Das Skalierungsproblem bezieht sich auf die Grenzen des Transaktionsdurchsatzes einer Blockchain, die sich letztlich auf die Geschwindigkeit und die Kosten von Transaktionen auswirken. Das Skalierungsproblem hängt damit zusammen, wie ein dezentrales Netzwerk mit Transaktionsblöcken umgeht, die von Faktoren wie der Blockgröße und der Blockzeit, d. h. der Zeit, die für die Erstellung eines neuen Blocks benötigt wird, abhängen. Dieses Problem wurde deutlich, nachdem die User von Bitcoin, dem ersten Blockchain-Netzwerk, Verzögerungen bei der Abrechnung von Transaktionen und steigende Gebühren erlebten, wenn die Nutzung des Netzwerks in die Höhe schoss.
Im Jahr 2015 beschränkte die Bitcoin-Blockchain ihre Blockgröße auf ein Megabyte (MB), die später auf 2 MB erhöht wurde. Während die Vergrösserung der Blockgrösse das Skalierungsproblem von Bitcoin etwas abmilderte, warnten viele Entwickler vor Änderungen, die das Protokoll potenziell zentralisieren könnten. Dies liegt daran, dass jede Transaktion Daten enthält, was bedeutet, dass mehr Transaktionen auch mehr Daten pro Block bedeuten, was letztendlich dazu führen würde, dass Miner einen riesigen Festplattenspeicher benötigen würden, um eine Kopie der gesamten Bitcoin-Blockchain zu speichern. Die Bitcoin-Gemeinschaft entschied sich schließlich gegen eine starke Erhöhung der Blockgrösse, da sie die Dezentralisierung gegen Skalierbarkeit eintauschte, was von vielen als falscher Ansatz angesehen wurde.
Daher ist die Lösung des Skalierungsproblems zu einer mühsamen Aufgabe geworden, die Jahre an Zeit und Mühe erfordert. Das Skalierungsproblem wird durch die Tatsache verschärft, dass die Skalierung eines Blockchain-Netzwerks einen angemessenen Konsens und die Koordination zwischen den verschiedenen beteiligten Parteien wie den Entwicklern, Minern und der Community erfordert. Das monatelange Hin und Her zwischen diesen Gruppen kann jedoch immer noch in Unstimmigkeiten enden. In einem solchen Fall kann der Prozess zu einer Hard Fork führen, bei der ein Team das Upgrade aktiviert und das Main Network abspaltet.
Während nicht skalierte Blockchains so bleiben können, wie sie sind, werden sie mit nachteiligen Folgen konfrontiert, wie z. B. einem kontinuierlichen Rückgang der Transaktionsgeschwindigkeit und einem Anstieg der Kosten sowie der Abwanderung von Usern zu einem besser skalierbaren Netzwerk. Dies hat einen Dominoeffekt, da ein Mangel an Usern Entwickler, Unternehmen, Miners und Staker davon abhalten wird, sich weiterzuentwickeln.
Aufgrund dieses Skalierungsproblems möchten viele eine Lösung bieten: Eine Skalierungslösung ist im Grunde eine Methode, die die Erweiterung eines Systems ermöglicht, z. B. die Verbesserung der Effizienz und des Outputs, ohne den bestehenden Betrieb zu beeinträchtigen. Im Bereich der Blockchain nimmt eine Skalierungslösung in der Regel die Form von Second-Layer-Protokollen wie Sidechains und Off-Chain-Layers an, die auf eine Mainchain aufgesetzt werden und den Transaktionsdurchsatz erhöhen sollen.
Skalierungslösungen auf Second-Layer-Ebene umfassen State Channels, Rollups, Blockchain-Interoperabilität, Sharding und alternative kryptografische Funktionen.
State Channels, auch als Zahlungskanäle bekannt, verbessern die Effizienz und den Output eines dezentralen Netzwerks, indem sie es mehreren Personen ermöglichen, beim Senden von Kryptowährungen eine direkte Kommunikationsverbindung herzustellen. Trotz der Anzahl der Transaktionen, die auf einem bestimmten Kanal stattfinden, werden nur die einleitenden und abschließenden Transaktionen auf der zugrunde liegenden Blockchain wiedergegeben. Beispiele für State-Channel-Implementierungen sind Lightning Network, Raiden Network und Trinity für die Netzwerke Bitcoin, Ethereum bzw. Neo.
Sidechains verfolgen einen anderen Ansatz, da sie zwei oder mehr Blockchain-Plattformen miteinander verbinden, wobei jede von ihnen einen unabhängigen Konsensmechanismus beibehält. Somit ist die Anfälligkeit einer Blockchain nicht auf die andere übertragbar. Beispiele für Sidechains sind Plasma für Ethereum und Liquid für Bitcoin.
Die vielversprechendste kurz- und mittelfristige Skalierungslösung für Ethereum scheinen Rollups zu sein, insbesondere optimistische Rollups, wobei Optimism der Hauptkandidat ist, der irgendwann im Jahr 2021 auf Uniswap V3 eingesetzt werden soll.
Sharding ist die ultimative Skalierungslösung für Ethereum und andere Proof-of-Stake (PoS)-Blockchains, bei der das Netzwerk in verschiedene Partitionen, sogenannte Shards, aufgeteilt wird, denen dann unterschiedliche Aufgaben zugewiesen werden. Sharding verbessert die Effizienz und Leistung des Netzwerks, da es die Transaktionslastkapazität erhöht. In diesem Fall werden die Nodes des Netzes gruppiert und bestimmten Shards zugewiesen.
Eine weitere Skalierungslösung besteht in alternativen kryptografischen Systemen, die die Menge der in einer Blockchain aufgezeichneten Transaktionsdaten minimieren, darunter Ringsignaturen, Multisigs, Schnorr- und Threshold-Signaturen.
