Outlook_2020_Articles_004

WICHTIGSTE ERKENNTNISSE

• 2020 wird eine neue Blockchain mit dem Namen Ethereum 2 eingeführt, die einen auf Einsatznachweisen basierenden Konsensalgorithmus verwendet.
Ethereum 2 wird enorme Auswirkungen auf die Skalierbarkeit, Sicherheit, Dezentralisierung und auf die Tokenomics haben.
Die ETH-Emissionsrate wäre langfristig deutlich niedriger als sie es heute mit den aktuellen Spezifikationen von Ethereum 2 ist.

Die Blockchain Ethereum wurde im Juli 2015 mit der Vision ins Leben gerufen, einen Weltcomputer zu schaffen. Die Kernfunktionen sind programmierbar und ermöglichen schnelle Zahlungen in Kryptowährungen. Die Möglichkeit, komplexe Codes auf der Blockchain auszuführen, macht Smart Contracts möglich, die automatisch durch den Code durchgesetzt werden.

Rückblick: 2019 im Schnelldurchlauf

Im vergangenen Jahr ist die Entwicklung der Ethereum-Blockchain deutlich vorangeschritten. Im Februar nahm das Netzwerk die Hardfork Constantinople vor – ein geplantes Upgrade, das verschiedene Verbesserungen in Sachen Skalierbarkeit und Effizienz einführte. Darüber hinaus verzögerte das Upgrade die «Difficulty Bomb», also den Algorithmus, der die Abbauschwierigkeiten bei Ethereum exponentiell erhöht, bis ein Mining nicht mehr möglich ist (dieser Zeitpunkt wird «Ice Age» genannt). Ziel der Difficulty Bomb war es, einen eventuellen Übergang zum Proof of Stake zu gewährleisten. Bei der Hardfork Constantinople wurde die Blockprämie zudem von 3 auf 2 ETH reduziert.

Das nachfolgende Protokollupgrade der aktuellen Ethereum-Chain erfolgte im Dezember durch die Hardfork Istanbul. Istanbul brachte mehrere Änderungen mit sich, wie etwa die Kostensenkung für Zero-Knowledge-Beweise («ZKPs», die ursprünglich mit der Hardfork Byzantium eingeführt wurden) und eine Interoperabilität mit Zcash. Günstigere ZKPs in Kombination mit einer Technik wie das sogenannte Optimistic Rollup ermöglichen auf Ethereum ca. 3’000 Transaktionen pro Sekunde, was einen grossen Skalierungssprung bedeutet.

Die vielleicht spannendste Entwicklung von Ethereum erfolgte jedoch nicht auf Protokollebene, sondern direkt auf der Blockchain: die Zunahme der dezentralen oder offenen Finanzdienstleistungen (DeFi) mit einem Wert von aktuell ca. 660 Mio. USD. Unter den Überschriften «Die dezentrale Finanzrevolution auf Ethereum» und «Wie die DeFi das Zentral-, Geschäfts- und Investmentbanking automatisieren» geben wir einen genaueren Überblick über diese faszinierende Entwicklung.

Der Stand des Ethereum-Netzwerks

Abbildung 1: Die Anzahl der eindeutigen Adressen auf der Ethereum-Blockchain steigt seit Mitte 2017 linear an.

Abbildung 2: Derzeit werden täglich etwa 700’000 Transaktionen auf Ethereum bestätigt, was einem Durchsatz von etwa 8 Transaktionen pro Sekunde entspricht.

Abbildung 3: Im Durchschnitt wurden den Minern 2019 rund 520 ETH an Transaktionsgebühren gezahlt.

Abbildung 4: Die Ethereum-Hashrate (rot) war während der gesamten Baisse von 2018 rückläufig, erholte sich 2019 jedoch wieder. Durch die Hardforks Byzantium und Constantinople wurde die Schwierigkeit (blau) jeweils verkleinert.

Abbildung 5: Die Knoten des Ethereum-Netzwerks sind auf der ganzen Welt verteilt, wobei die meisten Knoten in den USA, China und Deutschland gehostet werden.

Die Verteilung der Ethereumknoten zeigt zwar ein ziemlich dezentrales Muster, aber ihre Konzentration in Miningpools verursacht Bedenken über eine zu starke Zentralisierung. Etwa 64% der gesamten Hashpower entfallen auf die drei grössten Miningpools: Sparkpool, Ethermin und f2pool2. Die Anforderungen zur Sicherung des Ethereum-Netzwerks werden sich mit der Einführung von Ethereum 2 jedoch bald ändern.

Ethereum 2: Übersicht und aktuelle Entwicklungen

Im Lauf des Jahres 2020 kommen grosse Veränderungen auf die Ethereum-Blockchain zu. Im Rahmen des Upgrades Serenity wird eine neue Chain namens Ethereum 2 eingeführt. Dies markiert den Beginn des Übergangs von Ethereum von einem auf einem Proof-of-Work basierenden Konsensalgorithmus zu einem Proof-of-Stake-Algorithmus. Kurz gesagt bedeutet dies, dass das aktuelle Mining-Modell aufgegeben wird. Stattdessen wird das Netzwerk fortan durch Validatoren gesichert, die Transaktionen abzeichnen und sie in Blöcke aufnehmen. Die von den Validatoren benötigten Rechenressourcen werden deutlich geringer sein als beim Proof of Work, sodass der Energieverbrauch – der beim Mining allgemein sehr kontrovers diskutiert wurde – für Ethereum künftig kein Thema mehr sein wird.

Die Umstellung auf Proof of Stake wird mit Spannung erwartet, da sie die grundlegendste Veränderung auf Ethereum seit der Einführung im Juli 2015 sein wird. Die Umstellung wird in mehreren Phasen erfolgen. Der Research-Teil späterer Phasen hängt jedoch nicht vom Abschluss der vorangegangenen Phasen ab, sondern nur die tatsächliche Umsetzung, sodass eine Verzögerung z. B. in Phase 0 sich nicht notwendigerweise auf Phase 1 und 2 auswirkt.

Phase 0

In dieser Phase wird die Beacon Chain gestartet, und die Validatoren können ETH2 staken, um Transaktionen zu bestätigen, das Netzwerk zu sichern und Prämien zu erhalten. Dazu muss pro 32 ETH2 ein Validator eingerichtet werden, da jeder Validator für seine Arbeit genau 32 ETH2 benötigt.

Abbildung 6: Die Anzahl der Adressen mit mindestens 32 ETH hat stetig zugenommen, was möglicherweise darauf hindeutet, dass kleinere ETH-Halter aufrüsten, damit sie staken können, sobald die Beacon Chain startet. Die Kurve wird stark nach oben gehen, sobald grosse ETH-Halter ihre Bestände zum Staken in Einheiten von 32 ETH stückeln.

Die Lancierung wird für das erste Quartal 2020 erwartet. Das Testnetz muss zunächst jedoch mindestens einen Monat lang reibungslos laufen. Erste Versuche zur Node-Client-Interoperabilität von Ethereum 2 waren erfolgreich. Der erste Schritt besteht dann darin, einen Teil der ETH durch einen Depotvertrag von der aktuellen Chain auf die neue Blockchain zu migrieren. Durch diesen Smart Contract werden die ETH über eine One-Way-Bridge von der alten Chain zur Beacon Chain verschoben. Der Depotvertrag ist zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Artikels einsatzbereit, die Entwickler warten aber noch, bis eine Einigung hinsichtlich eines blockchainübergreifenden Standards für digitale Signaturen (Boneh-Lynn-Shacham, BLS) besteht.

Nach der Lancierung der Beacon Chain werden für jeden ETH, der an den Depotvertrag gesendet wurde, genauso viele ETH2 ausgegeben. Wahrscheinlich wird diese neue Kryptowährung zunächst bis mindestens Phase 1 nicht übertragbar sein. Daher ist es sehr wahrscheinlich, dass sich ein Terminmarkt für das neue digitale Asset entwickeln wird. Und damit werden auch die Preise von ETH2 und von ETH auseinander drifften und sich erst dann wieder annähern, wenn die alte Ethereum-Blockchain Teil der neuen Chain wird (siehe Phase 2).
Ziel dieser Phase ist es festzustellen, ob die Base-Layer-Struktur (d. h. die Beacon Chain) stabil ist, und abzuschätzen, ob die finanziellen Anreize für das Staking und die Validierung ausreichen.

Phase 1

In dieser Phase werden die Shard Chains aufgebaut. Jede Shard kann als separate Blockchain betrachtet werden, und die Beacon Chain fungiert als Koordinationsschicht zwischen den Shards. Im ursprünglichen Projekt wurde die Umsetzung von 1’024 Shards geplant. Vitalik Buterin schlug jedoch vor, die Zahl der Shards auf 64 zu senken – was die Kommunikation und die Interaktionen zwischen den Shards (z.B. ein Token wird von Shard A auf Shard B übertragen) vereinfachen würde.

Den Validatoren aus dem Validatorenpool werden Shards nach dem Zufallsprinzip zugewiesen. Dadurch wird das Risiko verringert, dass sich Validatoren zusammentun, um eine Fork zu kontrollieren. Es ist jedoch schwierig, dabei echt randomisiert vorzugehen – zumindest bis Quantenrechner eine überprüfbare Zufälligkeit liefern können. In der Zwischenzeit kommt der Zufallsfaktor auf Ethereum 2 über einen komplexen Algorithmus mit verifizierbaren Verzögerungsfunktionen (VDFs) herein. Diese Funktionen benötigen bekanntermaßen eine bestimmte Rechenzeit (102 Minuten auf Ethereum 2) und müssen von den Validatoren mit beliebigen Zahlen gefüttert werden. Das Ergebnis dient dann als Zufallszahl für die Validator-Zuordnung auf die Shards.

Durch diese «Parallelisierung» der Blockchain durch Sharding wird ihre Kapazität auf rund 1,3-2,7 MB/s erhöht, was zunächst einen Durchsatz von rund 10’000 Transaktionen pro Sekunde ergeben dürfte – und potenziell mehr, dank den derzeit durchgeführten Effizienzoptimierungen (siehe oben) und der künftigen Hinzufügung weiterer Shards. Zum Vergleich: Ein globales Bezahlsystem wie VisaNet wickelt durchschnittlich rund 1’700 Transaktionen pro Sekunde ab.

Phase 2

In dieser Phase erhält Ethereum 2 das ganze Spektrum an Blockchain-Funktionen. Es wird möglich sein, einen Smart-Contract-Code auszuführen und Token auf die Blockchain zu übertragen. Die alte Ethereum-Kette wird in eine Ausführungsumgebung für Ethereum 2 verwandelt, was bedeutet, dass sie einfach zu einer Shard der neuen Chain wird – und alle auf der alten Chain verbleibenden ETH werden in ETH2 umgewandelt. Die State Execution Engine basiert auf eWASM – Ethereum Flavored WebAssembly – und ermöglicht die Kompilation hochrangiger, für Smart Contracts geeigneter Sprachen.
Damit markiert diese Phase – zumindest theoretisch – auch das Ende des Zwei-Token-Modells von ETH und ETH2. Es besteht allerdings die Möglichkeit, dass Miner auf der alten Ethereum-Kette eine Hardfork durchführen und versuchen, die Chain zu erhalten. Gelingt dies nicht, müssen die Miner ihre Hashpower auf andere mit GPUs geschürfte Proof-of-Work-Chains umleiten.

Insgesamt sei angemerkt, dass insbesondere die späteren Phasen von Ethereum 2 noch diskutiert werden und die endgültige Umsetzung noch nicht beschlossene Sache ist. Der Zeitplan ist ebenfalls unklar – aber das typische Silicon-Valley-Mantra «Move fast and break things” funktioniert nicht bei einer Infrastruktur, in der Assets im Wert von Milliarden von Dollarn liegen.

Ethereum 2: Auswirkungen auf die Tokenomics

Die Umstellung von Proof of Work auf Proof of Stake wird auch erhebliche Veränderungen in der Wirtschaftlichkeit von Ethereum mit sich bringen. Derzeit werden ETH im Umfang von ca. 4,8% der Gesamtbestands pro Jahr ausgegeben.

Abbildung 7: Die tägliche ETH-Emission an Miner hat sich im Laufe der Jahre verschiedentlich verändert und liegt nun bei rund 12’500 ETH pro Tag.

Diese Emissionsrate wurde über die Jahre mehrfach geändert. Mit der Hardfork Byzantium im Oktober 2017 wurde die an die Miner ausgezahlte Blockprämie von ursprünglich 5 ETH auf 3 ETH pro Block reduziert. Durch Constantinople sanken die Blockprämien im Februar 2019 weiter auf 2 ETH. Die Difficulty Bomb – die die Mining-Schwierigkeit erhöht und damit die Zeit zwischen den Blöcken verlängert – wurde zum Zeitpunkt der Fork jedoch ebenfalls verzögert, damit die Gesamtprämien aufgrund der längeren Blockzeiten nicht noch stärker zurückgehen.

Mit Ethereum 2 wird sich diese Emissionsrate erneut ändern. Zunächst wird die Emission leicht zunehmen, da Prämien sowohl auf der Beacon Chain als auf der alten Chain vergeben werden. Unter der (grosszügigen) Annahme von 30 Millionen gestakten ETH würde sich die jährliche Emission auf Ethereum 2 auf 0,62% belaufen, was die Gesamtemissionen auf beiden Ethereum-Chains zusammen auf etwa 5% erhöhen würde.

Sobald Ethereum 2 jedoch verwendet wird, um die alte Chain zu sichern, oder spätestens wenn die derzeitige Chain zu einer Shard wird, fällt die Emissionsrate sehr viel geringer aus. Die 4,8% der Gesamtmenge, die gegenwärtig im Jahr an die Miner geht, wird unnötig sein, sodass nur noch ETH2 emittiert werden, die mit den aktuellen Spezifikationen zwischen 0,4% und 1,2% liegen könnten. Dies entspräche zwei gleichzeitig durchgeführten Halving-Events von Bitcoin. Nur die Zeit wird zeigen, wie sich diese Änderung des Angebots- und Nachfragegleichgewichts auf den ETH-Preis auswirkt – und die Auswirkungen dieser Emissionsratenänderung werden sich schwer von anderen Preistreibern trennen lassen. Darüber hinaus muss die Beacon-Chain erst unter Beweis stellen, dass die aktuell angegebenen Zahlen für Validatoren ausreichend attraktiv sind, damit diese die Absicherung des Netzwerks übernehmen.

EIP-1559

In den Studien gibt es einen weiteren Ansatz, der sich stark auf die gesamte ETH-Emission auswirken könnte: das Ethereum Improvement Proposal 1559 oder EIP-1559. Ziel dieses Ansatzes ist es, die Gebührenmärkte zu vereinfachen, indem das derzeitige Erstpreis-Auktionsmodell – bei dem die Nutzer immer zu viel Gebühren zahlen – durch ein Modell ersetzt wird, das eine «Grundgebühr» plus einen Zuschlag für den Miner oder Validator enthält, der die Transaktion in einem Block abgilt. Die Grundgebühr würde verbrannt, was die ETH aller wertvoller machen würde, und die Miner oder Validatoren würden nur den Zuschlagsbetrag erhalten. Der Hauptvorteil dieser Art der Gebührenordnung liegt darin, dass sie viel vorhersehbarer wäre: Die Grundgebühr ist vor der Erstellung des Blocks bekannt. Im Gegensatz dazu wissen die Netzwerknutzer im Rahmen des aktuellen Modells erst nach dem Schürfen eines Blocks, wie hoch die Mindestgebühr ist, um eine Transaktion darin einzugliedern.

Wird ein Grossteil der Transaktionsgebühr verbrannt, so fällt auch die ETH-Nettoemission geringer aus. Wie aus Abbildung 3 hervorgeht, werden etwa 520 ETH pro Tag als Gebühren an die Miner gezahlt – oder etwa 190’000 ETH pro Jahr. Das EIP-1559 würde zu einer zusätzlichen Senkung der jährlichen Emissionsrate um etwa 0,2% führen. Je nach Transaktionsvolumen und Gebührenmärkten kann dies in Zukunft letztlich sogar zu negativen Emissionsraten führen.

Fazit

Die grössten und wirkungsvollsten Netzwerkupgrades von Ethereum sind für 2020 und die Folgejahre geplant. Die Umstellung auf Ethereum 2 wird enorme Auswirkungen auf die Skalierbarkeit, Sicherheit, Dezentralisierung und auf die Wirtschaftlichkeit haben. Es wird mit einem Durchsatz von rund 10’000 Transaktionen pro Sekunde gerechnet, und das Wegfallen von Proof of Work könnte die Dezentralisierung und die CO2-Bilanz des Netzwerks verbessern, da die rechnerische Arbeit der Validatoren stark reduziert wird.

Nach einem anfänglichen leichten Anstieg wird die Gesamtemission von ETH/ETH2 langfristig deutlich unter die aktuelle Benchmark von ca. 4,8% sinken. Im Lauf der nächsten Jahre wird es interessant sein zu beobachten, wie der ETH-Markt auf diese Verlagerung des Angebots- und Nachfragegleichgewichts reagiert.

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