Staatskanäle

Konzept und Funktionalität

State Channels sind eine Layer-2-Skalierungslösung, die sichere und effiziente Off-Chain-Transaktionen zwischen einer begrenzten Anzahl von Teilnehmern, typischerweise zwei, ermöglicht. Zahlungskanäle wie das Lightning Network für Bitcoin sind beliebte Beispiele für staatliche Kanäle, die speziell für den Geldwechsel entwickelt wurden.

Weiterlesen: Was ist das Bitcoin Lightning Network?

In einem State Channel hinterlegen die Teilnehmer zunächst einen bestimmten Betrag an Kryptowährung in der Kette und erstellen so ein Multi-Signatur-Wallet außerhalb der Blockchain. Solange ihr Saldo nicht negativ bleibt, können sie direkt miteinander Geschäfte abwickeln, ohne Miner oder die Hauptkette einzubeziehen, indem sie Statusaktualisierungen in Form von [Turn_Nummer, Betrag, Signatur] senden.

Wenn Teilnehmer den Kanal schließen möchten, führen sie einen „Exit“ durch, indem sie die letzte Statusaktualisierung an die Hauptkette übermitteln, die die Aktualisierung validiert und die Endsalden an die Parteien zurücküberträgt. Um die Sicherheit zu gewährleisten und betrügerische Austritte zu verhindern, gibt es einen Anfechtungszeitraum, in dem der andere Teilnehmer eine Zustandsaktualisierung mit einer höheren turn_number vorlegen und so den ursprünglichen Austritt effektiv anfechten kann. Wachtürme können eingesetzt werden, um die Hauptkette auf solche Versuche zu überwachen.

Zustandskanäle können auf andere Arten von Zustandsübergängen angewendet werden, beispielsweise auf Spiele oder die Ausführung intelligenter Verträge, sofern die Hauptkette ihre Richtigkeit überprüfen kann. Sie bieten sofortige Endgültigkeit, niedrige Gebühren und einen relativ einfachen Aufbau, wodurch sie für verschiedene Anwendungsfälle wie Zahlungen und Spiele geeignet sind.

Anwendungsfälle und Beispiele

State Channels sind für verschiedene Anwendungsfälle weit verbreitet, vor allem aufgrund ihrer sofortigen Endgültigkeit, niedrigen Gebühren und effizienten Off-Chain-Transaktionen. Einige dieser Anwendungsfälle umfassen:

• Zahlungen: Zahlungskanäle wie das Lightning Network von Bitcoin sind beliebte Layer-2-Lösungen, die schnelle und sichere Off-Chain-Transaktionen zum Geldaustausch ermöglichen.

• Gaming: Staatliche Kanäle können sichere Off-Chain-Gaming-Erlebnisse ermöglichen, bei denen Spieler ihre Spielzüge als Transaktionen untereinander übermitteln können, ohne mit der Hauptkette zu interagieren.

• Intelligente Verträge: Staatliche Kanäle können auch für die Ausführung intelligenter Verträge außerhalb der Kette verwendet werden, wodurch die Belastung der Hauptkette verringert und gleichzeitig das gewünschte Maß an Sicherheit und Effizienz aufrechterhalten wird.
  Trotz ihrer zahlreichen Vorteile kann die sichere Implementierung von State Channels ein komplexes Unterfangen sein, das eine sorgfältige Beachtung potenzieller Grenzfälle und Schwachstellen erfordert.

Seitenketten

Konzept und Funktionalität

Seitenketten sind eine Form der Skalierungslösung für Blockchain-Netzwerke, die unabhängig neben der Hauptkette arbeiten, um deren Leistung zu verbessern. Sie verfügen über eigene Validatoren und Operatoren sowie Brücken, die den Transfer von Vermögenswerten zwischen der Haupt- und der Seitenkette ermöglichen. Seitenketten können auch Snapshot-Block-Header zur Hauptkette erstellen, um Forks zu verhindern.

Um Vermögenswerte von der Hauptkette auf eine Seitenkette zu verschieben, sperren die Teilnehmer ihre Vermögenswerte auf der Hauptkette und erbringen einen Nachweis über die Sperre auf der Seitenkette. Um die Assets auf der Hauptkette freizuschalten, initiieren sie einen Ausstieg auf der Seitenkette und erbringen den Nachweis des Ausstiegs, sobald dieser in einen Seitenkettenblock aufgenommen wird.

Obwohl die Sicherheit der Hauptkette genutzt wird, um Forks zu verhindern, sind Seitenketten anfällig für ungültige Zustandsübergangsangriffe, bei denen zusammenarbeitende Prüfer ungültige Blöcke erstellen und Gelder von anderen Teilnehmern stehlen. Die meisten Seitenketten werden unter der Annahme entwickelt, dass die überwiegende Mehrheit der Validatoren unbeschädigt bleibt.

Anwendungsfälle und Beispiele

Seitenketten werden eingesetzt, um die Skalierbarkeit und Effizienz der Hauptkette zu verbessern, und sie können in verschiedenen Szenarien eingesetzt werden, wie zum Beispiel:

• Auslagerung von Hauptkettentransaktionen: Seitenketten können einen Teil der Transaktionen der Hauptkette abwickeln, wodurch die Gesamtlast der Hauptkette verringert und ihre Leistung verbessert wird.

• Implementierung experimenteller Funktionen: Seitenketten können als Testgelände für neue Funktionen und Verbesserungen dienen, ohne die Stabilität der Hauptkette zu beeinträchtigen.

• Anpassbare Blockchain-Anwendungen: Seitenketten können auf bestimmte Anwendungsfälle oder Branchen zugeschnitten werden und ermöglichen so maßgeschneiderte Blockchain-Anwendungen, ohne die Hauptkette zu überlasten.
  Obwohl Seitenketten eine Form der Skalierungslösung für Blockchain-Netzwerke sind, gelten sie nicht als Layer-2-Skalierungslösung (L2), bei der es sich um eine spezielle Art von Skalierungslösung handelt, die auf der Hauptkette operiert.

Trotz ihrer potenziellen Sicherheitsrisiken bleiben Seitenketten ein wesentlicher Bestandteil des Blockchain-Ökosystems und verbessern die Skalierbarkeit und Flexibilität der Hauptketten.

Rollups (Optimistische und ZK-Rollups)

Konzept und Funktionalität

Rollups sind eine Layer-2-Skalierungslösung, die mehrere Transaktionen zu einem einzigen Nachweis zusammenfasst oder „zusammenfasst“, bevor er an die Hauptkette übermittelt wird. Sie sind in zwei Ausführungen erhältlich: Optimistische Rollups und ZK-Rollups. Beide Arten von Rollups erhöhen den Transaktionsdurchsatz und senken die Gaskosten, unterscheiden sich jedoch in ihrem Ansatz zur Validierung und Sicherheit.

Optimistische Rollups

Optimistische Rollups basieren auf einem System „optimistischer“ Annahmen, bei dem Transaktionen bis zum Beweis des Gegenteils als gültig gelten. Sie verwenden einen Streitbeilegungsmechanismus namens „Fraud Proof“, der es Benutzern ermöglicht, ungültige Transaktionen anzufechten. Wenn festgestellt wird, dass eine Transaktion ungültig ist, wird der Rollup rückgängig gemacht und der Herausforderer wird belohnt.

ZK-Rollups

ZK-Rollups hingegen nutzen Zero-Knowledge-Proofs (zk-SNARKs), um eine kryptografische Absicherung der Gültigkeit von Transaktionen bereitzustellen, bevor diese an die Hauptkette übermittelt werden. Dadurch entfällt die Notwendigkeit eines Streitbeilegungsmechanismus, da ungültige Transaktionen nicht in das Rollup einbezogen werden können.

Anwendungsfälle und Beispiele

Aufgrund ihrer Sicherheits- und Effizienzeigenschaften gehören Rollups heute zu den vielversprechendsten Layer-2-Skalierungslösungen. Zu den Vorteilen und Anwendungsfällen von Rollups gehören:

• Verbesserte Datenverfügbarkeit: Rollups stellen sicher, dass Daten nicht zurückgehalten werden, indem beim Snapshot eines Blocks die Übergabe des vollständigen Blocks oder Status als Argument erforderlich ist.

• Statusübergangsvalidierung: Rollups stellen einen zk-SNARK (für ZK-Rollups) oder einen Betrugsnachweis (für optimistische Rollups) bereit, um die Korrektheit von Statusübergängen zu bestätigen und so die Erstellung ungültiger Blöcke zu verhindern.

• Keine Forks: Die Fork-Auswahlregel in Rollups bevorzugt immer die Kette, die den letzten Snapshot-Block enthält, und verhindert so die Erstellung von Forks.

• Reduzierte Gaskosten: Rollups reduzieren die Gaskosten der On-Chain-Verifizierung erheblich und machen sie effizienter als On-Chain-Transaktionen.

• Sofortige Exits: Wenn Rollup-Betreiber kooperieren, können Exits sofort ausgeführt werden, ohne dass ein Exit-Spiel erforderlich ist.

Beispiele für Rollup-Implementierungen

Optimism ist eine beliebte Optimistic Rollup-Implementierung im Ethereum-Netzwerk zur Skalierung intelligenter Verträge und dezentraler Anwendungen (dApps).

zkSync ist eine ZK-Rollup-Lösung für Ethereum, die sich auf die Bereitstellung kostengünstiger, schneller und sicherer Token-Übertragungen konzentriert.

Plasma

Konzept und Funktionalität

Im Jahr 2017 schlugen Joseph Poon und Vitalik Buterin erstmals Plasma als Layer-2-Skalierungslösung vor. Es erstellt einen Baum aus untergeordneten Ketten, die in der Hauptkette verwurzelt sind, wobei jede untergeordnete Kette als separate Blockchain fungiert, die Transaktionen unabhängig abwickeln kann. Dadurch wird die Verarbeitung von der Hauptkette entlastet und der Gesamtdurchsatz erhöht. Vermögenswerte können über ein System intelligenter Verträge zwischen der Hauptkette und den untergeordneten Ketten übertragen werden.

Plasmaketten stützen sich auf eine Kombination aus Merkle-Bäumen und Betrugsnachweisen, um die Sicherheit und Integrität von Transaktionen außerhalb der Kette zu gewährleisten. Plasmadesigns können in verschiedene Typen eingeteilt werden, z. B. Minimum Viable Plasma (MVP), Plasma Cash, Plasma Debit und More Viable Plasma (MoreVP). Jeder Typ bietet unterschiedliche Kompromisse in Bezug auf Sicherheit, Effizienz und Benutzerfreundlichkeit und richtet sich an bestimmte Anwendungsfälle und Anwendungsanforderungen.

Vorteile von Plasma

• Skalierbarkeit: Plasmaketten können eine große Anzahl von Transaktionen unabhängig von der Hauptkette abwickeln, was den Gesamtdurchsatz erheblich steigert.

• Niedrigere Transaktionsgebühren: Durch die Auslagerung von Transaktionen auf Plasma-Ketten können die mit On-Chain-Transaktionen verbundenen Gebühren gesenkt werden.

• Anpassbarkeit: Jede Plasma-Kette kann über einen eigenen Konsensmechanismus und eigene Regeln verfügen, was maßgeschneiderte Lösungen für bestimmte Anwendungsfälle ermöglicht.

• Sicherheit: Plasmaketten übernehmen die Sicherheit der Hauptkette und verwenden gleichzeitig Betrugsnachweise, um die Integrität von Transaktionen außerhalb der Kette sicherzustellen.

Anwendungsfälle und Beispiele

Plasma bietet mehrere Vorteile und eignet sich daher für verschiedene Anwendungsfälle:

• Dezentrale Börsen (DEXs): Mit Plasma können dezentrale Börsen mit hohem Durchsatz und geringer Latenz erstellt werden, ohne die Hauptkette zu überlasten.

• Gaming und NFTs: Plasmaketten können skalierbare und effiziente Gaming-Plattformen und Non-Fungible Token (NFT)-Marktplätze unterstützen.

• IoT und Lieferkette: Plasma kann Echtzeit-Datenverarbeitung und Asset-Tracking in komplexen Lieferketten-Ökosystemen ermöglichen.
  Beispiele für Plasma-Implementierungen

• OMG Network (ehemals OmiseGo): Eine Plasma-basierte Ethereum-Skalierungslösung, die sich auf die Ermöglichung schneller, kostengünstiger Token-Transfers und dezentraler Austauschfunktionen konzentriert.

• Matic Network (jetzt Polygon): Eine Plasma-basierte Sidechain für Ethereum, die eine Plattform für die Erstellung skalierbarer und effizienter dApps bietet. Seitdem hat sich Polygon zu einer Multi-Chain-Skalierungslösung entwickelt, die auch andere Layer-2-Techniken wie ZK-Rollups und Optimistic Rollups unterstützt.