Teil XVI - Bitcoin: Gut Ding will Weile haben

In der Theorie hat die inflationär genannte Blockchain-Technologie die Welt schon längst umgekrempelt. So scheint es kaum einen Geschäftsbereich zu geben, der nicht durch die Blockchain grundlegende Veränderungen erfahren soll. In der Praxis allerdings scheint die Sache bislang etwas anders auszusehen.

Anderes als Google, Facebook, Uber oder Visa finden öffentliche, erlaubnisfreie Blockchain-Systeme wie Bitcoin oder Ethereum bei einer breiten Masse noch kaum Verwendung. Weder ist Bitcoin bei einer Mehrheit der Weltbevölkerung als allgemein akzeptiertes Zahlungsmittel in Gebrauch noch fungiert Ethereum als dezentralisierter Weltcomputer für eine Mehrzahl weitverbreiteter Alltagsapplikationen. Deren entscheidender Makel: Im Vergleich zu traditionellen Tech-Anwendungen ist die Skalierbarkeit um ein Vielfaches kleiner. Bitcoin und Ethereum sind hinsichtlich ihres Transaktionsdurchsatzes und -geschwindigkeit arg beschränkt.

Deutlich wird das in der Gegenüberstellung mit sogenannten Legacy-Systemen: PayPal verarbeitet etwa 200 Transaktionen pro Sekunde und Visa sogar deren 56'000. Anwendungen wie Google oder Facebook spielen dann nochmals in einer ganz anderen Liga. Ethereum hingegen schafft derzeit im Durchschnitt allerhöchstens 20 Transaktionen pro Sekunde, bei Bitcoin sind es zwischen drei und zehn Transaktionen (abhängig vom Transaktionstypus). Denn öffentlichen, erlaubnisfreien Blockchain-Systemen ist es derzeit also nicht möglich, auch nur annähernd an die Transaktionskapazität der derzeit dominanten Altsysteme heranzukommen.

Warum aber sind Bitcoin und Ethereum technologisch beschränkt und nicht einfach von heute auf morgen skalierbar? Der Grund ist das sogenannte Blockchain-Trilemma: Zum heutigen Zeitpunkt kann ein öffentliches, erlaubnisfreies Blockchain-System nur zwei der folgenden drei Eigenschaften gleichzeitig treu bleiben: Non-Zentralität, Sicherheit und Skalierbarkeit.

Applikationen wie Google, Facebook oder Visa weisen nur deshalb eine derart hohe Transaktionskapazität aus, weil sie Skalierbarkeit und Sicherheit priorisieren und Non-Zentralität stark vernachlässigen. Die Blockchain-Protokolle sind also nicht etwa deshalb so langsam, weil diese ganz grundsätzlich nicht skalierbar wären und keinen hohen Transaktionsdurchsatz ermöglichen könnten. Die Beschränkung ist vielmehr das Ergebnis einer «bewussten» Entscheidung, die Non-Zentralität und Sicherheit gegenüber Skalierbarkeit zu priorisieren. Denn das Kernelement öffentlicher Blockchains besteht ja gerade darin, jedermann vorbehaltslos einen netznetzwerktragenden Knoten (Node) betreiben zu lassen. Weil aber auch jede Node jede einzelne Transaktion verarbeitet, zeichnet und verfügt sie über die gesamte Transaktionshistorie der Blockchain und sorgt so dafür, dass das gesamte Blockchain-Netzwerk synchron gehalten wird. Letztlich ist jede Public-Blockchain jedoch nur so stark wie ihr schwächstes Glied, weshalb die Skalierbarkeit und damit Transaktionsdurchsatz und -geschwindigkeit gewissermassen von der Rechenkapazität der leistungsschwächsten Node abhängt. Diese Netzwerknoten könnten natürlich ausrangiert werden. Auf diese Weise wäre die Blockchain dann allerdings nicht mehr länger öffentlich und erlaubnisfrei.

What the Block?

Erstmals wirklich ins Bewusstsein gebracht hat das Blockchain-Trilemma die sogenannte Blocksize-Debate oder zu Deutsch Blockgrössen-Debatte. Seit Anbeginn der Bitcoin-Zeit diskutierte die Community darüber, welchen Weg Bitcoin in der Skalierung gehen sollte.

Um die kontroversen Diskussionen nachvollziehen zu können, muss man sich der Funktion und dem Zweck der Bitcoin-Blöcke widmen. Ein Bitcoin-Block ist bekanntlich ein Teil der Blockchain. Alle Blöcke zusammen bilden die Blockchain – daher der Name. Ein Block fasst die im Bitcoin-Netzwerk anfallenden Transaktionen zusammen und fungiert gewissermassen als Container für dieselben. Jeder einzelne Block verfügt über eine limitierte Datenkapazität und kann daher auch nur eine begrenzte Anzahl Transaktionen in einen einzelnen Block aufnehmen. Bei Bitcoin ist diese Blockgrösse auf ein Megabyte definiert. Durch periphere Verbesserungsmassnahmen kann die Blockkapazität leicht vergrössert werden, ohne dass dabei ein Block an und für sich vergrössert wird. Das im August 2017 lancierte Protokoll-Update «SegWit» – die Kurzform für «Segregated Witness» –ersetzte Bitcoins Blockgrössen-Begrenzung mit einer Blockgewichts-Limite . Das heisst: Mit SegWit werden die Signaturdaten von Transkationen nicht mehr innerhalb des Blockes, sondern ausserhalb desselben gespeichert. Diese Reorganisation ermöglicht eine effizientere Datenverarbeitung pro Block und lässt das Bitcoin-Netzwerk deshalb mehr als ein Megabyte an Transaktionsdaten pro zehn Minuten verarbeiten.

Alles in allem ist die Kapazität der einzelnen Bitcoin-Blöcke mit der Einführung von SegWit 2018 denn auch gewachsen. Obschon Durchschnittszahlen nicht ganz so aussagekräftig sind, da sich nicht immer alle Blöcke voll sind, fasst der durchschnittliche Bitcoin-Block heute etwa 1,3 Megabyte. Der bisher grösste Bitcoin-Block wurde im Oktober produziert, dessen Datenkapazität lag bei etwas über 2,3 Megabyte.

Letztlich sind Kapazitätssteigerung durch SegWit jedoch begrenzt. Einzelne Blöcke lassen sich zum heutigen Zeitpunkt also punkt Transaktionsvolumen nicht beliebig optimieren. Ist ein Bitcoin-Block voll und die SegWit-Optimierung ausgereizt, stösst die Bitcoin-Blockchain an ihre Grenze. Verifizierte Bitcoin-Transaktionen kommen dann in den Mempool – kurz für Memory Pool. Diese Transaktionen warten gewissermassen darauf, in einen künftigen Bitcoin-Block aufgenommen zu werden, um dann Teil der unveränderlichen Blockchain zu werden. Ausgewählt werden die Transaktionen von den Bitcoin-Minern und zwar danach, wie hoch die angebotene Transaktionsgebühr ist. Ihr Verdienst maximierend wählen Miner zuerst jene Transaktion aus, welche die höchste Gebühr einbringt, danach jene mit der unmittelbar tieferen Gebühr und so weiter. Diejenigen mit der geringsten Transaktionsgebühr müssen ganz hinten anstehen.

Im Dezember 2018, als da Transaktionsvolumen aufgrund des Bitcoin-Hypes seinen Höhepunkt erreichte, lagen die höchsten Bitcoin-Gebühr für schnellstmögliche Verarbeitungsdauer bei ungefähr 60 Dollar pro Transkation. Wer weniger bezahlen wollte, hatte Glück, wenn die Transaktion nach mehreren Stunden bis Tagen durch die Miner verarbeitet und bestätigt wurde. Der Mempool war mit über 250'000 auf Bestätigung wartenden Transaktionen überfüllt. Das Bitcoin-Netzwerk war ziemlich überlastet.

Vor diesem Fiasko hatte ein Teil der Bitcoin-Community schon vor Jahre gewarnt. Um diesem Problem zuvorzukommen und gewissermassen als Konsequenz aus der Blocksize-Debatte hatte sich Bitcoin Cash am 1. August 2017 von Bitcoin abgespaltet. Diese Abspaltung ereignete sich über einen Software-Fork, wie das in der Krypto-Fachsprache genannt wird. Bitcoin Cash ist deshalb letztlich ein Klon des Bitcoins, unterscheidet sich aber in der Blockgrösse, die auf acht Megabyte angehoben wurde – mit der Option auf neuerliche Vergrösserung, falls erforderlich.

Stein oder besser Block des Anstosses

Doch warum aber ist über die Erhöhung der Blockgrösse eine Debatte entbrannt? Reicht diese nicht aus, was Ende 2017 definitiv der Fall gewesen ist, scheint eine Vergrösserung doch die naheliegende Lösung zu sein? Da gibt es doch nichts zu debattieren?

Wie alles erfordert natürlich auch die Erhöhung der Blockgrösse einen Trade-Off: Wird die Blockgrösse gegen oben angepasst, beansprucht die Blockchain in ihrer Gesamtheit ein grösseres Datenvolumen. Die Blockchain, deren Datenmenge mit jedem weiteren Block wächst, wird mit einer Blockgrössen-Erhöhung viel schneller grössere Datenmenge beanspruchen. Je grösser die Datenmenge der Blockchain, desto ressourcenintensiver wird es jedoch für die sogenannten Full-Nodes, die gesamte Blockchain weiterhin zu Zwecken der Validierung herunterzuladen.

Die Full-Nodes stellen letztlich aber einen wichtigen Pfeiler innerhalb des Bitcoin-Netzwerkes und für dessen Grad an Dezentralität dar. So verifizieren sie Bitcoin-Transaktionen. Wer also einen Bitcoin-Full-Node betreibt, kann jederzeit direkt und mit absoluter Sicherheit überprüfen, ob mit dem Bitcoin-Netzwerk alles in Ordnung ist und auch wirklich keine Bitcoin-Transaktionen gleichzeitig an zwei Empfänger geschickt und somit doppelt ausgegeben werden. Gleichzeitig hat man mit einem eigenen Full-Node auch die Möglichkeit, Transaktionen direkt ins Bitcoin-Netzwerk einzuspeisen. Ohne einen Full-Nodes ist man für die Überprüfung und Übermittlung von Transaktionen auf Drittparteien angewiesen. Da jedes Individuum einen Full-Node betreiben kann – hierfür braucht man bloss die gesamte Bitcoin-Blockchain auf seinen Rechner zu laden – und somit Vertrauen gegenüber Dritten minimiert werden kann, gibt es einige Nutzer, die einen solchen Full-Node betreiben.

Mit der Erhöhung der Blockgrösse steigen also die Anforderungen an die Full-Nodes: Je grösser die Blöcke, desto mehr Transaktionen und desto mehr Rechenleistung, Arbeitsspeicher, Internet-Bandbreite und Speicherplatz benötigt ein als Full Node fungierender Computer. Ceteris paribus hat dieser Umstand zur Folge, dass der marginale Full-Node-Betreiber seinen Full-Node aufgeben muss, da ihn die grösseren Anforderungen zur Aufgabe zwingen. Gemeint ist, dass jene, die bislang gerade noch so einen Full Node zu betreiben vermochten, sich diesen wegen den mit der Blockvergrösserung gestiegenen Anforderungen nun nicht mehr leisten können.

Fallen Full-Nodes weg, macht dieser Umstand das Bitcoin-Netzwerk als Ganzes objektiv betrachtet drittparteien-abhängiger und damit weniger vertrauensminimierend. Die Non-Zentralität des Netzwerkes wird «at the margin» geschwächt. Sind es immer weniger Full-Nodes oder gar nur noch ein paar Supercomputer mit spezialisierter Hardware, wird das Bitcoin-Netzwerk insgesamt weniger resistent gegen externe Angriffe.

Hierin liegt letztlich der Grund, weshalb die Blocksize-Debate vom Zaun gebrochen ist: Durch eine Blockvergrösserung scheinen die Non-Zentralität, die Sicherheit und das mit zusammenhängende nicht-zensierbare Netzwerk erlaubnisfreier Transaktionen – die Grundpfeiler des Bitcoin – gefährdet.

Nur eine echte Alternative macht Sinn

Natürlich ist diese Gefährdung nicht quantifizierbar. Zum heutigen Zeitpunkt kann niemand abschliessend zeigen, ab welcher Blockvergrösserung die Anzahl der Full Nodes effektiv zu klein würde und die genannten Grundpfeiler deshalb tatsächlich beeinträchtigt wären. So könnte selbst eine Erhöhung der Blockgrösse um vier, zehn oder gar weitaus mehr Megabytes überhaupt keine so starke Reduktion bei den Full Nodes bewirken. Und überhaupt weiss niemand, wo die optimale Anzahl Full Nodes liegt. In diesem Sinne ist die Abspaltung von Bitcoin Cash als Angebot an den Markt zu sehen. Sollte das Netzwerk einmal skalieren, wird sich zeigen, ob sich die Befürchtungen über die Zentralisierung bei den Full tatsächlich bewahrheiten. Alleine aus diesem Grund dürfte es als positiv zu werten sein, dass mit Bitcoin und Bitcoin Cash eine Wahlmöglichkeit von Angeboten besteht, die man immer auch ablehnen kann.

Konkrete Antworten konnte die uns heute gewissermassen als Archetyp dienende Skalierungsdebatte um die Blockgrösse ohnehin niemals liefern. So wurde dann auch immer offensichtlicher: Die Diskussion drehte sich um eine grundsätzliche Meta-Frage: Soll Bitcoin in erster Linie ein revolutionäres und grundlegend wesensverschiedenes Gegenmodell zur klassischen Finanzwelt sein, wie es eher den Cypherpunks vorschwebt? Oder eben ein globales Zahlungssystem, das möglichst skalierbar sein muss, wie es sich eher von der Philosophie des Silicon Valley geprägte Tech-Enthusiasten vorstellten?

Wer nur schon annährend Ersteres vor Augen hat, muss zwingend alle jene Schritte verwerfen, die Bitcoin als reale, andersartige Alternative potenziell dem jetzigen viel stärker auf Vertrauen basierenden Finanzsystem angleichen könnten – auf die Gefahr hin, als echte Alternative kaum zu skalieren. Doch nur so bleibt dem Gegenentwurf überhaupt die Chance, auch wirklich ein möglichst konsistenter Gegenentwurf zu sein.

Denn selbst der konservative Entscheid, die Blockgrösse unverändert zu lassen, garantiert eines nicht: Dass die Datenmengen der Bitcoin-Blockchain in ein paar Jahrzehnten nicht zu gross und daher für einen Full-Node nicht mehr handhabbar werden. Man hofft deshalb auf die technologische Fortentwicklung bei Datenspeicherung und -übertragung und das diese auch in Zukunft mit dem Wachstum der Blockchain-Daten bei Bitcoin werden mithalten können.

Wer Bitcoin heute studiert, den erschleicht der Eindruck: Ganz nach dem Motto «Gut Ding will Weile haben» scheint das Bitcoin-Experiment auf eine lange Frist mit Umwegen ausgelegt zu sein. Häufig stimmen Vorstellung und Wirklichkeit nicht auf Anhieb überein. Die Geschichtswissenschaften zeigen und die Ökonomik beschreibt, wie in unserer realen Welt oftmals zuerst beachtliche Abstriche gemacht werden müssen, um später ans Ziel zu gelangen. Die Realität verlangt uns nun einmal unzählige Trade-off-Entscheide ab. Bei Bitcoin ist das nicht anders.

Ein Beispiel gefälligst?

Vor diesem Hintergrund dürfte einleuchten, weshalb das Erhöhen der Blockgrössen-Limitierung eigentlich kein echtes «Skalieren» sein könnte. So könnte eine Blockgrössen-Erhöhung lediglich bedeuten, das zu Beginn erwähnte Blockchain-Trilemma zuungunsten der Sicherheit und vor allem der Dezentralität aufzulösen. Echtes Skalieren dagegen dürfte wohler eher in aufwendige und langwierige Trial-and-Error-Arbeit bestehen, um so das gesamte System in die Lage zu bringen, eine höhere Kapazität zu bewältigen, ohne seine fundamentalen Eigenschaften zu verlieren – Sicherheit und Non-Zentralität bei Bitcoin.

Ein passendes Beispiel aus der Historie liefert der Vergleich mit dem Fahrrad. In seinen Anfängen fragte man sich schnell einmal: Wie lässt sich die Fortbewegungsgeschwindigkeit der Zweiräder steigern? Eine Idee war es, das Vorderrad grösser zu machen. Das Resultat: ein Hochrad. Die Geschwindigkeit konnte damit tatsächlich skaliert werden, doch kamen Sicherheitsbedenken dazu. Die Vergrösserung des Vorderrads machte das Balancieren schwieriger – die Unfall- und Verletzungsgefahr stieg.

Schliesslich wurde das Hochrad durch das Sicherheitsniederrad abgelöst. Dieses setzte auf ein kettengetriebenes Rädergetriebe. Die neue Herangehensweise wurde aber erst über die Zeit entwickelt. Heute ist sie jedoch Standard, während das Hochrad, wenn überhaupt, nur zu Showzwecken dient.

Die beschriebene Analogie dürfte die Situation bei Bitcoin treffend beschreiben und sich folgendermassen ausdeutschen: Das Grundgerüst des Fahrrads besteht aus zwei Rädern. Diese beiden Räder lassen sich nun in ihrer Grösser verändern, um ein in der Geschwindigkeit sofort skalierbares Hochrad zu fertigen – analog ist das der Ansatz von Bitcoin Cash. Das Grundgerüst zwei gleich grosser Räder lässt sich aber auch unverändert beibehalten und durch einen neuen Zusatz, den Kettenantrieb weiterentwickeln. Für diesen Weg hat sich Bitcoin entschied. Beim Fahrrad war die Innovation das kettengetriebene Rädertriebe. Worin besteht diese bei Bitcoin?

Wir erinnern uns: das bereits erwähnte SegWit-Update. Dieses hat die Datenkapazität eines einzelnen Blocks erhöht, ohne dessen Grösse zu ändern. Gleichzeitig hat SegWit aber auch die software-technische Voraussetzung für sogenannte Second-Layer-Protokolle. Dabei handelt es sich um eigenständige Zusatzprotokolle, die auf dem Bitcoin-Basis-Protokoll aufbauen und dieses als ultimativer Vertrauensanker verwenden. Mit den Zusatzprotokollen kann die Bitcoin-Basis-Blockchain entlastet werden, indem Transaktionen off-chain verarbeitet werden. Da diese Transaktionen indirekt an die Blockchain gekoppelt sind, profitieren sie gleichwohl von deren Eigenschaften Non-Zentralität und Sicherheit. Auf diese Weise soll Bitcoin skalierbar werden, ohne dass der Datenverkehr auf der Blockchain und somit auch die Belastung für die Full Nodes exponentiell anwachsen muss.