Inhalt

  • Einführung

  • Konsensalgorithmen und Kryptowährungen

  • Arten von Konsensalgorithmen

    • Arbeitsnachweis (PoW)

    • Nachweis des Einsatzes (PoS)

  • Andere Konsensalgorithmen

  • Abschließende Überlegungen


Einführung

Ein Konsensalgorithmus ist ein Mechanismus, der es Benutzern oder Maschinen ermöglicht, sich in einer verteilten Umgebung zu koordinieren. Es muss sicherstellen, dass sich alle Mitglieder eines Systems auf eine einzige Quelle der Wahrheit einigen können, auch wenn einige Mitglieder scheitern. Mit anderen Worten, das System muss fehlertolerant sein (siehe auch: Was ist byzantinische Fehlertoleranz?).

In einem zentralisierten Aufbau hat eine einzelne Einheit die Macht über das System. In den meisten Fällen kann sie nach Belieben Änderungen vornehmen – es gibt kein komplexes Governance-System, um einen Konsens zwischen mehreren Administratoren zu erzielen. 

In einer dezentralen Umgebung ist das ganz anders. Nehmen wir an, wir arbeiten mit einer verteilten Datenbank – wie können wir uns darauf einigen, welche Einträge hinzugefügt werden sollen?

Die Bewältigung dieser Herausforderung in einem Umfeld, in dem Fremde einander nicht vertrauen, war vielleicht die wichtigste Entwicklung, die den Weg für Blockchains ebnete. In diesem Artikel werden wir sehen, wie wichtig Konsensalgorithmen für das Funktionieren von Kryptowährungen und verteilten Hauptbüchern sind.


Konsensalgorithmen und Kryptowährungen

Bei Kryptowährungen werden Benutzerguthaben in einer Datenbank – der Blockchain – aufgezeichnet. Es ist wichtig, dass alle Benutzer (oder genauer gesagt alle Knoten/Knoten) eine identische Kopie der Datenbank verwalten. Andernfalls gäbe es widersprüchliche Informationen, die den gesamten Zweck eines Kryptowährungsnetzwerks untergraben würden.

Durch die Kryptografie mit öffentlichen Schlüsseln wird sichergestellt, dass Benutzer nicht die Münzen anderer Personen ausgeben können. Dennoch ist eine einzige Quelle der Wahrheit erforderlich, der die Netzwerkteilnehmer vertrauen, um festzustellen, ob bereits Gelder ausgegeben wurden oder nicht.

Satoshi Nakamoto, der Erfinder von Bitcoin, schlug ein Proof-of-Work-System zur Koordinierung der Teilnehmer vor. Wir werden bald erklären, wie PoW funktioniert – zunächst werden wir einige der gemeinsamen Merkmale der verschiedenen bestehenden Konsensalgorithmen identifizieren.

Zunächst verlangen wir von Nutzern, die Blöcke hinzufügen möchten (wir nennen sie Validatoren), einen Einsatz. Der Einsatz ist eine Art Wert, den der Prüfer vorlegen muss, um ihn davon abzuhalten, unehrlich zu handeln. Wenn sie betrügen, verlieren sie ihren Einsatzwert. Beispiele für Einsätze sind Rechenleistung, Kryptowährungen oder auch Reputation. 

Warum sollten sie ihre eigenen Ressourcen riskieren? Zusätzlich gibt es eine Belohnung. Im Allgemeinen ist die Belohnung die native Kryptowährung des Protokolls und setzt sich aus von anderen Benutzern gezahlten Gebühren, neu generierten Kryptowährungseinheiten oder beidem zusammen.

Das letzte notwendige Element ist Transparenz. Wir müssen in der Lage sein zu erkennen, wenn jemand betrügt. Im Idealfall sollte die Blockproduktion teuer sein, die Validierung durch jeden Benutzer jedoch kostengünstig. Dadurch wird sichergestellt, dass Validatoren ständig von regulären Benutzern überprüft werden.


Arten von Konsensalgorithmen

Arbeitsnachweis (PoW)

Proof of Work (PoW) ist der Pate der Konsensalgorithmen der Blockchain-Technologie. Es wurde zuerst in Bitcoin implementiert, aber das Konzept gibt es schon seit einiger Zeit. Beim Proof of Work hashen Validatoren (sogenannte Miner) die Daten, die sie hinzufügen möchten, bis sie eine bestimmte gültige Lösung produzieren.

Ein Hash ist eine scheinbar zufällige Folge von Buchstaben und Zahlen, die erstellt wird, wenn Sie Daten über eine Hash-Funktion übermitteln. Wenn Sie jedoch dieselben Daten erneut übermitteln, erhalten Sie immer die gleiche Ausgabe. Wenn Sie jedoch nur ein Detail ändern, wird Ihr resultierender Hash völlig anders sein.

Anhand der Ausgabe lässt sich nicht erkennen, welche Informationen in die Funktion eingegeben wurden. Somit ist es möglich nachzuweisen, dass Ihnen bestimmte Daten oder Informationen bereits vor einem bestimmten Zeitpunkt bekannt waren. Sie können jemandem einen Hash geben, und wenn Sie die Daten später preisgeben, kann er sie über die Funktion übermitteln, um zu bestätigen, dass die Ausgabe dieselbe ist.

Beim Proof of Work legt das Protokoll Bedingungen fest, die einen Block gültig machen. Es kann beispielsweise eine Bedingung geben, die besagt, dass nur ein Block gültig ist, dessen Hash mit 00 beginnt. Die einzige Möglichkeit für den Miner, einen Block zu erstellen, der dieser Bedingung entspricht, besteht darin, verschiedene Eingaben auszuprobieren. Sie können Parameter in ihren Daten anpassen, um jedes Mal ein anderes Ergebnis zu erzielen, bis sie den richtigen Hash erhalten. 

Bei großen Blockchains ist der Schwierigkeitsgrad unglaublich hoch. Um mit anderen Minern konkurrieren zu können, benötigen Sie ein Lager voller spezieller Hashing-Hardware (ASICs), um einen gültigen Block produzieren zu können.

Wenn Sie Bergbau betreiben, sind es die Kosten für die Maschinen und den Strom, der zu ihrem Betrieb benötigt wird. ASICs (anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise) werden für einen bestimmten Zweck gebaut und haben daher keinen anderen Zweck als das Schürfen von Kryptowährungen. Ihre einzige Möglichkeit, Ihre Anfangsinvestition wieder hereinzuholen, ist das Mining, das eine erhebliche Belohnung bietet, wenn Sie erfolgreich einen neuen Block zur Blockchain hinzufügen.

Die Überprüfung, ob Sie tatsächlich einen gültigen Block erstellt haben, ist für das Netzwerk ein sehr einfacher Vorgang. Selbst wenn Sie Billionen von Kombinationen ausprobiert haben, um den richtigen Hash zu erhalten, müssen Sie Ihre Daten nur einmal über die Funktion übermitteln. Wenn Ihre Daten einen gültigen Hash ergeben, wird dieser akzeptiert und Sie erhalten eine Belohnung. Andernfalls lehnt das Netzwerk den Hash ab und Sie haben 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. In einem PoS-System gibt es keine Miner-Konzepte, keine spezielle Hardware und keinen großen Energieverbrauch. Alles, was Sie brauchen, ist ein normaler Computer.

Nun ja, eigentlich ist es nicht nur das. Es sind noch einige Anstrengungen erforderlich. Beim PoS stellen Sie keine externe Ressource (wie Strom oder Hardware) zur Verfügung, sondern eine interne – Kryptowährung. Die Regeln variieren je nach Protokoll, aber im Allgemeinen muss ein Benutzer einen Mindestbetrag an Guthaben vorhalten, um sich für den Einsatz zu qualifizieren.

Von dort aus sperren Sie Ihr Geld in einer Wallet (es kann während des Einsatzes nicht verschoben werden). Normalerweise besteht unter den Validatoren ein Konsens darüber, welche Transaktionen in den nächsten Block eingefügt werden. Sie schließen gewissermaßen eine Wette darauf ab, welcher Block ausgewählt wird. Das Protokoll wählt einen der Kandidatenblöcke aus.

Wenn Ihr Block ausgewählt wird, erhalten Sie abhängig von Ihrem Einsatzwert einen Anteil der Transaktionsgebühren. Je mehr Geld Sie gesperrt haben, desto mehr Prämien erhalten Sie. Wenn Sie jedoch versuchen zu betrügen, indem Sie ungültige Transaktionen vorschlagen, verlieren Sie einen Teil (oder den gesamten) Wert Ihres Einsatzes. Deshalb haben wir einen ähnlichen Mechanismus wie PoW – ehrliches Handeln ist profitabler als unehrliches Handeln.

Im Allgemeinen werden neue Münzen nicht als Belohnung für Prüfer erstellt. Die native Währung der Blockchain muss daher auf andere Weise ausgegeben werden. Dies kann durch eine Erstverteilung (d. h. ein ICO oder IEO) oder durch die Einführung des Protokolls als PoW und den anschließenden Übergang zum PoS-System erfolgen.

Bisher wurde der reine Proof of Stake nur in kleineren Kryptowährungen tatsächlich implementiert. Daher ist noch nicht klar, ob es eine sinnvolle Alternative zu PoW darstellen kann. Obwohl es theoretisch richtig erscheint, sieht es in der Praxis ganz anders aus. 

Sobald PoS in einem Netzwerk mit großem Wert implementiert wird, wird das System zu einem Spielfeld für Spieltheorie und finanzielle Anreize. Jeder mit dem Know-how, ein PoS-System zu „hacken“, würde es wahrscheinlich nicht tun, wenn er nicht davon profitieren könnte – die einzige Möglichkeit, herauszufinden, ob es sich um ein brauchbares System handelt, besteht darin, ein funktionierendes Netzwerk in der Praxis zu evaluieren.

Wir werden bald sehen, wie PoS in großem Umfang getestet wird – Casper wird als Teil einer Reihe von Upgrades des Ethereum-Netzwerks (zusammen bekannt als Ethereum 2.0) implementiert.


Andere Konsensalgorithmen

Proof of Work und Proof of Stake sind die am häufigsten diskutierten Konsensalgorithmen. Aber es gibt noch eine ganze Reihe anderer, alle mit ihren eigenen Vor- und Nachteilen. Schauen Sie sich die folgenden Artikel an:

  • Was ist ein verspäteter Arbeitsnachweis?

  • Algorithmus des gemieteten Proof of Stake-Konsens

  • Was ist ein Autoritätsnachweis?

  • Was ist ein Brandnachweis?

  • Was ist Delegated Proof of Stake?

  • PoW/PoS-Hybrid-Konsens


Abschließende Überlegungen

Mechanismen zur Konsenserzielung sind für das Funktionieren verteilter Systeme von entscheidender Bedeutung. Viele glauben, dass die größte Innovation von Bitcoin der Einsatz von Proof of Work war, der es Benutzern ermöglichte, sich auf eine Reihe gemeinsamer Fakten zu einigen.

Heutzutage basieren Konsensalgorithmen nicht nur digitalen Geldsystemen, sondern auch Blockchains und ermöglichen es Entwicklern, Code über ein verteiltes Netzwerk auszuführen. Sie stellen heute den Grundstein der Blockchain-Technologie dar und sind entscheidend für die langfristige Lebensfähigkeit der verschiedenen bereits bestehenden Netzwerke.

Von allen Konsensalgorithmen bleibt Proof of Work dominant. Eine zuverlässigere und sicherere Alternative muss noch vorgeschlagen werden. Es gibt eine Menge Forschung im Zusammenhang mit der Entwicklung von Ersatzlösungen für PoW, und in den kommenden Jahren werden wahrscheinlich weitere Vorschläge auftauchen.