L2-Skalierungslösungen für Bitcoin erklärt

Grundlagen

Layer-2-Lösungen (L2) für Bitcoin sind Protokolle, die auf der Blockchain der ursprünglichen Kryptowährung aufbauen. Diese Ergänzungen zielen darauf ab, die Effizienz des Netzwerks zu verbessern und seine Möglichkeiten zu erweitern. Durch die Abwicklung von Transaktionen außerhalb der Haupt-Blockchain (Layer 1) verringern L2-Lösungen deren Belastung und bieten eine Reihe von Vorteilen. Diese Technologien sind entscheidend, um das Blockchain-Trilemma zu lösen und das Wachstum des Bitcoin-Ökosystems zu fördern. Viele Marktteilnehmer sehen Bitcoin in erster Linie als Wertaufbewahrungsmittel. L2-Lösungen erweitern jedoch seine Funktionalität erheblich, so dass er komplexe Anwendungen und Systeme unterstützen kann.

Die Herausforderungen von Bitcoin mit Layer-2-Lösungen angehen

Ursprünglich als dezentrales und sicheres Zahlungssystem konzipiert, hat Bitcoin mit zunehmender Beliebtheit erhebliche Skalierungsprobleme. Die ursprüngliche Kryptowährung kämpft mit einer Blockerstellungszeit von 10 Minuten und einem Durchsatz von sieben Transaktionen pro Sekunde (TPS), was in Spitzenzeiten zu höheren Gebühren und Verzögerungen führt.

Darüber hinaus schränkt die Skriptsprache von Bitcoin die Entwicklung komplexer intelligenter Verträge und dezentraler Anwendungen (Dapps) ein. Layer-2-Lösungen sind aufgetaucht, um diese Herausforderungen anzugehen. Über die Verbesserung der Skalierbarkeit hinaus ermöglichen Layer-2-Lösungen neue Möglichkeiten innerhalb des Bitcoin-Ökosystems:

• Die Verbesserte Programmierbarkeit: L2-Lösungen erleichtern die Verwendung komplexer intelligenter Verträge und ebnen den Weg für dezentrale Finanzgeschäfte (DeFi), nicht-fungible Token (NFTs) und andere Web3-Innovationen.
• DeFi zu Bitcoin: Technologien wie Lightning Network und Stacks ermöglichen kostengünstige Transaktionen ohne Zwischenhändler, so dass die Nutzer handeln, leihen und verleihen können.
• Das Skalierbarkeits-Dilemma lösen: Bitcoin-L2-Lösungen helfen, Dezentralisierung, Sicherheit und Leistung in Einklang zu bringen. Während das primäre Netzwerk die Dezentralisierung und Sicherheit in den Vordergrund stellt, verbessern Layer-2-Lösungen die Skalierbarkeit erheblich.

Wie funktionieren die Layer-2-Lösungen von Bitcoin?

Layer-2-Lösungen für Bitcoin arbeiten außerhalb der Blockchain, wodurch die Belastung der primären Blockchain erheblich reduziert wird. Dies ermöglicht es den Nutzern, zahlreiche Transaktionen durchzuführen, ohne jede einzelne direkt auf der Blockchain aufzuzeichnen, wodurch der Durchsatz erhöht und die Gebühren drastisch gesenkt werden, wodurch Massenzahlungen leichter durchführbar werden. Zu den wichtigsten Implementierungen von Bitcoin-Layer-2-Lösungen gehören State Channels, Rollups und Sidechains.

Die staatlichen Kanäle

State Channels sind eine Schlüsselkomponente von Layer-2-Lösungen, die schnelle und kostengünstige Transaktionen zwischen Nutzern durch die Nutzung dedizierter Kommunikationskanäle ermöglichen. Bei Kryptowährungstransaktionen findet in der Regel eine Interaktion zwischen Wallets statt, die eine Blockchain-Konsensvalidierung zur Aktualisierung des Netzwerkstatus erfordert. Für jede Transaktion ist eine Validierung erforderlich, was zu Verzögerungen und Kosten führt.

State Channels rationalisieren diesen Prozess, indem sie den Teilnehmern ermöglichen, Transaktionen außerhalb der Kette durchzuführen. Es wird eine Multisig-Adresse erstellt, die Gelder im Namen der Teilnehmer verwaltet. Transaktionen aktualisieren den Off-Chain-Status, ohne die Hauptblockchain zu berühren, wobei jede neue Transaktion den vorherigen Status überschreibt.

Diese Off-Chain-Kommunikation wird bis zum Ende der Sitzung fortgesetzt. Zu diesem Zeitpunkt werden die Endsalden konsolidiert und als eine einzige Transaktion an die Hauptblockchain übermittelt, wodurch der Netzwerkstatus aktualisiert wird. State Channels erhöhen die Transaktionsgeschwindigkeit und senken die Gebühren, was insbesondere bei Mehrfachüberweisungen von Vorteil ist. Ein Beispiel für diese Technologie ist das Lightning Network, das für Kleinstbeträge konzipiert wurde.

Das Lightning Network (LN) ist eine Layer-2-Bitcoin-Lösung, die Zahlungskanäle zwischen Nutzern nutzt, um Transaktionen zu erleichtern. Das Konzept geht auf einen Vorschlag von Satoshi Nakamoto aus dem Jahr 2009 zurück und wurde 2015 von Joseph Poon und Thaddeus Dryja weiterentwickelt, was in dem Papier "The Bitcoin Lightning Network" gipfelte. Das LN funktioniert außerhalb des Bitcoin-Hauptnetzwerks und verarbeitet bis zu einer Million Transaktionen pro Sekunde. Nutzer eröffnen einen LN-Kanal, indem sie Bitcoin auf eine Multisig-Adresse einzahlen und Transaktionen innerhalb des Kanals durchführen. Das Netzwerk aktualisiert die Salden und konsolidiert die Transaktionsdaten in einem einzigen Bitcoin-Blockchain-Eintrag, wenn der Kanal geschlossen wird.

Dieses Protokoll senkt die Gebühren erheblich und beschleunigt die Transaktionen. LN wird von zahlreichen Händlern und einigen zentralisierten Börsen für Ein- und Auszahlungen genutzt. Im Juni 2024 gibt es laut 1ML 13.600 LN-Knoten und 52.060 Zahlungskanäle mit einer Kapazität von 4.971 BTC (etwa 344 Millionen US-Dollar).

Seitenketten (Sidechains)

Sidechains bieten eine Möglichkeit, Transaktionen durchzuführen, ohne das Hauptnetz zu überlasten. Diese unabhängigen Blockchains sind mit dem Hauptnetz verbunden, arbeiten aber mit einem gewissen Grad an Autonomie und verwenden eigene Konsensalgorithmen und verschiedene Ansätze, die sich von State Channels unterscheiden. Im Gegensatz zur primären Ebene können Sidechains sehr unterschiedliche Architekturen haben. Bei Bitcoin ermöglichen Sidechains die Ausführung von Smart Contracts und untermauern komplexe Protokolle wie dezentrale Börsen (DEX).

Sidechains sind über Brücken mit dem Mainnet verbunden und erweitern die Funktionalität des Ökosystems. Benutzer können Vermögenswerte zwischen den Ketten übertragen, indem sie spezielle intelligente Verträge verwenden, die einen bestimmten Betrag in einem Netzwerk sperren und einen entsprechenden Betrag in einem anderen freigeben.

Die Implementierung von Sidechains variiert, insbesondere im Hinblick auf die Sicherheit. Einige Sidechains verwenden ihre eigenen Sicherheitssysteme und bleiben unabhängig von der Hauptblockchain, ermöglichen aber den Austausch von Ressourcen. Andere sind enger mit den Sicherheitsmechanismen des Hauptnetzwerks verbunden. Bemerkenswerte Beispiele für Bitcoin-Sidechains sind Stacks und das Rootstock Infrastructure Framework (RIF).

Stacks bietet Bitcoin-kompatible Smart Contracts und nutzt dabei die Sicherheit der Bitcoin-Blockchain. Diese semi-autonome Bitcoin-Sidechain arbeitet mit einem einzigartigen Konsens-Algorithmus namens Proof of Transfer (PoX), der Proof-of-Stake- und Proof-of-Burn-Mechanismen kombiniert. Sie verbindet Bitcoin-Miner und Stacks-Staker. Bitcoin-Miner verwenden BTC, um das Recht zu erwerben, Blöcke auf der Stacks-Sidechain zu validieren und erhalten dafür eine Belohnung in Form von STX-Tokens. Umgekehrt sperren die Stacks-Staker ihre STX, um BTC-Belohnungen zu erhalten.

Anstatt die Bitcoin-Blockchain direkt zu nutzen, verlässt sich Stacks bei der Validierung auf Bitcoin-Miner. Eine integrierte Brücke erleichtert den Transfer von Krypto-Vermögenswerten zwischen den Netzwerken, wobei SBTC für Bitcoin auf Stacks steht. Stacks unterstützt intelligente Verträge und DeFi-Anwendungen. Derzeit beträgt der Gesamtwert, der in Stacks gesperrt ist (TVL), mehr als 126 Millionen Dollar.

Die Rollups

Rollups sind Layer-2-Lösungen, die auf das Primärnetz aufgesetzt werden und hauptsächlich als Transaktionsausführungsschicht fungieren. Sie erhöhen die Transaktionsgeschwindigkeit und senken die Gebühren erheblich. Rollups fassen Transaktionen in Batches zusammen, die dann zur endgültigen Validierung an das Hauptnetz (Layer 1) gesendet werden. Jeder Stapel kann bis zu 10.000 Transaktionen enthalten.

Viele Rollup-Lösungen verwenden Zero-Knowledge-Proof-Methoden, die unter der Bezeichnung ZK-Rollups bekannt sind. Celestia Labs hat Rollkit entwickelt, eine Plattform, die einen modularen Rahmen für die Unterstützung souveräner Rollups auf der Bitcoin-Blockchain bietet. Nach Angaben des Projektteams ermöglicht Rollkit Entwicklern, Rollups mit benutzerdefinierten Ausführungsumgebungen zu erstellen und dabei die Datenverfügbarkeitsgarantien von Bitcoin und die Widerstandsfähigkeit gegen Reorganisation zu nutzen. Diese Technologie optimiert den Blockspace, reduziert die Gebühren und erleichtert die Implementierung von DeFi-Lösungen auf Bitcoin.

Die Entwicklung von Rollkit wurde durch das Taproot-Upgrade ermöglicht und durch das Ordinals-Protokoll inspiriert, das zeigte, wie beliebige Daten in Bitcoin-Blöcken veröffentlicht werden können. Die Entwickler mussten lediglich Funktionen zum Senden und Abrufen von Rollups implementieren. Rollkit unterstützt anpassbare Ausführungsschichten, einschließlich EVM, CosmWasm und Cosmos SDK. Das Team testete die Integration mit einem lokalen Bitcoin-Testnetz und Ethermint, um die Ethereum Virtual Machine (EVM) auszuführen. Ein weiteres Beispiel für ein Rollup-Projekt für das Bitcoin-Netzwerk ist das Merlin-Protokoll.

Das Merlin-Protokoll ist ein bahnbrechendes Rollup-Projekt zur Integration wertvoller Bitcoin-Vermögenswerte in die Ethereum Virtual Machine (EVM), das die Einschränkungen des Bitcoin-Netzwerks überwindet. Durch die Verwendung des BTC Connect-Protokolls von Particle Network können Nutzer direkt über ihre Bitcoin-Wallets auf das Netzwerk zugreifen. Um Skalierbarkeit zu erreichen, setzt Merlin ZK-Rollups ein, wobei der Abschluss von Transaktionen auf der Bitcoin-Blockchain erfolgt, was hohe Sicherheit gewährleistet.

Merlin unterstützt Web3-Wallets wie MetaMask und bietet so eine nahtlose Benutzererfahrung. Projekte, die auf Ethereum und anderen EVM-Netzwerken erstellt wurden, können mit minimalen Codeänderungen auf Merlin migriert werden. Das Protokoll unterstützt BRC-20- und ERC-Standard-Token und hat bereits DeFi-Anwendungen mit einem Gesamtwert von über 1 Milliarde US-Dollar angezogen.

Potenzielle Herausforderungen von Bitcoin-Layer-2-Lösungen

Layer-2-Lösungen und Sidechains im Bitcoin-Ökosystem stützen sich auf Brücken, um mit der Hauptblockchain zu interagieren. Dies beinhaltet in der Regel das Sperren von Vermögenswerten auf der Bitcoin-Hauptkette, während gleichwertige Token auf der sekundären Ebene ausgegeben werden. Diese Methode ist jedoch mit Sicherheitslücken behaftet. Bridges, die nach diesem Modell aufgebaut sind, waren häufig Ziel von Hackerangriffen, was zu Verlusten in Milliardenhöhe führte. Trotz laufender Bemühungen, die Brückenprotokolle zu verbessern, hängen viele Bitcoin-Layer-2-Lösungen immer noch von dem potenziell unsicheren Lock-and-Release-Modell ab.

Die Effektivität von Rollups und State Channels hängt von der Geschwindigkeit und den Kosten der Finalisierung im Hauptnetzwerk ab. Die Effizienz dieser Layer-2-Lösungen wird direkt von diesen Faktoren beeinflusst. Zwar haben sich viele bestehende Lösungen als praktikabel erwiesen, doch sind kontinuierliche Verbesserungen erforderlich. Signifikante Optimierungen wurden mit Ethereums Dencun-Upgrade erreicht, was darauf hindeutet, dass ähnliche Anstrengungen für die Weiterentwicklung der Bitcoin-Layer-2-Technologien unerlässlich sein werden.

Zukünftige Entwicklung der L2-Lösungen von Bitcoin

Die Layer-2-Lösungen von Bitcoin werden sich weiter entwickeln, die Funktionalität erweitern und die Netzwerkleistung verbessern.

Einige mögliche Entwicklungsrichtungen sind:

• Die technologischen Erweiterungen: Fortschritte bei kryptografischen Methoden und Konsensalgorithmen könnten die Sicherheit, Zuverlässigkeit und Benutzerfreundlichkeit von L2-Lösungen verbessern.
• Die breite Akzeptanz: Die zunehmende Sensibilisierung für neue Technologien könnte dazu führen, dass sie von vielen Marktteilnehmern und Organisationen angenommen werden.
• Die Integration mit TradFi: Die L2-Netzwerke von Bitcoin könnten sich enger mit den traditionellen Finanzsystemen verbinden und so den Weg für innovative Produkte und Dienstleistungen ebnen.
• Das Fokus auf Benutzerfreundlichkeit: Die Entwickler werden sich auf die Verbesserung der Benutzeroberfläche konzentrieren, um ein breiteres Publikum anzusprechen.
• Die Kollaboration und Standardisierung: Eine engere Zusammenarbeit zwischen L2-Projekten könnte zu einer Standardisierung und Interoperabilität führen.

Fazit

Layer-2-Lösungen spielen eine Schlüsselrolle bei der Verbesserung der Fähigkeit von Bitcoin, mehr Transaktionen zu verarbeiten und besser zu funktionieren, indem sie seine inhärenten Einschränkungen angehen. Durch die Abwicklung von Transaktionen außerhalb der Haupt-Blockchain verringern L2-Lösungen die Überlastung des Netzwerks, senken die Gebühren und ermöglichen schnellere Transaktionen. Diese Fortschritte machen Bitcoin anpassungsfähiger und unterstützen komplexe Anwendungen und Systeme. Technologien wie das Lightning Network, Stacks und das Merlin-Protokoll zeigen das Potenzial von L2-Lösungen, sich in Bitcoin zu integrieren und dessen Fähigkeiten zu erweitern. In dem Maße, wie diese Technologien voranschreiten, werden sie weiterhin das Wachstum und die Akzeptanz von Bitcoin in verschiedenen Sektoren fördern, einschließlich dezentraler Finanzen und traditioneller Finanzsysteme.