Einführung
Ein Konsensalgorithmus ist ein Mechanismus, der es Benutzern oder Maschinen ermöglicht, sich in einer verteilten Umgebung zu koordinieren. Es stellt sicher, dass sich alle Agenten im System auf eine einzige Quelle der Wahrheit einigen, auch wenn einige Agenten ausfallen. Das heißt, das System muss fehlertolerant sein (siehe auch: Erklärung der byzantinischen Fehlertoleranz).
In einem zentralisierten System betreibt und kontrolliert eine einzelne Einheit das Netzwerk. In den meisten Fällen kann das Unternehmen nach eigenem Ermessen Änderungen vornehmen – es gibt kein komplexes Governance-System, bei dem mehrere Direktoren einen Konsens erzielen könnten.
In einem dezentralen System ist das eine ganz andere Geschichte. Nehmen wir an, wir arbeiten mit einer verteilten Datenbank – wie einigen wir uns darauf, welche Daten hinzugefügt werden sollen?
Die Bewältigung dieser Herausforderung in einem Umfeld, in dem die Teilnehmer einander nicht vertrauen, war vielleicht die wichtigste Entwicklung, die den Weg für Blockchains ebnete. In diesem Artikel werden wir sehen, warum Konsensalgorithmen für das Funktionieren von Kryptowährungen und verteilten Hauptbüchern unerlässlich sind.
Konsensalgorithmen und Kryptowährungen
Bei Kryptowährungen werden Benutzerguthaben in einer Datenbank – der Blockchain – erfasst. Es ist wichtig, dass jeder (genauer gesagt jeder Knoten) eine identische Kopie der Datenbank verwaltet. Andernfalls können widersprüchliche Informationen entstehen, die das gesamte Netzwerk schädigen.
Die Kryptografie mit öffentlichen Schlüsseln stellt sicher, dass Benutzer nicht die Währungen anderer ausgeben können. Allerdings muss es weiterhin eine einzige Quelle der Wahrheit geben, auf die sich die Netzwerkteilnehmer verlassen können, um festzustellen, ob bereits Gelder ausgegeben wurden.
Satoshi Nakamoto, der Erfinder von Bitcoin, schlug das Proof-of-Work-System zur Koordinierung der Teilnehmer vor. Wir werden in Kürze sehen, wie PoW funktioniert – zunächst wollen wir einige gemeinsame Merkmale vieler bestehender Konsensalgorithmen identifizieren.
Zuerst bitten wir Benutzer, die Blöcke hinzufügen möchten (wir nennen sie Validatoren), einen Einsatz bereitzustellen. Staking ist ein Wert, den ein Validator versprechen muss, um ihn von böswilligem Handeln abzuhalten. Wenn sie betrügen, verlieren sie ihren Einsatz. Zum Beispiel Rechenleistung, Kryptowährungen oder deren Reputation.
Warum sollten sie ihre eigenen Ressourcen riskieren? Ganz einfach, weil es um eine Belohnung geht. Dabei handelt es sich im Allgemeinen um eine native Kryptowährung des Protokolls, die auf von Benutzern gezahlten Gebühren, auf neu erstellten Kryptowährungen oder auf beidem basiert.
Das Letzte, was wir brauchen, ist Transparenz. Wir müssen erkennen können, wann jemand betrügt. Im Idealfall sollte es für sie teuer sein, Blöcke zu produzieren, aber für jedermann günstig, sie zu validieren. Dadurch wird sichergestellt, dass Validatoren auch von normalen Benutzern kontrolliert werden.
Arten von Konsensalgorithmen
Arbeitsnachweis (PoW)
Proof of Work (PoW) ist der Pate der Blockchain-Konsensalgorithmen. Die Umsetzung erfolgte erstmals mit Bitcoin, obwohl es das Konzept schon lange gibt. Beim Proof of Work hashen Validatoren (sogenannte Miner) die Daten, die sie hinzufügen möchten, bis sie eine spezifische Lösung erstellen.
Ein Hash ist eine zufällige Folge von Buchstaben und Zahlen, die beim Ausführen einer Hash-Funktion erstellt wird. Wenn die Eingabedaten jedoch gleich sind, sind die Ausgabeergebnisse gleich. Allerdings erzeugt die kleinste Änderung einen völlig anderen Hash.
Die Daten am Ausgang erlauben es uns nicht, die Daten am Eingang zu bestimmen. Dies ist daher eine sehr effektive Funktion, um nachzuweisen, dass Ihnen Daten über einen bestimmten Zeitraum bekannt sind. Sie können jemandem seinen Hash geben und wenn Sie die Daten preisgeben, kann diese Person sie durch die Funktion laufen lassen, um sicherzustellen, dass die Ausgabe dieselbe ist.
Beim Proof of Work definiert das Protokoll die Bedingungen, die einen Block gültig machen. Dies könnte beispielsweise bedeuten, dass nur ein Block gültig ist, dessen Hash mit 00 beginnt. Die einzige Möglichkeit für einen Miner, einen gültigen Block zu erstellen, ist rohe Gewalt. Um ein anderes Ergebnis zu erzielen, bis das richtige gefunden ist, können Miner einen Parameter in ihren Daten ändern.
Bei den größten Blockchains ist das Niveau sehr, sehr hoch. Um mit anderen Minern konkurrieren zu können, benötigen Sie ein Lager voller ASICs, Hardware, die speziell dafür entwickelt wurde, Ihre Chancen auf die Produktion eines gültigen Blocks zu erhöhen.
Ihr Anteil am Bergbau entspricht den Kosten dieser Maschinen und dem für ihren Betrieb erforderlichen Strom. ASICs sind ausschließlich für den Zweck des Minings konzipiert und haben daher keinen Verwendungszweck außerhalb des Kryptowährungs-Minings. Die einzige Möglichkeit, Ihre anfängliche Investition wieder hereinzuholen, besteht darin, Mining durchzuführen und Belohnungen zu verdienen, indem Sie erfolgreich einen neuen Block zur Blockchain hinzufügen.
Für das Netzwerk ist es sehr einfach zu überprüfen, ob Sie den richtigen Block erstellt haben. Mit einer einzigen Ausführung der Funktion können Sie die Ergebnisse Ihrer zahlreichen Tests überprüfen. Wenn Ihre Daten einen gültigen Hash ergeben, wird dieser akzeptiert und Sie erhalten eine Belohnung. Andernfalls wird es vom Netzwerk ungültig gemacht und Sie haben umsonst Zeit und Strom verschwendet.
Nachweis des Einsatzes (PoS)
Proof of Stake (PoS) wurde in den frühen Tagen von Bitcoin als Alternative zu Proof of Work vorgeschlagen. Beim PoS gibt es die Konzepte von Minern, spezialisierter Hardware und massivem Energieverbrauch nicht. Alles, was Sie brauchen, ist ein Computer.
Und noch eine Kleinigkeit... Man muss eine Münze in den Automaten werfen. Beim PoS nutzen Sie statt einer externen Ressource (Maschinen und Strom) eine interne Ressource (eine Kryptowährung). Die Regeln unterscheiden sich zwischen den Protokollen, aber Sie müssen im Allgemeinen über einen Mindestbetrag verfügen, um am Staking teilnehmen zu können.
Anschließend müssen Sie Ihr Geld in einer Wallet sperren (es kann beim Einsatz nicht verschoben werden). Im Allgemeinen einigen Sie sich mit den anderen Validatoren darauf, welche Transaktionen in den nächsten Block weitergeleitet werden. In gewisser Weise wetten Sie darauf, welcher Block ausgewählt wird, und das Protokoll entscheidet über den Rest.
Wenn Ihr Block ausgewählt wird, erhalten Sie einen Teil der Transaktionsgebühren, proportional zu Ihrem Einsatz. Je mehr Geld Sie sperren, desto größer sind Ihre Gewinnchancen. Wenn Sie jedoch versuchen zu betrügen, indem Sie ungültige Trades anbieten, verlieren Sie einen Teil (oder den gesamten) Ihres Einsatzes. Daher haben wir einen ähnlichen Mechanismus wie PoW – ehrliches Handeln ist profitabler als unehrliches Handeln.
Im Allgemeinen sind neu erstellte Währungen nicht Teil der Validator-Belohnungen. Die native Blockchain-Währung muss daher auf andere Weise ausgegeben werden. Dies kann durch eine Erstverteilung (z. B. ein ICO oder ein IEO) oder durch die Verwendung von PoW zu Beginn des Protokolls vor seinem Übergang zu PoS erfolgen.
Bisher wird ein reiner Proof of Stake nur von kleinen Kryptowährungen verwendet. Daher ist unklar, ob es als sinnvolle Alternative zu PoW dienen kann. Obwohl dies theoretisch gültig erscheint, wird es in der Praxis ganz anders aussehen.
Sobald PoS in einem Netzwerk mit einer großen Menge an Informationen bereitgestellt wird, wird das System zum perfekten Nährboden für finanzielle Anreize und Spieltheorie. Wer das Know-how hat, ein PoS-System zu „hacken“, wird dies nur tun, wenn es möglich ist, es auszunutzen – weshalb der einzige Weg, herauszufinden, ob es möglich ist, darin besteht, es direkt im Netzwerk zu versuchen.
Wir werden in Kürze groß angelegte Tests von PoS sehen – Casper wird als Teil einer Reihe von Upgrades des Ethereum-Netzwerks (auch bekannt als Ethereum 2.0) implementiert.
Arten von Konsensalgorithmen
Proof of Work und Proof of Stake sind die gebräuchlichsten Konsensalgorithmen. Aber es gibt natürlich noch viele andere mit all ihren Vor- und Nachteilen. Schauen Sie sich die folgenden Artikel an:
Der Delayed Proof of Work erklärt
Der Leased Proof of Stake-Konsens erklärt
Der Proof of Authority erklärt
Beweis für Burn erklärt
Der Delegierte Proof of Stake erklärt
Der Hybrid-PoW/PoS-Konsens erklärt
Schlussfolgern
Mechanismen zur Konsenserzielung sind für den Betrieb verteilter Systeme von entscheidender Bedeutung. Viele glauben, dass die größte Innovation von Bitcoin der Einsatz von Proof of Work ist, der es Benutzern ermöglicht, sich auf einen gemeinsamen Sachverhalt zu einigen.
Konsensalgorithmen basieren heute nicht nur auf digitalen Währungssystemen, sondern auch auf Blockchains, die es Entwicklern ermöglichen, Code über ein verteiltes Netzwerk auszuführen. Sie stellen einen Eckpfeiler der Blockchain-Technologie dar und sind für die langfristige Lebensfähigkeit der verschiedenen bestehenden Netzwerke von wesentlicher Bedeutung.
Von allen Konsensalgorithmen ist Proof of Work immer noch der am häufigsten verwendete. Tatsächlich wurde noch keine zuverlässigere und sicherere Alternative vorgeschlagen. Dennoch wird enorm viel Forschung und Entwicklung betrieben, um PoW zu ersetzen, und es ist sehr wahrscheinlich, dass wir in den kommenden Jahren mehr Konsens sehen werden.
