Was sind die Kompromisse von Bitcoin? Warum ist Bitcoin „langsam“, warum benötigen Transaktionen oftmals mehrere Stunden, um beim Empfänger anzukommen, warum sind die Transaktionsgebühren im Vergleich zu anderen Blockchains oftmals um ein Vielfaches höher und warum wird die Blockgröße bei Bitcoin nicht einfach erhöht, um die Skalierbarkeit zu schaffen, damit auch Smart Contracts auf der Bitcoin-Mainchain möglich sind?

Dies sind oft gestellte Fragen, die Neueinsteiger bei Bitcoin beschäftigen und welche auf den ersten Blick plausibel und rational wirken. Im folgenden Artikel soll im Detail analysiert werden, warum der status quo der Bitcoin-Mainchain ein Idealzustand ist, welcher nicht – so wie es diese Fragen suggerieren – verändert werden sollte.

Das Trilemma

Bitcoin ist im Vergleich zu anderen Blockchain-Projekten zumeist langsamer, was die Anzahl verarbeiteter Transaktionen pro Zeiteinheit angeht und auch oftmals teurer, wenn man die Höhe der Transaktionsgebühren vergleicht. Dies ist darauf zurückzuführen, dass Bitcoin einen enorm hohen Grad an Dezentralisierung aufweist – und damit die Konkurrenz blass aussehen lässt.

“Veranschaulicht werden kann dieses “Dilemma” durch das sogenannte “Trilemma”-Dreieck. Dieses zeigt, dass immer ein abwägender Kompromiss zwischen den dargestellten drei Eigenschaften einer Blockchain getroffen werden muss: Der Dezentralisierung, Skalierbarkeit und Sicherheit. Bitcoin befindet sich aufgrund seiner definierten Eigenschaften in der Mitte dieses Dreiecks.

Kompromisse von Bitcoin
Das “Trilemma” einer Blockchain

Eine Verkürzung der Blockzeit beispielsweise erhöht die Skalierbarkeit (mehr Transaktionen pro Sekunde), führt jedoch zu weniger Dezentralisierung, da die Kosten zur Teilnahme am Netzwerk höher werden.

Die Gewaltentrennung

Das Bitcoin-Ökosystem fußt auf einer Gewaltentrennung zwischen Developern, Minern und Nodes.

Gewaltenteilung im Bitcoin-Netzwerk / 3 Säulen

Developer: An Bitcoin Core, jener Software, mittels der rund 97% der Bitcoin Nodes betrieben werden, haben laut GitHub Repository bis dato rund 700 Developer gearbeitet. Es gibt also keine zentrale Instanz in Form eines Unternehmens, welches Bitcoin Core entwickelt, sondern – insoweit man es so bezeichnen möchte – das schöpferische Wissen des Programmcodes ist auf ebenjene Anzahl von Köpfen (ungleich gewichtet) verteilt.

Miner: Versinnbildlicht dargestellt spielen die Miner ein Würfelspiel mit mehreren Würfeln, bei dem das Ziel darin besteht, eine niedrigere Zahl zu würfeln als jene, welche vom Bitcoin-Difficulty-Algorithmus vorgegeben wird. Ungefähr alle 10min (=die angestrebte Blockzeit) wird dieses Ziel von einem Miner erreicht. Der Gewinner inkludiert dann einen entsprechenden Beweis über die gewürfelte, niedrigere Zahl am Ende des an das Netzwerk übermittelten Hashes und darf als Belohnung einen Block lösen/setteln, wodurch die darin enthaltenen Transaktionen bestätigt/durchgeführt werden und der Block-Reward (= eine Ausschüttung neuer Bitcoins) plus Transaktionsgebühren vereinnahmt werden.

Nodes: Nodes/Knotenpunkte sind im Prinzip die Computer von Nutzern, die ein komplettes Abbild der Bitcoin-Blockchain auf ihren Festplatten gespeichert haben und aktiv die Bitcoin Core-Software am Laufen haben. Dies können normale Stand-PCs, Notebooks, Rasperry Pis oder auch einfach virtuelle Rechner innerhalb von Cloudsystemen sein. Derzeit werden weltweit an die 12000 aktive Nodes betrieben. Diese synchronisieren sich untereinander und jede Bitcoin-Transaktion muss über eine Node an das Netzwerk gesendet werden.

So muss man als simpler Enduser, der schnell eine Transaktion an das Netzwerk übermitteln will, keine eigene Node betreiben und kann beispielsweise eine App nutzen, welche die Transaktionsdaten erfasst und diese dann über die vom Anbieter betriebene Node an das Netzwerk übermittelt. So ist es möglich, dass tausende Nutzer eine einzige Node als Tor zum Netzwerk nutzen. Die übermittelten Transaktionen landen dann in einem Zwischenspeicher, genannt Mempool, der über alle Nodes hinweg ständig aktualisiert und synchronisiert wird. Von hier aus werden die Transaktionen in vorläufige Blockkandidaten integriert und es verbleibt die Aufgabe der Miner, die Blöcke wie vorhin beschrieben zu lösen/setteln.

An Hand dieser kurzen und vereinfachten Betrachtung der Gewaltentrennung im Bitcoin-Netzwerk kann man erkennen, dass innerhalb jeder Säule ein hoher Dezentralisierungsgrad vorherrscht.

Bei der Entwicklung haben wir eine Vielzahl an Developern und kein Unternehmen, welches angreifbar oder haftbar in einem rechtlichen Sinne wäre.

Bei den Minern liegt ein Anreiz in Form monetärer Entlohnung vor, welche sich eine Vielzahl an Konkurrenten nicht entgehen lassen möchte, was wiederum zu einer Atomisierung der Teilnehmerzahl in diesem Wettbewerbsumfeld führt.

Bei den Nodes gibt es tausende Entitäten, die eine Kopie der gesamten Blockchain speichern und sichern und auch bei einem Ausfall von beispielsweise 50% der Knotenpunkte hätte dies keinen Einfluss auf den reibungslosen Betrieb des Netzwerks.

Die Vorteile dieser Gesamtarchitektur des Netzwerkes liegen klar auf der Hand: Schwere Angreifbarkeit bzw. Abschaltbarkeit nahezu ausgeschlossen, Zensurresistenz, höchste Sicherheit, niedrige Eintrittsbarrieren für neue Teilnehmer, freie und kostenlose Verfügbarkeit der Software, Open Source-Quellcodes, die von jedem einsehbar und weiterentwickelbar sind.

Die auf maximale Sicherheit abzielende Architektur des Bitcoin-Ökosystems (Quelle)

Maximal dezentralisierte Netzwerke weisen aber auch Nachteile auf, die an dieser Stelle genannt und nachfolgend kritisch den Vorteilen gegenübergestellt werden sollen:

Bitcoin ist „langsam“

Die Blockgröße von Bitcoin beträgt lediglich 1 Megabyte pro Block. Durch die Implementierung von SegWit kann die Blockgröße unter Umständen (in der Theorie) auch auf 4 Megabyte pro Block ausgeweitet werden. In der Praxis bewegen sich die Blockgrößen zumeist im Bereich von 1,2 bis 2 Megabyte und beinhalten um die 2500 bis 3000 Transaktionen, wenn ein einigermaßen hohes Transaktionsvolumen abzuarbeiten ist.

Damit ist Bitcoin im Vergleich zu anderen Transaktionssystemen mit einer ungefähren Anzahl von 7 Transaktionen pro Sekunde sehr langsam. Ethereum bewältigt ungefähr 15-20 Transaktionen pro Sekunde, Paypal 200 und Visa ungefähr 50000 Transaktionen pro Sekunde.

Warum also nicht einfach die Blockgröße im Bitcoin-Netzwerk erhöhen? Die Antwort heißt Dezentralität. Je weiter die Blockgröße erhöht und je mehr Transaktionen pro Sekunde damit verarbeitet werden können, desto mehr Datenspeicher müssen die Nodes zur Verfügung stellen, wodurch Festplatten mit hoher Speicherkapazität angeschafft werden müssen, was wiederum mit höheren Anschaffungskosten einhergeht.

Die Blockchaingröße von BitcoinSV – Einer Fork ohne Blocksize-Limit (Quelle)

Derzeit benötigt das Abbild der Bitcoin-Blockchain ungefähr 355 Gigabyte freien Speicherplatz. 1 Terabyte-Festplatten sind vergleichsweise günstig zu erwerben, so dass eine Bitcoin-Node inklusive der dazu noch benötigten zusätzlichen Hardware ab ca. 80 € Anschaffungskosten betrieben werden kann. Bei einer Erhöhung der Blockgrößen würden diese Anschaffungskosten für eine Bitcoin-Node stark steigen und weniger Akteure würden eine eigene Node betreiben, was den Dezentralisierungsgrad massiv schwächen würde und der Grundidee von Bitcoin, dass ein jeder Netzwerkteilnehmer seine eigene Bank durch Betreiben einer Node sein kann, untergraben würde.

Zudem ist die Bitcoin-Blockchain oder auch Mainlayer genannt, auch nicht als Transaktionslayer für alle möglichen Mikro-Transaktionen konzipiert, sondern als Settlementlayer für Transaktionen, die größere Summen umfassen und seltener bzw. im Batching-Verfahren durchgeführt werden. Als Transaktionslayer wird hingegen das Lightning-Netzwerk verwendet, welches „on-top“ des Bitcoin-Mainlayers läuft und für kostengünstige bzw. kostenlose Mikro-Transaktionen konzipiert ist.

Man hat sich bei Bitcoin also ganz klar gegen eine Erweiterung der Blockgrößen entschieden, um ein Maximum an Dezentralität sicherzustellen. Sehen wir uns die Konkurrenten Ethereum, Paypal und Visa an. Ethereum hat derzeit eine Blockchaingröße von ungefähr 1 Terabyte – um eine Full Node zu betreiben, muss also mindestens eine wesentlich teurere 2 Terabyte-Festplatte angeschafft werden. Zudem steigt die Blockchaingröße bei Ethereum schneller als bei Bitcoin, da die Blockzeit bei ungefähr 13-14 Sekunden liegt.

Dies wird es für einfache Endnutzer in den kommenden Jahren aufgrund des erschwerend hinzukommenden Kostenfaktors für größere Festplatten schwierig machen, eine eigene Ethereum-Node zu betreiben. Das Netzwerk wird sich weiter zentralisieren, was es angreifbarer macht und zu Lasten der Sicherheit geht.

Im Gegenteil dazu sind Paypal und Visa am ehesten mit einer zentralisierten Datenbank zu vergleichen. Hier wird auf keine Blockchain zurückgegriffen, sondern die Transaktionen werden zentral durch ein Unternehmen auf vergleichsweise wenigen Servern durchgeführt. Es gibt keinen hohen Synchronisationsaufwand und keine verzögernden Blockzeiten, die Abwicklung erfolgt nahezu in Echtzeit. Somit ist auch die hohe Anzahl an Transaktionen pro Sekunde zu erklären. Es gibt jedoch so gut wie keine Dezentralität, ein zentraler Angriffspunkt – nämlich das jeweilige Unternehmen – betreibt das Zahlungsnetzwerk und unliebsame Teilnehmer können sofort zensiert und aus dem Netzwerk verbannt werden.

Der Kompromiss bei Bitcoin heißt also: Das Opfern von Geschwindigkeit für ein Maximum an Dezentralität, Sicherheit und Offenheit.

Mögliche Transaktionen pro Sekunde im Vergleich – Skalierung durch das Lightning Network (Quelle)

Transaktionen sind teuer

Die Blockzeit – also jene Zeit, nach der ein neuer Block gefunden werden sollte – beträgt bei Bitcoin 10 Minuten. Im Vergleich zu zentralisierten Projekten ist dies äußerst langsam. Werden viele Transaktionen im selben Zeitraum an das Netzwerk gesendet, werden jene Transaktionen vorgereiht, welche eine höhere Gebühr für die Miner beinhalten.

Doch warum sind Transaktionen im Netzwerk nicht kostenlos? Dies dient dem Schutz vor Spam. Wären Transaktionen kostenlos, könnten schädliche Akteure das Netzwerk mit abertausenden Transaktionen fluten und blockieren. Sind diese nicht kostenlos, erleiden solcherlei Akteure einen nicht unbeträchtlichen finanziellen Schaden beim Absenden einer Vielzahl an Transaktionen. Dies führt zu einem effektiven Schutz gegenüber einem solch schädlichen Verhalten.

Da sich das Lightning-Netzwerk – also der eigentliche Bezahl-Layer für Mikrotransaktionen – noch in der Entwicklung befindet bzw. erst jetzt einen hohen Zustrom von Nutzern erlebt, wird von vielen Einsteigern irrtümlich davon ausgegangen, dass eigentlich die Mainchain von Bitcoin für das alltägliche Bezahlen gedacht ist, was fundamental gesehen falsch ist. Die Mainchain ist bei Bitcoin als Settlement-Layer konzipiert, die Skalierung für den täglichen Zahlungsgebrauch erfolgt über das Lightning-Netzwerk.

Höhe der Gebühren

Settlements erfolgen üblicherweise analog zum klassischen Bankensystem im Batching-Verfahren, bei dem mehrere Transaktionen zunächst gesammelt und in einer einzigen, tatsächlichen Mainchain-Transaktion verarbeitet werden. Solche Transaktionen sind üblicherweise weniger zeitkritisch als tatsächliche Zahlungstransaktionen im Alltag über die Mainchain. Möchte man die Mainchain für eine zeitkritische Zahlung nutzen, muss daher eine vergleichsweise hohe Fee eingstellt werden, damit die Zahlung in annehmbarer Zeit bestätigt wird.

Bitcoin braucht den ökonomischen Anreiz der Fees für die Miner, um deren Arbeit, die Sicherung des Netzwerks mit Rechenleistung, zu incentivieren. Wenn der letzte Bitcoin geschürft ist, sollten auch die Fees konstant so hoch sein, dass die Tätigkeit der Miner nur aufgrund dieser Belohnungskomponente und ohne weiter bestehenden Block-Reward weiter ausgeführt wird.

Gebühren bedeuten Sicherheit

Hohe Fees sind also auf lange Sicht unerlässlich, um die Sicherheit von Bitcoin durch die Sicherstellung dieser Einnahmequelle für die Miner weiterhin zu garantieren. Die Kritik an der reinen Höhe der Fees muss mit Verweis auf das Lightning Netzwerk abgewiesen werden. In Zukunft werden vermutlich auch neue und technisch wenig versierte Nutzer von Haus aus das Onboarding nur auf dem Lightning Netzwerk durch Drittanbieterapps erleben und niemals auf der Mainchain agieren.

Beispielhafte Darstellung der realen Blockgrößen, Fees und Blockzeiten auf mempool.space

Wieso gibt es keine Smart Contracts bei Bitcoin?

Im Gegensatz zu anderen, zentralisierteren Projekten, welche auf der Mainchain skalieren und hochkomplexe Smart Contract-Anwendungen erlauben, ist dies bei Bitcoin auf der Mainchain ausgeschlossen. Auch hier findet die Skalierung und Anwendung auf Second Layer- bzw. Sidechain-Lösungen statt. Die derzeit zwei größten Sidechain-Lösungen, welche Smart Contracts erlauben, sind Rootstock und Liquid, aber auch im Lightning Netzwerk wird es Smart Contract-Anwendungen geben.

als Second Layer-Modell beispielhaft visualisiert
mit Lightning und Liquid on-top der Bitcoin-Mainchain (Quelle)

Mit dem kommenden Taproot-Upgrade im November werden weitere Funktionalitäten bzgl. Smart Contract-Kompatiblität bzw. Multisignaturen in Bitcoin integriert. Somit ist die Aussage, es gäbe keine Smart Contracts bei Bitcoin, vom Grundsatz her falsch. Der Kompromiss bei Bitcoin heißt hingegen: Smart Contracts und die damit einhergehende Skalierung (erhöhtes Transaktionsvolumen) ebenso via Second-Layer-Lösungen und keine Verkomplizierung durch solcherlei Anwendungen auf der Mainchain, was mit einer erhöhten Fehleranfälligkeit des Codes und somit der Sicherheit einhergehen würde.

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