Einführung

Ein Konsensalgorithmus ist ein Mechanismus, mit dem Benutzer und Programme ihre Aktionen in einem verteilten Netzwerk koordinieren können. Es stellt sicher, dass sich alle Netzwerkteilnehmer über den aktuellen Stand der Daten einig sind, auch wenn einige Knoten ausfallen. Mit anderen Worten: Konsens trägt dazu bei, die Widerstandsfähigkeit des Systems aufrechtzuerhalten (weitere Informationen finden Sie unter „Erklärte Missionen der byzantinischen Generäle“).

In einer zentralisierten Struktur hat eine Einheit die Macht über das gesamte System. In den meisten Fällen haben diese Gremien das Recht, nach eigenem Ermessen Änderungen vorzunehmen: Es gibt kein komplexes Governance-System, um einen Konsens zwischen mehreren Administratoren zu erzielen.

In einer dezentralen Umgebung ist der Funktionsmechanismus völlig anders. Wenn wir beispielsweise über eine verteilte Datenbank sprechen, wie können wir dann die Zustimmung aller Teilnehmer des Netzwerks dazu einholen, welche Daten dem Netzwerk hinzugefügt werden dürfen?

Das Erreichen eines Konsenses in einem Umfeld, in dem die Parteien einander nicht vertrauen können, war eine der wichtigsten Entwicklungen in der Branche, die den Weg für die Entstehung von Blockchains ebnete. In diesem Artikel werden wir uns mit der Bedeutung von Konsensalgorithmen für das ordnungsgemäße Funktionieren von Kryptowährungen und verteilten Hauptbüchern befassen.


Konsensalgorithmen und Kryptowährung

In Kryptowährungsnetzwerken werden Benutzerguthaben in einer Datenbank – der Blockchain – erfasst. Jeder Benutzer (Knoten) muss eine identische Kopie der Datenbank besitzen. Andernfalls variieren die Informationen, was gegen die Grundsätze der Zuverlässigkeit und Offenheit des gesamten Kryptowährungsnetzwerks verstößt.

Die Public-Key-Kryptografie stellt sicher, dass Unbefugte keinen Zugriff auf Ihre Coins haben. Allerdings benötigen Nutzer auch eine zuverlässige Möglichkeit, zu überprüfen, ob Gelder ausgegeben wurden oder nicht.

Satoshi Nakamoto, der Erfinder von Bitcoin, schlug das Proof-of-Work-System vor, um Netzwerkbenutzer zu koordinieren. Als Nächstes schauen wir uns an, wie PoW funktioniert, identifizieren aber zunächst die gemeinsamen Merkmale der meisten vorhandenen Konsensalgorithmen.

Die erste besteht darin, dass Benutzer, die Blöcke hinzufügen möchten (wir nennen sie Validatoren), im Gegenzug eine Art Einsatz leisten müssen. Ein Anteil oder Einsatz ist ein bestimmter Wert, den ein Prüfer als Garantie für ehrliche Arbeit vorlegen muss: Wenn Prüfer versuchen, das System zu täuschen, verlieren sie ihren Anteil. Der Anteil kann Rechenleistung, Kryptowährung oder Reputation sein.

Sie stellen vielleicht eine logische Frage: Warum sollten sie ihre eigenen Ressourcen riskieren? Tatsache ist, dass es hier ein besonderes Belohnungssystem für Arbeit gibt. Typischerweise werden Belohnungen in Form von nativen Protokoll-Tokens ausgegeben, und die Mittel dafür werden aus Benutzergebühren und neu geschaffener Kryptowährung oder manchmal aus beidem entnommen.

Ein weiteres wichtiges Merkmal ist die Transparenz, um betrügerische Aktivitäten zu erkennen. Die Herstellung von Blöcken sollte teuer sein und die Überprüfung der geleisteten Arbeit sollte kostengünstig und für normale Benutzer zugänglich sein. Somit kann jeder die Arbeit von Validatoren überprüfen und überwachen.


Arten von Konsensalgorithmen

Arbeitsnachweis (PoW)

Proof of Work (PoW) wurde zum Vorläufer aller anderen Konsensalgorithmen auf der Blockchain. Es wurde erstmals in Bitcoin implementiert, aber das Konzept selbst erschien schon lange vorher. Beim Proof of Work hashen Validatoren (sogenannte Miner) die Daten, die sie hinzufügen möchten, bis sie eine geeignete Lösung für ein kryptografisches Rätsel erhalten.

Ein Hash ist ein zufälliger Satz von Buchstaben und Zahlen, der erstellt wird, wenn Daten durch eine Hash-Funktion verarbeitet werden. Wenn Sie dieselben Daten erneut hashen, erhalten Sie dasselbe Ergebnis. Wenn Sie jedoch auch nur einen Wert ändern, wird der Hash völlig anders.

Anhand der Ausgabe können Sie nicht erkennen, welche Informationen durch die Funktion übergeben wurden. Aus diesem Grund eignen sich Hashes hervorragend, um etwas zu beweisen, das man vor einer bestimmten Zeit wusste. Sie können jemandem einen solchen Hash geben und dann die ersten Informationen bereitstellen, damit die Person ihn durch die Funktion laufen lassen und sehen kann, ob die Ausgabe übereinstimmt.

Beim Proof of Work legt das Protokoll die Bedingungen für die Bestätigung (Validierung) eines Blocks fest. Sie können beispielsweise festlegen, dass nur der Block gültig ist, dessen Hash mit 00 beginnt. Die einzige Möglichkeit für einen Miner, einen gültigen Block zu erstellen, besteht darin, einfach über die Eingabedaten zu iterieren. Validatoren konfigurieren das Programm so, dass es bei jedem Hash unterschiedliche Ergebnisse liefert, bis der richtige Hash generiert wird.

In großen Blockchains ist es äußerst schwierig, einen geeigneten Hash zu finden: Sie benötigen ein ganzes Lager an Spezialgeräten, um eine große Datenmenge (mit ASIC-Einheiten) zu hashen, um wettbewerbsfähig zu sein und einen gültigen Block erstellen zu können.

Im Bergbau kommt es auf die Kosten dieser Ausrüstung und den für die Arbeit aufgewendeten Strom an. Hardware vom Typ ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) ist für eine einzelne Aufgabe konzipiert und kann daher nur für das Kryptowährungs-Mining verwendet werden. Die einzige Möglichkeit, die Anfangsinvestition wieder hereinzuholen, besteht im Mining und in Belohnungen für das erfolgreiche Hinzufügen eines Blocks.

Für das Netzwerk reicht es aus, sicherzustellen, dass Sie tatsächlich den richtigen Block erstellt haben. Selbst wenn Ihre ASICs Billionen von Kombinationen durchgeführt haben, um den richtigen Hash zu erhalten, reicht es zur Überprüfung seiner Richtigkeit aus, die Daten einmal durch die Funktion zu leiten. Wenn Ihre Daten einen gültigen Hash ergeben, wird der Block vom Netzwerk als gültig akzeptiert und Sie erhalten eine Belohnung. Andernfalls lehnt das Netzwerk Ihre Anfrage zum Hinzufügen eines Blocks ab und Sie können sagen, dass Sie Zeit und Strom verschwendet haben.


Nachweis des Einsatzes (PoS)

Proof of Stake (PoS) erschien in den frühen Tagen von Bitcoin als Alternative zu Proof of Work. Das PoS-System erfordert weder die Beteiligung von Minern noch den Einsatz spezieller Ausrüstung noch einen massiven Stromverbrauch – ein gewöhnlicher Personalcomputer reicht aus.

Darüber hinaus müssen Sie einen Eigenbeitrag leisten. PoS nutzt keine externe Ressource (Strom oder Ausrüstung), sondern eine interne – Kryptowährung. Die Anforderungen können je nach Protokoll unterschiedlich sein, aber im Allgemeinen gibt es einen Mindestbetrag, der dem Eigentümer das Recht zum Stake gewährt.

Während des Einsatzzeitraums werden die Gelder im Wallet blockiert (sie können während des Einsatzes nicht verschoben werden). In den meisten Fällen vereinbaren Sie mit anderen Validatoren, welche Transaktionen in den nächsten Block gelangen. In gewissem Sinne setzen Validatoren eine Wette auf den Block, den sie zur Blockchain hinzufügen möchten, aber das Recht, den Block auszuwählen, verbleibt beim Protokoll.

Validatoren, deren Block ausgewählt wird, erhalten abhängig von der Höhe ihres Einsatzes einen Teil der Transaktionsgebühren. Je mehr Gelder im Wallet blockiert wurden, desto höher ist die Belohnung. Bei Versuchen, das System zu täuschen und ungültige Transaktionen hinzuzufügen, riskieren Angreifer jedoch, einen Teil (oder den gesamten) ihres Anteils zu verlieren. Somit funktioniert PoS ähnlich wie PoW: Ehrliches Handeln ist profitabler als der Versuch, das System zu betrügen.

Dieser Mechanismus bietet Validatoren keine Belohnungen in Form neu erstellter Münzen. Bei diesem Algorithmus muss die native Währung der Blockchain auf andere Weise ausgegeben werden, beispielsweise durch ein Erstangebot (ICO oder IEO) oder durch die Einführung des Protokolls auf PoW und den anschließenden Wechsel zu PoS.

Bisher wurde Proof of Stake in seiner reinen Form nur in wenigen Kryptowährungen mit einem relativ kleinen Netzwerk eingesetzt, weshalb es immer noch schwierig ist, mit Sicherheit zu sagen, ob es eine brauchbare Alternative zu PoW werden kann. Obwohl dieser Algorithmus theoretisch fundiert erscheint, läuft in der Praxis alles etwas anders ab.

Sobald PoS in einem Netzwerk mit großen Mitteln eingesetzt wird, kommen Spieltheorien und verschiedene finanzielle Anreize im System ins Spiel. Wenn jemand ein PoS-System „hacken“ möchte, geschieht dies nur mit einer Gewinngarantie, sodass wir nur im Netzwerk herausfinden können, wie wahrscheinlich dies ist.

In Kürze wird es umfangreiche PoS-Tests geben: Im Rahmen des Ethereum-Netzwerk-Updates (auch bekannt als Ethereum 2.0) wird das Casper-Protokoll implementiert.


Andere Konsensalgorithmen

Proof of Work und Proof of Stake sind die am meisten diskutierten Konsensalgorithmen, aber es gibt viele andere, die ihre eigenen Vor- und Nachteile haben. Wir empfehlen Ihnen, sich in den folgenden Artikeln näher damit vertraut zu machen:

  • Aufgeschobener Arbeitsnachweis erklärt

  • So funktioniert der geleaste Proof of Stake

  • Erläuterung des Vollmachtsnachweises

  • Erläuterung der Verbrennungsbeweise

  • Klarstellung des delegierten Nachweises des Einsatzes

  • Hybrider Konsensalgorithmus


Zusammenfassung

Konsensmechanismen 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 ermöglicht, sich auf einen gemeinsamen Satz von Fakten zu einigen.

Konsensalgorithmen unterstützen heute nicht nur digitale Geldsysteme, sondern auch Blockchains, sodass Entwickler Code in einem verteilten Netzwerk ausführen können. Sie sind heute der Eckpfeiler der Blockchain-Technologie und entscheidend für die langfristige Lebensfähigkeit verschiedener bestehender Netzwerke.

Von allen Konsensalgorithmen bleibt Proof of Work immer noch dominant, und zwar aus dem einfachen Grund, dass noch keine Alternative vorgeschlagen wurde, die zuverlässiger und sicherer ist. Allerdings gibt es eine Menge Forschung und Entwicklung, um PoW zu ersetzen, und wir werden wahrscheinlich nur noch mehr davon sehen.