Was ist Blockchain-Netzwerküberlastung?

Grundlagen

Netzwerküberlastung in einer Blockchain entsteht, wenn das Transaktionsaufkommen die Kapazität des Netzwerks übersteigt, sie effizient zu verarbeiten. Zu den beitragenden Faktoren gehören ein plötzlicher Anstieg der Transaktionsaktivität, begrenzte Blockgrößen und verzögerte Blockbestätigungszeiten. Die Folgen einer Netzwerküberlastung können erheblich sein: höhere Transaktionsgebühren, längere Bestätigungszeiten und ein suboptimales Nutzererlebnis. Ein konkretes Beispiel trat im Frühjahr 2023 auf, als das Bitcoin-Netzwerk aufgrund verstärkter Transaktionen im Zusammenhang mit BRC‑20‑Token überlastet war. Dadurch häuften sich die ausstehenden Transaktionen, und die Gebühren erreichten ein bisher ungekanntes Niveau.

Wie entsteht Blockchain-Netzwerküberlastung?

Netzwerküberlastung tritt auf, wenn das Transaktionsvolumen die Verarbeitungsfähigkeit eines Netzwerks übersteigt. Verschiedene Faktoren beeinflussen dieses Phänomen, darunter externe Einflüsse wie Marktvolatilität und netzwerkspezifische Eigenschaften wie Blockgröße und Blockzeit. Bevor auf die Details eingegangen wird, ist es wichtig zu verstehen, wie Blöcke zur Blockchain hinzugefügt werden.

Blockchain‑Technologie: Wie funktioniert sie?

Kernstück der Blockchain‑Technologie ist eine Kette miteinander verbundener Blöcke, wobei jeder Block Transaktionsdaten enthält, die von Nutzern erstellt wurden. Diese Blöcke sind unveränderlich, sobald sie zur Kette hinzugefügt wurden. Sie werden über ein dezentrales Netzwerk von Knoten verteilt, wobei jeder Knoten eine Kopie der gesamten Blockchain speichert. Durch kryptografische Verfahren und Anreize bildet die Blockchain die Infrastruktur für bekannte Kryptowährungen wie Bitcoin und Ethereum.

Um die Ursachen von Überlastungen in Blockchain‑Netzwerken zu verstehen, müssen zentrale Konzepte betrachtet werden, die die Transaktionsverarbeitungs‑Kapazität beeinflussen. Dazu gehören Mempools, Kandidatenblöcke, Finality und das Prinzip der längsten Kette.

Was ist ein „Mempool“? 

Ein Mempool fungiert als Speicher für unverifizierte Transaktionen, die auf die Aufnahme in den nächsten Block einer Blockchain warten. Wenn ein Nutzer eine Transaktion im Bitcoin‑Netzwerk initiiert, durchläuft sie einen Prozess, bevor sie dauerhaft in der Blockchain aufgezeichnet wird. Zuerst gelangt die Transaktion in den Mempool, der als temporärer Haltebereich für ausstehende Transaktionen dient. Transaktionen verbleiben im Mempool, bis sie bestätigt und in einen Block aufgenommen werden. Die Bestätigung erfolgt, wenn Miner die Transaktion validieren, indem sie sie in einen neu geminten Block aufnehmen. Nach der Bestätigung wird die Transaktion aus dem Mempool entfernt und dauerhaft an die Blockchain angehängt, wodurch ihre Unveränderlichkeit gewährleistet ist.

Was sind „Candidate Blocks“?

Kandidatenblöcke, auch als vorgeschlagene Blöcke bezeichnet, sind Blöcke, die Miner oder Validatoren als mögliche Ergänzungen der Blockchain einreichen. Diese Blöcke enthalten unbestätigte Transaktionen, die an das Netzwerk gesendet wurden, aber noch nicht Teil der Blockchain sind.

Um zu einem bestätigten Block zu werden, muss ein Kandidatenblock den Mining‑ oder Validierungsprozess durchlaufen, wie ihn der jeweilige Konsensmechanismus der Blockchain vorschreibt. Im Fall des Proof of Work (PoW) von Bitcoin konkurrieren Miner darum, ein komplexes mathematisches Rätsel zu lösen. Der erste Miner, dem dies gelingt, erhält die Möglichkeit, seinen Kandidatenblock zur Blockchain hinzuzufügen und eine Belohnung zu erhalten.

Beim Proof of Stake (PoS) von Ethereum werden Validatoren zufällig ausgewählt, um Kandidatenblöcke vorzuschlagen. Andere Validatoren geben dann Attestierungen ab, um die Gültigkeit des Blocks zu überprüfen. Sobald ein Kandidatenblock ausreichend Attestierungen erhalten hat, wechselt er vom Kandidatenstatus zum bestätigten Block.

Was bedeutet Blockchain‑„Finality“? 

Finality im Blockchain‑Kontext bezeichnet den Zustand, in dem eine Transaktion oder Operation unwiderruflich wird und nicht mehr geändert oder rückgängig gemacht werden kann. Sobald eine Transaktion Finality erreicht, ist sie unveränderlich und dauerhaft in der Blockchain gespeichert. Im Bitcoin‑Netzwerk werden Transaktionen an das Netzwerk gesendet und im Mempool gesammelt. Miner wählen Transaktionen aus diesem Pool aus, validieren sie und fügen sie neuen Blöcken hinzu, die der Blockchain beigefügt werden. Die in einem Block enthaltenen Transaktionen gelten als bestätigt, doch besteht theoretisch weiterhin die Möglichkeit, dass andere Miner einen konkurrierenden Block minen.

Das Maß an Finality einer Transaktion steigt, je mehr Blöcke nach dem Block mit dieser Transaktion angehängt werden. Beim Bitcoin gelten Transaktionen in der Regel als „final“, wenn zum Block mit der Transaktion noch sechs zusätzliche Blöcke hinzugefügt wurden. Ethereum mit seiner kürzeren Blockzeit empfiehlt eine höhere Anzahl an Bestätigungen, um ein ähnliches Vertrauen in die Finalität zu erreichen.

Prinzip der „längsten Kette“: Was ist das?

Wie bereits erläutert, ist es möglich, dass mehrere Miner gleichzeitig gültige Blöcke erzeugen, was zu temporären Gabelungen (Forks) in der Blockchain führt. Das Prinzip der „längsten Kette“ besagt, dass die gültige Version der Blockchain durch den in sie investierten Rechenaufwand bestimmt wird, typischerweise dargestellt durch die längste Kette von Blöcken. Dementsprechend werden die Blöcke in kürzeren Ketten, oft als orphan oder stale blocks bezeichnet, verworfen, und die darin enthaltenen Transaktionen gelangen zurück in den Mempool.

Bei Ethereum wurde das Prinzip der längsten Kette angewendet, als das Netzwerk noch Proof of Work nutzte. Nach dem Wechsel zu Proof of Stake (PoS) im Jahr 2022 übernahm das Netzwerk einen aktualisierten Fork‑Choice‑Algorithmus, der das „Gewicht“ einer Kette bewertet. Dieses Gewicht wird anhand der kumulierten Summe der Validator‑Stimmen berechnet und berücksichtigt die von Validatoren hinterlegten Ether‑Bestände.

Blockchain‑Netzwerküberlastung: Was verursacht sie?

Blockchain‑Netzwerküberlastung entsteht, wenn das Volumen der eingereichten Transaktionen die Verarbeitungsfähigkeit des Netzwerks übersteigt. Zu den Ursachen gehören unter anderem:

• Gesteigerte Nachfrage: Wenn mehr Nutzer Transaktionen an die Blockchain senden, kann die Anzahl der unbestätigten Transaktionen im Mempool die Kapazität eines einzelnen Blocks überschreiten. Dies ist besonders relevant für Blockchains mit festen Blockgrößen und Zeitbegrenzungen. Eine erhöhte Nachfrage kann durch plötzliche Preisvolatilität, einen Transaktionsanstieg oder Wellen massiver Adaption ausgelöst werden.
• Kleine Blockgröße: Jede Blockchain hat eine festgelegte Blockgröße, die die maximale Anzahl an Transaktionen pro Block bestimmt. Bitcoin hatte beispielsweise ursprünglich ein Blockgrößenlimit von 1 Megabyte. Upgrades wie Segregated Witness (SegWit) haben die theoretische Limitgröße auf etwa 4 Megabyte erhöht. Wenn die Anzahl der Transaktionen dieses Limit überschreitet, führt das zu Netzwerküberlastung.
• Langsame Blockzeiten: Die Blockzeit bezeichnet das Intervall zwischen aufeinanderfolgenden Blöcken in der Blockchain. Bitcoin strebt beispielsweise eine Blockzeit von etwa 10 Minuten an. Wenn Transaktionen schneller und in größerer Zahl erzeugt werden, als das Netzwerk verarbeiten kann, entsteht ein Rückstau von Transaktionen, der zur Überlastung beiträgt.

Zusammengefasst kann Netzwerküberlastung durch gesteigerte Nachfrage, kleine Blockgrößen und langsame Blockzeiten entstehen und die Fähigkeit des Netzwerks, Transaktionen effizient zu verarbeiten, erheblich beeinträchtigen.

Wie wirkt sich Netzwerküberlastung auf die Blockchain aus?

Netzwerküberlastung kann mehrere negative Folgen haben, die den reibungslosen Betrieb eines Netzwerks stören. Dazu zählen:

Steigende Transaktionsgebühren

Bei Überlastung zahlen Nutzer oft höhere Gebühren, um die Aufmerksamkeit der Miner zu gewinnen und ihre Transaktionen zu priorisieren. Das macht die Nutzung der Blockchain teurer, insbesondere für kleinere Transaktionen, da höhere Gebühren erforderlich sind, um eine zügige Verarbeitung sicherzustellen.

Verzögerte Bestätigungszeiten

Überlastung kann zu längeren Wartezeiten bis zur Bestätigung und Finalisierung von Transaktionen führen. Manchmal bleiben Transaktionen für Stunden, Tage oder noch länger unbestätigt. Solche Verzögerungen können zu Frustration bei Nutzern führen, die zeitnahe Bestätigungen erwarten.

Schlechtes Nutzererlebnis

Hohe Gebühren und langsame Bestätigungen beeinträchtigen das Nutzererlebnis erheblich. Wenn Nutzer teure Gebühren und lange Wartezeiten erleben, verringert das ihre Zufriedenheit und ihr Vertrauen in die Blockchain. Dies kann die Akzeptanz und Nutzbarkeit der Technologie behindern.

Marktvolatilität

Netzwerküberlastung kann die Marktvolatilität verstärken. Wenn viele Nutzer während einer Überlastungsphase ihre Bestände verkaufen möchten, das Netzwerk diese Transaktionen aber nicht effizient verarbeiten kann, entsteht Unsicherheit, die die Volatilität potenziell verstärken kann.

Darüber hinaus kann Überlastung Sicherheitsrisiken und eine stärkere Zentralisierung des Netzwerks begünstigen. Längere Bestätigungszeiten erhöhen das Risiko von Double‑Spending‑Angriffen, bei denen ein Nutzer versucht, dieselben Kryptowährungen mehrfach auszugeben, bevor Transaktionen bestätigt sind. Hohe Gebühren können zudem die Mining‑ oder Validierungsleistung bei wenigen Teilnehmern konzentrieren, was die Dezentralisierung verringert. Netzwerküberlastung kann somit zu höheren Gebühren, verzögerten Bestätigungen, schlechtem Nutzererlebnis, Marktvolatilität, Sicherheitsrisiken und Zentralisierungstendenzen führen. Diese Herausforderungen betonen die Bedeutung von Skalierbarkeits‑ und Optimierungsmaßnahmen, um einen effizienten Betrieb von Blockchain‑Netzwerken sicherzustellen.

Beispiele für Blockchain‑Netzwerküberlastung

Die Netzwerke von Bitcoin und Ethereum haben wiederholt signifikante Überlastungsphasen erlebt, die zu Nutzerschwierigkeiten und Leistungseinbußen führten.

Bitcoin‑Netzwerküberlastung

Bitcoin erlebte eine deutliche Phase der Überlastung während des Preisanstiegs Ende 2017 und Anfang 2018. Die gestiegene Popularität und Nachfrage führten zu einem massiven Transaktionszufluss, was erhebliche Verzögerungen und hohe Transaktionsgebühren zur Folge hatte. Zu einem Zeitpunkt stiegen die durchschnittlichen Gebühren auf über 50 US‑Dollar, wodurch Transaktionen teuer und zeitaufwendig wurden.

Im Frühjahr 2023 trat erneut eine Überlastung im Bitcoin‑Netzwerk auf, ausgelöst durch ein erhöhtes Transaktionsaufkommen im Zusammenhang mit BRC‑20‑Token. Dieser Ansturm führte zu einer explosionsartig wachsenden Zahl ausstehender Transaktionen und stark steigenden Gebühren. Der Mempool verzeichnete einen Engpass mit nahezu 400.000 unbestätigten Transaktionen. Innerhalb weniger Wochen stiegen die Transaktionsgebühren um mehr als 300 %.

Ethereum‑Netzwerküberlastung

Auch das Ethereum‑Netzwerk war von Überlastungen betroffen. 2017 verlangsamen der virale Erfolg des Projekts „CryptoKitties“ das Ethereum‑Netzwerk erheblich. Die überwältigende Nachfrage und die mit dem Projekt verbundenen Transaktionen führten zu Verzögerungen und höheren Gaspreisen.

Darüber hinaus hat der Boom dezentraler Finanzanwendungen (DeFi) auf Ethereum zur Überlastung beigetragen. Die hohe Nachfrage nach der Ausführung von Smart Contracts und Interaktion mit DeFi‑Protokollen ließ die Gaspreise steigen und machte Transaktionen für Nutzer teurer.

Während jedes Blockchain‑Netzwerk überlastet sein kann, erhielten die Fälle bei Bitcoin und Ethereum besonders viel Aufmerksamkeit aufgrund ihrer Verbreitung und Bedeutung im Kryptowährungsökosystem. Die Auswirkungen dieser Überlastungen unterstreichen die Notwendigkeit von Skalierungslösungen und Optimierungen, um die Transaktionsverarbeitung zu glätten und zu beschleunigen.

Lösungen zur Entlastung von Netzwerküberlastung

Die Bekämpfung von Netzwerküberlastung ist komplex und erfordert verschiedene Ansätze mit jeweiligen Vor‑ und Nachteilen. Hier einige Strategien:

Blockgröße erhöhen

Dieser Ansatz erweitert die Größe jedes Blocks, sodass mehr Transaktionen gleichzeitig verarbeitet werden können. Größere Blöcke erhöhen den Durchsatz, benötigen jedoch länger zur Verbreitung im Netzwerk, was temporäre Gabelungen begünstigen kann. Zudem erfordern größere Blöcke mehr Speicherplatz, was Zentralisierungs‑Bedenken hervorrufen kann.

Blockzeit verkürzen

Eine Verringerung der Zeit zur Erzeugung neuer Blöcke kann die Transaktionsverarbeitung beschleunigen. Kürzere Blockzeiten können jedoch zu einer höheren Anzahl verwaister Blöcke führen und damit die Sicherheit der Blockchain vermindern.

Layer‑2‑Lösungen

Off‑chain‑Lösungen ermöglichen Transaktionen außerhalb der Hauptblockchain, wobei der finale Zustand on‑chain aufgezeichnet wird. Beispiele sind das Lightning Network für Bitcoin und Plasma oder Rollups für Ethereum. Layer‑2‑Lösungen können die Skalierbarkeit deutlich erhöhen, erfordern aber komplexe Implementierung und sorgfältige Sicherheitsüberprüfungen.

Sharding

Sharding teilt die Blockchain in kleinere Shards auf, von denen jeder Transaktionen verarbeiten und Smart Contracts unabhängig ausführen kann. Diese Methode kann die Kapazität des Netzwerks erheblich steigern. Allerdings bringt Sharding, ähnlich wie Layer‑2‑Ansätze, zusätzliche Komplexität und potenzielle Sicherheitsrisiken mit sich.

Weitere Maßnahmen zur Entlastung umfassen Anpassungen von Gebührenmodellen und Skalierungslösungen wie optimistic und zero‑knowledge Rollups. Auch die Umstellung auf Proof of Stake (PoS), der in der Regel schneller ist als Proof of Work (PoW), kann die Effizienz erhöhen. Bei der Auswahl geeigneter Maßnahmen ist eine sorgfältige Abwägung von Vor‑ und Nachteilen sowie eine gründliche Analyse der Anforderungen, Sicherheitsaspekte und Nutzerbedürfnisse des jeweiligen Netzwerks essenziell.

Fazit 

Probleme mit Netzwerküberlastungen werden zunehmend relevanter, da immer mehr Nutzer Blockchain‑Technologien einsetzen. Damit eine Blockchain breit angenommen und wertvoll ist, muss sie in der Lage sein, ein hohes Transaktionsvolumen effizient zu verarbeiten. Dies ist besonders wichtig für Systeme, die Echtzeit‑ oder Alltagszahlungen ermöglichen sollen. Obwohl Netzwerküberlastung eine große Herausforderung darstellt, arbeitet die Community aktiv an Lösungen. Die Branche investiert kräftig in Skalierbarkeitsforschung und Optimierungen, um Blockchain‑Netzwerke zukunftsfähig zu machen.