Konsensalgorithmen in der Blockchain

Kryptowährungsnetzwerke unterscheiden sich in der Organisation ihrer Arbeitsweise. Da es eine Dezentralisierung gibt, ist die Implementierung eines verteilten Registers notwendig. Dies ist erforderlich, um Transaktionen abzugleichen und gleichzeitig zusätzliche Kosten zu vermeiden.

In diesem Artikel konzentrieren wir uns auf beliebte Blockchain-Algorithmen, um ihre Funktionen sowie die Faktoren zu verstehen, die Leistung und Sicherheit beeinflussen.

Was ist ein Blockchain-Konsensalgorithmus?

Ein Konsensmechanismus ist ein Verfahren, mit dem alle Peers eines Netzwerks eine allgemeine Übereinstimmung über den aktuellen Zustand des verteilten Registers erzielen. Dadurch sorgen Konsensalgorithmen für Zuverlässigkeit im Blockchain-Netzwerk und schaffen vertrauenswürdige Beziehungen zwischen unbekannten Partnern in einer verteilten Computerumgebung. Ein ausgehandeltes Protokoll stellt sicher, dass jeder neue Block, der einer Blockchain hinzugefügt wird, die einzige von allen Knoten dieser Kette akzeptierte Version der Wahrheit ist. Konsensmodelle der Blockchain bestehen aus bestimmten Zielen, wie dem Erreichen einer Einigung, Kooperation, Knotengleichheit und der obligatorischen Teilnahme jedes Knotens am Verhandlungsprozess. Somit zielt der Konsensalgorithmus darauf ab, eine gemeinsame Übereinstimmung zu finden, die für das gesamte Netzwerk von Vorteil ist. Darüber hinaus implementiert dieser Algorithmus:

• die Häufigkeit der Blockerzeugung;
• die Vermeidung des Risikos, dass zusätzliche Mittel abgeschrieben werden;
• die Überprüfung der Daten im Block.

Einfach ausgedrückt, vermeidet der Konsensalgorithmus Fehler in dezentralen Netzwerken. Darüber hinaus besteht die Aufgabe des Mechanismus darin, für alle Teilnehmer gegenseitig vorteilhafte Bedingungen umzusetzen.

Konsensalgorithmen: Arten

Digitale Coins werden auf verschiedenen Blockchains entwickelt. Konsensalgorithmen unterscheiden sich auch auf diesen Blockchains.

Mehr als 90 % des Kryptomarktes basieren auf drei wichtigsten harmonisierten Algorithmen:

Proof of Work (PoW)

Proof of Stake (PoS)

Delegated Proof of Stake (DPoS)

Wir werden jedoch nicht nur die zugrunde liegenden Mechanismen betrachten, sondern auch einige andere, die zwar nicht von vielen Projekten übernommen wurden, aber sehr interessant zu untersuchen sind und in unserer Zukunft eine wichtige Rolle spielen könnten.

1. Proof of Work (PoW)

Dieser Konsensalgorithmus wird verwendet, um den Miner auszuwählen, der den nächsten Block in der Kette erzeugt. Bitcoin, Litecoin und viele andere Schwergewichte der Blockchain-Branche nutzen PoW in ihrer Arbeit. Die Hauptidee dieses Algorithmus besteht darin, ein komplexes zufälliges mathematisches Problem zu lösen, das von einer Blockchain erzeugt und anschließend als Lösung verbreitet wird. Ein Merkmal dieses Algorithmus ist die Schwierigkeit, das Problem zu lösen, während es leicht erneut überprüft werden kann. Dieses mathematische Rätsel erfordert viel Rechenleistung, und daher darf der Knoten, der das Rätsel vor allen anderen löst, den nächsten Block erzeugen. PoW zielt darauf ab, sicherzustellen, dass ein Angriff auf das Netzwerk übermäßig teuer ist und hohe Energiekosten verursacht, da Miner Energie verbrauchen, um Mess- und Netzwerksicherheitsdienste bereitzustellen. Zu den Nachteilen dieses Mechanismus zählen die begrenzte Skalierbarkeit und der geringe Durchsatz.

2. Proof of Stake (PoS)

Dies ist vielleicht die gängigste Alternative zu PoW: Selbst Ethereum ist kürzlich vom PoW- zum PoS-Konsens übergegangen. Bei dieser Art von Konsensalgorithmus investieren die sogenannten Validatoren statt in teure Hardware zur Lösung eines komplexen Rätsels in Netzwerk-Coins und sperren einen Teil ihrer Coins als Einsatz (Staking). Danach beginnen alle Validatoren, die Blöcke zu prüfen, und setzen auf den Block, von dem sie glauben, dass er der Kette hinzugefügt werden kann. Auf Grundlage der tatsächlich zur Blockchain hinzugefügten Blöcke erhalten alle Validatoren eine Belohnung, die ihren Einsätzen proportional ist, und ihr Einsatz wird entsprechend erhöht. Letztlich wird der Validator zur Erzeugung eines neuen Blocks anhand seines wirtschaftlichen Anteils am Netzwerk ausgewählt. Somit fördert der PoS-Algorithmus die Einigung der Validatoren über einen Anreizmechanismus. Zu den Vorteilen dieses Mechanismus zählen eine verbesserte Skalierbarkeit auf Basisebene und potenzielle Energieeinsparungen im Vergleich zu PoW. Zu den Nachteilen gehört das Risiko der Zentralisierung, was wiederum zu einer Verringerung der Sicherheit führt. Ethereum, Peercoin, Lisk, PIVX und andere Blockchains arbeiten mit PoS.

3. Delegated Proof Of Stake (DPoS)

Der Mechanismus DPoS ist eine Weiterentwicklung von PoS, jedoch ein anderer Typ von Konsensalgorithmus, der auf Abstimmungssystemen basiert. Statt einzelne Knoten zufällig für eine Prüfung auszuwählen, nutzt die Community der Token-Inhaber ihren Anteil (Einsatz), um über die ausgewählte Anzahl vertrauenswürdiger Knoten, oft Delegates genannt, abzustimmen. Diese sind für die Überprüfung von Transaktionen und die Aufrechterhaltung des Netzwerks verantwortlich und werden im Gegenzug mit einem Anteil der Transaktionsgebühren belohnt. DPoS kann mit repräsentativer Demokratie verglichen werden - die Teilnehmer stimmen für einen vertrauenswürdigen Vertreter, der das Netzwerk in ihrem Namen schützt. Wähler können Delegates ersetzen, wenn diese gegen die Interessen der Mehrheit der beteiligten Parteien handeln. Der DPoS-Algorithmus wurde von Dan Larimer erfunden und wird in Projekten verwendet, die dort ihren Ursprung haben, wie BitShares, Steem und EOS, ist aber auch in anderen Netzwerken gefragt, etwa bei Tezos und Ark. Die Vorteile von DPoS sind hohe Skalierbarkeit und eine breitere Verteilung der Inflation (gleichmäßigere Verteilung neu ausgegebener Token unter den Validatoren), und die Nachteile sind unzureichende Sicherheit sowie ein anhaltender Trend zur Zentralisierung im Netzwerk.

4. Proof of Elapsed Time (PoET)

PoET ist einer der fairsten Konsensalgorithmen, der den nächsten Block ausschließlich mit fairen Mitteln auswählt. Er wird häufig in vielen privaten und unternehmensweiten Blockchains verwendet, insbesondere in Hyperledger. Bei diesem Algorithmus erhält jeder Validator im Netzwerk eine reale Chance, seinen Block zu erstellen. Alle Knoten tun dies, indem sie eine zufällige Zeit warten und eine Bestätigung ihrer Wartezeit in den Block einfügen. Die erzeugten Blöcke werden zur Prüfung durch die übrigen Teilnehmer an das Netzwerk übertragen. Der Gewinner ist der Validator mit dem kleinsten Timer-Wert im Proof-Teil. Der Block des siegreichen Validator-Knotens wird der Blockchain hinzugefügt. Im Algorithmus gibt es zusätzliche Prüfungen, um zu verhindern, dass ein bestimmter Knoten immer die Wahl gewinnt, indem er den niedrigsten Timer-Wert erzeugt. Zu den Vorteilen gehören hohe Effizienz und geringer Ressourcenverbrauch; zu den Nachteilen zählen ein niedriges Sicherheitsniveau und die Abhängigkeit von einer dritten Partei, die einen Satz von Anweisungen für den Prozessor entwickelt.

5. Proof of Authority (PoA)

PoA ist ein reputationsbasierter Konsensalgorithmus, der den Wert der Identität und Reputation von Block-Validatoren nutzt. Im März 2017 schlug das Entwicklungsteam von Ethereum unter der Leitung von Gavin Wood PoA als Lösung für Spam-Angriffe auf dem Ropstein-Testnetz von Ethereum vor. PoA ähnelt PoS, außer dass die Validatoren statt Coins ihre Reputation einsetzen. Vertrauenswürdige Knoten/Validatoren werden von Netzwerkführern ausgewählt, wodurch PoA nur für private Blockchains nützlich ist. Wird in VeChain Thor, Microsoft Azure und anderen verwendet. Vorteile: hohe Transaktionsgeschwindigkeit, Skalierbarkeit und geringe Kosten für die Netzwerkwartung. Nachteile: Verzicht auf Dezentralisierung und mögliches böswilliges Verhalten von Netzwerkteilnehmern, das kaum zu verhindern ist.

6. Proof of Capacity (PoC)

Beim Proof-of-Capacity-Konsens investieren Validatoren statt in teure Hardware oder das Verbrennen von Coins in ihren Festplattenspeicher. Je mehr Mittel sie zur Überprüfung des Speicherplatzes auf der Festplatte einsetzen, desto größer sind ihre Chancen, das Mining des nächsten Blocks zu erreichen und eine Belohnung für den Block zu erhalten. Durch die Nutzung von Speicher statt Rechenleistung mit ASICS sind Blockchains auf PoC deutlich energieeffizienter. Zu den PoC-Projekten gehören Filecoin, Storj und Burstcoin. Der offensichtliche Vorteil dieses Ansatzes liegt in der Energieeffizienz, die Nachteile bestehen in unzureichender Sicherheit aufgrund der Anfälligkeit für Angriffe.

Es gibt auch andere Konsensalgorithmen, wie zum Beispiel:

• Proof of Activity;
• Proof of Space and Time;
• Proof of Weight;
• Proof of Storage;
• Proof of Importance;
• Proof of Participation;
• Proof of History;
• Leased Proof of Stake;
• Proof of Burn;
• Practical Byzantine Fault Tolerance.

Ihr Einsatz kann derzeit eher privaten Anwendungsfällen und Innovationen zugeschrieben werden, die ein Thema für einen separaten Artikel sein können.

Zusammenfassung

Jeder der vorgestellten Algorithmen hat seine Stärken und Schwächen sowie mögliche Einsatzbereiche. Unter diesem Gesichtspunkt ist es vernünftig anzunehmen, dass sie nicht miteinander konkurrieren. Es ist wichtig, einen davon sinnvoll entsprechend den Anforderungen des Unternehmensnetzwerks auszuwählen. 

Die Implementierung von PoW ist sicher und dezentralisiert. PoW ist ein hervorragender Konsensmechanismus für Kryptowährungen. Allerdings ist er für soziale Netzwerke und Blockchain-Spiele völlig ungeeignet. 

In der noch jungen Blockchain-Branche ist es wichtig, die Forschung fortzusetzen, um neue Blockchain-Architekturen zu entdecken. Neue Konsensmechanismen werden neue Möglichkeiten für den Einsatz von Blockchain- und insbesondere Kryptowährungstechnologie eröffnen.