Was ist eine Überlastung des Blockchain-Netzwerks?

Was ist eine Überlastung des Blockchain-Netzwerks?

Eine Überlastung des Blockchain-Netzwerks tritt auf, wenn die Anzahl der an ein Blockchain-Netzwerk übermittelten Transaktionen dessen Verarbeitungskapazität übersteigt. Diese Überlastung führt zu verzögerten Transaktionsbestätigungen und höheren Transaktionsgebühren. Es wirkt sich auf das Benutzererlebnis aus und kann die Benutzerfreundlichkeit und Akzeptanz von Blockchain-Netzwerken behindern. Bei beliebten Kryptowährungen wie Bitcoin und Ethereum kam es in der Vergangenheit zu Überlastungen, die zu erheblichen Verzögerungen und höheren Gebühren führten.

Wie kommt es zu einer Überlastung des Blockchain-Netzwerks?

Eine Überlastung des Blockchain-Netzwerks tritt auf, wenn die Anzahl der Transaktionen die Kapazität eines Netzwerks überschreitet. Transaktionen gelangen vor der Bestätigung in einen Mempool, einen Wartebereich. Faktoren wie erhöhte Nachfrage, kleine Blockgrößen und langsame Blockzeiten tragen zur Überlastung bei. Dies führt zu verzögerten Bestätigungen, höheren Gebühren und einer verringerten Skalierbarkeit. Zu den Lösungen gehören die Erhöhung der Blockgröße, die Reduzierung der Blockzeiten, die Implementierung von Layer-2-Lösungen und die Erforschung von Sharding. Es werden weiterhin Anstrengungen unternommen, um der Überlastung entgegenzuwirken und die Effizienz des Blockchain-Netzwerks zu verbessern.

Mempool

Der Mempool, kurz für „Memory Pool“, ist eine entscheidende Komponente eines Blockchain-Netzwerks, in dem ausstehende Transaktionen vorübergehend gespeichert werden, bevor sie bestätigt und einem Block hinzugefügt werden. Es dient als Wartebereich, in dem Transaktionen darauf warten, in den nächsten verfügbaren Block zur Verarbeitung und schließlich in die Blockchain aufgenommen zu werden.

Wenn ein Benutzer eine Transaktion auf einer Blockchain initiiert, wird diese zunächst an das Netzwerk gesendet und gelangt in den Mempool. Miner (in Proof-of-Work-Blockchains) oder Validatoren (in Proof-of-Stake-Blockchains) wählen Transaktionen aus dem Mempool aus, um sie in den nächsten Block aufzunehmen, den sie der Blockchain hinzufügen möchten. Der Auswahlprozess beinhaltet oft die Priorisierung von Transaktionen mit höheren Gebühren, um Anreize für Miner oder Validatoren zu schaffen. Transaktionen bleiben im Mempool, bis sie in einen Block aufgenommen oder entfernt werden, wenn sie ablaufen oder als ungültig gelten.

Die Größe und der Überlastungsgrad des Mempools können je nach Transaktionsvolumen, Netzwerkkapazität und Blockraumverfügbarkeit variieren. In Zeiten hoher Nachfrage oder begrenzter Netzwerkressourcen kann der Mempool überfüllt sein, was zu längeren Bestätigungszeiten und möglicherweise höheren Transaktionsgebühren führt. Miner und Validatoren priorisieren Transaktionen anhand verschiedener Faktoren, einschließlich Transaktionsgebühren, um ihre Einnahmen zu optimieren und die Netzwerkeffizienz zu maximieren.

Kandidatenblöcke

Kandidatenblöcke, auch vorgeschlagene Blöcke genannt, sind Blöcke, die Miner (in Proof-of-Work-Blockchains) oder Validatoren (in Proof-of-Stake-Blockchains) vorschlagen, der Blockchain hinzuzufügen. Diese Blöcke enthalten eine Sammlung unbestätigter Transaktionen, die an das Netzwerk gesendet wurden, aber noch nicht in die Blockchain aufgenommen wurden.

Wenn ein Kandidatenblock vorgeschlagen wird, durchläuft er einen Validierungsprozess gemäß dem Konsensmechanismus der Blockchain. In Proof-of-Work-Systemen wie Bitcoin konkurrieren Miner um die Lösung eines komplexen mathematischen Rätsels, und der erste Miner, der es erfolgreich löst, darf seinen Kandidatenblock zur Blockchain hinzufügen. In Proof-of-Stake-Systemen wie Ethereum 2.0 werden Validatoren nach dem Zufallsprinzip ausgewählt, um Kandidatenblöcke vorzuschlagen, die dann von anderen Validatoren bestätigt werden.

Kandidatenblöcke enthalten unbestätigte Transaktionen und dienen als temporärer Zustand, bevor sie zu bestätigten Blöcken werden. Sobald ein Kandidatenblock eine ausreichende Validierung erhält und zur Blockchain hinzugefügt wird, gelten die in diesem Block enthaltenen Transaktionen als bestätigt. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass in Blockchain-Netzwerken mit einer längeren Bestätigungszeit in diesem Zeitraum immer noch konkurrierende Blöcke abgebaut werden können, was möglicherweise zu temporären Forks oder verwaisten Blöcken führt.

Endgültigkeit

Endgültigkeit bezieht sich in der Blockchain auf den Zustand, in dem eine Transaktion oder Operation unwiderruflich wird und nicht geändert oder rückgängig gemacht werden kann. Sobald eine Transaktion endgültig ist, wird sie dauerhaft in der Blockchain aufgezeichnet und wird zu einem unveränderlichen Teil des Transaktionsverlaufs.

Das Konzept der Endgültigkeit variiert geringfügig zwischen verschiedenen Blockchain-Netzwerken. In der Bitcoin-Blockchain werden beispielsweise Transaktionen an das Netzwerk gesendet und dem Mempool hinzugefügt. Miner wählen Transaktionen aus dem Mempool aus und fügen sie in Blöcke ein, die der Blockchain hinzugefügt werden. Während diese Transaktionen bestätigt werden, können konkurrierende Blöcke abgebaut werden, was zu temporären Forks führt. Um ein höheres Maß an Vertrauen in die Endgültigkeit zu erreichen, wird empfohlen, darauf zu warten, dass zusätzlich zu dem Block, der die Transaktion enthält, weitere Blöcke hinzugefügt werden. Normalerweise reichen sechs zusätzliche Blöcke aus, um eine Bitcoin-Transaktion als „endgültig“ zu betrachten.

In Ethereum und einigen anderen Blockchains mit kürzeren Blockzeiten kann eine größere Anzahl von Bestätigungen empfohlen werden, um ein ähnliches Maß an Vertrauen in die Endgültigkeit zu erreichen. Ethereum ist zu einem Proof-of-Stake-Konsensmechanismus übergegangen, bei dem Validatoren die Gültigkeit von Blöcken bestätigen. Sobald ein Block genügend Attestierungen erhält, geht er von einem Kandidatenblock in einen bestätigten Block über und bietet so ein höheres Maß an Endgültigkeit.

Endgültigkeit ist ein entscheidender Aspekt der Blockchain-Technologie und gewährleistet die Integrität und Unveränderlichkeit der in der Blockchain aufgezeichneten Transaktionen und Daten. Es gibt Benutzern die Gewissheit, dass eine einmal bestätigte und endgültige Transaktion nicht mehr rückgängig gemacht oder manipuliert werden kann.

Prinzip der längsten Kette

Das Prinzip der längsten Kette ist ein grundlegendes Konzept in der Blockchain-Technologie. Es bezieht sich auf die Regel, dass die gültige Version der Blockchain diejenige mit der längsten Blockkette ist, die die meiste angesammelte Rechenarbeit darstellt.

In einem dezentralen Blockchain-Netzwerk können mehrere Miner oder Validatoren gleichzeitig neue gültige Blöcke erstellen. Dies kann zu temporären Forks führen, bei denen verschiedene Zweige der Blockchain existieren. Das Netzwerk konvergiert jedoch schließlich zu einer einzigen gültigen Blockchain, die dem Prinzip der längsten Kette folgt.

Nach diesem Prinzip wählen Knoten im Netzwerk immer die Kette mit der höchsten akkumulierten Rechenarbeit als gültige Kette. Miner oder Validatoren verwenden Rechenleistung für die Erweiterung der Kette und machen sie dadurch länger. Infolgedessen werden kürzere Zweige, oft als verwaiste oder veraltete Blöcke bezeichnet, verworfen und ihre Transaktionen zur Aufnahme in die gültige Kette an den Mempool zurückgegeben.

Das Prinzip der längsten Kette sorgt für Konsens und Sicherheit im Blockchain-Netzwerk. Es trägt dazu bei, die Integrität der Blockchain aufrechtzuerhalten, indem es die rechnerisch am besten validierte Version als maßgebliche Kette auswählt, eine klare und vereinbarte Transaktionshistorie liefert und potenzielle Angriffe oder Manipulationen verhindert.

Was verursacht Überlastungen im Blockchain-Netzwerk?

Eine Überlastung des Blockchain-Netzwerks tritt auf, wenn die Anzahl der an das Netzwerk übermittelten Transaktionen seine Verarbeitungskapazität übersteigt. Mehrere Faktoren tragen zur Stauung bei, einige davon sind unten aufgeführt. Diese Faktoren belasten Blockchain-Netzwerke insgesamt und führen zu verzögerten Bestätigungen und verringerter Effizienz. Um die Überlastung zu bewältigen, müssen Lösungen implementiert werden, die die Skalierbarkeit des Netzwerks verbessern, die Blockgröße optimieren und den Transaktionsdurchsatz verbessern.

Erhöhte Nachfrage

Steigende Transaktionseinreichungen überlasten das Netzwerk und führen zu einem Rückstau an unbestätigten Transaktionen im Mempool. Preisvolatilitäten und Massenadoptionszyklen können Spitzen bei den Transaktionsaktivitäten auslösen.

Kleine Blockgröße

Jede Blockchain hat eine maximale Blockgröße, wodurch die Anzahl der Transaktionen begrenzt wird, die einbezogen werden können. Beispielsweise betrug die ursprüngliche Blockgröße von Bitcoin 1 Megabyte, aber Upgrades wie Segregated Witness (SegWit) erhöhten sie auf etwa 4 MB. Wenn Transaktionen diese Grenze überschreiten, kommt es zu einer Überlastung.

Langsame Blockzeiten

Die Blockzeit bezieht sich auf das Intervall zwischen dem Hinzufügen neuer Blöcke zur Blockchain. Beispielsweise fügt Bitcoin alle 10 Minuten einen Block hinzu. Wenn die Transaktionserstellung schneller ist als das Hinzufügen von Blöcken, entsteht ein Rückstand an Transaktionen, der zur Überlastung beiträgt.

Geschichte der Überlastung von Blockchain-Netzwerken: Ein paar Beispiele

Überlastung des Bitcoin-Netzwerks (2017)

Während des Höhepunkts der Popularität von Bitcoin Ende 2017 und Anfang 2018 kam es im Netzwerk zu erheblichen Überlastungen. Der Anstieg der Transaktionsaktivitäten führte zu einer großen Anzahl unbestätigter Transaktionen und explodierenden Transaktionsgebühren. Zeitweise erreichten die durchschnittlichen Transaktionsgebühren über 50 US-Dollar, was die Herausforderungen der Skalierbarkeit und Netzwerkkapazität verdeutlichte.

Überlastung des Ethereum-Netzwerks (2017)

Im Jahr 2017 war das Ethereum-Netzwerk aufgrund des viralen Erfolgs des „CryptoKitties“-Projekts mit einer Überlastung konfrontiert. Die Popularität der Zucht und des Handels mit digitalen Katzen auf der Ethereum-Blockchain führte zu einem deutlichen Anstieg der Transaktionen, was zu langsameren Bestätigungszeiten und höheren Gebühren führte.

BRC-20-Token-Überlastung bei Bitcoin (2023)

Im Frühjahr 2023 kam es im Bitcoin-Netzwerk aufgrund erhöhter Transaktionsaktivitäten im Zusammenhang mit BRC-20-Tokens zu einer Überlastung. Der Transaktionsschub führte zu einem Engpass im Mempool, wodurch ausstehende Transaktionen und Gebühren in die Höhe schossen. Zeitweise wurden fast 400.000 unbestätigte Transaktionen registriert, was zu erheblichen Verzögerungen und einem erheblichen Anstieg der Transaktionsgebühren führte.

Lösungen für Überlastungen im Blockchain-Netzwerk

Um die Überlastung des Blockchain-Netzwerks zu verringern, können verschiedene Lösungen in Betracht gezogen werden, jede mit ihren Vor- und Nachteilen:

Zunehmende Blockgröße

Durch die Vergrößerung der Blockgröße können mehr Transaktionen einbezogen werden, was den Netzwerkdurchsatz steigert. Allerdings dauert die Ausbreitung größerer Blöcke länger und erfordert mehr Speicher, was möglicherweise zu Zentralisierungsrisiken führt.

Verkürzung der Blockzeit

Durch die Verkürzung des Intervalls zwischen Blockadditionen wird die Transaktionsverarbeitung beschleunigt. Allerdings können kürzere Blockzeiten zu mehr verwaisten Blöcken führen und die Sicherheit gefährden.

Layer-2-Lösungen

Off-Chain-Protokolle wie das Lightning Network von Bitcoin und Plasma von Ethereum ermöglichen schnellere Transaktionen, indem sie diese außerhalb der Hauptblockchain verarbeiten. Diese Lösungen verbessern die Skalierbarkeit, bringen jedoch Komplexitäts- und Sicherheitsaspekte mit sich.

Sharding

Durch die Aufteilung der Blockchain in kleinere Shards, die Transaktionen unabhängig voneinander verarbeiten können, kann die Netzwerkkapazität erheblich erhöht werden. Allerdings erhöht Sharding die Komplexität und die Sicherheitsherausforderungen.

Abschluss

Die Überlastung des Blockchain-Netzwerks ist ein kritisches Problem, das auftritt, wenn die Anzahl der Transaktionen die Verarbeitungskapazität eines Blockchain-Netzwerks übersteigt. Diese Überlastung kann zu verzögerten Transaktionsbestätigungen, höheren Transaktionsgebühren und einer beeinträchtigten Benutzererfahrung führen und möglicherweise die Einführung und Benutzerfreundlichkeit von Blockchain-Netzwerken behindern.

Es werden verschiedene Lösungen untersucht und umgesetzt, um diese Überlastung zu verringern. Dazu gehören die Erhöhung der Blockgröße, die Reduzierung der Blockzeit, die Implementierung von Layer-2-Lösungen und die Erforschung von Sharding. Jede dieser Lösungen hat ihre Vorteile und Herausforderungen, und die Wahl der Lösung hängt von den spezifischen Anforderungen und Einschränkungen des Blockchain-Netzwerks ab.

Während die Überlastung des Blockchain-Netzwerks erhebliche Herausforderungen mit sich bringt, treibt sie auch Innovationen im Blockchain-Bereich voran. Mit zunehmender Reife der Technologie und der Entwicklung effizienterer Lösungen gehen wir davon aus, dass Blockchain-Netzwerke skalierbarer und effizienter werden und ihr Potenzial zur Revolutionierung verschiedener Sektoren unserer Wirtschaft weiter steigern werden.