Die Rolle von Layer 1 in Blockchain-Netzwerken

Wenn Sie sich jemals gefragt haben, wie Polygon und Ethereum oder Polkadot und seine Parachains zusammenhängen, hilft Ihnen eine Einführung in Layer 1 und Layer 2 der Blockchain-Architektur, die Antworten zu finden. Diese Begriffe unterstützen Ihr Verständnis von Blockchains, Projekten und Entwicklerwerkzeugen.

Grundlagen

Layer‑1-Blockchains sind die Basis vieler bekannter Netzwerke wie Bitcoin, BNB Chain und Ethereum. Diese Netzwerke sind so konzipiert, dass sie Transaktionen eigenständig finalisieren und validieren, ohne auf ein anderes Netzwerk angewiesen zu sein. Die Skalierung von Layer‑1-Netzwerken ist jedoch oft schwierig, wie wir bei Bitcoin gesehen haben. Um dieses Problem zu lösen, entwickeln Entwickler häufig Layer‑2-Protokolle, die mit dem zugrunde liegenden Layer‑1-Netzwerk zusammenarbeiten und den Nutzern höhere Geschwindigkeit und Durchsatz bieten. Ein Paradebeispiel dafür ist das Lightning Network von Bitcoin. Es fungiert als Layer‑2-Protokoll und ermöglicht Off‑Chain-Transaktionen, die später in die Hauptkette eingetragen werden.

Was ist Layer 1?

Layer 1 bezieht sich auf die physikalische Schicht des OSI-Modells, die für die Übertragung roher Bits über ein Netzwerk verantwortlich ist. Ein Layer‑1-Protokoll kann Transaktionen auf seiner Blockchain verarbeiten und finalisieren. Außerdem hat dieses Protokoll in der Regel einen eigenen Token, mit dem Transaktionsgebühren bezahlt werden.

Layer‑1-Netzwerke sind die grundlegenden Bausteine der Blockchain-Technologie. Dazu zählen BNB Smart Chain, Ethereum, Bitcoin und Solana, unter anderen. Sie werden Layer‑1 genannt, weil sie die Hauptnetzwerke sind, die das Fundament ihrer jeweiligen Blockchain-Ökosysteme bilden. Off‑Chain- und Layer‑2-Lösungen werden auf den Layer‑1-Protokollen aufgebaut. 

Layer‑1-Skalierung

Die Skalierbarkeit von Layer‑1-Netzwerken wie Bitcoin wird oft durch den zugrunde liegenden Konsensmechanismus limitiert, namentlich Proof of Work (PoW). Mit wachsender Nachfrage stellt PoW eine Herausforderung dar, ausreichend Transaktionen schnell zu verarbeiten, was zu Skalierungsproblemen führt. Verschiedene Lösungen wurden vorgeschlagen, um den Transaktionsdurchsatz des Netzwerks zu erhöhen, etwa die Vergrößerung der Blockgrößen und die Implementierung von Sharding.

Leider führt die Schwierigkeit für PoW-Netzwerke, Dezentralisierung und Sicherheit zu bewahren, bei hoher Transaktionszahl zu langsameren Transaktionsgeschwindigkeiten und höheren Gebühren. Das sorgt für längere Bestätigungszeiten und steigende Kosten.

Jahrelang wurde intensiv darüber debattiert, welche Skalierungslösung am besten für die Blockchain-Technologie geeignet ist. Entwickler haben Layer‑1-Skalierungsoptionen wie Sharding und Off‑Chain-Lösungen erforscht. Für die Skalierung auf Layer 1 gelten unter anderem folgende Ansätze:

1. Die Vergrößerung der Blockgröße ermöglicht es, mehr Transaktionen gleichzeitig zu verarbeiten.
2. Mit dem kommenden Ethereum‑2.0-Update wäre eine Änderung des Konsensmechanismus möglich.
3. Die Implementierung von Sharding, einer Form der Datenpartitionierung.

Layer‑1‑Upgrades umzusetzen erfordert großen Aufwand. Leider wird nicht jeder Netzwerkteilnehmer solchen Änderungen zustimmen, was potenziell zu einer Community-Spaltung oder sogar einem Hard Fork führen kann – wie es 2017 beim Split von Bitcoin und Bitcoin Cash der Fall war.

SegWit

Bitcoins SegWit (segregated witness) ist eine Layer‑1‑Skalierungslösung, die die Netzwerksicherheit nicht beeinträchtigt. Sie wurde mittels eines Soft Forks eingeführt, sodass ältere Bitcoin-Knoten weiterhin Transaktionen verarbeiten konnten, ohne ein Update zu benötigen. Durch die Änderung der Organisation von Blockdaten entfernte SegWit digitale Signaturen aus den Transaktionseingaben und schaffte so mehr Platz, wodurch der Transaktionsdurchsatz von Bitcoin erhöht wurde.

Layer‑1‑Sharding

Layer‑1‑Sharding ist eine Blockchain‑Skalierungstechnik, bei der Netzwerkblöcke in kleinere Partitionen oder „Shards“ aufgeteilt werden, um die Blockverarbeitungsgeschwindigkeit und den Transaktionsdurchsatz zu verbessern.

Sharding ist eine weit verbreitete Layer‑1‑Skalierungsmethode, um den Transaktionsdurchsatz zu maximieren. Diese Form der Datenaufteilung wird häufig bei verteilten Blockchain-Ledgern angewendet. Das Netzwerk und seine Knoten werden in mehrere Shards unterteilt, um die Last zu verteilen und die Transaktionsrate zu erhöhen. Jeder Shard betreut einen bestimmten Netzwerkausschnitt und verwaltet dessen Transaktionen, Knoten und Blöcke.

Sharding eliminiert die Notwendigkeit, dass jeder Knoten eine vollständige Kopie der Blockchain besitzt. Stattdessen aktualisiert jeder Knoten die Hauptkette mit Informationen über seine lokalen Daten, etwa Kontostände und weitere relevante Messgrößen.

Layer 1 VS Layer 2

Bei Optimierungen lassen sich viele Anforderungen nicht allein auf Layer 1 der Hauptblockchain lösen. Technische Grenzen machen bestimmte Änderungen schwierig oder unmöglich. So dauerte es beispielsweise Jahre, bis Ethereum vom Proof of Work auf Proof of Stake umgestellt werden konnte.

Wenn ein Anwendungsfall extreme Skalierung verlangt, ist es unpraktisch, ihn ausschließlich auf Layer 1 laufen zu lassen – etwa ein Blockchain-Spiel. Um trotzdem von der Sicherheit und Dezentralisierung von Layer 1 zu profitieren, ist die beste Option, eine Layer‑2‑Lösung als Aufbau auf dem Netzwerk zu verwenden. Das reduziert Transaktionszeiten und hilft der Anwendung, ihr volles Potenzial zu erreichen.

Lightning Network

Layer‑2‑Lösungen nutzen Layer 1 als Basis zur Abwicklung von Transaktionen. Ein bekanntes Beispiel ist das Lightning Network. Wenn das Bitcoin‑Netzwerk sehr viel Aktivität hat, kann die Verarbeitung von Transaktionen Stunden dauern. Mit dem Lightning Network können Nutzer Zahlungen in Bitcoin außerhalb der Hauptkette schnell senden. Am Ende wird das Ergebnis wieder an die Hauptkette übermittelt, was Zeit und Ressourcen spart. So werden viele einzelne Transaktionen zusammengefasst und als eine konsolidierte Abrechnung behandelt.

Beispiele für Layer‑1‑Blockchains

Sobald wir verstanden haben, was Layer 1 ist, können wir einige der zahlreichen verfügbaren Layer‑1‑Blockchains genauer betrachten. Sie bieten unterschiedliche Einsatzmöglichkeiten und zeigen, dass es Alternativen zu Bitcoin und Ethereum gibt. Verschiedene Netzwerke haben Wege gefunden, das Crypto‑Trilemma aus Dezentralisierung, Sicherheit und Skalierbarkeit anzugehen.

Elrond

Elrond wurde 2018 gegründet und ist ein Layer‑1‑Blockchain‑Netzwerk, das Sharding nutzt, um Skalierbarkeit und Performance zu steigern. Mit dem eigenen Secure Proof of Stake (SPoS) Konsensprotokoll und der Adaptive State Sharding Technologie ist das Elrond‑Netzwerk in der Lage, mehr als 100.000 Transaktionen pro Sekunde (TPS) zu verarbeiten.

Adaptive State Sharding ermöglicht eine ausgeglichene Netzwerktopologie durch Shard‑Aufteilungen, -Zusammenlegungen und die Neuverteilung von Validatoren, wenn die Nutzerzahl im Netzwerk schwankt. Die gesamte Blockchain‑Infrastruktur, inklusive Transaktionsaufzeichnungen, Kontoständen und mehr, wird in Shards geteilt, um Skalierbarkeit zu bieten und zu verhindern, dass böswillige Akteure einen einzelnen Shard dominieren.

Das Elrond‑Netzwerk ist die einzige Blockchain, die als Carbon Negative zertifiziert ist, das heißt, sie kompensiert mehr CO₂‑Emissionen, als durch ihren Proof‑of‑Stake‑Konsensmechanismus entstehen. Der native Token EGLD wird für Transaktionsgebühren, das Bereitstellen von DApps und zur Belohnung von Nutzern verwendet, die im Validierungsprozess mitwirken.

Harmony

Harmony ist ein Layer‑1‑Netzwerk, das Effective Proof of Stake (EPoS) einsetzt. Zur Unterstützung von Sharding verfügt es über vier Shards, die parallel neue Blöcke erstellen und validieren können. Diese Shards können unterschiedlich schnell arbeiten, sodass ihre Blockhöhen variieren können.

Harmony setzt auf eine „Cross‑Chain Finance“-Strategie, um Entwickler und Nutzer anzuziehen. Vertrauensfreie Bridges zu Ethereum und Bitcoin sind dafür zentral, da sie den sicheren Token‑Transfer ohne die Risiken traditioneller Brücken ermöglichen. Im Fokus von Harmony zur Skalierung von Web3 stehen DAOs und Zero‑Knowledge‑Beweise.

Die DeFi‑Entwicklung wirkt bereit für enormes Potenzial, mit Multi‑Chain‑ und Cross‑Chain‑Funktionalitäten im Vordergrund. Harmonys Bridging‑Dienste sind wegen ihrer Möglichkeiten besonders für NFT‑Infrastruktur, DAO‑Tools und Inter‑Protokoll‑Brücken gefragt.

Der native ONE‑Token von Harmony kann zur Zahlung von Netzwerkgebühren sowie zum Staking und zur Teilnahme an Governance verwendet werden. Erfolgreiche Validatoren verdienen Blockbelohnungen und Transaktionsgebühren durch ihre Beteiligung.

Celo

Gegründet 2017, ist Celo ein Layer‑1‑Netzwerk, das auf Go Ethereum (Geth) basiert. Die Entwickler nahmen jedoch wesentliche Änderungen vor, darunter die Einführung von Proof of Stake und ein anderes Adresssystem. Die Celo‑Plattform umfasst DeFi, NFTs und Zahlungslösungen und verzeichnet über hundert Millionen verifizierte Transaktionen. Auf Celo kann jeder eine Telefonnummer oder E‑Mail‑Adresse als öffentlichen Schlüssel verwenden. Die Celo‑Blockchain ist darauf ausgelegt, auf normalen Computern betrieben zu werden, sodass keine spezialisierte Hardware nötig ist.

Der Haupttoken CELO dient als digitale Währung für Transaktionen, Sicherheit und Anreize. Das Celo‑Netzwerk bietet außerdem stabile Münzen wie cUSD, cEUR und cREAL, die von Nutzern erzeugt und durch ein System stabil gehalten werden, das an MakerDAO's DAI erinnert. Zahlungen in Celo‑Stablecoins können mit jedem anderen Celo‑Asset abgewickelt werden.

CELOs Adresssystem und Stablecoin sind darauf ausgelegt, Krypto zugänglicher zu machen und die Adoption zu fördern. Die starken Kursschwankungen von Kryptowährungen und die Lernkurve für Einsteiger schrecken viele potenzielle Nutzer bisher ab.

THORChain

THORChain ist ein Layer‑1‑Netzwerk, das auf dem Cosmos SDK und dem Tendermint‑Konsensprotokoll basiert. Es zielt darauf ab, Investoren eine sichere, permissionless und dezentrale Plattform zum Austausch von Assets über mehrere Chains hinweg zu bieten – ohne Pegging‑ oder Wrapping‑Mechanismen, die zusätzliche Risiken mit sich bringen können.

THORChain fungiert als dezentrales Vault‑Management, das zentrale Zwischeninstanzen eliminiert und sichere Liquidität schafft. RUNE, der native Token von THORChain, wird zur Bezahlung von Transaktionsgebühren sowie für Governance, Sicherheit und Validierungsprozesse genutzt.

Die Basiswährung im AMM‑Modell von THORChain ist RUNE, mit dem Nutzer andere unterstützte Assets tauschen können. Das Projekt ähnelt Uniswap, wobei RUNE als Settlement‑ und Sicherheitsasset für Liquiditätspools dient.

Kava

Das Kava‑Netzwerk ist eine Layer‑1‑Blockchain, die die hohe Geschwindigkeit und Cross‑Chain‑Kommunikation von Cosmos mit der starken Entwicklerunterstützung von Ethereum verbindet. Die Architektur enthält eine „Co‑Chain“, die zwei unterschiedliche Blockchains schafft: eine für die Ethereum Virtual Machine und eine für das Cosmos Software Development Kit. Die Unterstützung von Inter‑Blockchain Communication auf der Kava‑Co‑Chain erlaubt Entwicklern, dApps zu erstellen, die nahtlos zwischen Cosmos‑ und Ethereum‑Umgebungen kommunizieren und Werte transferieren können.

Das Kava‑Netzwerk nutzt den Tendermint‑PoS‑Konsens, um robuste Skalierbarkeit für Anwendungen auf der EVM‑Co‑Chain zu erreichen. Außerdem bietet die KavaDAO On‑Chain‑Fördermittel für Entwickleranreize und belohnt die Top‑100‑Projekte auf jeder Co‑Chain basierend auf ihrer Nutzung.

Das KAVA‑Netzwerk hat den nativen Token KAVA sowie einen an den US‑Dollar gekoppelten Stablecoin, USDX. Validatoren müssen KAVA staken und erhalten Belohnungen aus KAVA‑Emissionen. KAVA‑Inhaber können ihre Token an vertrauenswürdige Validatoren delegieren und zusätzlich zu den KAVA‑Inflationsbelohnungen Rewards verdienen. Alle Netzwerkteilnehmer dürfen über vorgeschlagene Änderungen am Protokoll abstimmen. KAVA kann außerdem zur Bezahlung von Transaktionsgebühren verwendet werden.

IoTeX

IoTeX wurde 2017 gegründet und ist ein Layer‑1‑Netzwerk, das sich auf die Kombination von Blockchain‑Technologie mit dem Internet of Things spezialisiert hat. Diese Technologie ermöglicht es Nutzern, die Kontrolle über die Daten ihrer Geräte vollständig zu behalten. Dadurch können sie „machine‑backed DApps, Assets und Services“ bauen, die sicheren Besitz persönlicher Informationen garantieren.

IoTeX verbindet Hardware und Software, um Anwendern eine Lösung zu bieten, die ihre Daten und Privatsphäre schützt, ohne die Nutzererfahrung einzuschränken. Dieses System heißt MachineFi und erlaubt Nutzern, digitale Assets für ihre realen Daten zu verdienen.

IoTeX hat zwei bemerkenswerte Hardware‑Produkte auf den Markt gebracht – die Ucam und den Pebble Tracker. Die Ucam ist eine fortschrittliche Home‑Security‑Kamera, die Ihr Zuhause bei voller Privatsphäre aus der Ferne überwachen kann. Der Pebble Tracker ist ein smartes GPS mit 4G‑Unterstützung und Track‑and‑Trace‑Funktion. Er zeichnet Echtzeit‑GPS‑Daten und Umweltdaten wie Temperatur, Luftfeuchte und Luftqualität auf.

IoTeX verwendet eine mehrschichtige Architektur, die verschiedene Layer‑2‑Protokolle integriert. Diese Architektur stellt viele Werkzeuge und Funktionen bereit, die Entwicklern ermöglichen, spezialisierte Sub‑Chains aufzubauen, die IoTeX als Rückgrat nutzen. Diese Sub‑Chains können miteinander verbunden werden und Daten über IoTeX austauschen. Darüber hinaus erleichtert der IOTX‑Token Nutzertransaktionen, Staking, Governance‑Aktivitäten und Netzwerkvalidierung.

Fazit

Die heutige Blockchain‑Landschaft besteht aus mehreren Layer‑1‑Blockchains und Layer‑2‑Protokollen, was anfangs verwirrend sein kann. Sobald jedoch ein grundlegendes Verständnis der Konzepte vorhanden ist, wird die Gesamtstruktur klarer. Dieses Wissen ist nützlich bei der Recherche neuer Blockchain‑Projekte, insbesondere bei solchen, die auf Netzwerk‑Interoperabilität und atomare Swaps zwischen Chains abzielen.