Scaling Ethereum

Probleem

Schaalbaarheid, het is waarschijnlijk de nummer 1 oorzaak van stress bij Ethereum ontwikkelaars. Voor geen ander project is de druk zo hoog om schaalbaarheid te bereiken als bij Ethereum. Het smartcontract platform is een van de meest gebruikte blockchains ter wereld. Ik zie deze populariteit niet afnemen op de korte termijn. Om te voldoen aan de eisen die deze populariteit met zich meebrengen moet Ethereum wel innoveren, want een toename in gebruikers betekent een toename in transacties. In deze column bespreek ik de mogelijke opties voor Ethereum om tóch schaalbaar te worden.

Afgelopen december werd op een pijnlijke manier duidelijk dat Ethereum niet klaar is voor een forse toename in transacties. Het platform is in eerste instantie gebouwd om decentraal en veilig te zijn. Schaalbaarheid had tijdens de ontwikkeling geen prioriteit. In november 2017 werd dApp CryptoKitties gelanceerd op het Ethereum platform. Binnen een maand tijd is de applicatie razend populair. Als gevolg van deze extra activiteit loopt de Ethereum blockchain vast. Ondanks het enorme succes van de dApp kunnen we hier niet om het feit heen dat CryptoKitties een simpele game is. Wil Ethereum applicaties voortbrengen die op massale schaal gebruikt gaan worden, dan moet de schaalbaarheid drastisch verbeterd worden.

Ethereum blockchain

Een blockchain is vergelijkbaar met een gedistribueerd grootboek. Een kopie van dit grootboek is verspreid naar alle deelnemende computers. Deze computers worden ook wel nodes genoemd. Op een blockchain worden transacties gebundeld in een blok. Ethereum maakt gebruik van de Proof of Work (PoW) methode. Dit betekent dat zogeheten miners computerkracht gebruiken om de blockchain draaiende te houden. De miners proberen ieder als eerste een wiskundige som op te lossen. De miner die dit als eerst lukt ontvangt hiervoor een beloning. Bij de Bitcoin blockchain bestaat deze beloning uit Bitcoin en bij de Ethereum blockchain uit Ether.

Deze methode is populair bij publieke blockchains omdat het een motief geeft aan mensen om een node te opereren en belangrijker nog, dit op een integere manier te doen. Want niemand laat zijn computer natuurlijk dag en nacht laten draaien zonder er zelf profijt van te hebben. De PoW methode heeft echter een nadeel: het oplossen van de versleuteling kost computerkracht. Deze computerkracht wordt bij PoW geleverd door de miners. Deze miners zijn computers die dag en nacht bezig zijn met rekenen. Dit kost een enorme hoeveelheid elektriciteit. Ook Bitcoin maakt gebruik van PoW en de miners op dit netwerk verbruiken nu dagelijks evenveel elektriciteit als Marokko. Niet bepaald duurzaam.

Oplossingen

Proof of Work zorgt voor een decentraal en veilig netwerk. Echter begint schaalbaarheid steeds belangrijker te worden. Er zijn twee voor de hand liggende opties om de schaalbaarheid te vergroten:

1.       Het gebruik alternatieve coins (altcoins). Ethereum streeft ernaar een platform te worden voor andere cryptocurrency projecten. Gezien de populariteit van Ethereum is het goed op weg dit streven te behalen. Deze strategie heeft echter ook een nadeel. Alle op Ethereum gebouwde projecten zorgen voor meer transacties en dus belasting op het netwerk. Een oplossing hiervoor kan zijn: het idee van één blockchain opgeven en een model bedenken waarbij elk project zijn eigen blockchain heeft. Door middel van deze oplossing wordt de belasting van het netwerk aanzienlijk verminderd. Elk blockchain verwerkt tevens alleen de transacties die het zelf genereert. Het nadeel van deze oplossing is dat het aantal nodes per blockchain verminderd, dit resulteert in een lager niveau van veiligheid. Het is tevens makkelijker om 10 nodes over te nemen dan bijvoorbeeld 10.000

2.       Het vergroten van de blok grootte. Het aantal transacties dat in één blok passen wordt bepaald door de grootte van een blok. Bitcoin Cash bijvoorbeeld heeft deze week een upgrade uitgevoerd die de blok grootte van 8MB naar 32MB heeft verhoogd. Met deze oplossing wordt het mogelijk meer transacties per seconde te verwerken. Een groter blok betekent echter een moeilijkere taak voor de miners. Er is meer computerkracht nodig om een blok van 32MB te generen in vergelijking met een blok van 8MB. Het resultaat hiervan is dat mensen die met hun persoonlijke laptop minen dit eigenlijk niet meer kunnen, de computerkracht is simpelweg niet genoeg. Wat blijft er dan over? Een kleine groep mensen die dure en krachtige apparatuur kunnen betalen. Het vergroten van de blok grootte gaat dus ten koste van decentralisatie. In plaats van 10.000 nodes zijn er nog maar 10 nodes.

Om te concluderen. Geen van bovenstaande oplossingen zijn ideaal voor Ethereum. Beide gaan of ten koste van veiligheid of decentralisatie. Welke opties heeft Ethereum nog meer?

1. Plasma is een oplossing die transacties verwerkt buiten de primaire Ethereum blockchain. Het is een zogeheten ‘off-chain’ oplossing. Plasma maakt het mogelijk om ‘childchains’ te creëren. Dit zijn blockchains die naast de ‘rootchain’, in dit geval Ethereum, actief zijn. Klinkt allemaal ingewikkeld en dat is het ook wel maar ik ga het toch proberen uit te leggen. Een childchain kan zijn eigen transacties bijhouden en toch vertrouwen op de veiligheid van de rootchain. Met deze methode wordt het mogelijk een netwerk van childchains te bouwen die de belasting op het primaire netwerk verlichten. Bovendien is het mogelijk childchains naar eigen voorkeur in te richten. Wanneer de nodes op de childchain besluiten deze te sluiten wordt er een archief met transacties naar de Ethereum blockchain verstuurd en is alles up-to-date.
2. Raiden is net als Plasma een off-chain oplossing. Het is te vergelijken met het Lightning Network van Bitcoin. Heel kort gezegd is het een apart grootboek die wordt opgebouwd door transacties tussen twee nodes. Stel ik verstuur per dag 10 transacties naar een vriend, dan belast ik de Ethereum blockchain hiermee. Met Raiden kan ik een zogeheten ‘statechannel’ opzetten met mijn vriend. Alle transacties die wij dan uitvoeren worden door deze statechannel bijgehouden en niet door de Ethereum blockchain. Wanneer ik en mijn vriend besluiten te stoppen met de transacties sluiten wij de statechannel en wordt er een archief naar de primaire blockchain verstuurd. In plaats van bijvoorbeeld 100 aparte transacties van $10 is er nu 1 transactie van $1000.
3. Sharding, de heilige graal onder schaalbaarheid oplossingen. Sharding is een ‘on-chain’ methode. Het verandert de manier waarop transacties worden verwerkt op de Ethereum blockchain. Op het moment is het zo dat elke node, elke transactie moet verwerken. Met sharding worden nodes opgedeeld in groepen. Eén groep is één ‘shard’. Elke shard verwerkt de transacties die binnenkomen bij deze specifieke shard. Hierdoor kunnen groepen tegelijk verschillende transacties verwerken. Het resultaat is een sterkte toename in het aantal transacties per seconde.
4. Casper is een nieuw protocol waarbij Ethereum de overstap maakt van Proof of Work (PoW) naar Proof of Stake (PoS). Bij PoW moeten miners energie besteden aan het oplossen van de wiskundige puzzel. Bij PoS is het echter zo dat er geen gebruik wordt gemaakt miners maar van ‘validators’. De naam verklapt het al, in plaats van het minen van een blok wordt deze nu gevalideerd. Validators zijn nodes die Ether inzetten (staken) op een blok waarvan zij denken dat het een legitiem blok is. Stemt de validator op het juiste en legitieme blok dan ontvangt deze een beloning. Stemt de node op de verkeerde dan is deze de ingezette Ether kwijt. Dit dwingt validators ertoe juist en eerlijk te handelen. Ondanks het feit dat Casper niet is ontwikkelt om de schaalbaarheid te verhogen heeft het wel degelijk een positief effect op de capaciteit van het netwerk.

Conclusie: Ethereum heeft enkele veelbelovende oplossingen op de tekentafel liggen. Wil Ethereum de nummer twee plek behouden dan is het noodzakelijk dat deze oplossingen zo snel mogelijk lanceren. Er liggen genoeg andere projecten op de loer die beloven zowel schaalbaar als veilig als decentraal zijn. Kortom, de blockchainwedloop is van start.