter VISA in der Lage ist mit bis zu 45'000 TPS umzugehen.

Die Kryptocommunity debattiert wild um die theoretischen TPS-Grenzen, tatsächliche TPS-Durchschnittswerte und mögliche Lösungsansätze der Skalierbarkeitsproblematik. Eine kurze Übersicht der TPS verschiedener Blockchains und Zahlungsanbieter bietet ein gutes Gefühl der aktuellen Grenzen der Skalierbarkeit der jeweiligen Systeme. Hierbei wird sich auf die von den Entwicklern angegebene als maximal mögliche Transaktionsgeschwindigkeit (Claimed Transactions per Second (CTPS)) bezogen.

Wieso ist der Ausbau der Skalierbarkeit so schwierig?

Bitcoin, genau wie Ethereum, legt enorm viel Wert darauf sicherzustellen, dass die jeweilige Blockchain zu jeder Zeit und ohne die Hilfe einer zentralen Entität Transaktionen und Eigentum von Bitcoins protokolliert. Mit steigender Nutzerzahl wird es jedoch immer schwieriger das Gleichgewicht zwischen Dezentralisierung und akkurater Protokollierung beizubehalten. Besonders im Hinblick auf die alltägliche Nutzung von Bitcoins zur Zahlung innerhalb von Apps oder zur Nutzung in Alltagssituationen ist es aktuell unwahrscheinlich, jede Zahlung direkt, dezentralisiert und exakt innerhalb der Bitcoin-Blockchain zu protokollieren.

Die Schwierigkeit der oben genannten Balance liegt in der Funktionsweise des Proof-of-Work Ansatzes. Das Bitcoin-Protokoll ist abhängig von allen Netzwerkteilnehmern zur «Abarbeitung» der generierten Blöcke. Mit wachsender Popularität von Bitcoin und durch alltägliche Nutzung von Bitcoin würde die Menge an Blöcken enorm zunehmen, wodurch die durchschnittliche Zeit der Durchführung einer Transaktion sich stetig erhöhen würde. Um dieser Verlangsamung des Protokolls entgegenzuwirken bzw. das Protokoll noch schneller zu gestalten, müsste man die Grösse der einzelnen Blöcke erhöhen um mehr Transaktionen innerhalb eines Blockes verifizieren zu können. Mit steigender Blockgrösse läuft man jedoch die Gefahr, dass nur noch wenige Teilnehmer – die grossen millionenschweren Bitcoin-Miner- in der Lage sein werden, grosse Blöcke in kurzer Zeit abzubauen. Durch diese zunehmende Fokussierung der Verifikationshoheit im Bitcoin-Protokoll geht die Dezentralisierung immer mehr verloren.

Deswegen versuchen Blockchain-Experten Lösungen zu finden, welche die genannte Beziehung im Gleichgewicht halten und trotzdem die Leistungsfähigkeit erhöhen können.

Lösungsansätze im Bitcoin-Protokoll

Ein erster Ansatz der Lösung des Skalierungsproblems wurde von der Community am 1. August 2017 im Rahmen der Bitcoin-Cash Hard Fork bereits durchgeführt. Die hierbei entstandene Bitcoin-Cash Blockchain ist in der Lage grössere Blöcke abzubauen und dadurch mehrere TPS zu verifizieren – mit Gefahr einer zunehmenden Zentralisierung.

Durch Bitcoin Core Entwickler Pieter Wuille wurde am 24. August 2017, nur drei Wochen nach der Bitcoin-Cash Hard Fork, innerhalb des Bitcoin-Protkolls das «SegWit» Transaktionsformat («Segregated Witness») in Form einer Soft Fork aufgespielt. Durch SegWit kann die Blockgrösse eines einzelnen Blocks von herkömmlich 1 MB auf 4 MB erhöht werden. Dies wird durch die Trennung der Signaturdaten von Bitcoin Transaktionsprozessen ermöglicht. Durch die Entfernung gewisser Transaktionsinformationen kann deren Datenkapazität für die Bündelung zusätzlicher Transaktionen pro Sekunde benutzt werden. Mittlerweile benutzen mehr als 40% aller Bitcoin Transaktionen SegWit-Adressen – Mit zunehmender Akzeptanz.

Eine bereits im Januar 2015 vorgestellte Lösung zur Verbesserung der Skalierbarkeit nennt sich «Lightning Network». Das Lightning Network ist eine «Second Layer» Lösung zur Verbesserung der Kapazität mehrerer unterschiedlicher Blockchains. Vorzustellen als Art zusätzliche Ebene der Blockchain, dient das Lightning Network zur Übernahme der Transaktionsbearbeitungen. Indem Transaktionen nicht mehr im Rahmen der «ersten Ebene» der Bitcoin-Blockchain abgearbeitet werden müssen, dient das Lightning Network dazu, die Bitcoin Blockchain weiter zu entflechten, Transaktionskosten zu verringern und mehrere Transaktionen pro Sekunde zu erlauben. Der Aufbau des Lightning Networks ist allerdings ein Work-in-Progress Verfahren, welches Zeit in Anspruch nimmt. Von April 2018 bis August 2018 wuchs das Bitcoin Lightning Network von 1500 Nodes auf 3000 Nodes.

Als nächstes im Bitcoin 1x1

Im siebten Teil des Bitcoin 1x1 wird auf die verschiedenen Vor- und Nachteile von Kryptowährungen (insb. Bitcoin) eingegangen. Bitcoin ist der Vorreiter einer neuen Technologie und ist nach wie vor die populärste Kryptowährung von allen. Dennoch befinden sich im Rahmen des Bitcoin-Protokolls diverse veraltete Strukturen, die Bitcoin im Vergleich zu neuartigeren Kryptowährungen möglicherweise in den Schatten stellen. Dazu mehr in Teil 7 des Bitcoin 1x1.