Bitcoin-Skalierung

Die Grenzen der On-Chain-Skalierungs

Bitcoin kann nicht beliebig viele Transaktionen direkt auf der Blockchain verarbeiten.

Neue Transaktionen werden über das Bitcoin-Netzwerk verbreitet und konkurrieren um den begrenzten Platz in den nächsten Blöcken.

Da neue Blöcke langfristig durchschnittlich etwa alle zehn Minuten entstehen und ihre Kapazität begrenzt ist, kann Bitcoin nur eine begrenzte Menge an Transaktionsdaten direkt auf der Blockchain verarbeiten.

Wie viele Transaktionen in einen Block passen, hängt von ihrer Größe und Struktur ab. Als grobe Größenordnung enthält ein typischer Bitcoin-Block häufig etwa 2.000 bis 4.000 Transaktionen.

Bei durchschnittlich einem Block alle zehn Minuten entspricht das ungefähr 3 bis 7 On-Chain-Transaktionen pro Sekunde.

Zum Vergleich: Große zentral betriebene Zahlungsnetzwerke verarbeiten wesentlich mehr Transaktionen. Mastercard verarbeitete 2024 rund 159 Milliarden Transaktionen. Im Jahresdurchschnitt entspricht das ungefähr 5.000 Transaktionen pro Sekunde.

Dieser Vergleich zeigt lediglich die Größenordnung des Durchsatzes. Die Systeme erfüllen unterschiedliche Aufgaben und sind deshalb nicht direkt miteinander vergleichbar.

Bei Bitcoin wird jede On-Chain-Transaktion über ein dezentrales Netzwerk verbreitet und von den Full Nodes unabhängig nach denselben Konsensregeln überprüft. Die Blockchain wird zudem von Nodes auf der ganzen Welt gespeichert und verifiziert.

Zahlungsnetzwerke wie Mastercard können dagegen auf zentral betriebene Infrastruktur zurückgreifen und müssen keinen globalen dezentralen Konsens zwischen unabhängigen Teilnehmern herstellen.

Auch die 3 bis 7 Transaktionen pro Sekunde bei Bitcoin sind keine feste Protokollgrenze. Kleine Transaktionen benötigen weniger Blockspace als große Transaktionen, wodurch die tatsächliche Anzahl der Transaktionen pro Block deutlich schwanken kann.

Solange weniger Transaktionen übertragen werden sollen als Blockspace verfügbar ist, stellt diese Grenze kaum ein Problem dar.

Steigt die Nachfrage jedoch über die verfügbare Kapazität, konkurrieren Transaktionen um denselben Blockspace. Nutzer können höhere Transaktionsgebühren anbieten, damit ihre Transaktion bevorzugt in einen Block aufgenommen wird.

Die zentrale Herausforderung der Bitcoin-Skalierung besteht deshalb nicht nur darin, mehr Transaktionen zu verarbeiten, sondern dies zu ermöglichen, ohne dabei andere Eigenschaften des Netzwerks unnötig zu beeinträchtigen.

Dieser Zielkonflikt lässt sich mit dem sogenannten Blockchain-Trilemma beschreiben.

Das Blockchain-Trilemma

Das sogenannte Blockchain-Trilemma beschreibt einen grundlegenden Zielkonflikt zwischen drei Eigenschaften eines Blockchain-Netzwerks:

• Dezentralisierung
• Sicherheit
• Skalierbarkeit

Die Grundidee ist, dass sich eine dieser Eigenschaften nicht beliebig verbessern lässt, ohne möglicherweise Auswirkungen auf mindestens eine der anderen zu haben.

Das Blockchain-Trilemma ist dabei keine mathematisch bewiesene Grenze. Es dient als vereinfachtes Modell, um die Zielkonflikte beim Aufbau dezentraler Blockchain-Systeme zu beschreiben.

Bei Bitcoin wird dieser Zielkonflikt besonders bei der Frage sichtbar, wie der On-Chain-Durchsatz erhöht werden kann.

Dezentralisierung

Dezentralisierung bedeutet bei Bitcoin unter anderem, dass möglichst viele Teilnehmer das Netzwerk unabhängig verifizieren können.

Dafür ist entscheidend, dass der Betrieb einer eigenen Full Node mit allgemein verfügbarer Hardware und einer normalen Internetverbindung möglich bleibt.

Steigen die Anforderungen an Speicherplatz, Bandbreite oder Rechenleistung stark an, können weniger Teilnehmer die Blockchain selbstständig vollständig verifizieren.

Die Verifizierung könnte sich dadurch zunehmend auf leistungsfähige Betreiber konzentrieren.

Sicherheit

Die Sicherheit von Bitcoin entsteht nicht durch eine einzelne zentrale Instanz.

Miner erzeugen durch Proof-of-Work neue Blöcke, während Full Nodes unabhängig überprüfen, ob diese Blöcke und die darin enthaltenen Transaktionen den Konsensregeln entsprechen.

Für die Sicherheit ist deshalb nicht nur die aufgewendete Mining-Leistung relevant. Entscheidend ist auch, dass Teilnehmer die Regeln des Systems selbstständig überprüfen können, anstatt einem zentralen Betreiber vertrauen zu müssen.

Skalierbarkeit

Skalierbarkeit beschreibt die Fähigkeit eines Systems, mit steigender Nutzung mehr wirtschaftliche Aktivität abzuwickeln.

Eine einfache Möglichkeit wäre, mehr Transaktionen direkt auf der Blockchain zuzulassen.

Größere oder häufiger erzeugte Blöcke könnten den On-Chain-Durchsatz erhöhen. Gleichzeitig müssten Full Nodes jedoch mehr Daten in kürzerer Zeit empfangen, validieren und speichern.

Genau hier wird der Zielkonflikt sichtbar:

Bitcoin könnte den On-Chain-Durchsatz erhöhen, indem mehr Daten in die Blockchain aufgenommen werden. Eine starke Erhöhung würde jedoch gleichzeitig die Anforderungen an die Teilnehmer des Netzwerks erhöhen.

Die Skalierungsfrage lautet deshalb nicht nur, wie Bitcoin mehr Transaktionen verarbeiten kann, sondern wie dies geschehen kann, ohne Dezentralisierung und Sicherheit unnötig zu beeinträchtigen.

Warum nicht einfach größere Blöcke?

Eine naheliegende Lösung für den begrenzten On-Chain-Durchsatz wäre, einfach mehr Transaktionen in jeden Block aufzunehmen.

Würde die maximale Blockkapazität deutlich erhöht, könnten Miner mehr Transaktionen in einen Block aufnehmen und der On-Chain-Durchsatz würde steigen.

Das Problem wird dadurch jedoch nicht beseitigt, sondern teilweise auf die Full Nodes verlagert.

Jeder Full Node muss neue Blöcke über das Netzwerk empfangen, vollständig validieren und die Blockchain-Daten verarbeiten.

Größere Blöcke bedeuten deshalb:

• mehr Bandbreite für die Übertragung,
• mehr Daten, die innerhalb kurzer Zeit validiert werden müssen,
• mehr Speicherplatz für die Blockchain,
• höhere Anforderungen an Hardware und Internetverbindung einer Node.

Je stärker diese Anforderungen steigen, desto schwieriger wird es für einzelne Nutzer, einen eigenen Full Node zu betreiben.

Eine Möglichkeit wäre, dass weniger Nutzer Full Nodes betreiben und stattdessen auf sogenannte SPV-Clients ausweichen.

SPV-Clients laden nicht die vollständigen Blöcke herunter und überprüfen nicht sämtliche Konsensregeln selbst. Stattdessen verwenden sie hauptsächlich die Block Header und verlassen sich für bestimmte Informationen auf Full Nodes.

Dadurch benötigen sie wesentlich weniger Speicherplatz, Bandbreite und Rechenleistung.

Dieser Vorteil hat jedoch einen Preis: Ein SPV-Client besitzt nicht dieselben Sicherheits- und Unabhängigkeitseigenschaften wie eine Full Node. Nutzer überprüfen nicht mehr sämtliche Konsensregeln und Blockchain-Daten selbst und sind für bestimmte Informationen auf andere Teilnehmer angewiesen.

Die Blockkapazität möglichst groß zu machen ist deshalb keine kostenlose Skalierung.

Mehr On-Chain-Durchsatz muss gegen die zusätzlichen Anforderungen an die Teilnehmer des Netzwerks abgewogen werden.

Bitcoin benötigt deshalb andere Möglichkeiten, um mehr wirtschaftliche Aktivität abzuwickeln, ohne den On-Chain-Durchsatz einfach immer weiter zu erhöhen.

Welche Eigenschaften priorisiert Bitcoin?

Das Blockchain-Trilemma bedeutet nicht, dass Bitcoin eine der drei Eigenschaften vollständig aufgeben muss.

Es verdeutlicht vielmehr, dass Dezentralisierung, Sicherheit und Skalierbarkeit nicht unabhängig voneinander maximiert werden können. Bei der Weiterentwicklung eines dezentralen Systems müssen deshalb Abwägungen getroffen werden.

Bitcoin hat sich dabei auf eine Architektur hinentwickelt, die Sicherheit und unabhängige Verifizierbarkeit besonders stark gewichtet.

Der Betrieb einer eigenen Full Node soll weiterhin mit allgemein verfügbarer Hardware möglich bleiben. Nutzer sollen die Blockchain und ihre Konsensregeln selbst überprüfen können, anstatt dafür anderen Teilnehmern vertrauen zu müssen.

Das begrenzt gleichzeitig, wie stark der On-Chain-Durchsatz erhöht werden kann.

Diese Priorisierung war nicht unumstritten. Besonders während der sogenannten Blocksize-Debatte wurde darüber gestritten, ob Bitcoin durch deutlich größere Blöcke stärker auf der Blockchain selbst skalieren sollte.

Die Entwicklung von Bitcoin nahm schließlich einen anderen Weg: Statt jede zusätzliche Zahlung direkt auf der Blockchain unterzubringen, soll die Blockchain eine möglichst robuste und unabhängig verifizierbare Basisschicht bleiben.

Wie skaliert Bitcoin?

Statt den On-Chain-Durchsatz immer weiter zu erhöhen, verfolgt Bitcoin heute einen mehrschichtigen Ansatz zur Skalierung.

Dabei lassen sich zwei grundlegende Wege unterscheiden:

1. Der vorhandene Blockspace auf der Bitcoin-Blockchain wird möglichst effizient genutzt.
2. Nicht jede wirtschaftliche Aktivität wird als eigene Transaktion auf der Blockchain abgewickelt.

Die Bitcoin-Blockchain bildet dabei die grundlegende Schicht, auf der weitere Protokolle aufbauen können.

Layer 1 – Blockspace effizienter nutzen

Als Layer 1 wird die Bitcoin-Blockchain selbst bezeichnet.

Skalierung auf Layer 1 bedeutet nicht zwangsläufig, mehr Blockspace bereitzustellen. Stattdessen kann der vorhandene Blockspace effizienter genutzt werden.

Ein Beispiel dafür ist SegWit. Durch die Einführung von Block Weight und die geringere Gewichtung der Witness-Daten können bestimmte Transaktionen den verfügbaren Blockspace effizienter nutzen.

Auch Batching verbessert die Nutzung des Blockspace. Dabei werden mehrere Zahlungen in einer einzigen Transaktion zusammengefasst.

Dadurch können mehr Zahlungen abgewickelt werden, ohne dass für jede Zahlung eine vollständig separate Transaktion benötigt wird.

Layer-1-Skalierung versucht damit, mehr aus dem begrenzten Blockspace herauszuholen, ohne seine Kapazität einfach beliebig zu erhöhen.

Layer 2 – Aktivitäten außerhalb der Blockchain verlagern

Der zweite Ansatz geht einen Schritt weiter.

Nicht jede einzelne Zahlung muss dauerhaft als eigene Transaktion in der Bitcoin-Blockchain gespeichert werden. Stattdessen können zusätzliche Protokolle auf Bitcoin aufbauen und viele Vorgänge außerhalb der Blockchain abwickeln.

Diese darüberliegenden Systeme werden als Layer 2 bezeichnet.

Das bekannteste Beispiel ist das Lightning Network.

Bei Lightning können zwei Teilnehmer einen Zahlungskanal mit einer On-Chain-Transaktion eröffnen und anschließend viele Zahlungen durchführen, ohne jede einzelne davon in die Blockchain schreiben zu müssen.

Die Blockchain übernimmt dabei weiterhin eine zentrale Funktion: Sie dient als Grundlage für Eigentum, Settlement und die Durchsetzung der Regeln, auf denen das darüberliegende Protokoll aufbaut.

Der entscheidende Unterschied besteht darin, dass nicht jede einzelne Aktivität globale On-Chain-Kapazität beanspruchen muss.

So kann eine begrenzte Anzahl von On-Chain-Transaktionen als Grundlage für eine wesentlich größere Anzahl wirtschaftlicher Vorgänge auf höheren Schichten dienen.

Skalierungsansätze im Überblick

Bitcoin skaliert nicht durch eine einzelne Maßnahme. Stattdessen greifen verschiedene Ansätze auf unterschiedlichen Ebenen ineinander.

Die Ansätze unterscheiden sich darin, wie stark sie die Bitcoin-Blockchain selbst beanspruchen und welche zusätzlichen Annahmen sie benötigen.

SegWit und Batching optimieren die Nutzung des vorhandenen Blockspace. Die Transaktionen bleiben vollständig On-Chain und werden weiterhin von allen Full Nodes validiert.

Das Lightning Network verlagert dagegen einzelne Zahlungen aus der Blockchain. On-Chain-Transaktionen werden hauptsächlich benötigt, um Zahlungskanäle zu öffnen, zu schließen oder im Streitfall den aktuellen Zustand durchzusetzen.

Sidechains gehen einen anderen Weg. Sie besitzen eigene Konsensregeln und können dadurch andere Skalierungs- und Funktionsmodelle verwenden. Ihre Sicherheitsannahmen sind deshalb nicht mit denen einer normalen Bitcoin-On-Chain-Transaktion gleichzusetzen.

Cashu verfolgt einen weiteren Off-Chain-Ansatz. Nutzer hinterlegen Bitcoin bei einer sogenannten Mint und erhalten dafür digitale E-Cash-Tokens, die außerhalb der Bitcoin-Blockchain übertragen werden können.

Dadurch sind schnelle und günstige Transfers möglich. Allerdings entsteht eine zusätzliche Vertrauensannahme: Die Mint verwahrt die eingezahlten Guthaben und muss deren spätere Einlösung ermöglichen.

Cashu ist deshalb ein Beispiel dafür, dass Off-Chain-Skalierung nicht automatisch Layer 2 bedeutet.

Gemeinsam verfolgen diese Ansätze das Ziel, mehr wirtschaftliche Aktivität mit möglichst wenig zusätzlicher Belastung der Bitcoin-Basisschicht zu ermöglichen.

Für schnelle, nicht verwahrte Bitcoin-Zahlungen spielt dabei insbesondere das Lightning Network eine zentrale Rolle.