Im Jahr 1913 führte Henry Ford Fließbänder als neuartiges Industriedesign ein. Es revolutionierte die Art und Weise, wie wir Waren herstellten, und wandelte sich von der Ära, in der ein einzelner Arbeiter ein Produkt von Anfang bis Ende fertigte, zu einem effizienteren, spezialisierten System, in dem jeder Arbeiter einen bestimmten Teil des Puzzles beisteuerte. Diese Änderung ermöglichte es dem Arbeiter, außerordentliche Fähigkeiten für eine ganz bestimmte Aufgabe zu erlangen, wodurch die Produktionsraten beschleunigt und die Qualität der Produkte verbessert wurden.

Eine Abkehr von einem monolithischen Blockchain-Design, untermauert durch Bitcoin und Äther, zu einem modularen Aufbau wie in Tupfen or Celestia stellt einen ähnlichen strategischen Fortschritt dar. Ähnlich wie in der Vormontageindustrie übernehmen monolithische Blockchain-Knoten alle Blockchain-Infrastrukturaufgaben wie Blockvalidierung und Konsens, während ein modulares Design diese Aufgaben auf mehrere spezialisierte Schichten von Blockchain-Netzwerken verlagert. Die Arbeitsteilung, bei der die Blockchain in mehrere Segmente zerlegt wird, ermöglicht eine größere Flexibilität und Skalierbarkeit.

In diesem Artikel über monolithische und modulare Blockchains werde ich die verschiedenen Varianten der Blockchain-Modularität diskutieren und sie dem monolithischen Ansatz gegenüberstellen. Wir werden die Vorteile und Kompromisse jedes Designs untersuchen und erfahren, warum die Kryptosphäre immer modularer wird.

Blockchain-Architektur verstehen

In diesem Abschnitt werden wir uns mit den Architekturschichten eines typischen Blockchain-Netzwerks befassen. Ich werde auf mehreren grundlegenden Konzepten der Blockchain-Technologie aufbauen, daher ist ein grundlegendes konzeptionelles Verständnis für die Leser von größter Bedeutung. Ich empfehle den Lesern aufrichtig, sich die „Leitfaden für Einsteiger in die Blockchain-Technologie” auf dem Coin Bureau, das Ihre Grundkonzepte auffrischt und Ihnen dabei hilft, den richtigen Kopfraum zu finden, um die Konzepte, die wir gleich erforschen werden, aufzunehmen.

Blockchain ist ein dezentrales, verteiltes Hauptbuch, das Transaktionen über mehrere Computer (Knoten) hinweg auf eine Weise aufzeichnet, die Sicherheit, Transparenz und Unveränderlichkeit gewährleistet. Es verwendet kryptografische Hashing- und Konsensmechanismen, wie z Arbeitsnachweis oder Einsatznachweis, um die Datenintegrität zu wahren und unbefugte Änderungen zu verhindern. Jeder Datensatz bzw. „Block“ wird mit den vorherigen zu einer Kette verknüpft und macht so die Historie aller Transaktionen für alle Teilnehmer dauerhaft sichtbar und überprüfbar.

Was sind Blockchain-Schichten?

Um unser Verständnis der Funktionsweise von Blockchains zu vertiefen, kehren wir zur früheren Analogie eines Fließbandes zurück. In einem Fließband, in dem verschiedene Aufgaben zur Steigerung der Effizienz unterteilt werden, besteht eine Blockchain aus verschiedenen „Schichten“ – in der Praxis handelt es sich bei diesen Schichten jedoch eher um einen konzeptionellen Rahmen, der dazu dient, die Rollen innerhalb des Blockchain-Betriebs zu trennen und zu verdeutlichen.

Bei Blockchain handelt es sich im Wesentlichen um Software, die auf verschiedenen Knoten läuft und gemeinsam einen replizierten Echtzeitstatus aufrechterhält. Jeder Knoten im Netzwerk aktualisiert und überprüft kontinuierlich den Status des Hauptbuchs und stellt so sicher, dass alle Transaktionen korrekt und sicher aufgezeichnet werden.

Konzeptualisierung von Ebenen

In Wirklichkeit hat eine Blockchain keine physischen Schichten; Stattdessen handelt es sich bei diesen Schichten um ein konzeptionelles Konstrukt, mit dem die Blockchain in verschiedene Prozessbereiche segmentiert wird. Dies hilft beim Verständnis der spezifischen Funktionen und Interaktionen, die an jedem Punkt während des Lebenszyklus eines Blocks stattfinden:

• Datenverfügbarkeitsschicht: Sie wird auch als Netzwerkschicht bezeichnet und stellt sicher, dass alle Daten zu Transaktionen für Knoten zugänglich sind.
• Konsensschicht: Knoten einigen sich auf den aktuellen Status der Blockchain und validieren Transaktionen.
• Siedlungsschicht: Bestätigte Transaktionen werden unwiderruflich in der Blockchain aufgezeichnet.
• Ausführungsschicht: Sie wird auch als Anwendungsschicht bezeichnet und wickelt die Ausführung von Transaktionen gemäß den Regeln des Protokolls ab, insbesondere für Smart Contracts.

Eine Blockchain ist eine komplexe Integration von Prozessen und Interaktionen innerhalb und zwischen Knoten im Netzwerk. Indem wir diese Prozesse als separate Schichten konzipieren, können wir die komplizierten Abläufe jedes Schritts im Leben eines Blocks besser verstehen und einschätzen. Diese Struktur hilft nicht nur bei der Analyse der Funktionsweise von Blockchains, sondern hilft auch bei der Fehlerbehebung und Optimierung jeder Schicht für eine bessere Leistung und Skalierbarkeit.

In den folgenden Abschnitten werden wir jede Funktionsschicht im Detail untersuchen, angefangen bei der Bildung eines Blocks bis hin zu den betrieblichen Besonderheiten jeder Schicht.

Wie interagieren diese Schichten?

Im Kontext einer PoS-Blockchain wie Ethereum sind die Prozesse der Datenverfügbarkeit, des Konsenses, der Abwicklung und der Ausführung eng in die einschichtige Struktur integriert, was bedeutet, dass alle diese Aufgaben vom gleichen Knotennetzwerk ausgeführt werden. Hier finden Sie eine detaillierte Aufschlüsselung der Funktionsweise dieser Prozesse:

1. Datenverfügbarkeit

• Datenempfang und -übertragung: Jeder Knoten empfängt neue Transaktionsdaten von Benutzern und anderen Knoten. Diese Daten sind für die Überprüfung der Gültigkeit der Transaktion unerlässlich (z. B. ob die digitale Signatur der Transaktion gültig ist und die Nuntius entspricht dem erwarteten Wert) und wird dann an andere Knoten gesendet.
• Datenspeicherung: Nach der Validierung von Transaktionen speichert der Knoten diese Daten in seiner lokalen Version des Transaktionspools und bereitet sie für die Aufnahme in einen neuen Block vor.

2. Konsens

• Blockvorschlag: In Ethereum PoS kann ein Knoten zufällig ausgewählt werden, um einen Block basierend auf seinem Anteil vorzuschlagen. Der ausgewählte Validator sammelt Transaktionen aus seinem Transaktionspool, bildet einen Block und schlägt ihn dem Netzwerk vor.
• Blockvalidierung: Wenn der Knoten nicht als Anführer ausgewählt wird, nimmt er am Konsensprozess teil, indem er die von anderen Knoten vorgeschlagenen Blöcke bestätigt. Dabei werden vorgeschlagene Blöcke anhand der lokalen Status- und Konsensregeln des Knotens überprüft und anschließend über die Gültigkeit des Blocks abgestimmt.

3. Abrechnung

• Transaktionsausführung: Wenn ein Block vom Konsensprozess akzeptiert wird, führt der Knoten alle Transaktionen im Block nacheinander aus. Diese Ausführung beinhaltet die Änderung des in der Knotenversion der Ethereum-Blockchain gespeicherten Status (z. B. Salden und Vertragsstatus).
• Zustandsabschluss: Nach der Ausführung ist der neue Zustand endgültig; Dies bedeutet, dass die Ergebnisse des Blocks offiziell Teil des Ethereum-Hauptbuchs sind und im normalen Betrieb als unveränderlich anerkannt werden.

4. Ausführung

• Intelligente Verträge und Transaktionen: Die Ausführung auf Ethereum umfasst die Verarbeitung von Standardtransaktionen und Smart Contracts. Dies geschieht mithilfe der Ethereum Virtual Machine (EVM), die jeder Knoten lokal ausführt. Jede Transaktion kann abhängig von ihrer Logik potenziell den Status der Blockchain ändern.

Dieser Prozess veranschaulicht die integrierte Natur traditioneller Blockchains wie Ethereum. Sie stehen im Gegensatz zu eher modularen Ansätzen, bei denen verschiedene Schichten oder Komponenten über verschiedene Knoten oder Infrastrukturen (wie Rollups oder separate Datenverfügbarkeitsnetzwerke) getrennt sein können, aber dazu kommen wir gleich. Dieser integrierte Ansatz gewährleistet eine hohe Sicherheit und Datenkonsistenz, kann jedoch Herausforderungen bei der Skalierbarkeit mit sich bringen, die Ethereum mit Upgrades wie Sharding angehen möchte. Lassen Sie uns zunächst die oben definierte Interaktion als Hintergrund verwenden, um diese Ebenen zu verstehen:

Datenverfügbarkeit

Datenverfügbarkeit (Data Availability, DA) bezieht sich auf die Fähigkeit einer Blockchain, sicherzustellen, dass alle notwendigen Daten (z. B. Transaktionen, Zustände, Signaturen) allen Teilnehmern zugänglich sind, die sie zur Validierung und Ausführung von Transaktionen benötigen. Dies ist entscheidend für die Aufrechterhaltung von Transparenz und Sicherheit in dezentralen Netzwerken. 

Beispiel: In Ethereum müssen alle Transaktionsdaten allen Knoten zur Verfügung stehen; Aus diesem Grund wird jede Transaktion über das Netzwerk übertragen. In einem spezielleren Kontext stellt Celestia eine allgemeine Datenverfügbarkeitsschicht für andere Blockchain-Netzwerke bereit, die es ihnen ermöglicht, unabhängig von Datenspeicher- und Übertragungsbeschränkungen zu arbeiten. Die Knoten, die die DA-Schicht sichern, stellen dem Netzwerk zwei wesentliche Funktionen zur Verfügung:

• Lebendigkeitsgarantien: Sicherstellen, dass sich die Kette weiter ausbreitet. Ein Liveness-Fehler ist eine Situation, in der nicht genügend Stimmrechte am Konsens teilnehmen, um die BFT-Toleranz sicherzustellen (typischerweise 1/3). DA stellt sicher, dass eine ausreichende Schwellenwertanzahl von Knoten über genügend Daten verfügt, um am Netzwerkkonsens teilzunehmen und Transaktionen zu validieren.
• Ungültige Transaktionen werden abgelehnt: DA stellt sicher, dass Knoten über genügend Daten verfügen, um zu prüfen, ob eine Transaktion ungültig ist und abgelehnt wird.

Hinweis: Eine ungültige Transaktion unterscheidet sich von einer abgelehnten Transaktion. Transaktionen, die ausreichend Gas bezahlen, können in einen Block aufgenommen werden, die Aufnahme garantiert jedoch nicht die Ausführung. Validatoren führen Prüfungen wie die Überprüfung der Unterschrift und den Kontostand durch, sobald eine Transaktion enthalten ist. Wenn eine Transaktion diese Prüfungen nicht besteht, gilt sie als ungültig, verbraucht aber dennoch Gas für die durchgeführten Prüfungen. Daher kann eine Transaktion zwar in einen Block aufgenommen werden, aber dennoch ungültig werden, wenn sie die erforderlichen Kriterien nicht erfüllt.

Konsens

Die Konsensschicht ist dafür verantwortlich, die Reihenfolge und Gültigkeit von Transaktionen dezentral zu vereinbaren und sicherzustellen, dass alle Teilnehmer eine einheitliche Sicht auf das Hauptbuch haben. Beispiel: Bitcoin verwendet einen Proof of Work (PoW)-Mechanismus, bei dem Miner Rechenrätsel lösen, um neue Blöcke vorzuschlagen. Ethereum 2.0 hat einen Proof of Stake (PoS)-Ansatz eingeführt, bei dem Validatoren Krypto-Assets einsetzen, um das Recht zu erhalten, Transaktionen zu validieren und Blöcke vorzuschlagen.

Die am Konsens beteiligten Knoten bieten Schutz vor Kettenreorganisationsereignissen. Lass es uns aufteilen:

Kettenreorganisationsereignisse

Kettenreorganisation (häufig als „Reorg“ bezeichnete) Ereignisse in der Blockchain-Technologie treten auf, wenn ein Blockchain-Netzwerk Blöcke aus seiner aktuell längsten gültigen Kette verwirft und sie durch einen anderen Satz von Blöcken ersetzt. Dies kann verschiedene Gründe haben, am häufigsten liegt es daran, dass die Netzwerkknoten aufgrund von Übertragungsverzögerungen Blöcke zu unterschiedlichen Zeiten empfangen, was zu vorübergehenden Diskrepanzen im Hauptbuch der Blockchain führt.

Wie Konsensebenen vor Reorgs schützen

• Festlegung von Konsensregeln: Das Konsensprotokoll folgt im Allgemeinen der „Longest-Chain-Regel“, wobei die gültige Kette diejenige mit der größten Anzahl an Blöcken ist.
• Finalitätsmechanismen: Viele PoS-Systeme verfügen über Endgültigkeitskontrollpunkte, an denen die Blöcke und ihre Historie, sobald sie erreicht sind, nicht ohne einen extrem großen koordinierten Aufwand (z. B. Absprache von 2/3 der Validatoren) wiederhergestellt werden können. In Ethereum werden Endgültigkeitskontrollpunkte als Epochen bezeichnet. Jede Epoche umfasst 32 Slots und jeder Slot kann einen Block enthalten oder auch nicht.
• Netzwerklatenzmanagement: Effiziente Methoden zur Datenweitergabe stellen sicher, dass Blöcke schnell und gleichmäßig über das Netzwerk übertragen werden, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer gleichzeitigen Blockerstellung und versehentlicher Verzweigungen, die zu Neuorganisationen führen, verringert wird.

Siedlung

Unter Abwicklung in der Blockchain versteht man den Prozess, durch den Transaktionen oder Verträge abgeschlossen und als unumkehrbar angesehen werden. Dabei wird der Zustand der Blockchain anhand der Ergebnisse akzeptierter Transaktionen berechnet. 

Beispiel: Im Bitcoin-Netzwerk erfolgt die Abwicklung, wenn eine Transaktion in einem Block enthalten ist und dieser Block Teil des längsten Blockchain-Zweigs wird. In Ethereum erfolgt der Übergang von ausstehenden Transaktionen in einen bestätigten (abgewickelten) Zustand, nachdem Transaktionen erfolgreich in einen Block aufgenommen und vom Netzwerk bestätigt wurden.

ausführung

Die Ausführungsschicht verarbeitet alle in Transaktionen und Smart Contracts angegebenen Vorgänge. Diese Ebene berechnet die Ergebnisse und aktualisiert den Blockchain-Status entsprechend. Im Allgemeinen erfolgt die Ausführung lokal durch jeden Knoten nach DA, Konsens und Abwicklung. Daher führt jeder Knoten die gleichen Prozesse in der gleichen Reihenfolge aus und kommt zum gleichen Ergebnis wie jeder andere Knoten.

Beispiel: Die Ethereum Virtual Machine (EVM) ist die Ausführungsmaschine für Ethereum, die den in der Blockchain gespeicherten Smart-Contract-Bytecode interpretiert und ausführt. Dies ermöglicht die Implementierung komplexer dezentraler Anwendungen wie Uniswap für den dezentralen Handel bzw Compounds für die dezentrale Kreditvergabe, bei der die Vertragslogik über alle Knoten hinweg einheitlich ausgeführt wird.

Was sind monolithische Blockchains?

Monolithische Blockchains stellen die ursprüngliche Architektur der Blockchain-Technologie dar, bei der alle kritischen Funktionen – Datenverfügbarkeit, Konsens, Abwicklung und Ausführung – in einer einzigen Schicht integriert sind. In dieser Architektur übernehmen dieselben Knoten jeden Aspekt des Blockchain-Prozesses.

Kernmerkmale

• Integrierter Betrieb: In monolithischen Blockchains werden alle Schlüsseloperationen von allen Knoten gleichzeitig ausgeführt. Das bedeutet, dass jeder Knoten im Netzwerk in der Lage sein muss, Daten zu speichern, Transaktionen zu validieren, Abrechnungen abzuschließen und vertragliche Vereinbarungen auszuführen.
• Hardware- und Netzwerkanforderungen:
  • Datenverfügbarkeit: Knoten benötigen erhebliche Speicherkapazität, um einen vollständigen Verlauf der Daten der Blockchain zu verwalten.
  • Konsens: Effiziente Konsensmechanismen hängen von einer zuverlässigen Netzwerkverbindung mit geringer Latenz und einem erheblichen Anteil am Netzwerk ab, um Anreize für Ehrlichkeit und Teilnahme zu schaffen.
  • Siedlung: Die Verarbeitungsleistung ist von entscheidender Bedeutung, da Knoten in der Lage sein müssen, Transaktionen zu verarbeiten, um den Durchsatz des Netzwerks schnell aufrechtzuerhalten.
  • Ausführung: Eine stabile und kontinuierliche Verbindung ist notwendig, um sicherzustellen, dass Endbenutzer ohne Unterbrechungen auf die Blockchain-Daten zugreifen und mit ihnen interagieren können.

Skalierbarkeitsherausforderungen

Wenn die Anzahl der Benutzer und Transaktionen auf einer monolithischen Blockchain wächst, steigen die Anforderungen an Rechenleistung, Speicher und Netzwerkbandbreite jedes Knotens linear. Diese Skalierbarkeitsherausforderung ist erheblich, da jeder Knoten seine Fähigkeiten skalieren muss, um den größeren Anforderungen des Netzwerks gerecht zu werden.

Beispiele und Entwicklung

• Klassische Beispiele: Bitcoin, Ethereum (vor dem 2.0-Upgrade) und Solana sind Paradebeispiele dafür, dass alle Knoten alle Netzwerkoperationen einheitlich abwickeln.
• Übergangsarchitektur: Ethereum geht derzeit mit Ethereum 2.0 zu einer modulareren Architektur über, die Elemente wie Sharding und Rollups umfasst, um die Ausführungslast auf spezialisierte Layer-2-Netzwerke zu verteilen. Diese Verschiebung zielt darauf ab, die inhärenten Skalierbarkeitsprobleme monolithischer Designs zu überwinden, indem die Ausführungsschicht von den Hauptkonsensaufgaben entkoppelt wird.

Fazit

Obwohl sie für das Blockchain-Ökosystem von grundlegender Bedeutung sind, stehen monolithische Blockchains vor wachsenden Herausforderungen, da sie mit zunehmender Akzeptanz skalieren. Der einschichtige Ansatz vereinfacht das Knotendesign und den Knotenbetrieb, erfordert jedoch eine hochleistungsfähige und damit kostspieligere Infrastruktur. Die Einfachheit und Robustheit dieser Architektur sind ideal für kleinere oder weniger komplexe Netzwerke, könnten jedoch unter der Last eines aufkeimenden Blockchain-Ökosystems zu kämpfen haben.

Im nächsten Abschnitt werden wir modulare Blockchains untersuchen, die eine vielversprechende Lösung für die Skalierbarkeits- und Effizienzprobleme traditioneller monolithischer Designs bieten, indem sie verschiedene Blockchain-Funktionen in verschiedene Schichten aufteilen.

Was sind modulare Blockchains?

Modulare Blockchains stellen eine bedeutende Weiterentwicklung der Blockchain-Architektur dar, die darauf ausgelegt ist, die inhärenten Einschränkungen monolithischer Systeme zu überwinden. Mit zunehmender Reife und Diversifizierung der Blockchain-Technologie Web3 Anwendungen wird der Bedarf an skalierbareren, anpassbareren und effizienteren Netzwerken immer wichtiger.

Kernmerkmale

• Evolutionäres Design: Im Gegensatz zu monolithischen Blockchains, die alle Prozesse in einer einzigen Schicht konsolidieren, trennen modulare Blockchains diese Prozesse in verschiedene Schichten oder Module. Diese Trennung ermöglicht es jedem Modul, sich für seine spezifische Funktion zu spezialisieren und zu optimieren, sei es Datenverfügbarkeit (DA), Konsens, Abwicklung oder Ausführung.
• Spezialisierung auf Effizienz:
  • Skalierbarkeit: Durch die Verteilung der Arbeitslast auf mehrere spezialisierte Netzwerke können modulare Blockchains mehr Transaktionen und Interaktionen verarbeiten als herkömmliche monolithische Blockchains. Dieses Setup reduziert die Belastung jedes einzelnen Netzwerks und verbessert die Skalierbarkeit erheblich.
  • Programmierbarkeit und Anpassbarkeit: Jede Schicht kann unabhängig entwickelt und aktualisiert werden, ohne andere Bereiche der Blockchain zu beeinträchtigen, was eine größere Flexibilität und eine schnelle Umsetzung von Innovationen ermöglicht.

Betriebsdynamik

• Blockbildungszyklus: In modularen Blockchains umfasst der Blockbildungsprozess mehrere Netzwerke, von denen jedes einen Teil der Gesamtaufgabe ausführt, die zur Erzeugung eines Blocks erforderlich ist. Diese Netzwerke tauschen relevante Informationen nahtlos aus, um Integrität und Kontinuität zu gewährleisten.
• Beispiel einer Ebeneninteraktion: Das anschaulichste Beispiel für modulare Architektur in Aktion ist das Layer-2-Ökosystem auf Ethereum, einschließlich Netzwerken wie Schlichtung, Optimismus und Polygon zkEVM. Diese Plattformen übernehmen in erster Linie Ausführungsaufgaben und verlassen sich dabei auf die Ethereum-Hauptkette für Datenverfügbarkeit, Konsens und Abwicklung.

Erweiterung des Anwendungsbereichs

• Über Layer 2 hinaus: Während Layer-2-Netzwerke prominente Beispiele sind, erstreckt sich das modulare Konzept auf verschiedene Designs, von denen jedes seine eigenen Vorteile und Überlegungen mit sich bringt. Dazu gehören eigenständige Sidechains, Validium und Hybridsysteme, die verschiedene Elemente der Modularität kombinieren, um spezifischen Anforderungen gerecht zu werden.

Fazit

Der Übergang zu modularen Blockchains ähnelt der Entwicklung von Produktionslinien in einzelnen Fabriken hin zu komplexen, miteinander verbundenen Industrieparks, in denen jede Anlage auf einen bestimmten Aspekt des Produktionsprozesses spezialisiert ist. Dieser Ansatz verbessert die Gesamteffizienz und bietet die nötige Flexibilität, um sich an zukünftige Herausforderungen und Chancen im Blockchain-Bereich anzupassen.

In den folgenden Abschnitten werden wir die verschiedenen Arten modularer Designs, ihre einzigartigen Vorteile und die möglichen Kompromisse untersuchen.

Modulare Blockchain-Designs

Das Konzept der Modularität in der Blockchain ist vor allem aufgrund der Skalierbarkeitslösungen der Layer-2-Technologien von Ethereum ins Rampenlicht gerückt. Das Potenzial der Blockchain-Modularität geht jedoch weit über die bloße Verbesserung der Transaktionskapazität hinaus. Indem Entwickler diese Technologien als konfigurierbare „Legos“ betrachten, können sie Netzwerke mit maßgeschneiderten Funktionalitäten und unterschiedlichen Fähigkeiten zusammenstellen. Nachfolgend finden Sie einige wichtige Beispiele für die Umsetzung der Modularität:

Ausführungs-Rollups

Ausführungs-Rollups (manchmal auch Smart-Contract-Rollups genannt) sind derzeit das bekannteste Design im modularen Blockchain-Bereich, insbesondere im Ethereum-Ökosystem. Zu den bemerkenswerten Projekten in dieser Kategorie gehören unter anderem Optimism, Polygon zkEVM, Arbitrum und Starknet.

Wie es funktioniert

• Verarbeiten: Bei einem Ausführungs-Rollup fungiert die Ausführungsschicht als eigenständiges Netzwerk, das Transaktionen unabhängig verarbeitet, für Datenverfügbarkeit, Konsens und Abwicklungsfunktionen jedoch auf ein übergeordnetes Netzwerk (z. B. Ethereum) angewiesen ist. Die Ausführungsschicht kann ein einfacher Light Node sein, ohne dass ein Stake oder ein Konsens erforderlich ist; All das wird in der Ethereum-Schicht erledigt.
• Mechanismus: Ein Rollup-Sequenzer-Knoten sammelt eine große Anzahl von Transaktionen, führt sie aus und bündelt die Transaktionsdaten dann in einem kompakten Rollup-Block oder „Bündel“. Dieses Paket wird über einen speziellen Rollup-Smart-Vertrag an die Hauptblockchain von Ethereum übermittelt, normalerweise begleitet von Gültigkeitsnachweisen (zur Überprüfung der Korrektheit von Transaktionen). null-erkenntnis Gültigkeitsnachweise.
• Integration mit Ethereum: Nach der Einreichung übernimmt das gesamte Ethereum-Netzwerk die Verantwortung für:
  • Datenverfügbarkeit: Speicherung und Weitergabe der in den Rollup-Bundles enthaltenen Transaktionsdaten.
  • Siedlung: Nutzung der bereitgestellten Transaktionsdaten und Gültigkeitsnachweise zur Überprüfung und zum Abschluss von Transaktionen.
  • Konsens: Einbindung des aktualisierten Rollup-Status in die Ethereum-Blöcke als Teil des globalen Ethereum-Status.

Vorteile

• Skalierbarkeit: Durch die Verarbeitung mehrerer Transaktionen außerhalb der Kette und die ausschließliche Abwicklung der Endzustände in der Kette können Rollups den Durchsatz erheblich steigern.
• Kosteneffizienz: Durch die Verteilung der Ethereum-Gaskosten auf zahlreiche Transaktionen innerhalb eines einzigen Rollup-Pakets verringert sich die durchschnittliche Transaktionsgebühr.
• Sicherheit und Zuverlässigkeit: Rollups profitieren von den zugrunde liegenden Sicherheits- und Konsensmechanismen von Ethereum und gewährleisten einen robusten Schutz vor Doppelausgaben, Netzwerkgabelungen und Liveness-Ausfällen.
• Interoperabilität: Da sie das Ethereum-Ledger für die Abrechnung gemeinsam nutzen, unterstützen Rollups von Natur aus die Interaktion mit anderen Ethereum-basierten Anwendungen und Rollup-Ketten. Daher kann die Ethereum-Schicht kettenübergreifende Transaktionen und Smart-Contract-Aufrufe zwischen anderen Ethereum-Rollups überbrücken. Allerdings nutzen Rollups typischerweise externe Brücken, um die hohen Gaskosten von Ethereum zu vermeiden.

Nachteile

• Begrenzte Souveränität: Rollups werden durch die Fähigkeiten und Regeln des Ethereum-Netzwerks und der Ethereum Virtual Machine (EVM) eingeschränkt. Sie können keine Transaktionen ausführen, die mit der EVM-Logik inkompatibel sind, oder Protokollaktualisierungen unabhängig vom Konsensprozess von Ethereum durchführen.

Gültigkeit

Validium ist eine innovative Layer-2-Skalierungslösung, die eine hohe Skalierbarkeit in den Vordergrund stellt, indem sie einige der Sicherheitsgarantien, die normalerweise von der übergeordneten Kette bereitgestellt werden, strategisch abwägt. Ein wichtiges Beispiel für die Validium-Architektur in Aktion ist der Übergang der PoS-Kette von Polygon im Rahmen des bevorstehenden Polygon 2.0-Upgrades, die sich von einer Ethereum-Sidechain zu einem vollwertigen Validium-System entwickelt.

Wie Validium funktioniert

Um die Funktionsweise von Validium vollständig zu verstehen, ist es hilfreich, es mit Ausführungs-Rollups zu vergleichen:

• Ausführungs-Rollups: Diese Systeme sind in Bezug auf Datenverfügbarkeit (DA), Konsens und Abwicklung auf das Ethereum-Netzwerk angewiesen. Unter diesen Funktionen ist DA oft die ressourcenintensivste, da sie umfassende Transaktionsdaten und Zustandsübergänge umfasst und erheblichen Speicherplatz auf Ethereum erfordert.
• Validium-Verschiebung: Im Gegensatz dazu ändert eine Validium-Konfiguration dies, indem sie ihre DA-Anforderungen auslagert (oder selbst verwaltet). Das bedeutet, dass das Unternehmen zwar immer noch auf Ethereum für Konsens und Abwicklung angewiesen ist, aber seine eigene DA arrangiert, typischerweise über externe oder proprietäre Systeme.

Betriebsdetails

• Datenverarbeitung: In einem Validium-System wird eine „DA-Bescheinigung“ bereitgestellt, anstatt vollständige Transaktionsdaten auf Ethereum hochzuladen. Diese Bescheinigung dient als Beweis dafür, dass die Daten den Validium-Knoten zur Verfügung stehen, aber nicht unbedingt auf der Ethereum-Blockchain gespeichert sind.
• Sicherheit und Integrität: Während die Verantwortung für die Verfügbarkeit und Sicherheit der Daten in Echtzeit auf die Validium-Knoten verlagert wird, kümmert sich Ethereum weiterhin um die Endgültigkeit und Validierung von Transaktionen mithilfe von Gültigkeitsnachweisen. Dieser Aufbau stellt sicher, dass Ethereum weiterhin die Integrität von Transaktionen überprüfen kann, ohne alle Daten direkt verarbeiten zu müssen.
• Fallstudie - Polygon zkEVM Validium: Im Rahmen der geplanten Polygon 2.0-Architektur wird das Polygon-Netzwerk seinen eigenen PoS-Mechanismus verwenden, der auf dem POL-Token basiert, um die Datenverfügbarkeit zu verwalten, Lebendigkeit und Integrität sicherzustellen und einen maßgeschneiderten Ansatz für die DA-Herausforderungen von Validium zu präsentieren.

Vorteile von Validium

• Erhöhter Durchsatz: Durch die Reduzierung der Datenlast auf der übergeordneten Blockchain kann ein Validiu-Rollup deutlich mehr Transaktionen in jedes Paket packen. Daher kann Validium ein deutlich höheres Transaktionsvolumen verarbeiten und so den gesamten Netzwerkdurchsatz steigern.
• Kosteneffizienz: Aufgrund der geringeren Datenverpflichtungen auf Ethereum sind die damit verbundenen Gasgebühren erheblich niedriger, was Transaktionen für Benutzer wirtschaftlicher macht.

Nachteile von Validium

• Reduzierte Sicherheitsgarantien: Im Gegensatz zu vollständigen Ausführungs-Rollups nutzt Validium nicht die vollständigen kryptografischen und wirtschaftlichen Sicherheitsmechanismen des Ethereum-Netzwerks. Dies kann potenziell einem höheren Risiko der Nichtverfügbarkeit oder Manipulation von Daten (wie der Aufnahme ungültiger Transaktionen in den Block) ausgesetzt sein, wenn die externen DA-Systeme kompromittiert werden.

Souveräne Rollups

Geprägt von Celestia, einem modularen Allzweck-DA-Anbieter, bezieht sich der Begriff „Sovereign Rollups“ auf eine Art Rollup-Architektur, die die Souveränität aufrechterhält. Dies bedeutet, dass es nicht die Erlaubnis seiner übergeordneten Kette benötigt, um grundlegende Regeln wie die Ausführungsumgebung oder die Programmiersprache zu ändern, was im Vergleich zu anderen Rollup-Typen ein höheres Maß an Unabhängigkeit und Anpassung bietet.

Was zeichnet Sovereign Rollups aus?

Um zu verstehen, warum Execution Rollups und Validium nicht als souverän gelten, müssen wir uns mit dem Konzept der Abrechnung innerhalb dieser Systeme befassen:

• Abrechnungsübersicht: Im Zusammenhang mit Rollups umfasst die Abwicklung die Überprüfung der Transaktionsgültigkeit mithilfe von DA-Daten (oder deren Bescheinigung) und Gültigkeitsnachweisen, um sicherzustellen, dass Transaktionen korrekt ausgeführt werden.
• Abhängigkeit von der Ausführungsumgebung: Damit eine Mutterkette wie Ethereum Abwicklungsdienste für ein Schicht-2-System bereitstellen kann, muss sie in der Lage sein, die auf Schicht 2 ausgeführten Transaktionen zu verstehen und zu überprüfen. Dies erfordert normalerweise, dass Schicht 2 dieselbe Ausführungsumgebung wie die Mutterkette verwendet (z. B. die Ethereum Virtual Machine oder EVM).

So funktionieren Sovereign Rollups

• Modulares Design: Ein Sovereign-Rollup verfügt über separate Abwicklungs- und Ausführungsebenen, wobei die übergeordnete Kette nur DA-Dienste und Konsens bereitstellt.
• Ausführungsflexibilität: Im Gegensatz zu herkömmlichen Rollups sind souveräne Rollups nicht verpflichtet, dieselbe Ausführungslogik wie die übergeordnete Kette zu verwenden. Dadurch können sie verschiedene virtuelle Maschinen oder Ausführungsumgebungen unabhängig von der Infrastruktur der übergeordneten Kette implementieren.
• Siedlungsautonomie: Sovereign Rollups wickeln ihre eigenen Abwicklungsprozesse intern oder über Netzwerke Dritter ab. Diese Autonomie ermöglicht es ihnen, unabhängig von der Ausführungslogik der übergeordneten Kette zu arbeiten.

Technischer Mechanismus

• DA und Konsens: Die Rolle der Mutterkette beschränkt sich auf die Sicherstellung der Datenverfügbarkeit und die Teilnahme an Konsensmechanismen, die kein Verständnis der spezifischen Daten oder Transaktionen des Souverän-Rollups erfordern.
• Betriebsbeispiel: Wenn ein Sovereign-Rollup auf Ethereum beispielsweise von der Verwendung des EVM auf die Übernahme der Solana-Umgebung umsteigen würde, könnte dies geschehen, ohne dass die Knoten von Ethereum der Änderung zustimmen oder sie überhaupt verstehen müssten.

Vorteile von Sovereign Rollups

• Flexibilität und Anpassung: Souveräne Rollups können ihre Ausführungsstandards unabhängig ändern und ihre Systeme aktualisieren, ohne dass die Genehmigung der übergeordneten Kette erforderlich ist.
• Grundlage für Appchains: Dieser Rollup-Typ ist ideal für anwendungsspezifische Blockchains (Appchains), die maßgeschneiderte Ausführungsumgebungen zur Optimierung von Leistung und Funktionalität erfordern.

Nachteile von Sovereign Rollups

• Sicherheitsbedenken: Auch die Dezentralisierung und Unabhängigkeit von Sovereign Rollups könnte ein Nachteil sein. Da sie nicht die vollständigen Sicherheitsmechanismen der übergeordneten Kette nutzen, sind sie möglicherweise anfälliger für Angriffe, insbesondere wenn das Layer-2-Netzwerk nicht über eine robuste und mit guten Anreizen ausgestattete Validatorbasis verfügt.
• Wirtschaftliche Risiken: Es besteht möglicherweise ein geringerer wirtschaftlicher Negativanreiz für böswillige Akteure innerhalb des Netzwerks, da die wirtschaftlichen Risiken bei Layer 2 möglicherweise nicht so groß sind wie bei etablierten Layer 1-Netzwerken wie Ethereum.

Modulare Blockchain-Designs – Fazit

Die Untersuchung modularer Designs wie Execution Rollups, Validium und Sovereign Rollups zeigt die innovativen Wege, mit denen sich die Blockchain-Architektur weiterentwickelt, um unterschiedlichen Anforderungen gerecht zu werden. Jedes Design bietet einzigartige Vorteile und Kompromisse und unterstreicht das Potenzial für maßgeschneiderte Blockchain-Lösungen, die Skalierbarkeit, Autonomie und Effizienz über verschiedene Anwendungen und Plattformen hinweg optimieren. Das folgende Diagramm fasst die verschiedenen Designs zusammen, die wir heute untersuchen.

Monolithische vs. modulare Blockchains im Vergleich

Die folgende Tabelle fasst die architektonischen und betrieblichen Unterschiede zwischen monolithischen und modularen Blockchains zusammen.

Abschiedsgedanken – Wird Web3 immer modularer?

Am Ende dieser Untersuchung der sich entwickelnden Architekturen der Blockchain-Technologie stellt sich eine Schlüsselfrage: Warum setzt Web3 zunehmend auf modulare Designs? Der Wandel hin zur Modularität in der Blockchain ist nicht nur ein Trend, sondern eine Reaktion auf mehrere entscheidende Herausforderungen und Chancen in der digitalen Landschaft.

Kapazitäts- und Skalierbarkeitsgrenzen

Die weit verbreitete Einführung der Blockchain-Technologie hat die Grenzen monolithischer Architekturen deutlich gemacht. Diese Systeme sind zwar grundlegend, lassen sich aber nur schwer effizient skalieren, da jeder Knoten jede Transaktion verarbeiten muss. Im Gegensatz dazu ermöglichen modulare Blockchains eine Skalierung ohne Kompromisse bei der Dezentralisierung, indem sie Aufgaben auf spezialisierte Schichten oder Knoten verteilen und so die Leistung und Leistungsfähigkeit verbessern.

Vielfältige Web3-Funktionalitäten

Der Umfang von Web3 wird schnell erweitert und umfasst eine Vielzahl von Funktionen, wie z Reale Vermögenswerte (RWAs), Dezentrale physische Infrastrukturnetzwerke (DePIN) und fortschrittliche Datenschutzlösungen. Ein einheitlicher Ansatz, der für monolithische Blockchains typisch ist, reicht für den Umgang mit dieser Vielfalt zunehmend nicht mehr aus. Modulare Systeme bieten die erforderliche Flexibilität, um bestimmte Schichten oder Module so anzupassen, dass sie diese unterschiedlichen Anforderungen effizient und effektiv erfüllen.

Effizienz in der Transaktionsverarbeitung

In einem Ökosystem, in dem risikoarme und risikoreiche Transaktionen nebeneinander existieren, bieten modulare Blockchains eine effiziente Lösung, indem sie diese Transaktionen entsprechend ihren Sicherheitsanforderungen trennen. Dadurch werden die Gaskosten optimiert und sichergestellt, dass Transaktionen mit hohem Risiko den erforderlichen starken Sicherheitsschwerpunkt erhalten, ohne dass einfachere Transaktionen durch unnötige Kosten und Verarbeitungsverzögerungen belastet werden.

Beliebtheit von Allzwecklösungen

Plattformen wie Celestia, EigenDA, Polkadot und Cosmos zeigen die wachsende Präferenz der Blockchain-Community für universelle, modulare Lösungen. Diese Plattformen ermöglichen eine maßgeschneidertere Entwicklungs- und Wartungsumgebung, sodass Entwickler mit größerer Freiheit und Spezifität innovativ sein können.

Die sich entwickelnde Rolle von Ethereum

Einer der vielleicht bedeutendsten Indikatoren für diesen Wandel ist die Entwicklung von Ethereum zu einer primären Datenverfügbarkeitsschicht (Data Availability, DA) innerhalb von Web3. Das Ökosystem kann einen höheren Durchsatz und eine höhere Skalierbarkeit erreichen, indem die traditionell von Ethereum übernommenen Verantwortlichkeiten auf spezialisierte Schichten oder Rollup-Ketten umverteilt werden. Diese Transformation unterstreicht die breitere Bewegung hin zu einem dezentraleren und effizienteren Rahmen, in dem Ethereum eine grundlegende, aber keine allumfassende Rolle spielt.

Abschließende Überlegungen

Die Entwicklung hin zu modularen Blockchains spiegelt eine natürliche Entwicklung der Technologie im Zuge ihrer Reife und Diversifizierung wider. So wie sich das Internet von einer monolithischen Infrastruktur zu einem komplexen, vielschichtigen Ökosystem entwickelt hat, diversifiziert sich auch die Blockchain-Technologie, um den Anforderungen einer immer komplexer werdenden digitalen Welt gerecht zu werden. Modulare Architekturen versprechen eine skalierbarere, flexiblere und effizientere Blockchain-Infrastruktur und machen sie zu einem Eckpfeiler für die zukünftige Entwicklung von Web3-Technologien. Durch die Akzeptanz der Modularität ebnet die Web3-Community den Weg für eine robustere, dezentralere und innovativere digitale Zukunft.

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• Quelle: https://www.coinbureau.com/analysis/monolithic-vs-modular-blockchains/