Grundlagen dezentraler Finanzprotokolle: DEXes, AMMs und invariante Preiskurven
DeFi: Wie heiß ist heiß?!
DeFi (Decentralized Finance) ist ein so heißes Thema in der Kryptoszene, dass die Community den Pandemiesommer 2020 nachträglich zum “Summer of DeFi” ernannte. DeFi verspricht nicht weniger als die Neudefinition der Zukunft des Finanzwesens. Dies spiegelt sich sowohl im stetigen Strom von Tweets und Artikeln, dem permanenten Zuwachs neuer Teilnehmer am Ethereum Ökosystem, den fortlaufenden politischen Diskursen über digitales Zentralbankgeld (CBDC), aber vor allem im Total-Value-Locked der DeFi Protokolle wider, darunter MakerDAO, Compound, Uniswap und Aave. Dieser hat sich laut DeFi Pulse seit Mai 2020 binnen Jahresfrist auf über 88 Milliarden Dollar fast verhundertfacht.
Wir beschäftigen uns bei Turbine Kreuzberg seit etwa zwei Jahren neben den technologischen Aspekten von Distributed Ledgers auch mit dezentralen Finanzprotokollen. Das ist die Welt, in die wir Euch hiermit mitnehmen möchten. Dabei beantworten wir all die FAQs, die in den vergangenen Jahren bei uns aufgeschlagen sind, und zeigen, über welche Verständnishürden wir in Gesprächen mit Partner:innen, CTOs und Unternehmen, aber auch einfach nur beim Austausch mit Freund:innen gesprungen sind.
DeFI @ Turbine Kreuzberg Technology Innovation
Unsere Technology Innovation Unit verfolgt das Ziel, die Chancen dezentraler Technologien und des Web3 zu identifizieren, in konkreten Projekten zu erforschen und für die Gesellschaft zugänglich und nutzbar zu machen.
Eine zentrale Erkenntnis des vergangenen Jahres war, dass sich DeFi Applikationen und die zugrundeliegende Infrastruktur weitestgehend noch im Anfangsstadium befinden. Ihr extremes Wachstum beruht vor allem auf dem Wohlwollen der dahinterstehenden Communities und Cypherpunks sowie einer Handvoll spezialisierter Glücksritter mit viel Crypto-Kapital. Viele unserer Partner:innen haben zwar wahrgenommen, dass sich hier neue Chancen auftun, können jedoch das Ausmaß und die Möglichkeiten für sich selbst nicht einschätzen.
Eine Innovationsbarriere steckt sicherlich im mangelnden Verständnis der Grundlagen. Theoretische Erläuterungen und Frontalunterricht helfen meist nicht allein weiter, um das technologische Fundament von DeFi zu verstehen; ausprobieren lautet die Devise! Man muss nicht tausende von Euros in Eth wechseln, um mit den Protokollen zu experimentieren. Viele existieren auch auf Testnetzen. Mit Analyse-Tools und interaktiven Apps lassen sich Applikationen testen, ohne echtes Geld zu investieren.
Decentralized Finance in a Nutshell
Getrieben von der Mission, das Finanzwesen zu demokratisieren und allen zugänglich zu machen, sind viele neue innovative Projekte, DeFi-Applikationen, Token-Modelle und Governance-Strukturen entstanden. Der Ausblick: mehr Wertschöpfung, mehr Rendite, mehr Möglichkeiten.
DeFi Applikationen sind Finanzanwendungen, die ohne zentrale Institutionen auskommen. Intermediäre werden von Smart Contracts abgelöst. (Eine detaillierte Einführung in das Thema findet Ihr hier: DeFi Beyond the Hype.) DeFi-Apps sind vor allem so erfolgreich, weil sie anders als in unserem aktuellen Finanzsystem kompromisslos miteinander interoperabel sind. Das gibt Entwickler:innen eine viel größere kreative Freiheit bei der Entwicklung neuer Produkte auf der Grundlage von bereits bestehenden. Sie müssen keine Zeit damit verschwenden, das Rad neu zu erfinden, sondern können auf bereits existierenden Protokollen aufbauen und sie als Building Blocks miteinander kombinieren.
Zu den wichtigsten Kategorien von DeFi-Apps gehören dezentrale Exchanges wie Uniswap, Lending-Plattformen wie Compound, Stablecoins wie DAI, synthetische Vermögenswerte wie Synthetix oder Versicherungen wie Nexus Mutual. Alle Apps haben eine Reihe von Gemeinsamkeiten:
- Sie verwenden ihre zugrunde liegenden Blockchains als “Core-Ledger” und basieren auf deren Implementierung von Accounts, Smart Contracts, Tokens und Konsens.
- Ihr Quelltext ist im Klartext einsehbar und die meisten werden mit Open Source-Methoden durch offene Communities entwickelt.
- Sie werden in der Regel nicht von Firmen oder Einzelpersonen kontrolliert, sondern können nur nach Abstimmung mit der Community verändert und geupdated werden (“Governance”).
- Da alle Transaktionen auf der Blockchain stattfinden, sind die Protokolle für alle Nutzer 100% transparent.
- Sie sind interoperabel und programmierbar und somit miteinander kombinierbar.
- Sie stehen jedem Nutzer, der einen Account auf der Blockchain kontrolliert, offen und frei zur Verfügung — es gibt kein Onboarding mit Personalausweisprüfung am Bankschalter.
Automated Market Makers: die Wechselstuben der Blockchain
Eine ganz zentrale Funktionalität, auf die alle DeFi-Nutzer angewiesen sind, ist die Konvertibilität von Tokens: Alle DeFi-Protokolle beruhen darauf, dass man einen oder mehrere Tokens besitzt, sie in einen Smart Contract steckt und dafür andere Tokens bekommt. Unabhängig der eigentlichen Logik bedeutet das, dass man Tokens auf der Blockchain in andere Tokens tauschen können muss. Zentralisierte Wechselstuben wie Binance oder Coinbase ermöglichen das, indem sie selbst einen Pool von Tokens vorhalten (sogenannte Liquidität) und Nutzer ihre Tokens auf den Marktplätzen dieser Anbieter mit klassischen Buy/Ask-Orderbooks tauschen können.
Das Vorhalten von Liquidität macht die Plattformen zu sogenannten “Market Makern”: Nur durch ihren zugrunde liegenden Einsatz ist der Währungsmarkt überhaupt möglich.
Für DeFi-Applikationen, die als Smart Contracts auf der Blockchain existieren, sind solche Märkte aber nicht zugänglich, denn Smart Contracts können nicht mit APIs zentraler Anbieter interagieren. Damit Smart Contracts und Nutzer Tokens direkt auf der Blockchain tauschen können, bedarf es selbst auf Smart Contracts basierender, dezentralisierter Wechselstuben: sogenannte DEXes (Decentralized Exchanges). Eines haben sie mit ihren zentralisierten Vorbildern gemein: Sie benötigen Liquidität in den zu handelnden Währungen. Diese Liquidität wird in DEXes nicht von zentralen Akteuren bereitgestellt, sondern von beliebigen anderen Blockchain-Accounts. DEXes nennt man daher auch “Automated Market Makers”.
Das Funktionsprinzip von DEXes wird komplizierter, wenn man versucht zu verstehen, wie sie unter der Haube funktionieren — und nur wer dieses Verständnis entwickelt, kann ihnen zu 100% vertrauen.
Versetzt Euch gedanklich einmal zurück an die Schule, die Universität oder in irgendein Seminar. Erinnert Euch an diejenigen Male, in denen jemand versucht hat, euch neues Wissen zu vermitteln, ihr ggf. das grundlegende Konzept in der Theorie verstanden habt, es jedoch nicht anwenden konntet. Warum? Weil Ihr vielleicht die Theorie nach zwanzigfachem Lesen auswendig gelernt hattet, aber nie wirklich sehen konntet, was in der Praxis passiert, ohne es selbst auszuprobieren. Ein ähnliches Phänomen haben wir im Feld der dezentralen Technologien beobachtet, insbesondere bei der Durchdringung von Automated Market Makers. Wir fragten uns, wie wir es uns und Euch leichter machen können, die Thematik selbst zu durchdringen und es anderen zu erklären.
Unsere Lösung: Der AMM Playground. Unsere Frontend-Entwickler:innen, Web3-Developer und UXler:innen haben ein visuelles Tool entwickelt, dass völlig ohne Blockchain-Transaktionen auskommt und simuliert, was passiert, wenn User, Liquiditätspools und DEXes miteinander interagieren. Der Playground ist ein webbasiertes Tool, mit dem Ihr nicht nur selbst ein besseres Verständnis für AMMs aufbauen, sondern es auch einfacher anderen erklären könnt.
Automated Market Makers: Die Theorie
Bevor wir in die Anwendung eintauchen, starten wir mit der Theorie. Automated Market Makers (AMM) sind Smart Contracts. Sie bieten die Liquidität, die einige Nutzer:innen bereitstellen, anderen Nutzer:innen zum Tausch ihrer Tokens. Die bekanntesten Beispiele sind Uniswap, Sushi Swap, Curve.finance, Balancer oder Bancor. Sie ersetzen traditionelle Limit-Orderbücher, die bestimmen, zu welchen Konditionen und Preisen Tauschtransaktionen durchgeführt werden, durch einen Algorithmus, der auf der Blockchain läuft und damit völlig unbestechlich, unkompromittierbar und für alle lesbar und nachvollziehbar ist.
Um einem AMM Liquidität zuzuführen, investiert (lockt) ein:e Akteur:in eine beliebige Menge zweier Tokens (z.B. Eth und USDC) in den Smart Contract. Geschieht das für dieses Pärchen zum ersten Mal, wird damit ein neuer Liquiditätspool eröffnet. Ansonsten wird der Einsatz einem bestehenden Pool hinzugefügt. Idealerweise geschieht das zu dem Marktpreis, in dem die beiden Tokens in der für die:den Akteur:in sichtbaren Welt zueinander verrechnet werden, z.B. 10 Eth und 28.000 USDC. Die Tokens “gehören” anschließend dem Smart Contract, aber die Liquiditätsprovider bekommen im Gegenzug eine Menge von neu aufgelegten Pool-Tokens, die ihren Anteil am Gesamtvolumen des Pools repräsentieren — man spricht auch von ihrer Position.
Liquiditätsprovider können ihre Position jederzeit wieder in die ursprünglichen Tokens tauschen, oder besser gesagt: den im Pool vorgehaltenen Gegenwert ihrer ursprünglichen Tokens. Denn der Preis, also das Verhältnis beider Tokens zueinander, verändert sich im Pool je nach Angebot (Liquidität) und Nachfrage (Tauschaufträge) ständig.
Dezentrale Exchanges nutzen solche Liquiditätspools, damit andere Nutzer:innen einen Token in einen anderen wechseln (swappen) können. Wenn ich 1 Eth zum im Pool herrschenden Preis gegen USDC swappen möchte, sende ich 1 Eth an den Pool-Contract. Der bestimmt den gerade gültigen Preis anhand der gerade im Pool befindlichen Menge von Eth und USDC und zahlt mir zum aktuellen Preis USDC aus. Da sich nun 1 Eth mehr und der entsprechende Gegenwert in USDC weniger im Pool befindet, muss sich durch diese Transaktion der Preis für Eth gegen USDC im Pool leicht verändern — USDC wird durch die Ausführung dieser Transaktion ja innerhalb des Pools “knapper” und Ether “verfügbarer”.
Invariant Curve AMMs
In einem zentralen Orderbook-Verfahren entsteht der Marktpreis durch den Vergleich aller aktuell auftreffenden Gebote und Angebote — Automated Market Makers nutzen dafür Mathematik: Das Wertverhältnis, das zwischen beiden Tokens in einem Pool herrschen muss, legen sie durch eine Funktion fest. Die einfachste und recht gut funktionierende ist: x * y = k. Der Smart Contract legt fest, dass das Produkt aus der Menge der beiden im Pool vorhandenen Tokens x und y konstant (k) bleiben muss. Will man wissen, wie viele y-Tokens man für die Einlage von x-Tokens bekommt, löst man einfach diese Formel auf: y = k / x. Die Konstante k bleibt bei Swaps unverändert, passt sich aber immer an, wenn Liquiditätsprovider neue Positionen eröffnen oder Geld herausnehmen — sie verändern damit ja gleichzeitig die Werte von x und y.
Die hyperbolische Natur von x * y = k sorgt dafür, dass einem Liquidätspool niemals das Geld ausgeht und sich der Preis für die Tokens automatisch an ihre Verfügbarkeit anpasst. Wenn man einen Swap von 10 Eth gegen einen Pool durchführt, der selbst über 10 Eth und 28.000 USDC Liquidität verfügt, gibt einem der Pool nicht 28.000 USDC heraus, sondern nur etwa die Hälfte, um selbst weiter liquide zu bleiben. K ist auf (28.000 * 10) 280.000 fixiert und bei der Einlage von 10 Eth (x) muss sich die Menge von USDC (y) entsprechend reduzieren: y = 280.000/(10 + 10) = 14.000. Der Pool zahlt daher nur die Differenz in USDC aus (14.000 USDC).
Der AMM Playground erlaubt es Euch, die Bewegungen der Liquidität in dem Pool und die dabei entstehenden Preisschwankungen in einem einfachen Interface nachzuvollziehen und visualisiert sogar die Änderungen der Preiskurve beim Zu- oder Abfluss von Liquidität.
AMM Playground: Visualisierung klassischer AMM-Probleme
Obwohl das Funktionsprinzip von DEXes relativ leicht zu verstehen ist, gibt es eine ganze Reihe von Effekten, die bei der Interaktion mit ihnen auftreten. Der AMM Playground macht es Euch möglich, viele davon Schritt für Schritt nachzuvollziehen.
Marktpreis-Divergenz und Arbitrage
Wenn sich der Preis im AMM vom Marktpreis entfernt, werden Arbitrageure durch Swaps mit externem Geld dafür sorgen, dass er sich wieder anpasst. Man muss als Liquidätsprovider aufpassen, immer genau zum echten Marktpreis Liquidität bereitzustellen, weil sonst ein Arbitrageur die Position ausnutzt und den Überschuss billig aufkauft. Man bekommt bei der Auflösung der Pooltokens dann weniger Wert heraus als man reingesteckt hat.
Impermanent / Divergence Loss
Wenn sich der Marktpreis der Tokens verändert, ein Token z.B. gegen USD aufwertet, sich im Pool aber sein Anteil verringert, hätte man durchs bloße Halten dieses Tokens mehr Geld verdient, als durch das Providing. Wenn der Marktpreis aber wieder zum ursprünglichen Wert zurückkehrt, ist dieser Verlust nicht mehr sichtbar. Ein Video zu diesem Phänomen finder ihr hier. Um dem Divergence Loss der Liquiditätsprovidern entgegenzuwirken, erlauben es die meisten Protokolle, Gebühren (Fee) pro Swap zu erheben, die direkt in das Kapital des Pools zurückfließen. Bei der Umwandlung der Positionstokens werden diese Gebühren anteilig an die Liquiditätsprovider ausgezahlt. Je länger und je mehr anteiliges Kapital man in einem Pool positioniert, desto wahrscheinlicher wird es, dass die kumulierten anteiligen Swap-Fees den Divergence Loss bei der Auflösung ausgleichen.
Slippage
In dem kurzen Zeitraum, in dem man im Frontend gerade seinen Swap vorbereitet und einen Quote vom AMM vorgeschlagen bekommt und die Transaktion ans Netzwerk sendet, kann sich der Preis innerhalb des Pools durch andere Swaps bereits verändert haben. Mit Hilfe sogenannter Sandwich-Attacken nutzen einige professionelle Teilnehmer:innen dieses Problem aktiv aus. Sie suchen nach Swap-Transaktionen in den Mempools der Blockchain-Netze und verändern das Tokenverhältnis im Pool so, dass es vor dem eigentlichen Swap für die:den ausführende:n Nutzer:in ohne sein Wissen ungünstiger wird. Innerhalb desselben Blocks wird das Tokenverhältnis zu Ungunsten des Swaps verändert, der Swap ausgeführt und wegen des zu hohen Preises einbehaltene Marge an den Angreifer ausgezahlt. Die:Der Nutzer:in selbst bekommt davon lediglich mit, dass er weniger Tokens beim Swap ausgezahlt bekommt als erwartet. Um dem zuvorzukommen, erlauben es die Smart Contracts aller AMMs, in der Transaktion eine sogenannte Slippage Tolerance festzulegen: sollte der Preis sich inzwischen außerhalb dieser Toleranzgrenze bewegen, wird der Swap einfach abgebrochen.
Price Impact
Aufgrund der hyperbolischen Natur der grundlegenden Liquiditypools, ist es wichtig zu beachten, dass jeder Handel den Preis der beiden Tokens, zwischen denen getauscht wird, verändert. Diese Bewegung kann bei Vermögenswerten mit hoher Liquidität oder bei Geschäften mit geringem Volumen unbedeutend sein. Traded man jedoch in einem Liquidity Pool mit einer geringen Liquidität, kann der Preis sehr stark fluktuieren. Nimmt man bspw. ETH aus einem Liquidity Pool, ohne dass neues ETH hinzugefügt wird, steigt der Preis von Trade zu Trade bzw. entlang der hyperbolischen Kurve. Hierbei handelt es sich um eine weitere Art des Slippage.
Fortgeschrittene Automated Market Maker
In Uniswap V2 (klassischer AMM wie oben beschrieben) wird die Liquidität gleichmäßig entlang einer x*y=k-Preiskurve verteilt, wobei die Vermögenswerte die gesamte Preisspanne von 0 bis unendlich abbilden. Liquiditätsprovider sind mit ihrem eingesetzten Kapital der kompletten Bandbreite von Preisschwankungen (Volatilität) ausgeliefert.
Die im Frühjahr gelaunchte Version Uniswap V3 verfolgt daher ein ganz anderes Prinzip zur Darstellung von LP-Positionen, um das Schwankungsrisiko für Liquiditätsprovider in den Griff zu bekommen. Sie können ihr Kapital in selbst definierten Preisspannen konzentrieren und so größere Mengen an Liquidität zum gewünschten bzw. von ihnen prognostizierten Preis bereitstellen. Durch die Konzentration der Liquidität (Concentrated Liquidity) unterschiedlicher LPs, kann das Risiko durch einen geringeren Invest minimiert werden. Spannendes Detail: Anders als in Uniswap V2, der Pool-Positionen als ERC20-kompatible Tokens an die Provider herausgab, nutzt V3 dafür NFTs, die auf entsprechenden Marktplätzen getraded werden können. Eine ausführliche Erläuterung dazu findet Ihr hier.
Curve.fi adressiert ein anders gelagertes Problem und ist im wesentlichen eine DEX-Plattform für Swaps von Stablecoins wie USDC zu USDT bzw. für zwei Asset-Klassen gleichen Wertes. Ähnlich wie Uniswap verwendet Curve.fi hierzu Liquidity Pools, welche den Providern Renditen durch Poolgebühren erwirtschaften. Der Unterschied zu Uniswap sind die niedrigeren Transaktionsgebühren und die geringere Slippage. Dies wird eine von Curve.fi genutzte Formel ermöglicht, die speziell für Swaps entwickelt wurde, die in einem ungefähr ähnlichen Bereich stattfinden.
Warum beschäftigen wir uns überhaupt mit DeFi?
2020 hat gezeigt: DeFi ist gekommen, um zu bleiben. Zahlreiche Spinoffs und Projekte bereichern die Technologie mit neuen Ideen und reizen ihr Potenzial weiter aus. Bereits jetzt gibt es die ersten Ertragskonten wie Compound Treasury und Coinbase, die auf dem Stablecoin USDC notieren und eine Rendite von mindestens 4 % garantieren — weit höher als herkömmliche Produkte wie das Tagesgeldkonto bei ähnlich gelagertem Risiko.
Ähnliches Potenzial bietet sich auch für traditionelle Geldinstitute, die sich Gedanken darüber machen müssen, wir sie ihr Geschäftsmodell für die Zukunft fit machen. Zur besonderen Herausforderung werden hier die zunehmend wachsenden Anforderungen der Kundschaft, die Unternehmen und Banken immer weniger selbst erfüllen können. Unternehmen und Kund:innen brauchen technologische Partner:innen, der sowohl ein breites technisches Know-how als auch eine schnelle Anpassungsfähigkeit an neue Technologien bieten können, um sich auf die Zukunft vorzubereiten.
Weitere Möglichkeiten eröffnen sich für KMUs, welche über DeFi neue Investmentmöglichkeiten erschließen können und Zugang zu neuen Möglichkeiten der Kapitalisierung und der Erhöhung ihrer Liquidität erhalten. Diese Aspekte beleuchtet Rebecca Liao in ihrem Artikel für das World Economic Forum genauer.
Fazit
Um das Vertrauen und die Akzeptanz in der Breite zu erreichen, müssen DeFi-Apps in nächster Zeit für den Durchschnitts-User zugänglicher gemacht werden und ihre Protokoll- und Produkttransparenz erhöhen, sodass Chancen und Risiken nicht nur für Entwickler:innen und Finanzmathematiker:innen verständlich und bewertbar sind.
Auch politische Entscheidungsträger:innen und Aufsichtsbehörden müssen eine noch aktivere, leitende Rolle einnehmen. Länder wie die Schweiz und Liechtenstein geben bereits klare rechtliche Rahmen für Crypto-Investments vor, doch mangelt es ihnen noch an Regulierung und Transparenz für solche Innovationen. Erst die regulatorische Klarheit ermöglicht die breite Akzeptanz von neuen Vermögenswerten und schafft Vertrauen in das Ökosystem.
Mit dem Ausblick, eine globale, offene Alternative zu allen heute bekannten Finanzdienstleistungen zu ermöglichen, bietet DeFi ein bei weitem nicht ausgeschöpftes Potenzial an Innovationen und Möglichkeiten. Um die anrollende Welle mitreiten zu können, sollte sich jeder möglichst frühzeitig mit der Thematik auseinandersetzen.
Unser Automated Market Maker Playground bietet Euch eine niedrige Eintrittsbarriere, um ein tieferes Verständnis für die absolute Grundlage von DeFi aufzubauen: den Dezentralen Exchanges. Wir wünschen viel Spaß beim Ausprobieren — und freuen uns natürlich wie immer über Eure Ideen und Verbesserungsvorschläge!
Technology Innovation @ Turbine Kreuzberg
Die Tech Innovation Unit von Turbine Kreuzberg identifiziert neu aufkommende Technologien im frühen Stadium und evaluiert sie auf ihren Nutzen und Anwendungsmöglichkeiten. Gemeinsam mit Auftraggeber:innen und Partner:innen entwickeln wir Innovationsprojekte, um vollkommen neuen technologischen Herausforderungen zu begegnen.
Wie wir zusammenarbeiten können? Das gibt’s hier.
