Layer 1-blockchains

Inleiding

Er ontstaan problemen zodra meer gebruikers een blockchain-netwerk willen gebruiken dan het aankan. Grote vraag naar blockspace kan tijdelijk zijn, of aanhouden zolang gebruikers de blockchain graag willen blijven gebruiken. Bij hoge vraag bieden gebruikers tegen elkaar op om hun transacties snel verwerkt te krijgen. De kosten stijgen, waardoor gebruikers met minder kapitaal buiten de boot vallen.

Deze les verkent waarom Ethereum en andere blockchains onderhevig zijn aan het blockchain-trilemma, hoe dit trilemma de kern is van de problemen hierboven, en hoe het de plannen van Ethereum beïnvloedt om alle gebruikers te bedienen. We bekijken welke afwegingen verschillende blockchains rond het trilemma hebben gemaakt, en wat die keuzes betekenen voor Academy Explorers.

Blockchain-trilemma

Zoals het woord trilemma al aangeeft, zijn er drie eigenschappen van blockchains die met elkaar concurreren. Je kunt ze niet alle drie tegelijk optimaliseren.

Dat zijn: veiligheid, schaalbaarheid en decentralisatie.

Wil een blockchain dienen als neutrale basis voor een monetair systeem op wereldschaal, dan moet hij in alle drie uitblinken. Een monetair systeem moet veilig zijn tegen fraude, dankzij decentralisatie beschermd zijn tegen censuur, en schaalbaar genoeg zijn voor meer dan 8 miljard mensen in een wereldwijde samenleving.

Kennischeck 1

Het blockchain-trilemma beschrijft de relatie tussen:

• [ ] Ethereum, Bitcoin en altcoins

• [ ] veiligheid, censuur en fraude

• [ ] decentralisatie, schaalbaarheid en veiligheid

• [ ] veiligheid, snelheid en lage kosten

Veiligheid en consensus

Veiligheid is de meest fundamentele eis voor een publieke blockchain. Computers in een netwerk (zoals een blockchain-netwerk) moeten het eens zijn over welke transacties echt hebben plaatsgevonden om te kunnen samenwerken; die overeenstemming heet consensus. Een blockchain is veilig als aanvallers het netwerk niet kunnen verhinderen om het over die waarheid eens te worden. Consensusalgoritmes zijn ontworpen om zulke aanvallen te weerstaan.

Ketens zoals Bitcoin gebruiken Proof-of-Work-consensus en beschermen deze overeenstemming door blokproductie zeer competitief te maken; elke blokproducent racet om een rekenpuzzel op te lossen. Wie het eerst slaagt, mag het volgende blok maken en ontvangt de bijbehorende blokbeloning. De recente geschiedenis van de keten herschrijven zou enorme investeringen in rekenkracht en energie vergen; een aanvaller zou waarschijnlijk meer kwijt zijn dan het oplevert.

Kennischeck 2

Blockchain-consensus voor cryptovaluta's is:

• [ ] Hoe nodes het eens worden over wat er onchain is gebeurd

• [ ] Belangrijk voor iedereen in het ecosysteem om fraude te voorkomen

• [ ] Beveiligd via economische prikkels

• [ ] Alle bovenstaande antwoorden

Veiligheid en aanvallen

Een mogelijke aanval op blockchain-consensus is een 51%-aanval; een aanvaller met de meerderheid van de consensusmacht van een netwerk kan recente transacties terugdraaien om dezelfde coins twee keer uit te geven, of nieuwe transacties censureren. Handtekeningen vervalsen of andermans geld uitgeven kan niet. Die meerderheid betekent 51% van de rekenkracht bij Proof-of-Work en 51% van de stake bij Proof-of-Stake: een enorme kapitaalinvestering. En bij Proof-of-Stake wordt aantoonbaar valsspelen, zoals twee conflicterende blokken ondertekenen, bestraft door die stake te vernietigen (slashing genoemd); een aanvaller verliest waarschijnlijk meer dan hij wint.

Bij Proof-of-Stake-consensus wordt de blokproducent niet via competitie gekozen, maar willekeurig aangewezen. Net als bij Proof-of-Work zorgt het consensusalgoritme ervoor dat geen enkele partij regelmatig het recht kan "winnen" om een nieuw blok te maken.

Kennischeck 3

Het einddoel van een 51%-aanval is:

• [ ] Miningactiviteiten verstoren

• [ ] Coins dubbel uitgeven of transacties censureren

• [ ] Een nieuwe cryptovaluta creëren

• [ ] De overige 49% uitschakelen

Schaalbaarheid - doorvoer

Schaalbaarheid verwijst naar het vermogen van een blockchain om veel transacties snel te verwerken. Twee onderdelen bepalen de schaalbaarheid van een blockchain: doorvoer en finaliteit.

1. Transactiedoorvoer: hoeveel transacties een blockchain tegelijk kan verwerken, meestal gemeten in transacties per seconde (TPS).

Stel je een bushalte voor waar veel mensen wachten en er elke minuut meer aankomen; ze willen allemaal reizen. Maar er passen maar zoveel mensen in een bus. Om de halte sneller leeg te krijgen, heb je grotere bussen nodig (meer mensen) of moeten de bussen vaker rijden (minder tijd). Zo werkt het ook wanneer veel transacties in de beperkte blockspace van elk blok moeten passen. Bekijk deze visualisatie met live data op https://txstreet.com/v/eth-btc.

Kennischeck 4

Wat is waar in de bushalte-analogie voor blockchain-transacties?

• [ ] Mensen (transacties) worden gegroepeerd in bussen (blokken)

• [ ] In elke bus (blok) past een beperkt aantal mensen (transacties)

• [ ] Meer mensen (transacties) vergt grotere of meer bussen (blokken)

• [ ] Alle bovenstaande antwoorden

Schaalbaarheid - finaliteit

Het tweede aspect van blockchain-schaalbaarheid is:

2. Finaliteit: wanneer kunnen we er redelijk zeker van zijn dat een transactie niet meer wordt gewijzigd of teruggedraaid?

Bij Proof-of-Work-ketens zoals Bitcoin meet je finaliteit in blokken: hoe meer blokken er na jouw transactie aan de keten zijn toegevoegd, hoe zekerder je weet dat ze niet wordt teruggedraaid. Onthoud: een veilig consensusalgoritme maakt het erg duur om oude blokken te wijzigen, en dat wordt duurder naarmate iemand verder terug wil. Bitcoin maakt ongeveer elke 10 minuten een nieuw blok, dus wachten op meerdere bevestigingen duurt ongeveer een uur. Ethereums Proof-of-Stake kiest een andere route: validators stemmen om blokken te finaliseren, en na zo'n 13 minuten (twee epochs aan stemmen) is een transactie definitief.

Decentralisatie verdeelt de macht

Decentralisatie is het laatste onderdeel van het blockchain-trilemma: het verplaatsen van controle en besluitvorming van één partij naar een verspreid netwerk van velen. Decentralisatie is het fundamentele principe dat blockchains permissionless en censuurbestendig maakt; iedereen kan gedecentraliseerde blockchains gebruiken en iedereen kan er software op bouwen.

Gecentraliseerde platforms zoals Facebook en Twitter kunnen ieders account op elk moment deactiveren. Veel invloedrijke streamers op Twitch of TikTok zijn zonder reden van hun platform verwijderd. Zelfs als gebruikers hun account kunnen terugkrijgen, is dat vaak een lang en pijnlijk proces. Zonder decentralisatie is een blockchain-grootboek slechts een financiële spreadsheet op een bankcomputer; de bank bepaalt wie er een rekening mag openen. Een permissionless netwerk betekent dat de macht voldoende gedecentraliseerd is; niemand kan iemands toegang afnemen.

Kennischeck 5

Welke van deze stellingen is NIET waar voor decentralisatie?

• [ ] Decentralisatie maakt blockchains censuurbestendig

• [ ] Decentralisatie maakt blockchains permissionless

• [ ] Decentralisatie helpt autoritaire machten controle te houden

• [ ] Iedereen overal kan permissionless systemen gebruiken

Is het gedecentraliseerd?

Maar of iets gedecentraliseerd is, is niet simpelweg ja of nee. Zijn 10 controlerende partijen gedecentraliseerd? En 1.000? Eén miljoen? Er is geen vaste grens voor "voldoende gedecentraliseerd", dus je kunt decentralisatie het best zien als een spectrum. Naast zwart en wit bestaan er ook veel grijstinten.

We kunnen dus zeggen dat iets "meer of minder gedecentraliseerd is dan iets anders", in plaats van "gecentraliseerd of gedecentraliseerd". Een hoge mate van decentralisatie is nodig om als neutraal monetair systeem censuur door staten te weerstaan. Nieuwere blockchains ruilen decentralisatie vaak in voor schaalbaarheid, maar maken zichzelf zo kwetsbaar voor dezelfde druk van samenlevingen en overheden die volledig gecentraliseerde platforms voelen. Ze kunnen uiteindelijk dezelfde censuur toepassen als gecentraliseerde socialemedianetwerken.

Kennischeck 6

Verschillende blockchains gebruiken verschillende maten van decentralisatie.

• [ ] Waar

• [ ] Onwaar

Enkele voorbeelden

Elke blockchain benadert het trilemma op zijn eigen manier en maakt afwegingen die passen bij zijn doelen. Bitcoin en Ethereum kiezen voor veiligheid en decentralisatie boven schaalbaarheid, wat leidt tot een lange finaliteitstijd bij Bitcoin en beperkte blockspace op Ethereum. Als de vraag naar smart contracts piekt, vooral voor DeFi, stijgen de kosten op Ethereum; tijdens de piekvraag van 2021 kon één transactie tientallen dollars kosten.

Stijgende kosten boden een kans aan alternatieve Layer 1's zoals BNB Chain, die schaalbaarheid boven decentralisatie stelden voor hogere transactiedoorvoer en lagere kosten. Derde-generatie-ketens zoals Solana gebruiken nieuwe methoden om het trilemma op te lossen, maar alle blockchains blijven onderhevig aan deze basisbeperkingen. De keuze van elke keten bepaalt zijn ecosysteem, via de fundamentele gevolgen van die keuze.

Wat kunnen we eraan doen?

Als Ethereum kiest voor hoge veiligheid en decentralisatie, hoe kan het dan opschalen om alle gebruikers te bedienen als het wereldwijde financiële netwerk dat het wil worden? De Ethereum-roadmap verkende twee antwoorden: Layer 2's en blockchain-sharding.

Layer 2's vergroten de schaalbaarheid van Ethereum zonder in te leveren op de andere twee onderdelen van het blockchain-trilemma. Het is een extra laag boven op de hoofdblockchain: ze vertrouwen op de hoofdketen voor veiligheid, terwijl gebruikers profiteren van lagere kosten en snellere transacties. In onze Layer 2-les verkennen we ze verder.

Sharding zou de blockchain hebben opgesplitst in meerdere parallelle ketens, zoals extra rijstroken op een weg. Ethereum zette dat plan opzij voor een eenvoudiger plan: blokdata goedkoper maken voor Layer 2's (toegevoegd in 2024) en de capaciteit stap voor stap vergroten, zonder veiligheid of decentralisatie op te offeren.

Kennischeck 7

Layer 2's:

• [ ] Zorgen voor hun eigen veiligheid

• [ ] Vergroten de schaalbaarheid van de hoofdblockchain

• [ ] Verhogen de kosten voor gebruikers

• [ ] Verlengen de finaliteitstijd voor gebruikers

De toekomst van Ethereum

Het Ethereum-netwerk blijft zijn schaalbaarheid verbeteren zonder de andere aspecten van het trilemma op te offeren. De Merge naar Proof-of-Stake-consensus (2022) verlaagde het energieverbruik van het netwerk met meer dan 99%, en goedkope blokdata voor Layer 2's kwamen in 2024. Opschalen is doorlopend werk: elke upgrade maakt Ethereum sneller en goedkoper in gebruik, terwijl veiligheid en decentralisatie kernwaarden blijven. De Ethereum Foundation heeft een uitstekende pagina over de Ethereum-roadmap.

Ondertussen bouwen veel Layer 2-protocollen boven op Ethereum om aan de vraag van gebruikers te voldoen, zonder dat het Ethereum-protocol zelf hoeft te veranderen. Deze Layer 2-protocollen vertrouwen op Layer 1 Ethereum voor gedecentraliseerde veiligheid, terwijl zij voor schaalbaarheid zorgen; de diversiteit aan Layer 2's vormt een gedecentraliseerd ecosysteem! Toonaangevende rollups zijn Arbitrum, OP Mainnet en Base; Polygon PoS is een populaire sidechain met eigen, losstaande veiligheid.

Kennischeck 8

Ethereum-upgrades omvatten:

• [ ] Layer 2's en goedkopere blokdata voor meer schaalbaarheid

• [ ] Decentralisatie en veiligheid behouden als kernprincipes

• [ ] Minder energieverbruik dankzij Proof-of-Stake-consensus

• [ ] Alle bovenstaande antwoorden

Wat betekent dit voor Explorers?

Gebruikers hebben lage kosten nodig om de technologie te leren kennen: lage drempels om in te stappen en goedkope fouten, zeker aan het begin van hun reis. De Ethereum-blockchain is nog niet ideaal, maar zijn waarden maken hem een van de beste kandidaten om de droom van een wereldwijd financieel computersysteem waar te maken. Explorers kunnen leren omgaan met Ethereum zonder enorme kosten; met Layer 2's combineer je de veiligheid en decentralisatie van Ethereum met hogere schaalbaarheid.

De volgende les legt Layer 2-oplossingen uit en hoe je ermee begint. Voorwaarts, Explorers!