WAT BETEKENT SCHALEN IN BLOCKCHAIN EN WAAROM IS HET EEN UITDAGING?

Wat is blockchain-schaalbaarheid?

Schaalbaarheid in de context van blockchain verwijst naar het vermogen van een blockchainnetwerk om een ​​toenemend aantal transacties of een groeiende gebruikersbasis te verwerken zonder de prestaties, beveiliging of decentralisatie in gevaar te brengen. Het fundamentele doel van schaalbaarheid is het verhogen van de doorvoer (transacties per seconde), het verminderen van de latentie en het beheersen van de kosten die gepaard gaan met netwerkgebruik, vooral naarmate de acceptatie toeneemt.

Bitcoin, het oorspronkelijke blockchainnetwerk, kan bijvoorbeeld ongeveer 7 transacties per seconde (TPS) verwerken, terwijl Ethereum, het toonaangevende smart contractplatform, ongeveer 15-30 TPS verwerkt. Traditionele betalingssystemen zoals Visa daarentegen kunnen meer dan 24.000 TPS verwerken. Deze enorme discrepantie toont de schaalbaarheidsuitdaging aan waarmee blockchaintechnologie te maken heeft.

Er zijn twee brede categorieën schaalbenaderingen:

• On-chain schaalbaarheid: Het aanbrengen van wijzigingen in het belangrijkste blockchainprotocol om meer transacties per seconde mogelijk te maken. Dit kan het vergroten van de blokgrootte, het verkorten van de bloktijd of het aanpassen van consensusalgoritmen inhouden.
• Off-chain schaling: Het uitbesteden van transactieverwerking aan hulpsystemen of secundaire lagen die interacteren met de hoofdblockchain, maar onafhankelijk functioneren om de algehele doorvoer te verhogen.

Effectieve schaling moet de beveiliging en decentralisatie van een blockchain behouden. Dit brengt echter een aanzienlijke technische uitdaging met zich mee, omdat wijzigingen in één aspect andere aspecten in gevaar kunnen brengen, wat leidt tot wat bekend staat als het "schaalbaarheidstrilemma".

Het schaalbaarheidstrilemma

Het schaalbaarheidstrilemma, bedacht door Ethereum-medeoprichter Vitalik Buterin, stelt dat blockchainsystemen maximaal twee van de volgende drie eigenschappen tegelijkertijd kunnen bereiken:

• Decentralisatie: Gelijke deelname van onafhankelijke nodes zonder afhankelijkheid van centrale autoriteiten.
• Beveiliging: Bescherming tegen aanvallen of manipulatie.
• Schaalbaarheid: Vermogen om grotere transactievolumes efficiënt af te handelen.

De moeilijkheid zit hem in het optimaliseren voor alle drie. Het verhogen van de doorvoer kan grotere blokken vereisen, wat de schaalbaarheid ten goede komt, maar dit vereist vaak meer rekenkracht, centralisatie van nodedeelname en verzwakking van de decentralisatie. Evenzo kan het toevoegen van extra consensusstappen de beveiliging versterken, maar mogelijk de schaalbaarheid verminderen.

Naarmate de acceptatie van blockchain in sectoren toeneemt – van financiën tot toeleveringsketens – is het oplossen van het schaalbaarheidsprobleem van cruciaal belang. Ontwikkelaars en onderzoekers onderzoeken actief innovatieve methoden om blockchainnetwerken te schalen met behoud van hun kernwaarden.

Waarom is blockchain-schaalbaarheid zo moeilijk?

Het schalen van een blockchainnetwerk is inherent moeilijk vanwege fundamentele ontwerpkeuzes die prioriteit geven aan decentralisatie en beveiliging. Deze ontwerpprincipes, die enkele van de grootste voordelen van blockchain bieden – zoals onveranderlijkheid en betrouwbaarheid – creëren ook beperkingen in verwerkingssnelheid en gegevensopslag.

1. Consensusmechanismen

De kern van elk blockchainnetwerk is een consensusmechanisme, ofwel de methode waarmee deelnemers overeenstemming bereiken over de status van het grootboek. Populaire mechanismen zoals Proof of Work (PoW) en Proof of Stake (PoS) vereisen intensieve berekeningen of gedistribueerde validatie om ervoor te zorgen dat alle transacties legitiem zijn.

Hoewel deze mechanismen bescherming bieden tegen fraude en manipulatie, introduceren ze ook latentie. In het geval van Bitcoin is de gemiddelde bloktijd 10 minuten, wat de snelheid beperkt waarmee transacties kunnen worden afgerond. Het vergroten van de blokgrootte om meer transacties te verwerken kan helpen, maar het belast nodes ook met grotere datavolumes, wat deelname ontmoedigt en mogelijk de controle centraliseert.

2. Netwerkpropagatie

Een ander obstakel is de tijd die nodig is om nieuwe blokken over het hele netwerk te verspreiden. In gedecentraliseerde systemen moeten nodes communiceren over verspreide geografische gebieden. Grotere blokken hebben meer tijd nodig om te verspreiden, waardoor de kans op verweesde blokken en consensusproblemen toeneemt, wat de betrouwbaarheid en efficiëntie ondermijnt.

3. Gegevensopslag en nodevereisten

Blockchain-gegevens worden redundant opgeslagen op elke volledige node. Naarmate de blockchain groeit, nemen ook de opslag- en bandbreedtevereisten voor een node toe. Zonder zorgvuldige balans leidt dit ertoe dat minder mensen nodes kunnen beheren, wat de decentralisatie opnieuw in gevaar brengt. Ethereum heeft bijvoorbeeld voorstellen voor "staatshuur" geïntroduceerd om problemen met overmatige gegevensopslag aan te pakken die schaalbaarheid belemmeren.

4. Achterwaartse compatibiliteit en forking

Het implementeren van schaalbaarheidsverbeteringen vereist meestal het aanpassen van het kernprotocol van de blockchain. Deze wijzigingen resulteren vaak in "hard forks", waardoor de bestaande blockchain en het ecosysteem worden verdeeld. Dit kan leiden tot verwarring, fragmentatie en verlies van consensus binnen de community. Het behouden van achterwaartse compatibiliteit tijdens de implementatie van schaalbare upgrades blijft een aanzienlijke uitdaging.

5. Beveiligingsproblemen

Schaalinspanningen kunnen onbedoeld extra aanvalsvectoren introduceren. Zo werken laag 2-oplossingen zoals sidechains en rollups gedeeltelijk off-chain en kunnen ze zwakkere beveiligingsveronderstellingen erven dan de hoofdchain. Het waarborgen van bredere schaalbaarheid zonder het systeem kwetsbaarder te maken, is een voortdurende zorg voor ontwikkelaars.

Kortom, elke poging om een ​​blockchainoplossing te schalen, moet een web van afwegingen doorstaan. Of het nu gaat om protocoloptimalisaties of off-chain oplossingen, ontwikkelaars moeten de pijlers van blockchain – beveiliging en decentralisatie – behouden en tegelijkertijd de prestaties in een wereldwijd gedistribueerde omgeving verbeteren. Er is geen enkele oplossing die voor alle netwerken geschikt is, vandaar de diversiteit aan strategieën op verschillende platforms.

Oplossingen voor blockchain-schaalbaarheid

Gezien de geschetste uitdagingen hebben ontwikkelaars veelzijdige benaderingen gekozen voor het schalen van blockchainnetwerken. Deze oplossingen richten zich op knelpunten zoals transactievolume, consensusefficiëntie en dataopslag. Ze worden grofweg onderverdeeld in on-chain en off-chain schaalmethoden, evenals hybride modellen.

1. Laag 2-oplossingen

• State Channels: Hiermee kunnen twee partijen off-chain transacties uitvoeren en alleen het eindresultaat aan de hoofdketen toewijzen, waardoor congestie aanzienlijk wordt verminderd. Voorbeelden hiervan zijn het Lightning Network van Bitcoin en het Raiden Network van Ethereum.
• Plasma en Rollups: Plasma-ketens functioneren als semi-autonome subketens die transacties bundelen voordat ze in de hoofdketen worden afgehandeld. Rollups (optimistisch of zero-knowledge) comprimeren transactiegegevens en verwerken deze off-chain, terwijl ze proofs on-chain opslaan. Dit handhaaft de beveiliging en verbetert de doorvoer.

Laag 2-opties krijgen steeds meer de voorkeur omdat ze een aanzienlijke toename van de transactiecapaciteit mogelijk maken zonder het basisprotocol te wijzigen.

2. Sharding

Sharding houdt in dat de blockchain wordt opgesplitst in kleinere delen, oftewel "shards", die elk in staat zijn om transacties en smart contracts te verwerken. Gecoördineerd door de hoofdketen kunnen shards lineair schalen met de netwerkgrootte. Ethereum 2.0 ziet sharding als een centrale schaalbaarheidsfunctie; de ​​implementatie is echter complex en continu.

3. Alternatieve consensusmechanismen

Sommige nieuwere blockchains maken gebruik van consensusmodellen die inherent betere schaalbaarheid bieden:

• Gedelegeerde Proof of Stake (DPoS): DPoS, gebruikt door EOS en Tron, is afhankelijk van een beperkte set validators, waardoor de transactiesnelheid toeneemt, zij het met minder decentralisatie.
• Proof of History (PoH): PoH, gebruikt door Solana, maakt snelle sequentie van transacties mogelijk, wat de doorvoer verbetert.

Deze mechanismen proberen een evenwicht te vinden tussen beveiliging en schaalbaarheid, hoewel elk zijn beperkingen en centralisatierisico's heeft.

4. Blockchain-pruning en opslagefficiëntie

Volledige blockchainarchieven zijn omvangrijk en vereisen een hoge opslagcapaciteit. Pruningtechnieken – het verwijderen van onnodige of historische gegevens – zijn bedoeld om het voor nodes gemakkelijker te maken om deel te nemen. Sommige blockchains verkennen ook stateless clientmodellen, waarbij alleen actuele statusgegevens nodig zijn voor validatie, waardoor de totale belasting wordt verminderd.

5. Interoperabiliteit en sidechains

Door gebruik te maken van sidechains – parallelle blockchains die gekoppeld zijn aan de hoofdketen – kunnen transactielasten worden gedistribueerd. Polygon biedt bijvoorbeeld Ethereum-compatibele sidechains die rekenkracht en opslag ontlasten. Interoperabiliteitsprotocollen zoals Polkadot en Cosmos faciliteren cross-chain transacties, waardoor een schaalbaar multi-chain ecosysteem ontstaat.

6. Conclusies en de weg vooruit

Geen enkele oplossing biedt de schaalbaarheid van blockchains. Vooruitgang is iteratief en vereist vaak compromissen. Toonaangevende platforms zoals Ethereum implementeren geleidelijk sharding en rollups, terwijl alternatieve blockchains nieuwe architecturen verkennen. Ondertussen blijven onderzoekers innovaties verkennen, van DAG-gebaseerde grootboeken tot AI-ondersteunde transactievalidatie.

Uiteindelijk zal het vermogen van blockchains om effectief te schalen bepalen hoe breed ze worden toegepast in de wereldwijde handel, financiën en daarbuiten. Schaalbaarheid blijft zowel een technische hindernis als een kans om digitale infrastructuur te hervormen met gedecentraliseerde systemen.