In kontobasierten Blockchains wie Ethereum gefährdet die Notwendigkeit eines transparenten Gas-Zahlers (msg.sender) die Privatsphäre von Nutzer:innen. Marktbasierte Relayer-Netzwerke verstärken dieses Problem, weil sie zu starker Zentralisierung, regulatorischer Angreifbarkeit und Zensuranfälligkeit führen. Das vorliegende Protokolldesign setzt auf intrinsische Reziprozitäts-Primitive – die Rollen „Lokomotive“ und „Waggon“ – um Relayer-Märkte aus den Shielded Pools zu verdrängen und gleichzeitig die Gas-Kosten effizient zu steuern.

Zentralisierung von Relayer-Märkten – empirische Befunde

Die Messungen von Huseynov et al. (2026) bei Railgun zeigen eindrücklich, dass 89 % des gerailten Transaktionsvolumens über lediglich 124 Relayer-Adressen laufen. Zusätzlich wurden 1 049 Selbstabhebungen identifiziert, bei denen die Einzahler- und Abheberadresse über den Gas-Payer eindeutig verknüpft waren. Diese Daten belegen, dass das Relayer-Problem ein strukturelles Artefakt des kontobasierten EVM-Gaskonzepts ist und nicht von Zero-Knowledge-Techniken selbst abhängt.

• Relayer-Volumenkonzentration: 89 % (2026)
• Identifizierte Relayer-Kernadressen: 124 (2026)
• De-anonymisierte Selbstabhebungen: 1 049 Transaktionen (2026)

Die Konzentration auf wenige Relayer führt dazu, dass bei einem Ausfall des Marktes die Privatsphäre sofort gefährdet ist – Nutzer:innen müssen dann auf Eigenüberweisungen zurückgreifen, wodurch die transparente Gas-Zahlung die Deanonymisierung unvermeidlich macht.

EVM-Gasarchitektur versus UTXO-Modell und neuere Protokollalternativen

Im Gegensatz zu UTXO-basierten Systemen wie Zcash, bei denen Transaktionsgebühren direkt aus geschützten Notizen beglichen werden, verlangt das EVM-Protokoll eine externe Signatur und ein transparentes Konto für die Gas-Abdeckung. Aktuelle Ethereum-Forschungsansätze wie Frame Transactions (EIP-8141) oder Account Abstraction (EIP-4337) adressieren das Problem nur teilweise: Sie verlagern die Gaszahlung auf Paymaster oder Bundler, eliminieren jedoch nicht die Notwendigkeit einer Drittpartei, die erneut zu einem zentralisierten Markt mit Zensur- und Gebührenpotenzial wird.

• Typischer Gasaufwand für Groth16-Verifikation: 200 000-230 000 Gas (2026)
• EIP-8141 und EIP-4337 scheitern an komplexen DoS-Schutzmechanismen im öffentlichen Mempool.

Damit bleibt die Grundursache – die Verpflichtung, Gas über ein transparentes Senderkonto zu zahlen – bestehen.

Reziprozitäts-Primitive: Das Lokomotive-Waggon-Protokoll

Das vorgeschlagene Protokoll bettet die Rolle direkt in die Zero-Knowledge-Note ein. Jede Note trägt ein Rollen-Bit (Lokomotive oder Waggon). Der Ablauf ist wie folgt:

1. Ein Nutzer, der eine Lokomotive-Note ausgibt, muss ein Bundle veröffentlichen, das seinen eigenen Proof und den Proof eines fremden Waggons enthält. Die Gas-Kosten werden für beide Transaktionen getragen.
2. Die neu geschaffene Note wird zum Waggon.
3. Ein Waggon-Nutzer veröffentlicht seinen Proof off-chain und wartet auf eine Lokomotive, die das Bundle übernimmt. Die daraus entstehende Note wird zur Lokomotive.

Durch diese wechselseitige Rollenverteilung entsteht kein separater Relayer-Markt, keine Token- oder Gebührenfelder – die Schuld wird durch das Rollen-Bit selbst beglichen. Die formale Spezifikation erzwingt Δ(#Waggons) = +1 für Lokomotiven und Δ = -1 für Waggons, wobei zwei Verifikations-Keys verwendet werden, sodass die Rolle nie on-chain erscheint.

• Steady-State-Overhead: 1,009 – 1,012 × Gas pro nützlicher Transaktion (2026, Quelle S3)
• Medianer Wartezeit: 7 Blöcke, mit einem harten Obergrenzen-Cap (p95-Patience) von 0,5 %-2,7 % zusätzlichem Overhead.

Die Simulation (Python-Stdlib, Seed 1, fünf Seeds für Robustheit) bestätigt, dass das Modell auch unter Last wirtschaftlich tragfähig ist.

Smart-Contract-Reihenfolge zur Dämpfung von Race Conditions

Bei simultanen Transaktionen desselben Waggons entsteht ein Wettlauf im Mempool. Die Reihenfolge, in der Nullifier- und Proof-Checks durchgeführt werden, hat erhebliche Auswirkungen auf den Gas-Verbrauch:

• Nullifier-Prüfung vor Proof-Check: zusätzlicher Overhead von 1,3 % (2026)
• Proof-Check vor Nullifier-Prüfung: zusätzlicher Overhead von 21,0 % (2026)

Durch die Optimierung der Ausführungsreihenfolge (Nullifier-Check zuerst) reduziert das System die Verlustkosten kollidierender Mempool-Transaktionen drastisch von 21 % auf vertretbare 1,3 %.

Risiken und Gegenmaßnahmen

Obwohl das Lokomotive-Waggon-Modell zentrale Relayer eliminiert, bleiben weitere Angriffsflächen bestehen:

• Latenzakkumulation und Ratchet-Effekt: Auszahlungen entfernen Lokomotiven aus dem System. Ohne die 2×-Drain-Funktion können Wartezeiten unbegrenzt steigen, sofern Nutzer nicht teure Strafgebühren zahlen.
• Metadaten-Leakage durch Transaktions-Kopplung: Das Bündeln zweier fremder Transaktionen im selben Block kann neue Heuristiken für Off-Chain-Analysten eröffnen (Co-presence).
• Block-Builder-Zensur: Selbst bei dezentralisierten Relayern kann ein zentraler Block-Builder (MEV-Boost-Relay) Muster von Shielded-Pools diskriminieren.

Diese Punkte werden im Abschnitt „Counterpoints & Risks“ der Quelle S3 diskutiert.

Häufig gestellte Fragen

Warum genügt Account Abstraction (EIP-4337) nicht, um das Problem geschützter Pools zu lösen?

EIP-4337 verlagert die Gaszahlung auf Paymaster oder Bundler, beseitigt aber nicht die Notwendigkeit einer Drittpartei. Bundler bilden erneut einen zentralisierten Markt mit Zensurpotenzial und Gebührenaufschlägen.

Wie verhindert das System, dass ein bösartiger Waggon-Knoten den Sender ausbremst?

Waggon-Beweise werden off-chain publiziert; Lokomotiven wählen valide Beweise frei aus. Da der Nullifier-Zustand atomar im Smart Contract validiert wird, verliert die Lokomotive bei ungültigen Waggons lediglich einen geringen Gasanteil, sofern die Ausführungsreihenfolge optimiert ist.

Warum trat dieses Problem bei Zcash historisch nicht auf?

Zcash nutzt ein UTXO-basiertes Kryptosystem, in dem Transaktionsgebühren direkt als Differenz zwischen geschützten Eingangs- und Ausgangsnotizen abgerechnet werden. Es existiert keine protokolläre Pflicht für ein transparentes Senderkonto (msg.sender).

Fazit

Die vorliegenden empirischen Daten belegen eindeutig, dass marktbasierte Relayer-Ökosysteme auf Ethereum zu einer Oligopolbildung führen und die Privatsphäre der Nutzer:innen gefährden. Das Lokomotive-Waggon-Protokoll adressiert die Kernursache – die Verpflichtung zur Gaszahlung über ein transparentes Konto – indem es die Relayer-Funktionalität in den kryptografischen Beweis integriert. Durch die optimierte Smart-Contract-Reihenfolge wird der Gas-Overhead bei Race Conditions auf ein Minimum reduziert (1,3 % vs. 21 %). Gleichzeitig bleibt das System flexibel genug, um mit bestehenden Risiken wie Latenz-Ratchet-Effekten und Block-Builder-Zensur umzugehen. Während das Modell keine Anonymitäts-Set-Erweiterung verspricht und die Block-Builder-Zensur nicht eliminiert, bietet es einen praktikablen Weg, die zentrale Relayer-Abhängigkeit zu überwinden und die wirtschaftliche Tragfähigkeit von Shielded Pools auf EVM-Chains zu sichern.