Ein Knoten (Knoten) ist ein Punkt im Blockchain-Netzwerk, dessen Hauptfunktion darin besteht, Daten zwischen anderen Knoten zu verteilen. Dies ist notwendig, um Informationen innerhalb der Blockchain zu übertragen und gleichzeitig den Dezentralisierungseffekt aufrechtzuerhalten. Ein Knoten kann eine Zwischenverbindung oder der Endempfänger von Daten sein.

Technische Merkmale von Knoten

Ein Knoten ist ein Computer (Server) mit einer installierten Kryptowährungs-Wallet, der mit anderen ähnlichen Computern synchronisiert wird. Eine Verbindung solcher Knoten bildet eine Blockchain. Der Einsatz eines solchen Netzwerks ermöglicht die schnelle Verteilung großer Datenströme.

Der Betrieb des Knotens wird durch die Leistung des Servers sichergestellt. Hierfür eignet sich jedes Gerät, das Informationen über das Internet übertragen kann. Außerdem ist für den Betrieb des Knotens eine spezielle Software erforderlich.

In den meisten Fällen wird der Knoten zur Ausführung von drei Aufgaben verwendet:

  • Speichern und verteilen Sie Informationen über Transaktionen und die Höhe der Gelder in den Wallets der Netzwerkteilnehmer zwischen Knoten.

  • Überwachen Sie die Umsetzung von Netzwerkregeln (PoS, PoW-Konsensalgorithmus usw.).

  • Unterstützen Sie den Betrieb verteilter Register, die Informationen über Transaktionen für die gesamte Existenz des Netzwerks speichern.

Knoten können ohne Internetverbindung nicht funktionieren. Ein Offline-Speichergerät ist auch nicht in der Lage, die Funktion eines Knotens zu übernehmen. Aber es wird zu einem vollwertigen Knoten, wenn es mit dem Internet verbunden ist.

Warum werden Knoten benötigt?

Um einen stabilen Betrieb der Blockchain zu unterstützen, benötigen Sie ein Netzwerk aus miteinander synchronisierten Servern. Der Hauptwert eines solchen Netzwerks besteht darin, den Effekt der Dezentralisierung sicherzustellen, ohne die Geschwindigkeit der Interaktion von Informationsfeldern zu verlieren.

Wenn man bedenkt, dass sich Computerknoten in verschiedenen Ländern und Städten befinden, führt selbst die Blockierung des Internets in einer bestimmten Region nicht zur Blockierung der Blockchain. Wenn jedoch alle Knoten in den Händen einer Personengruppe konzentriert sind, können diese das Netzwerk vollständig kontrollieren, was dazu führen kann, dass die Wirkung der Dezentralisierung eingeschränkt wird.

Gleichzeitig ist die Dezentralisierung einer der Hauptvorteile von Kryptowährungen. Um dies zu gewährleisten und den Effekt der Datenverteilung zu erzielen, verwendet die Blockchain zahlreiche unbedeutende Knoten. Sie beteiligen sich nicht am Mining, sondern speichern den gesamten Transaktionsverlauf. Dadurch wird verhindert, dass eine begrenzte Gruppe von Personen die Kontrolle über das verteilte Hauptbuch übernimmt.

Nutzer, die ihre Rechenleistung zur Verfügung gestellt haben, um den Betrieb der Blockchain sicherzustellen, erhalten dafür eine Belohnung. Auf diese Weise motiviert das Projekt Menschen, ihre PCs an ein verteiltes Netzwerk anzuschließen.

Arten von Knoten

Blockchain-Knoten unterscheiden sich in Funktion und Zweck. Darunter gibt es mehrere Standardtypen, die in vielen Blockchains vorhanden sind. Darüber hinaus gibt es weitere Knotenmodelle, die in einzelnen Netzwerken mit erweiterter Funktionalität zum Einsatz kommen.

Vollständige Knoten

Dies ist die allererste Version des Knotens, der ursprünglich für die Ausführung von Bitcoin erstellt wurde. Vollständige Knoten bilden die Basis der Blockchain und sind an der Abwicklung von Transaktionen beteiligt.

Ein solcher Knoten enthält alle Informationen über Transaktionen und Blöcke vom Start des Netzwerks bis zum aktuellen Zeitpunkt. Wenn ein Benutzer Münzen überträgt, wird dieser Vorgang von allen Knoten „gesehen“ und in deren Verlauf gespeichert.

Zehntausende vollständige Knoten können gleichzeitig auf einer Blockchain betrieben werden. Sie alle tauschen ständig Informationen miteinander aus. Um einen so großen Datenstrom zu verarbeiten, ist ausreichend Rechenleistung erforderlich.

Installiert ein Nutzer zum ersten Mal einen Full Node auf seinem PC, muss dieser synchronisiert, also die gesamte Blockchain heruntergeladen werden. Bei einigen Blockchains nimmt dies recht viel Speicher in Anspruch. Beispielsweise betrug die Größe der Bitcoin-Blockchain im November 2022 438 GB, und die Synchronisierung kann mehrere Wochen dauern.

Wenn ein Knoten für einige Zeit vom Netzwerk getrennt ist, muss er sich nach der Verbindung neu synchronisieren, d. h. alle Informationen herunterladen, die während der Zeit seiner Abwesenheit generiert wurden.

Vollständige Knoten verfügen über bestimmte Optionen, die sie von anderen Knotentypen im Netzwerk unterscheiden. Eine der wichtigsten Funktionen ist die Überprüfung von Signaturen (Schlüsseln) zur Bestätigung von Transaktionen und Blöcken. Wenn ein Fehler erkannt wird, kann der Knoten den Vorgang ablehnen. Die Gründe können unterschiedlich sein: falsche Formatierung, Algorithmusfehler, Duplikate, Manipulation von Datensätzen usw.

Benutzer, die über einen vollständigen Netzwerkknoten verfügen, können eingehende Übertragungen selbst überprüfen. Auf Wunsch haben sie auch die Möglichkeit, sich am Bergbau zu beteiligen und dafür eine Belohnung zu erhalten.

Leichte Knoten

Light Nodes enthalten keine vollständigen Informationen über die Blockchain. Ein solcher Knoten speichert nur einen Datensatz des Blocks, mit dem er verbunden ist. In den meisten Fällen sind solche Knoten nicht kontinuierlich in Betrieb.

Typischerweise handelt es sich bei einem Lightweight Node um eine Software, die sich mit einem Full Node verbindet und Informationen von diesem an den Computer des Benutzers weiterleitet – zum Beispiel Informationen über den Kontostand, ein- und ausgehende Transaktionen. Tatsächlich verwendet ein Light Node einen Full Node als Brücke, um auf die Blockchain zuzugreifen.

Ein Lightweight-Knoten verfügt über die notwendigen Funktionen, um Kryptowährungen zu nutzen, ohne große Rechenleistung oder Speicher zu benötigen. Daher kann es auch auf einem mobilen Gerät ausgeführt werden. Normalerweise dauert die Synchronisierung einige Sekunden.

Vollständige Knoten beschnitten

Ein solcher Knoten lädt die gesamte Blockchain herunter und synchronisiert sie erst beim ersten Start. Als nächstes lädt es automatisch neue Blöcke und löscht alte, wenn eine bestimmte Speichermenge erreicht ist. Normalerweise kann der Benutzer die Knotengröße in den Einstellungen festlegen, beispielsweise 10 GB.

Bergbauknoten

Der Mining-Knoten ist am Kryptowährungs-Mining-Prozess beteiligt und wird nur in Blockchains verwendet, die auf dem Proof-of-Work-Algorithmus basieren. Es kann voll oder leicht sein.

Um einen solchen Knoten zu betreiben, muss der Benutzer über eine leistungsstarke Computerausrüstung verfügen:

  • Central Processing Unit (CPU);

  • Grafikprozessor (GPU);

  • anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (ASIC).

Sie müssen außerdem spezielle Software installieren.

Daher ist es beim Bitcoin-Mining notwendig, komplexe mathematische Probleme zu lösen. Als Ergebnis solcher Berechnungen findet der Miner einen eindeutigen Codewert – einen Hash, der als Beweis für die geleistete Arbeit dient.

Als nächstes sendet der Miner den gefundenen Hash an andere Knoten, die ihn auf Übereinstimmung mit der Aufgabe überprüfen müssen. Bei erfolgreicher Verifizierung kann der Miner einen neuen Block hinzufügen und erhält dafür eine Belohnung.

Absteckknoten

Dies ist ein Analogon zu Mining-Knoten, die in Blockchains mit dem Proof of Stake-Algorithmus verwendet werden. Ein solcher Knoten wird auch benötigt, um Transaktionen zu validieren und neue Blöcke hinzuzufügen, und er kann auch vollständig oder leichtgewichtig sein.

In diesem Fall wird die Belohnung nicht für mathematische Berechnungen vergeben, sondern für die Speicherung einer bestimmten Menge an Münzen auf dem Konto. Dementsprechend müssen Sie zum Starten eines Absteckknotens keine teure Ausrüstung kaufen. Sie müssen lediglich die Software richtig konfigurieren und Ihr Konto aufladen.

Masterknoten

Ein Masternode ist ein Analogon eines Full Nodes: Er speichert ebenfalls alle Informationen aus der Blockchain und wird mit dieser synchronisiert, verfügt aber auch über zusätzliche Funktionen. Sie werden benötigt, um die Anonymität zu gewährleisten, indem Transaktionen aufgeteilt und zwischen Wallets gesendet werden.

Der Besitzer eines Full Nodes kann einen Masternode erhalten, wenn er die notwendigen Bedingungen der Blockchain erfüllt. Normalerweise besteht die Hauptanforderung darin, eine bestimmte Anzahl an Münzen auf Ihrem Konto aufzufüllen und zu halten. Es ist auch notwendig, spezielle Servereinstellungen vorzunehmen (diese sind für verschiedene Kryptowährungen unterschiedlich).

Wenn ein Benutzer eine anonyme Transaktion durchführt, werden seine Münzen in den Masternodes „gemischt“. Dieser Prozess kann eine unterschiedliche Anzahl von Knoten umfassen, die über die Welt verstreut sind und zufällig ausgewählt werden. Auch die Anzahl der Mischrunden variiert – diese kann manuell oder automatisch eingestellt werden. Dadurch wird es unmöglich, die Verbindung zwischen Absender und Empfänger nachzuvollziehen.

Masternodes können mit dem Proof of Stake-Algorithmus oder einem hybriden PoW/PoS-Konsens arbeiten. Um Benutzer zu ermutigen, Masternodes zu erstellen und zu verwalten, gewährt ihnen das System einen Teil der Miner-Provision. Auch die Höhe der Belohnung variiert zwischen verschiedenen Blockchains.

Der Masterknotentyp, der auf der NEM-Blockchain (XEM) läuft, wird als Superknoten bezeichnet.

Blitzknoten

Lightning Network (LN) ist ein Second-Layer-Add-on für die Bitcoin-Blockchain, bei der es sich um ein Netzwerk von Benutzerzahlungskanälen handelt. Dieses System verwendet spezielle ultraschnelle Knoten, die sich untereinander und mit der Hauptblockchain synchronisieren.

Lightning-Nodes verifizieren nur Transaktionen, die direkt mit ihnen verbunden sind (im Gegensatz zu Standard-Nodes, die alle Transaktionen auf der Blockchain verifizieren). Dank dieser Funktion wird eine maximale Geschwindigkeit der Transaktionsverarbeitung erreicht.

Validatoren und Orakel

Dies sind zusätzliche Funktionen, die ein Knoten in einem dezentralen Netzwerk haben kann:

  • Ein Validatorknoten ist ein Gerät, das Transaktionen überprüft und genehmigt. Abhängig von den Eigenschaften der Blockchain können solche Knoten mit unterschiedlichen Algorithmen arbeiten.

  • Ein Orakel ist ein Knoten, der Informationen von externen Systemen an die Blockchain übermittelt. Ein Beispiel für solche Daten könnten die aktuellen Währungskosten für einen Tauschdienst sein, der auf einer Blockchain läuft.

Um Informationen in eine für einen Smart Contract verständliche Form umzuwandeln, wird ein Oracle-Skript benötigt. Der Validator validiert dann die Daten vom Orakel zusammen mit allen anderen Informationen auf der Blockchain.

In diesem Fall wird das Signal eines Orakels von einer großen Anzahl von Validatoren überprüft, was die Gesamtsicherheit des Netzwerks erhöht.

Forks und Änderungen in Knotenfunktionen

Jedes Kryptowährungsprojekt kann regelmäßig aktualisiert werden. Damit Updates netzwerkweit wirksam werden, müssen sie von allen Knoten akzeptiert werden. Manchmal kann es in der Entwickler- und Validator-Community zu Meinungsverschiedenheiten hinsichtlich der Implementierung bestimmter Updates kommen, wenn ein Teil der Knoten sie akzeptiert, während andere sie möglicherweise ablehnen. Der Prozess der Einführung von Änderungen wird als Fork bezeichnet.

Es gibt zwei Arten von Gabeln:

  • Ein Soft Fork ist eine sanfte Änderung und Verbesserung, die den Grundeinstellungen der Blockchain nicht widerspricht. Um sie zu akzeptieren, muss der Knotenbesitzer die Software aktualisieren. Wenn nur ein Teil der Knoten dieses Update akzeptiert, läuft das System dennoch stabil weiter.

  • Ein Hard Fork bringt erhebliche Änderungen an der Blockchain mit sich. Infolge eines solchen Ereignisses können sich die Typen der Netzwerkknoten vollständig ändern. Beispielsweise wurde im September 2022 die Kryptowährung Ethereum vom POS-Algorithmus auf POW umgestellt. Infolgedessen verschwanden Mining-Knoten und es entstanden Absteckknoten mit Validierungsfunktionen.

Wenn in der Community Uneinigkeit darüber herrscht, ob ein Hard Fork akzeptiert werden soll, spaltet sich das Netzwerk in zwei inkompatible Blockchains. Einer von ihnen behält die Grundeinstellungen bei und der zweite wechselt zu neuen.