Was sind State Channels?

In der Welt der Kryptowährungen und Blockchain-Technologien gibt es viele Konzepte, die darauf abzielen, die Effizienz und Skalierbarkeit von Transaktionen zu verbessern.

Eines dieser Konzepte sind State Channels. Wenn Du dich mit Blockchain und Krypto beschäftigst, wirst Du vielleicht schon über diese Technologie gehört haben.

In diesem Artikel erklären wir Dir, was State Channels sind, wie sie funktionieren und welche Vorteile sie bieten – sowohl für Anfänger als auch für Fortgeschrittene.

Die folgende Tabelle fasst die wichtigsten Merkmale zusammen:

Technologie	Layer-2-Skalierungslösung für Blockchain-Transaktionen, die Transaktionen Off-Chain ermöglicht.
Funktionsweise	Off-Chain-Transaktionen zwischen Teilnehmern, wobei nur die finalen Ergebnisse auf der Haupt-Blockchain gespeichert werden.
Eröffnung des Kanals	Einzahlungen von Teilnehmern als Sicherheitsleistung auf der Blockchain. Nur diese Initialtransaktion wird auf der Hauptchain gespeichert.
Transaktionsgebühren	Geringe oder keine Transaktionsgebühren, da keine Bestätigung durch das gesamte Netzwerk erforderlich ist.
Skalierbarkeit	Ermöglicht eine hohe Anzahl an Transaktionen pro Sekunde (TPS), da nur Anfangs- und Endtransaktionen auf der Blockchain gespeichert werden.
Privatsphäre	Alle Transaktionen innerhalb des Kanals sind privat. Nur die endgültige Transaktion wird auf der Blockchain gespeichert.
Anwendungsfälle	Mikrozahlungen, Gaming, DeFi-Anwendungen, schnelle Transaktionen und private Interaktionen.
Beispiele	Raiden Network (Ethereum), Lightning Network (Bitcoin)
Technische Aspekte	Verwendet Hash-Locks, Timelocks und Multisignaturen für zusätzliche Sicherheit.

Für alle, die wenig Zeit haben, werden State Channels in diesem Video erklärt:

State Channels sind eine Layer-2-Skalierungslösung für Blockchains, die eine effiziente Möglichkeit bieten, Transaktionen außerhalb der Hauptblockchain abzuwickeln.

Dabei werden nur die endgültigen Ergebnisse der Transaktionen auf der Hauptchain gespeichert, was zu erheblichen Vorteilen hinsichtlich Geschwindigkeit, Kosten und Privatsphäre führt.

Im Wesentlichen ermöglichen State Channels es, dass Transaktionen zwischen zwei oder mehr Teilnehmern privat und schnell durchgeführt werden, ohne dass jede einzelne Transaktion öffentlich auf der Blockchain erfasst wird.

Stattdessen werden die Daten nur zwischen den Teilnehmern ausgetauscht und nur die finale, aggregierte Information wird am Ende auf der Blockchain gespeichert.

Dies reduziert die Belastung der Hauptchain erheblich und steigert die Effizienz.

Funktionsweise eines State Channels

Wenn ein State Channel eröffnet wird, hinterlegen die Teilnehmer eine gewisse Menge an Kryptowährung auf der Blockchain, die als Sicherheitsleistung fungiert.

Diese Initialtransaktion ist die einzige, die auf der Hauptblockchain veröffentlicht wird. Danach können die Teilnehmer beliebig viele Transaktionen durchführen, ohne dass sie jedes Mal auf der Blockchain bestätigt werden müssen.

Diese Transaktionen finden Off-Chain statt, also außerhalb des öffentlichen Blockchain-Netzwerks.

Die Teilnehmer können während des Channel-Betriebs so oft wie nötig Transaktionen durchführen.

Diese Transaktionen sind schnell und verursachen nahezu keine Transaktionsgebühren, da sie nur zwischen den Teilnehmern und nicht mit dem gesamten Netzwerk synchronisiert werden müssen.

Sobald die Transaktionen abgeschlossen sind und sich beide Parteien über den finalen Zustand des Kanals einig sind, wird der Endsaldo oder das Endergebnis in einer einzigen Transaktion auf der Blockchain veröffentlicht.

Vorteile von State Channels

Skalierbarkeit: State Channels entlasten die Hauptblockchain, da nur die Start- und Endtransaktionen gespeichert werden. Dies ermöglicht eine enorme Skalierung der Transaktionsrate, da zahlreiche Interaktionen außerhalb der Hauptkette stattfinden können.
Kostenreduktion: Da nur zwei Transaktionen auf der Hauptchain erforderlich sind (eine für die Eröffnung und eine für den Abschluss des Kanals), fallen deutlich weniger Gasgebühren oder Transaktionskosten an als bei herkömmlichen Blockchain-Transaktionen.
Schnelligkeit: Da keine Bestätigung durch das gesamte Netzwerk erforderlich ist, können Transaktionen sofort durchgeführt werden. Dies ist besonders vorteilhaft für Anwendungen, die schnelle Zahlungen oder Mikrotransaktionen erfordern.
Privatsphäre: Alle Transaktionen innerhalb des State Channels sind privat. Nur die Beteiligten können die Transaktionen einsehen, was einen erheblichen Vorteil in Bezug auf den Datenschutz darstellt. Erst mit dem Abschluss des Kanals wird der endgültige Zustand auf der öffentlichen Blockchain veröffentlicht, sodass Dritte keine Details über die Transaktionen einsehen können.

Beispiel: Ein State Channel für Mikrozahlungen

Stell Dir vor, Du möchtest ein Game-App-Entwickler sein und deinen Nutzern ermöglichen, kleine Beträge für In-App-Käufe oder Transaktionen zu bezahlen.

Statt jede einzelne Zahlung auf der Blockchain zu verzeichnen – was zu hohen Gebühren und langsamen Transaktionszeiten führen würde – könntest Du einen State Channel einrichten.

Dein Nutzer würde zu Beginn eine größere Einzahlung in den State Channel tätigen. Dann könnten viele Transaktionen innerhalb des Kanals stattfinden, ohne dass jede davon auf der Blockchain gespeichert wird.

Am Ende des Spiels oder nach einer Reihe von Käufen würde der Endsaldo auf der Blockchain registriert, sodass nur noch der finale Betrag sichtbar ist.

Wie funktionieren State Channels?

Die Funktionsweise von State Channels lässt sich in wenigen klaren Schritten erklären. Es handelt sich um einen flexiblen Mechanismus, der Transaktionen Off-Chain ermöglicht und nur die wesentlichen Informationen auf der Blockchain speichert.

Dies sorgt für schnelle, kostengünstige und private Transaktionen. Im Detail funktioniert der Prozess wie folgt:

1. Eröffnung des Kanals

Der erste Schritt bei der Nutzung eines State Channels ist die Eröffnung des Kanals zwischen zwei Parteien (zum Beispiel A und B).

Dazu wird eine anfängliche Transaktion auf der Blockchain durchgeführt. In dieser Transaktion hinterlegt jeder Teilnehmer einen bestimmten Betrag als Sicherheitsleistung (auch als „Deposit“ bezeichnet).

Diese Sicherheitsleistung stellt sicher, dass beide Parteien sich an die Vereinbarungen des Kanals halten. Sie dient gleichzeitig als „Pfand“, das im Fall eines Streits als Absicherung fungiert.

Die Eröffnung des State Channels ist der einzige Schritt, der auf der Hauptblockchain registriert wird.

Dies ist wichtig, da es den Kanal für die Parteien aufmacht und die Initialzahlung bestätigt. In einer typischen Ethereum-Anwendung könnte dies eine ETH-Transaktion sein, in der beide Parteien zum Beispiel 1 ETH als Sicherheitsleistung hinterlegen.

2. Off-Chain-Transaktionen

Sobald der Kanal eröffnet ist, können die beiden Parteien beliebig viele Off-Chain-Transaktionen durchführen.

Diese Transaktionen finden nicht mehr auf der Blockchain statt, sondern werden direkt zwischen den Teilnehmern des State Channels ausgeführt.

Hierbei geht es darum, kleine Transaktionen zu ermöglichen, die nicht jede Transaktion auf der Blockchain verzeichnen müssen.

Diese Off-Chain-Transaktionen sind sehr schnell, da sie keine Bestätigung durch das gesamte Netzwerk erfordern.

Sie erfolgen direkt zwischen den Parteien, ohne dass Miner oder Validatoren involviert sind. Außerdem fallen praktisch keine Transaktionsgebühren an, da keine Daten an das Netzwerk gesendet werden.

Das bedeutet, dass Du beliebig viele Zahlungen innerhalb des State Channels vornehmen kannst, ohne dass zusätzliche Kosten entstehen.

Ein praktisches Beispiel: Du und ein Freund möchten regelmäßig kleine Zahlungen untereinander tätigen, etwa für Pizza oder Getränke.

Wenn ihr dies über die Blockchain machen würdet, würde jede einzelne Zahlung Gasgebühren kosten und eine Weile dauern, um bestätigt zu werden.

Stattdessen eröffnet ihr einen State Channel und ihr könnt jetzt so viele Zahlungen wie nötig durchführen, ohne dass jede einzelne auf der Blockchain aufgezeichnet wird.

3. Aktualisierungen des States

Während der Nutzung des State Channels kann der Status des Kanals regelmäßig aktualisiert werden.

Angenommen, nach jeder Transaktion muss der Kanal „umgeschrieben“ werden, um den neuen Stand der Beträge zwischen den Teilnehmern widerzuspiegeln.

Diese Updates sind jedoch nicht öffentlich und werden nur zwischen den Teilnehmern gespeichert.

Die Aktualisierungen erfolgen durch das Erstellen und Austauschen von digitale Signaturen, die den neuen Status des Kanals bestätigen.

Beide Parteien signieren die neue Version des States, was bedeutet, dass der aktuelle Stand zwischen den Teilnehmern verbindlich ist.

4. Schließen des Kanals

Am Ende der Nutzung des State Channels, wenn die Teilnehmer ihre Interaktionen abgeschlossen haben, wird der Kanal geschlossen.

Dies geschieht, indem der endgültige Zustand des Kanals in einer einzigen Transaktion auf die Blockchain zurückgeschrieben wird.

Diese Transaktion erfasst den Endsaldo der Off-Chain-Transaktionen – also den Betrag, den jeder Teilnehmer nach allen Zahlungen und Interaktionen zu erhalten hat.

Die Schließung des Kanals ist der einzige Moment, an dem Daten von den Off-Chain-Transaktionen auf die Blockchain übertragen werden.

Diese finale Transaktion hat im Vergleich zu den vorherigen Transaktionen den Vorteil, dass sie kostengünstig ist, da sie nur einmal durchgeführt werden muss und schnell, da alle bisherigen Interaktionen bereits abgeschlossen sind.

Nur der Endstatus muss noch auf der Blockchain registriert werden.

Falls es während des State Channel-Zeitraums zu einem Streit kommt und sich die Parteien nicht einig sind, kann der Sicherheitsbetrag auf der Blockchain verwendet werden, um eine Schlichtung zu ermöglichen.

In solchen Fällen sorgt der Sicherheitsbetrag dafür, dass beide Parteien sich an die ursprünglichen Vereinbarungen halten.

Beispiel aus dem Alltag

Stell Dir vor, Du und ein Freund wollen regelmäßig bei einem gemeinsamen Pizza-Abend kleine Beträge untereinander austauschen – zum Beispiel für Getränke oder Snacks.

Anstatt jede Zahlung einzeln auf der Blockchain zu registrieren, was mit hohen Gebühren und langsamen Bestätigungszeiten verbunden wäre, eröffnet ihr einen State Channel.

Der Prozess könnte folgendermaßen aussehen:

Ihr hinterlegt zu Beginn eine Einzahlung (z. B. 1 ETH) als Sicherheitsleistung in den State Channel.
Während des Abends tätigt ihr mehrere Zahlungen (z. B. für Pizza, Getränke, etc.), aber diese werden nicht auf der Blockchain verzeichnet.
Am Ende des Abends einigt ihr euch auf den finalen Betrag, der aufgrund der durchgeführten Transaktionen noch aussteht.
Der Endsaldo wird einmalig auf der Blockchain gespeichert, wodurch eure Transaktionen effizient und kostengünstig bleiben.

So könnt ihr beliebig viele kleine Zahlungen durchführen, ohne dass für jede einzelne eine Blockchain-Transaktion erforderlich ist.

Vorteile von State Channels

Skalierbarkeit: Einer der größten Vorteile von State Channels ist die Skalierbarkeit. Da nur die Anfangs- und Endtransaktionen auf der Blockchain gespeichert werden, verringert sich die Anzahl der Transaktionen, die die Blockchain verarbeiten muss.

Das entlastet das Netzwerk und ermöglicht eine viel größere Anzahl von Transaktionen pro Sekunde (TPS).

Schnelligkeit: State Channels ermöglichen blitzschnelle Transaktionen.

Da keine Bestätigung durch das gesamte Netzwerk erforderlich ist, können Transaktionen fast in Echtzeit durchgeführt werden – ideal für Anwendungen, die hohe Geschwindigkeiten erfordern, wie etwa Mikrozahlungen.

Geringe Kosten: Da die meisten Transaktionen Off-Chain und nur die Endergebnisse auf der Blockchain verzeichnet werden, fallen geringere Transaktionsgebühren an.

Du musst nicht für jede einzelne Transaktion Gasgebühren zahlen, was besonders bei kleineren Zahlungen ein großer Vorteil ist.

Privatsphäre: Da die meisten Transaktionen innerhalb des State Channels abgewickelt werden, bevor sie auf der Blockchain veröffentlicht werden, ist die Privatsphäre der Nutzer deutlich besser geschützt.

Niemand außer den Kanalteilnehmern kann sehen, welche Transaktionen innerhalb des Kanals stattfinden, bis der Kanal geschlossen wird.

State Channels vs. andere Skalierungslösungen

Es gibt verschiedene Skalierungslösungen, die Blockchain-Transaktionen effizienter machen sollen.

Die bekannteste ist wahrscheinlich das Lightning Network, das auf Bitcoin basiert und ebenfalls State Channels verwendet. Aber auch andere Lösungen wie Plasma und Rollups werden in der Blockchain-Welt diskutiert. Was macht also State Channels besonders?

State Channels vs. Lightning Network: Das Lightning Network ist eine spezielle Implementierung von State Channels auf der Bitcoin-Blockchain.

Während beide Technologien auf ähnliche Weise funktionieren, ist das Lightning Network spezifisch für Bitcoin und zielt darauf ab, Mikropayments und schnelle Transaktionen im Bitcoin-Netzwerk zu ermöglichen.

State Channels bieten eine breitere Anwendungsmöglichkeit und können auch auf anderen Blockchains, wie Ethereum, verwendet werden.

State Channels vs. Plasma: Plasma ist eine weitere Layer-2-Lösung, die darauf abzielt, die Skalierbarkeit von Blockchains zu verbessern, jedoch auf andere Weise als State Channels.

Plasma verwendet so genannte „Child Chains“, die mit der Hauptblockchain verbunden sind.

Während Plasma für große Anwendungen wie DeFi (dezentrale Finanzprodukte) gut geeignet ist, bieten State Channels eine bessere Lösung für private Transaktionen und kleinere Zahlungen.

Anwendungsfälle von State Channels

State Channels finden in verschiedenen Bereichen Anwendung. Einige der wichtigsten Anwendungsfälle sind:

Mikrozahlungen: Wenn Du häufig kleine Zahlungen tätigen möchtest, etwa für digitale Inhalte, Apps oder Spiele, sind State Channels ideal. Du kannst mehrere Zahlungen durchführen, ohne sie jede einzeln auf der Blockchain registrieren zu müssen.
Gaming: Im Bereich der Blockchain-basierten Spiele ermöglichen State Channels schnelle und kostengünstige In-Game-Transaktionen. Spieler können Items kaufen, Wettkämpfe durchführen oder gegen andere Spieler wetten, ohne dass jede Interaktion die Hauptblockchain belastet.
DeFi-Anwendungen: Im DeFi-Sektor, der bereits stark von Layer-2-Lösungen wie Rollups profitiert, könnten State Channels als effiziente Möglichkeit dienen, private Transaktionen oder schnelle Trades durchzuführen.

Technische Aspekte von State Channels

Die Implementierung von State Channels auf einer Blockchain erfordert einige technische Komponenten und Mechanismen, die sicherstellen, dass der Channel zuverlässig und sicher funktioniert.

Diese Technologien sorgen dafür, dass die Transaktionen innerhalb des State Channels korrekt ausgeführt werden und bieten Schutz gegen potenzielle Missbräuche.

Die wichtigsten technischen Aspekte von State Channels umfassen Hash-Locks, Timelocks und Multisignaturen.

Hash-Locks

Ein Hash-Lock ist eine grundlegende Technik, die dafür sorgt, dass eine Transaktion nur dann abgeschlossen werden kann, wenn eine bestimmte Bedingung erfüllt ist.

Diese Technik wird häufig verwendet, um die Kondition für den Abschluss einer Transaktion zu sichern.

In der Praxis bedeutet dies, dass eine Transaktion nur dann akzeptiert wird, wenn ein vorher festgelegter Hash (eine kryptografische Zeichenkette) korrekt bereitgestellt wird.

In einem State Channel könnte ein Hash-Lock dazu verwendet werden, sicherzustellen, dass eine Partei eine bestimmte Bedingung erfüllt, bevor eine Transaktion abgeschlossen werden kann.

Zum Beispiel könnte eine Partei eine Transaktion nur dann freigeben, wenn sie eine digitale Signatur von der anderen Partei erhält, die die Transaktion bestätigt.

Dies stellt sicher, dass beide Parteien der Transaktion zustimmen müssen und verhindert, dass eine Partei die Transaktion einseitig abschließt.

Ein Beispiel aus der Praxis: Angenommen, Partei A möchte eine Zahlung an Partei B leisten, aber nur, wenn B nachweisen kann, dass eine bestimmte Bedingung erfüllt wurde, etwa das Bereitstellen eines Hashes.

Diese Technik garantiert, dass die Zahlung nur ausgeführt wird, wenn der Nachweis erbracht wurde, dass beide Parteien in gutem Glauben handeln.

Timelocks

Ein Timelock ist ein Mechanismus, der dafür sorgt, dass ein State Channel nach einer festgelegten Zeit automatisch geschlossen wird, wenn die Parteien den Kanal nicht aktiv abschließen.

Dies verhindert, dass ein Kanal unendlich offen bleibt, was in einer ungünstigen Situation zu einer verlorenen Sicherheitsleistung führen könnte, wenn eine Partei nicht mehr aktiv an der Transaktion teilnimmt.

Ein Timelock ist besonders nützlich, wenn es zu einem Streit oder einer Verzögerung kommt.

Sollte eine Partei versuchen, den Kanal zu blockieren oder zu verzögern, stellt der Timelock sicher, dass der Kanal nach Ablauf einer bestimmten Zeit geschlossen wird.

In solchen Fällen kann der Timelock dazu führen, dass der aktuelle Status des Kanals automatisch auf die Blockchain übertragen wird, um sicherzustellen, dass die Transaktionen korrekt verarbeitet werden.

Ein Beispiel: Wenn Partei A und B einen State Channel eröffnen, könnte der Timelock sicherstellen, dass der Kanal nach beispielsweise 48 Stunden automatisch geschlossen wird, wenn keine Interaktionen mehr erfolgen.

Sollte eine der Parteien nicht reagieren oder sich weigern, eine finale Transaktion zu bestätigen, wird der Kanal dennoch abgeschlossen und das endgültige Ergebnis wird auf der Blockchain veröffentlicht.

Multisignatur

Die Multisignatur-Technologie ist ein weiteres entscheidendes Element bei der Implementierung von State Channels.

Hierbei müssen beide Parteien eine Transaktion signieren, bevor sie abgeschlossen werden kann.

Dies stellt sicher, dass keine Partei den Kanal einseitig schließen oder Transaktionen ohne die Zustimmung des anderen vornehmen kann.

Beide Parteien müssen gemeinsam handeln, um den State Channel zu beenden, was zusätzliche Sicherheit und Vertrauen in den Prozess bringt.

Multisignatur-Schutz ist besonders wichtig, da er sicherstellt, dass die Parteien im State Channel nicht einseitig versuchen können, den Kanal zu ihrem eigenen Vorteil zu schließen.

Eine Partei kann also nicht einfach ihre eigene Sicht der Transaktionen als endgültigen Stand veröffentlichen, ohne dass die andere Partei zustimmt.

Nur wenn beide Parteien die Transaktion signieren, wird sie in das endgültige Blockchain-Register übernommen.

Ein Beispiel aus der Praxis: Im Fall von Mikrozahlungen für digitale Inhalte würde eine Multisignatur sicherstellen, dass sowohl der Anbieter (z. B. ein Spieleentwickler) als auch der Nutzer zustimmen müssen, bevor ein bestimmter Betrag als Zahlung bestätigt wird.

Wenn einer der beiden das System betrügen oder eine Transaktion ohne Zustimmung durchführen möchte, verhindert die Multisignatur das.

Raiden Network als Beispiel für State Channels

Ein praktisches Beispiel für ein Projekt, das State Channels nutzt, ist das Raiden Network auf der Ethereum-Blockchain.

Raiden ist eine Layer-2-Skalierungslösung, die ähnliche Vorteile wie das Lightning Network für Bitcoin bietet, aber für Ethereum entwickelt wurde.

Das Raiden Network nutzt State Channels, um schnelle und kostengünstige Mikrozahlungen zwischen Benutzern zu ermöglichen.

Raiden funktioniert, indem es Nutzern erlaubt, Off-Chain-Transaktionen zu tätigen, die dann erst am Ende des Kanals auf die Ethereum-Blockchain übertragen werden.

Dies bedeutet, dass Raiden es den Nutzern ermöglicht, Transaktionen schnell und mit minimalen Gebühren abzuwickeln.

Es wird oft in Bereichen wie Mikrozahlungen, DeFi und Blockchain-Spielen eingesetzt, um die Skalierbarkeit von Ethereum zu verbessern und die hohe Transaktionsgebühr von Ethereum zu umgehen.

Raiden implementiert dabei Mechanismen wie Hash-Locks und Timelocks, um sicherzustellen, dass Transaktionen nur unter den richtigen Bedingungen abgeschlossen werden.

Darüber hinaus sorgt die Multisignatur dafür, dass alle Beteiligten einer Transaktion zustimmen müssen, bevor sie finalisiert wird.

Herausforderungen von State Channels

Trotz ihrer Vorteile haben State Channels auch einige Herausforderungen:

Komplexität: Die Implementierung von State Channels ist technisch anspruchsvoll und erfordert ein gutes Verständnis der Blockchain-Technologie. Die Teilnehmer müssen sicherstellen, dass sie die Regeln des Kanals einhalten und das Netzwerk korrekt verwalten.
Begrenzte Interoperabilität: Während State Channels für bestimmte Anwendungen hervorragend geeignet sind, sind sie nicht immer die beste Lösung für alle Arten von Transaktionen. Es gibt auch technische Einschränkungen hinsichtlich der Anzahl der Teilnehmer und der Art der durchführbaren Transaktionen.
Zentralisierung der Kontrolle: In einem State Channel gibt es immer einen bestimmten Punkt, an dem die Kontrolle auf eine kleinere Gruppe von Teilnehmern übergeht. Das kann bei größeren Netzwerken problematisch werden, insbesondere in Hinblick auf die Dezentralisierung von Blockchain-Projekten.

Häufig gestellte Fragen (FAQ)

Was ist der Unterschied zwischen State Channels und dem Lightning Network? Das Lightning Network ist eine spezifische Implementierung von State Channels für Bitcoin, während State Channels auf verschiedenen Blockchains angewendet werden können.
Wie sicher sind State Channels? State Channels sind sicher, solange beide Parteien die Bedingungen einhalten. Sicherheitstechniken wie Hash-Locks und Timelocks garantieren, dass Transaktionen nur unter bestimmten Bedingungen abgeschlossen werden.
Können State Channels in jedem Blockchain-Netzwerk verwendet werden? Ja, State Channels können grundsätzlich in jedem Blockchain-Netzwerk verwendet werden, das Smart Contracts unterstützt.
Wie kann ich einen State Channel selbst aufsetzen? Das Einrichten eines State Channels erfordert technisches Wissen und Erfahrung mit Smart Contracts und Blockchain-Netzwerken. Du kannst jedoch auch Tools und Netzwerke wie das Lightning Network oder Raiden verwenden, die Dir den Einstieg erleichtern.

Was sind State Channels? – Eine Erklärung der Layer-2-Skalierungslösung für Blockchain-Transaktionen