Was ist eine √úberlastung des Blockchain-Netzwerks?
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Was ist eine √úberlastung des Blockchain-Netzwerks?

Was ist eine √úberlastung des Blockchain-Netzwerks?

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Veröffentlicht May 23, 2023Aktualisiert Dec 11, 2023
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TL;DR

  • Eine √úberlastung des Blockchain-Netzwerks tritt auf, wenn die Anzahl der an das Netzwerk √ľbermittelten Transaktionen die Verarbeitungskapazit√§t des Netzwerks √ľbersteigt.

  • Erh√∂hte Transaktionsaktivit√§ten, kleine Blockgr√∂√üen und langsame Blockzeiten k√∂nnen zur Netzwerk√ľberlastung beitragen.

  • Zu den Folgen einer Netzwerk√ľberlastung geh√∂ren h√∂here Transaktionsgeb√ľhren, eine langsamere Transaktionsbest√§tigung und eine schlechte Benutzererfahrung.¬†

  • Im Fr√ľhjahr¬†2023 kam es zu einer √úberlastung des Bitcoin-Netzwerks, da die zunehmenden Transaktionsaktivit√§ten im Zusammenhang mit BRC-20-Tokens dazu f√ľhrten, dass ausstehende Transaktionen und Geb√ľhren in die H√∂he schossen.¬†

Was ist eine Netzwerk√ľberlastung?

Eine Netzwerk√ľberlastung tritt auf, wenn die Anzahl der an das Netzwerk √ľbermittelten Transaktionen seine Kapazit√§t zur Verarbeitung dieser Transaktionen √ľbersteigt. Zu diesem Ph√§nomen tragen mehrere Faktoren bei, darunter externe Faktoren wie Marktvolatilit√§t und intrinsische Netzwerkeigenschaften wie Blockgr√∂√üe und Blockzeit.¬†

Bevor wir uns mit den Details befassen, ist es wichtig, den Prozess zu untersuchen, durch den Bl√∂cke zur Blockchain hinzugef√ľgt werden.¬†

Wie funktioniert die Blockchain-Technologie? 

Eine Blockchain besteht aus einer Kette von Bl√∂cken, wobei jeder Block von Nutzern erstellte Transaktionsdaten enth√§lt. Jeder neue Block, der der Kette hinzugef√ľgt wird, ist dauerhaft und unver√§nderlich.¬†

Diese Bl√∂cke werden √ľber ein dezentrales Netzwerk von Nodes verbreitet, von denen jeder eine Kopie der Blockchain speichert. Gesichert durch Kryptografie und Spieltheorie, bildet die Blockchain das R√ľckgrat von Kryptow√§hrungen wie Bitcoin und Ethereum.

Um vollst√§ndig zu verstehen, warum Blockchain-Netzwerke √ľberlastet sein k√∂nnen, m√ľssen wir die Schl√ľsselkonzepte untersuchen, die f√ľr die F√§higkeit eines Netzwerks, Transaktionen zu verarbeiten, eine Rolle spielen: Mempools, Kandidatenbl√∂cke, Finalit√§t und das Prinzip der l√§ngsten Kette.

Was ist ein ‚ÄěMempool‚Äú?¬†

Als Mempool wird die Sammlung unbestätigter Transaktionen bezeichnet, die darauf warten, in den nächsten Block aufgenommen zu werden. 

Wenn beispielsweise eine Transaktion an das Bitcoin-Netzwerk gesendet wird, wird sie nicht sofort zur Blockchain hinzugef√ľgt. Stattdessen gelangt sie zun√§chst in den Mempool (kurz f√ľr Memory Pool), der im Wesentlichen ein Wartebereich f√ľr alle ausstehenden Transaktionen ist. Eine Transaktion wird aus dem Mempool entfernt, sobald sie best√§tigt wurde.¬†

Was sind ‚ÄěKandidatenbl√∂cke‚Äú?¬†

Kandidatenbl√∂cke, auch ‚Äěvorgeschlagene Bl√∂cke‚Äú genannt, sind diejenigen Bl√∂cke, deren Hinzuf√ľgung zur Blockchain von Minern oder Validierern vorgeschlagen wird. Diese Bl√∂cke enthalten unbest√§tigte Transaktionen, die an das Netzwerk gesendet, aber noch nicht in die Blockchain aufgenommen wurden.

Damit ein Kandidatenblock zu einem best√§tigten Block wird, muss er gem√§√ü dem Konsensmechanismus der Blockchain verarbeitet oder validiert werden. Beispielsweise erm√∂glicht der PoW-Konsensmechanismus (Proof of Work) von Bitcoin, dass Miner bei der L√∂sung komplexer mathematisches R√§tsel miteinander konkurrieren. Der erste Miner, der das R√§tsel l√∂st, darf seinen Kandidatenblock zur Blockchain hinzuf√ľgen und erh√§lt eine Belohnung.

Beim PoS-Konsensmechanismus (Proof of Stake) von Ethereum werden Validierer nach dem Zufallsprinzip ausgew√§hlt, um Kandidatenbl√∂cke vorzuschlagen. Andere Validierer bescheinigen die G√ľltigkeit des Blocks. Wenn ein Block gen√ľgend Attestierungen erh√§lt, wechselt er von einem Kandidatenblock zu einem best√§tigten Block.

Was ist ‚ÄěFinalit√§t‚Äú in der Blockchain?¬†

Finalit√§t liegt dann vor, wenn eine Transaktion oder ein Vorgang nicht mehr ge√§ndert oder r√ľckg√§ngig gemacht werden kann. Sobald eine Transaktion final ist, wird sie dauerhaft in der Blockchain aufgezeichnet und kann nicht mehr ge√§ndert oder entfernt werden.

In der Bitcoin-Blockchain werden Transaktionen an das Netzwerk gesendet und dem Mempool hinzugef√ľgt. Miner w√§hlen Transaktionen aus diesem Pool aus, verifizieren sie und nehmen sie in neue Bl√∂cke auf, die der Blockchain hinzugef√ľgt werden. Die in dem betreffenden Block enthaltenen Transaktionen gelten als best√§tigt, aber theoretisch ist es f√ľr andere Miner immer noch m√∂glich, einen konkurrierenden Block zu erstellen.¬†

Die Finalit√§t von Transaktionen steigt mit der Anzahl der best√§tigten Bl√∂cke. Bitcoin-Transaktionen gelten in der Regel als ‚Äěfinal‚Äú, sobald dem Block, in dem sie enthalten sind, weitere sechs Bl√∂cke hinzugef√ľgt wurden. Aufgrund der k√ľrzeren Blockzeit von Ethereum wird eine gr√∂√üere Anzahl von Best√§tigungen empfohlen, um ein √§hnliches Ma√ü an Vertrauen in die ‚ÄěFinalit√§t‚Äú zu erreichen.

Was ist das Prinzip der ‚Äěl√§ngsten Kette‚Äú?¬†

Wie oben dargestellt, k√∂nnen mehrere Miner nahezu gleichzeitig neue g√ľltige Bl√∂cke produzieren. Dies kann zu tempor√§ren Forks in der Blockchain f√ľhren.

Das Prinzip der ‚Äěl√§ngsten Kette‚Äú bezieht sich auf die Regel, dass die g√ľltige Version der Blockchain diejenige ist, in die die meiste Rechenarbeit investiert wurde, also typischerweise diejenige mit der l√§ngsten Kette von Bl√∂cken. Infolgedessen werden die ‚Äěg√ľltigen‚Äú Bl√∂cke in den k√ľrzeren Ketten¬†‚Äď oft als verwaiste oder veraltete Bl√∂cke bezeichnet¬†‚Äď verworfen, und ihre Transaktionen werden an den Mempool zur√ľckgegeben.

Ethereum verwendete das Prinzip der l√§ngsten Kette, als das Netzwerk Proof of Work (PoW) verwendete. Nach dem √úbergang von Ethereum zu Proof of Stake (PoS) im Jahr¬†2022 f√ľhrte das Netzwerk einen aktualisierten Fork-Choice-Algorithmus ein, der das ‚ÄěGewicht‚Äú der Kette misst, das die kumulierte Summe der Validierer-Stimmen gewichtet nach der Anzahl der von den Validierern gestakten Ether darstellt.

Was verursacht eine Überlastung des Blockchain-Netzwerks? 

Eine √úberlastung des Blockchain-Netzwerks tritt auf, wenn die Anzahl der an das Netzwerk √ľbermittelten Transaktionen die Kapazit√§t des Netzwerks f√ľr deren Verarbeitung √ľbersteigt.

Es gibt mehrere Gr√ľnde, warum Blockchain-Netzwerke √ľberlastet sein k√∂nnen:¬†

Erhöhte Nachfrage

Da immer mehr Menschen Transaktionen an die Blockchain √ľbermitteln, kann die Anzahl der unbest√§tigten Transaktionen im Mempool die Menge √ľbersteigen, die in einem einzelnen Block enthalten sein kann. Dies ist besonders relevant f√ľr Blockchains mit inh√§renten Einschr√§nkungen hinsichtlich Blockgr√∂√üe und Blockzeit.¬†

Eine Zunahme der Transaktionen kann durch pl√∂tzliche Kursschwankungen verursacht werden, die zu einem Anstieg der Transaktionsaktivit√§ten oder Wellen von Masseneinf√ľhrungszyklen f√ľhren.¬†

Kleine Blockgröße

Jede Blockchain hat eine Blockgröße, die die maximale Größe eines Blocks definiert. Diese Blockgröße begrenzt, wie viele Transaktionen ein Block umfassen kann. 

Beispielsweise wurde Bitcoin urspr√ľnglich so konzipiert, dass die Blockgr√∂√üe auf 1¬†Megabyte begrenzt war. Im Jahr¬†2017 f√ľhrte Bitcoin ein Upgrade namens Segregated Witness oder SegWit ein, um den Transaktionsdurchsatz zu verbessern. Dadurch wurde die theoretische Blockgr√∂√üenbeschr√§nkung auf etwa 4¬†MB erh√∂ht.¬†

Wenn die Anzahl der Transaktionen diese Grenze √ľberschreitet, kommt es zu einer √úberlastung des Netzwerks.

Langsame Blockzeiten 

Die Blockzeit gibt an, wie oft ein neuer Block zur Blockchain hinzugef√ľgt wird. Bitcoin f√ľgt etwa alle 10¬†Minuten einen neuen Block hinzu. Wenn Transaktionen mit einer viel schnelleren Geschwindigkeit und einem viel schnelleren Volumen erstellt werden, entsteht ein Transaktionsstau.

Welche Folgen hat eine Netzwerk√ľberlastung?¬†

Eine Überlastung des Blockchain-Netzwerks kann mehrere negative Folgen haben, die die reibungslose Funktion eines Netzwerks beeinträchtigen. 

Erh√∂hte Transaktionsgeb√ľhren¬†

Miner erhalten einen Anreiz, Transaktionen zu priorisieren, bei denen h√∂here Geb√ľhren anfallen. Wenn also ein Blockchain-Netzwerk √ľberlastet ist, m√ľssen Nutzer oft h√∂here Transaktionsgeb√ľhren zahlen, damit die Miner ihre Transaktionen priorisieren. Dies kann die Kosten f√ľr die Nutzung der Blockchain insbesondere bei kleineren Transaktionen in die H√∂he treiben.

Verzögerte Transaktionsbestätigung 

Eine √úberlastung des Netzwerks kann zu l√§ngeren Wartezeiten auf Transaktionsbest√§tigungen und deren Finalit√§t f√ľhren. In extremen F√§llen kann es mehrere Stunden, Tage oder sogar l√§nger dauern, bis Transaktionen best√§tigt werden. Dies kann zu Frustration bei den Nutzern f√ľhren.¬†

Schlechte Benutzererfahrung 

Hohe Geb√ľhren und langsame Best√§tigungszeiten beeintr√§chtigen die Benutzererfahrung und somit die Akzeptanz der Blockchain.

Marktvolatilität 

Überlastungen könnten die Unsicherheit verstärken und zur Marktvolatilität beitragen. Wenn viele Nutzer versuchen, eine Kryptowährung zu verkaufen, das Netzwerk jedoch zu stark ausgelastet ist, um die betreffenden Transaktionen abzuwickeln, können Nutzer in Panik geraten und versuchen, ihre Bestände schnell abzustoßen.

Doch das ist noch nicht alles: Es kann weitere Konsequenzen geben, darunter eine Beeintr√§chtigung der Sicherheit sowie das Risiko einer st√§rkeren Netzwerkzentralisierung. Insbesondere k√∂nnen l√§ngere Best√§tigungszeiten das Risiko von Double-Spending-Angriffen erh√∂hen, und teure Geb√ľhren k√∂nnten zu einer Zentralisierung der Mining-Macht f√ľhren.¬†¬†

Beispiele f√ľr Netzwerk√ľberlastung¬†

Sowohl im Bitcoin- als auch im Ethereum-Netzwerk ist es bereits zu erheblichen Netzwerk√ľberlastungen gekommen.¬†¬†

√úberlastung des Bitcoin-Netzwerks

Der bemerkenswerte Kursanstieg von Bitcoin zwischen Ende¬†2017 und Anfang¬†2018 f√ľhrte zu einem der bislang bedeutendsten Ereignisse einer Netzwerk√ľberlastung. Die zunehmende Popularit√§t von Bitcoin resultierte in einem massiven Anstieg der Nachfrage und der Transaktionen, was erhebliche Verz√∂gerungen und atemberaubende Erh√∂hungen der Transaktionsgeb√ľhren zur Folge hatte. Zeitweise lagen die durchschnittlichen Transaktionsgeb√ľhren bei √ľber 50¬†US-Dollar.

Im Fr√ľhjahr¬†2023 kam es erneut zu einer √úberlastung des Bitcoin-Netzwerks, als die zunehmenden Transaktionsaktivit√§ten im Zusammenhang mit BRC-20-Tokens dazu f√ľhrten, dass ausstehende Transaktionen und Geb√ľhren in die H√∂he schossen.¬† Zeitweise wurden fast 400.000 unbest√§tigte Transaktionen verzeichnet, was in einem Engpass im Mempool resultierte. Die Transaktionsgeb√ľhren stiegen innerhalb weniger Wochen um √ľber 300¬†%.¬†

√úberlastung des Ethereum-Netzwerks

Eine bemerkenswerte √úberlastung des Ethereum-Netzwerks ereignete sich im Jahr¬†2017, als das Projekt ‚ÄěCryptoKitties‚Äú viral ging und das Netzwerk erheblich verlangsamte. Aufgrund des DeFi-Booms kam es ebenfalls zu Netzwerk√ľberlastungen, was zu einem Anstieg der Gaspreise f√ľhrte.

Jedes Blockchain-Netzwerk kann √ľberlastet werden. Aber F√§lle von Netzwerk√ľberlastung bei Bitcoin und Ethereum haben mehr Aufmerksamkeit erregt als bei anderen Blockchains, da sie aufgrund ihrer Beliebtheit und Bedeutung gr√∂√üere Auswirkungen hatten.¬†¬†

L√∂sungen zur Linderung von Netzwerk√ľberlastungen

Die Bewältigung der Überlastung des Blockchain-Netzwerks ist ein komplexes Problem. Es gibt mehrere Ansätze, und jeder hat seine Vor- und Nachteile. 

Erhöhung der Blockgröße

Durch die Erh√∂hung der Blockgr√∂√üe k√∂nnen mehr Transaktionen pro Block verarbeitet werden, wodurch der Durchsatz des Netzwerks effektiv erh√∂ht wird. Die Ausbreitung gr√∂√üerer Bl√∂cke durch das Netzwerk dauert jedoch l√§nger, was das Risiko tempor√§rer Forks erh√∂ht. Au√üerdem wird mehr Speicherplatz ben√∂tigt, was zu einer st√§rkeren Zentralisierung f√ľhren kann.

Verk√ľrzung der Blockzeit¬†

Durch die Reduzierung der Blockzeit kann das Netzwerk Transaktionen schneller verarbeiten. Allerdings k√∂nnen k√ľrzere Blockzeiten die Anzahl verwaister Bl√∂cke erh√∂hen und m√∂glicherweise die Sicherheit gef√§hrden.

Layer-2-Lösungen 

Diese Off-Chain-L√∂sungen verarbeiten Transaktionen au√üerhalb der Hauptblockchain und zeichnen nur den Endzustand in der Kette auf. Beispiele f√ľr diese L√∂sungen sind das Lightning Network von Bitcoin und Plasma von Ethereum. Diese L√∂sungen k√∂nnen die Skalierbarkeit erh√∂hen, sind jedoch komplex in der Implementierung und bringen mitunter zus√§tzliche Sicherheitsprobleme mit sich.

Sharding 

Sharding ist eine Technik, bei der die Blockchain in mehrere kleinere Shards aufgeteilt wird, die jeweils Transaktionen und Smart Contracts verarbeiten können. Dadurch kann die Kapazität eines Netzwerks erheblich erhöht werden. Doch ähnlich wie bei Layer-2-Lösungen erhöht Sharding die Komplexität und kann zusätzliche Sicherheitsrisiken mit sich bringen.

Weitere m√∂gliche L√∂sungen f√ľr Netzwerk√ľberlastungen sind Geb√ľhrenanpassungen und Skalierungsl√∂sungen, einschlie√ülich optimistischer und Zero-Knowledge-Rollups. Der Proof-of-Stake-Konsensmechanismus (PoS) ist im Allgemeinen schneller als Proof of Work (PoW).¬†¬†

Abschießende Gedanken 

Da erwartet wird, dass die Blockchain-Technologie in den kommenden Jahren von mehr Nutzern √ľbernommen wird, gewinnt das Problem der Netzwerk√ľberlastung an Bedeutung. Die F√§higkeit eines Netzwerks, ein gro√ües Transaktionsvolumen effizient zu verarbeiten, ist entscheidend f√ľr eine breite Akzeptanz und Benutzerfreundlichkeit. Dies ist besonders relevant f√ľr Blockchain-Systeme, die allt√§gliche Transaktionen in Echtzeit erm√∂glichen sollen.

Während die Überlastung des Blockchain-Netzwerks erhebliche Herausforderungen mit sich bringt, entwickelt die Community stets neue Lösungen, um diese Probleme zu entschärfen. Aus diesem Grund steht die Forschung zur Verbesserung der Blockchain-Skalierbarkeit im Vordergrund der Branche. 

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