Übersicht über den Konsensmechanismus
Ein dezentralisiertes System impliziert, dass kein einzelner Teilnehmer die Kontrolle über die Regeln, Ein- und Ausgänge des Systems hat. Sicherheit wird daher zur größten Herausforderung für jedes dezentrale System. Dies gilt insbesondere dann, wenn sich die Teilnehmer nicht vertrauen und das System eine Aufzeichnung von Transaktionen bereitstellt, die einen Wert zuschreiben (wie bei einer öffentlichen Blockchain).
Wie können Teilnehmer ohne Überprüfung durch Dritte Transaktionen validieren und böswillige Akteure daran hindern, gefälschte und betrügerische Informationen zu verbreiten?
Satoshi Nakamoto lieferte eine Lösung für diese Frage, indem er verschiedene Ideen kombinierte, um ein verteiltes, unveränderliches und kryptografisches Transaktionsbuch zu erstellen1 Im Zentrum steht der Proof-of-Work-Konsensmechanismus – eine Möglichkeit, Transaktionen zu verifizieren, indem anderen nachgewiesen wird, dass ein erheblicher Rechenaufwand für das Anhängen der Informationen an das Ledger aufgewendet wurde.
Was ist ein Konsensmechanismus?
Ein Konsensmechanismus ist ein Algorithmus zur Genehmigung von Transaktionen oder Aufzeichnungen in einem dezentralen Hauptbuch, sodass gefälschte oder betrügerische Aufzeichnungen abgelehnt werden.
Der Algorithmus wird ausgeführt, wenn neue Blöcke an die vorhandene Blockkette angehängt werden, wodurch die Blockchain als Nur-Anhänge-Ledger aktualisiert wird.
Die Idee ist, dass böswilligen Akteuren ein bestimmter Aufwand (oder ein einzugehendes Risiko) auferlegt wird und sie somit von einer Manipulation des Hauptbuches abgehalten werden, da sie den Aufwand (oder den Verlust) für unrentabel halten. Der allererste Zweck der Erfindung von Proof of Work bestand darin, E-Mail-Spam zu filtern.
Hashcash, ein von Adam Back im Jahr 1997 vorgeschlagenes Proof-of-Work-System, erfordert, dass E-Mail-Absender Stempel erstellen und an E-Mail-Header anhängen, um den Empfängern zu beweisen, dass sie die Leistung der Central Processing Unit (CPU) zum Generieren von E-Mails aufgewendet haben. Bei diesen Stempeln handelt es sich um Einweg-Verschlüsselungsalgorithmen, die vom Empfänger leicht zu verifizieren sind, aber vom Absender (rechentechnisch gesehen) schwer zu generieren sind. Bei diesem Modell würden Spammer zögern, große Mengen an E-Mails zu versenden, da es unrentabel wird, viel CPU-Leistung zum Erstellen von Stempeln zu verwenden. Der Preis für das Versenden einer einzelnen E-Mail ist jedoch für normale Benutzer immer noch erschwinglich.
Da Konsensmechanismen in der Blockchain-Welt allgemein als Aktivitäten des „Mining“ und „Staking“ bezeichnet werden, werden sie häufig als Methoden zur Ausgabe neuer Coins angesehen. Ihr Hauptzweck besteht jedoch darin, das dezentrale Netzwerk zu sichern, während Belohnungen in Form von Münzen ein zusätzlicher wirtschaftlicher Anreiz für die Arbeiter sind, das Netzwerk aufrechtzuerhalten.
Quelle: Zhanga, Shijie und Lee, Jong-Hyouk. Analysis of the main consensus protocols of blockchain. Science Direct Vol. 6, Issue 2. Juni 2020.
Zu den wichtigsten Konsensmechanismen gehören Proof-of-Work (PoW), Proof-of-Stake (PoS), delegierte Proof-of-Stake (DPoS).
PoW ist der älteste Konsensmechanismus. Er macht mehr als 75 % der Marktkapitalisierung von Blockchain-Protokollen aus. Er wird von Bitcoin, Ethereum (bis Serenity) und Litecoin usw. verwendet.2
Beim PoW hängen Miner einen neuen Block mit Transaktionsinformationen an vorhandene Blöcke an (das „Mining“), indem sie eine Zufallszahl („Nonce“) finden, die über eine universelle Verschlüsselungsfunktion an das Netzwerk („Hash“) ausgeführt werden kann und eine Schwierigkeitsanforderung erfüllen kann. Diese besteht aus dem Prozess des „Lösens“ der mathematischen Aufgabe, der viel Energie und Mühe erfordert.
PoS hingegen erfordert nicht, dass die Teilnehmer Rechenleistung verwenden, um Blöcke zu hashen und eine mathematische Anforderung zu lösen, sondern sie müssen Ether einsetzen. Die Teilnehmer werden nach dem Zufallsprinzip ausgewählt, um Blockvalidierer basierend auf ihrem Vermögen zu werden, und die Validierer müssen einen Betrag an Kryptowährung einsetzen, der die Transaktionsgebühr und ihre potenzielle Belohnung abdeckt, bis der Block erfolgreich angefügt wird. Wenn inkonsistentes, abwesendes und anormales Verhalten festgestellt wird, können unehrliche Teilnehmer ihre Einsätze verlieren und aus dem Netzwerk ausgeschlossen werden.
DPoS ist eine Variante von PoS. Es ändert den Auswahlprozess im PoS von randomisierten Algorithmen zu einem demokratischeren Ansatz, der es den Stakeholdern ermöglicht, für ihre Vertreter zu stimmen, die den Validierungsakt durchführen würden.
Neben PoW, PoS und DPoS gibt es viele Proof-of-X-Mechanismen, die versuchen, ein dezentrales und sicheres Netzwerk aufzubauen. Dazu gehören Leistungsnachweis, Nachweis der verstrichenen Zeit, Nachweis der Bedeutung usw.
Eine weitere wichtige Familie von Konsensmechanismen ist die byzantinische Fehlertoleranz; Dies ist das Merkmal eines verteilten Netzwerks, um einen Konsens (Einigung über denselben Wert) zu erzielen, selbst wenn einige der Knoten im Netzwerk nicht oder mit falschen Informationen antworten. Es gibt mehrere Variationen wie die praktische Byzantinische Fehlertoleranz (pBFT), die derzeit von Hyperledger Fabric verwendet wird, und ihre verbesserte Version wird von der People’s Bank of China (PBoC) verwendet, um ihre Central Bank Digital Currency (CBDC) zu entwickeln. Eine andere Variante heißt delegierte byzantinische Fehlertoleranz (dBFT), die von Neo verwendet wird. Das Konsensmodell des Stellar-Netzwerks nutzt ein Modell des föderierten byzantinischen Abkommens (FBA) und versucht, auf diesen Modellen aufzubauen, um ein offenes Netzwerk zum Speichern und Bewegen von Geld aufzubauen.
Quelle: Zhanga, Shijie und Lee, Jong-Hyouk. Analysis of the main consensus protocols of blockchain. Science Direct Vol. 6, Issue 2. Juni 2020. Die Grafik stellt die Unterschiede der diskutierten Konsensmechanismen im Überblick dar. „Finality type“ (Finalitätstyp) bezieht sich auf das Modell für die Bestätigung und Unveränderbarkeit vergebener Blöcke. „Probabilistic finality“ (probabilistische Finalität) bedeutet, dass es mit zunehmender Blockchain-Länge immer schwieriger wird, Blöcke wieder herauszulösen. „Absolute finality“ (absolute Finalität) bedeutet, dass Blöcke bereits finalisiert werden, wenn sie an die Blockchain angefügt werden. „Fault tolerance“ (Fehlertoleranz) beschreibt die Toleranz eines Systems gegenüber nicht funktionsfähigen oder böswillig eingeschleusten Komponenten, die den Systembetrieb beeinträchtigen würden. „Power consumption“ (Energieverbrauch) bezieht sich auf den möglichen Verbrauch großer Energiemengen durch das System. „Scalability“ (Skalierbarkeit) beschreibt, wie einfach das System vergrößer- und erweiterbar ist. „Application“ (Anwendung) bezieht sich auf den idealen Blockchain-Typ, in dem der Konsensmechanismus angewendet werden soll. Das Attribut „public“ (öffentlich) beschreibt Blockchains, auf die beliebige Personen frei zugreifen können. Das Attribut „private“ (privat) beschreibt Blockchains, bei denen der Zugriff eine gesonderte Berechtigung erfordert.
Fazit
Der Konsensmechanismus ist eine Schlüsselkomponente für ein dezentralisiertes Netzwerk. Es sichert nicht nur das System, sondern beeinflusst auch dessen Effizienz und Skalierbarkeit.
Seit der Geburt von Bitcoin wurden viele andere Konsensmechanismen geschaffen. Jeder von ihnen hat seine eigenen Eigenschaften, die die Attribute des zugehörigen Netzwerks bestimmen. Weitere Informationen darüber und zu ihren Unterschieden erfahren Sie hier.
Quelle
2 Stand 23.07.2021. Berechnet mit CoinMarketCap-Daten.
+ Warum sollte man Ether als Investition betrachten?
+ Wie viel Bitcoin wäre das, Sir?