TL;DR
Eine Überlastung des Blockchain-Netzwerks tritt auf, wenn die Anzahl der an das Netzwerk übermittelten Transaktionen die Verarbeitungskapazität des Netzwerks übersteigt.
Erhöhte Transaktionsaktivitäten, kleine Blockgrößen und langsame Blockzeiten können zur Netzwerküberlastung beitragen.
Zu den Folgen einer Netzwerküberlastung gehören höhere Transaktionsgebühren, eine langsamere Transaktionsbestätigung und eine schlechte Benutzererfahrung.
Im Frühjahr 2023 kam es zu einer Überlastung des Bitcoin-Netzwerks, da die zunehmenden Transaktionsaktivitäten im Zusammenhang mit BRC-20-Tokens dazu führten, dass ausstehende Transaktionen und Gebühren in die Höhe schossen.
Was ist eine Netzwerküberlastung?
Eine Netzwerküberlastung tritt auf, wenn die Anzahl der an das Netzwerk übermittelten Transaktionen seine Kapazität zur Verarbeitung dieser Transaktionen übersteigt. Zu diesem Phänomen tragen mehrere Faktoren bei, darunter externe Faktoren wie Marktvolatilität und intrinsische Netzwerkeigenschaften wie Blockgröße und Blockzeit.
Bevor wir uns mit den Details befassen, ist es wichtig, den Prozess zu untersuchen, durch den Blöcke zur Blockchain hinzugefügt werden.
Wie funktioniert die Blockchain-Technologie?
Eine Blockchain besteht aus einer Kette von Blöcken, wobei jeder Block von Nutzern erstellte Transaktionsdaten enthält. Jeder neue Block, der der Kette hinzugefügt wird, ist dauerhaft und unveränderlich.
Diese Blöcke werden über ein dezentrales Netzwerk von Nodes verbreitet, von denen jeder eine Kopie der Blockchain speichert. Gesichert durch Kryptografie und Spieltheorie, bildet die Blockchain das Rückgrat von Kryptowährungen wie Bitcoin und Ethereum.
Um vollständig zu verstehen, warum Blockchain-Netzwerke überlastet sein können, müssen wir die Schlüsselkonzepte untersuchen, die für die Fähigkeit eines Netzwerks, Transaktionen zu verarbeiten, eine Rolle spielen: Mempools, Kandidatenblöcke, Finalität und das Prinzip der längsten Kette.
Was ist ein „Mempool“?
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 hinzugefügt. Stattdessen gelangt sie zunächst in den Mempool (kurz für Memory Pool), der im Wesentlichen ein Wartebereich für alle ausstehenden Transaktionen ist. Eine Transaktion wird aus dem Mempool entfernt, sobald sie bestätigt wurde.
Was sind „Kandidatenblöcke“?
Kandidatenblöcke, auch „vorgeschlagene Blöcke“ genannt, sind diejenigen Blöcke, deren Hinzufügung zur Blockchain von Minern oder Validierern vorgeschlagen wird. Diese Blöcke enthalten unbestätigte Transaktionen, die an das Netzwerk gesendet, aber noch nicht in die Blockchain aufgenommen wurden.
Damit ein Kandidatenblock zu einem bestätigten Block wird, muss er gemäß dem Konsensmechanismus der Blockchain verarbeitet oder validiert werden. Beispielsweise ermöglicht der PoW-Konsensmechanismus (Proof of Work) von Bitcoin, dass Miner bei der Lösung komplexer mathematisches Rätsel miteinander konkurrieren. Der erste Miner, der das Rätsel löst, darf seinen Kandidatenblock zur Blockchain hinzufügen und erhält eine Belohnung.
Beim PoS-Konsensmechanismus (Proof of Stake) von Ethereum werden Validierer nach dem Zufallsprinzip ausgewählt, um Kandidatenblöcke vorzuschlagen. Andere Validierer bescheinigen die Gültigkeit des Blocks. Wenn ein Block genügend Attestierungen erhält, wechselt er von einem Kandidatenblock zu einem bestätigten Block.
Was ist „Finalität“ in der Blockchain?
Finalität liegt dann vor, wenn eine Transaktion oder ein Vorgang nicht mehr geändert oder rückgängig gemacht werden kann. Sobald eine Transaktion final ist, wird sie dauerhaft in der Blockchain aufgezeichnet und kann nicht mehr geändert oder entfernt werden.
In der Bitcoin-Blockchain werden Transaktionen an das Netzwerk gesendet und dem Mempool hinzugefügt. Miner wählen Transaktionen aus diesem Pool aus, verifizieren sie und nehmen sie in neue Blöcke auf, die der Blockchain hinzugefügt werden. Die in dem betreffenden Block enthaltenen Transaktionen gelten als bestätigt, aber theoretisch ist es für andere Miner immer noch möglich, einen konkurrierenden Block zu erstellen.
Die Finalität von Transaktionen steigt mit der Anzahl der bestätigten Blöcke. Bitcoin-Transaktionen gelten in der Regel als „final“, sobald dem Block, in dem sie enthalten sind, weitere sechs Blöcke hinzugefügt wurden. Aufgrund der kürzeren Blockzeit von Ethereum wird eine größere Anzahl von Bestätigungen empfohlen, um ein ähnliches Maß an Vertrauen in die „Finalität“ zu erreichen.
Was ist das Prinzip der „längsten Kette“?
Wie oben dargestellt, können mehrere Miner nahezu gleichzeitig neue gültige Blöcke produzieren. Dies kann zu temporären Forks in der Blockchain führen.
Das Prinzip der „längsten Kette“ bezieht sich auf die Regel, dass die gültige Version der Blockchain diejenige ist, in die die meiste Rechenarbeit investiert wurde, also typischerweise diejenige mit der längsten Kette von Blöcken. Infolgedessen werden die „gültigen“ Blöcke in den kürzeren Ketten – oft als verwaiste oder veraltete Blöcke bezeichnet – verworfen, und ihre Transaktionen werden an den Mempool zurückgegeben.
Ethereum verwendete das Prinzip der längsten Kette, als das Netzwerk Proof of Work (PoW) verwendete. Nach dem Übergang von Ethereum zu Proof of Stake (PoS) im Jahr 2022 führte das Netzwerk einen aktualisierten Fork-Choice-Algorithmus ein, der das „Gewicht“ 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 Überlastung des Blockchain-Netzwerks tritt auf, wenn die Anzahl der an das Netzwerk übermittelten Transaktionen die Kapazität des Netzwerks für deren Verarbeitung übersteigt.
Es gibt mehrere Gründe, warum Blockchain-Netzwerke überlastet sein können:
Erhöhte Nachfrage
Da immer mehr Menschen Transaktionen an die Blockchain übermitteln, kann die Anzahl der unbestätigten Transaktionen im Mempool die Menge übersteigen, die in einem einzelnen Block enthalten sein kann. Dies ist besonders relevant für Blockchains mit inhärenten Einschränkungen hinsichtlich Blockgröße und Blockzeit.
Eine Zunahme der Transaktionen kann durch plötzliche Kursschwankungen verursacht werden, die zu einem Anstieg der Transaktionsaktivitäten oder Wellen von Masseneinführungszyklen führen.
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 ursprünglich so konzipiert, dass die Blockgröße auf 1 Megabyte begrenzt war. Im Jahr 2017 führte Bitcoin ein Upgrade namens Segregated Witness oder SegWit ein, um den Transaktionsdurchsatz zu verbessern. Dadurch wurde die theoretische Blockgrößenbeschränkung auf etwa 4 MB erhöht.
Wenn die Anzahl der Transaktionen diese Grenze überschreitet, kommt es zu einer Überlastung des Netzwerks.
Langsame Blockzeiten
Die Blockzeit gibt an, wie oft ein neuer Block zur Blockchain hinzugefügt wird. Bitcoin fügt 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 Netzwerküberlastung?
Eine Überlastung des Blockchain-Netzwerks kann mehrere negative Folgen haben, die die reibungslose Funktion eines Netzwerks beeinträchtigen.
Erhöhte Transaktionsgebühren
Miner erhalten einen Anreiz, Transaktionen zu priorisieren, bei denen höhere Gebühren anfallen. Wenn also ein Blockchain-Netzwerk überlastet ist, müssen Nutzer oft höhere Transaktionsgebühren zahlen, damit die Miner ihre Transaktionen priorisieren. Dies kann die Kosten für die Nutzung der Blockchain insbesondere bei kleineren Transaktionen in die Höhe treiben.
Verzögerte Transaktionsbestätigung
Eine Überlastung des Netzwerks kann zu längeren Wartezeiten auf Transaktionsbestätigungen und deren Finalität führen. In extremen Fällen kann es mehrere Stunden, Tage oder sogar länger dauern, bis Transaktionen bestätigt werden. Dies kann zu Frustration bei den Nutzern führen.
Schlechte Benutzererfahrung
Hohe Gebühren und langsame Bestätigungszeiten beeinträchtigen 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 Beeinträchtigung der Sicherheit sowie das Risiko einer stärkeren Netzwerkzentralisierung. Insbesondere können längere Bestätigungszeiten das Risiko von Double-Spending-Angriffen erhöhen, und teure Gebühren könnten zu einer Zentralisierung der Mining-Macht führen.
Beispiele für Netzwerküberlastung
Sowohl im Bitcoin- als auch im Ethereum-Netzwerk ist es bereits zu erheblichen Netzwerküberlastungen gekommen.
Überlastung des Bitcoin-Netzwerks
Der bemerkenswerte Kursanstieg von Bitcoin zwischen Ende 2017 und Anfang 2018 führte zu einem der bislang bedeutendsten Ereignisse einer Netzwerküberlastung. Die zunehmende Popularität von Bitcoin resultierte in einem massiven Anstieg der Nachfrage und der Transaktionen, was erhebliche Verzögerungen und atemberaubende Erhöhungen der Transaktionsgebühren zur Folge hatte. Zeitweise lagen die durchschnittlichen Transaktionsgebühren bei über 50 US-Dollar.
Im Frühjahr 2023 kam es erneut zu einer Überlastung des Bitcoin-Netzwerks, als die zunehmenden Transaktionsaktivitäten im Zusammenhang mit BRC-20-Tokens dazu führten, dass ausstehende Transaktionen und Gebühren in die Höhe schossen. Zeitweise wurden fast 400.000 unbestätigte Transaktionen verzeichnet, was in einem Engpass im Mempool resultierte. Die Transaktionsgebühren stiegen innerhalb weniger Wochen um über 300 %.
Überlastung des Ethereum-Netzwerks
Eine bemerkenswerte Überlastung des Ethereum-Netzwerks ereignete sich im Jahr 2017, als das Projekt „CryptoKitties“ viral ging und das Netzwerk erheblich verlangsamte. Aufgrund des DeFi-Booms kam es ebenfalls zu Netzwerküberlastungen, was zu einem Anstieg der Gaspreise führte.
Jedes Blockchain-Netzwerk kann überlastet werden. Aber Fälle von Netzwerküberlastung bei Bitcoin und Ethereum haben mehr Aufmerksamkeit erregt als bei anderen Blockchains, da sie aufgrund ihrer Beliebtheit und Bedeutung größere Auswirkungen hatten.
Lösungen zur Linderung von Netzwerküberlastungen
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 Erhöhung der Blockgröße können mehr Transaktionen pro Block verarbeitet werden, wodurch der Durchsatz des Netzwerks effektiv erhöht wird. Die Ausbreitung größerer Blöcke durch das Netzwerk dauert jedoch länger, was das Risiko temporärer Forks erhöht. Außerdem wird mehr Speicherplatz benötigt, was zu einer stärkeren Zentralisierung führen kann.
Verkürzung der Blockzeit
Durch die Reduzierung der Blockzeit kann das Netzwerk Transaktionen schneller verarbeiten. Allerdings können kürzere Blockzeiten die Anzahl verwaister Blöcke erhöhen und möglicherweise die Sicherheit gefährden.
Layer-2-Lösungen
Diese Off-Chain-Lösungen verarbeiten Transaktionen außerhalb der Hauptblockchain und zeichnen nur den Endzustand in der Kette auf. Beispiele für diese Lösungen sind das Lightning Network von Bitcoin und Plasma von Ethereum. Diese Lösungen können die Skalierbarkeit erhöhen, sind jedoch komplex in der Implementierung und bringen mitunter zusätzliche 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 mögliche Lösungen für Netzwerküberlastungen sind Gebührenanpassungen und Skalierungslösungen, einschließlich 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 übernommen wird, gewinnt das Problem der Netzwerküberlastung an Bedeutung. Die Fähigkeit eines Netzwerks, ein großes Transaktionsvolumen effizient zu verarbeiten, ist entscheidend für eine breite Akzeptanz und Benutzerfreundlichkeit. Dies ist besonders relevant für Blockchain-Systeme, die alltägliche Transaktionen in Echtzeit ermöglichen 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.
Weiterführende Lektüre
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