Das Konzept von Peer-to-Peer-Netzwerken verstehen

Grundlagen

In der Informatik bezeichnet man eine Gruppe von Geräten, die gemeinsam Dateien speichern und austauschen, als Peer-to-Peer-(P2P)-Netzwerk. Jeder Knoten im Netzwerk agiert als eigenständiger Peer und verfügt über gleichberechtigte Funktionen, wobei dieselben Aufgaben ausgeführt werden. Die P2P-Architektur hat verschiedene Anwendungsfälle und wurde in den 1990er Jahren mit den ersten File-Sharing-Programmen populär.

Im Bereich der Finanztechnologie (FinTech) bezeichnet P2P den Austausch von Kryptowährungen oder digitalen Vermögenswerten über ein verteiltes Netzwerk. P2P-Plattformen ermöglichen es Käufern und Verkäufern, Trades ohne Zwischenhändler durchzuführen. Außerdem bieten einige Websites eine P2P-Umgebung, die Kreditgeber und Kreditnehmer zusammenbringt.

Die meisten Kryptowährungen nutzen P2P-Netzwerke, die einen bedeutenden Teil der Blockchain-Branche ausmachen. Die P2P-Architektur findet auch in zahlreichen anderen verteilten Rechenanwendungen Verwendung, darunter Suchmaschinen, Online-Marktplätze, Streaming-Plattformen und das Webprotokoll InterPlanetary File System (IPFS).

Wie funktioniert P2P? 

Peer-to-Peer-Systeme werden von einem verteilten Netzwerk von Nutzern betrieben, das keinen zentralen Administrator oder Server besitzt. Jeder Knoten im Netzwerk hält eine Kopie der Dateien und agiert sowohl als Client als auch als Server für andere Knoten. Dies ermöglicht jedem Knoten, Dateien von anderen zu herunterladen und an andere zu senden, wodurch sich P2P-Systeme von traditionellen Client-Server-Modellen unterscheiden, bei denen Clients Dateien von einem zentralen Server beziehen.

Anwender können mithilfe spezieller Software andere Geräte im Netzwerk abfragen, um Dateien auf deren Festplatten zu finden und herunterzuladen. Nach dem Herunterladen kann ein Nutzer selbst als Quelle dieser Datei fungieren und sie an andere Knoten hochladen. In der Praxis können beide Funktionen gleichzeitig ausgeführt werden.

Da jeder Knoten Dateien speichert, überträgt und empfängt, werden P2P-Netzwerke mit zunehmender Nutzerbasis schneller und effizienter. Im Gegensatz zu traditionellen Modellen macht ihre verteilte Architektur P2P-Systeme außerdem widerstandsfähiger gegen Cyberangriffe.

P2P-Systeme lassen sich architekturbedingt in drei Haupttypen einteilen: unstrukturierte, strukturierte und hybride P2P-Netzwerke.

Unstrukturierte P2P-Netzwerke 

In unstrukturierten P2P-Netzwerken gibt es keine feste Organisation der Knoten, und die Kommunikation zwischen ihnen erfolgt weitgehend zufällig. Diese Netzwerke sind bekannt für ihre Robustheit gegenüber hoher Fluktuation, wie häufigem Ein- und Austritt von Knoten.

Da Suchanfragen jedoch an möglichst viele Peers gesendet werden, benötigen unstrukturierte P2P-Netzwerke tendenziell mehr CPU- und Arbeitsspeicherressourcen. Dies kann zu einer Überflutung des Netzwerks mit Anfragen führen, insbesondere wenn nur wenige Knoten den gewünschten Inhalt bereitstellen. Obwohl unstrukturierte P2P-Netzwerke leichter aufzubauen sind, sind sie möglicherweise nicht die effizienteste Wahl.

Strukturierte P2P-Netzwerke 

Strukturierte P2P-Netzwerke bieten eine organisierte Architektur, die es Knoten ermöglicht, Dateien effizient zu suchen, selbst wenn Inhalte nicht weit verbreitet sind. Dies wird durch den Einsatz von Hash-Funktionen ermöglicht, die Datenbankabfragen vereinfachen.

Strukturierte Netzwerke sind im Allgemeinen effizienter, neigen jedoch dazu, zentralisierter zu sein und höhere Einrichtungs- und Wartungskosten zu verursachen. Zudem können strukturierte Netzwerke bei hoher Fluktuation weniger robust sein.

Hybride P2P-Netzwerke 

Ein dritter Typ sind hybride P2P-Netzwerke, die Elemente sowohl des Client-Server-Modells als auch der P2P-Architektur kombinieren. Solche Netzwerke verfügen häufig über einen zentralen Server, der die Verbindung der Peers unterstützt.

Hybride P2P-Netzwerke bieten oft eine bessere Gesamtleistung als unstrukturierte oder strukturierte Netzwerke. Durch die Integration der Vorteile beider Ansätze erreichen diese Netzwerke hohe Effizienz bei gleichzeitig hohem Dezentralisierungsgrad.

Verteilt vs. Dezentral 

Es ist wichtig zu erkennen, dass die P2P-Architektur zwar grundsätzlich verteilt ist, nicht jedoch alle P2P-Netzwerke als vollständig dezentral gelten können. Einige Systeme benötigen weiterhin eine zentrale Instanz zur Koordination der Netzwerkaktivität, was zu einem stärker zentralisierten Ansatz führt.

Beispielsweise erlauben einige P2P-Dateifreigabenetzwerke den Nutzern lediglich, Dateien bei anderen Nutzern zu suchen und herunterzuladen, ohne die Möglichkeit, an Prozessen wie der Verwaltung von Suchanfragen mitzuwirken.

Darüber hinaus können selbst kleine Netzwerke mit begrenzter Nutzerbasis und gemeinsamen Zielen ein gewisses Maß an Zentralisierung aufweisen, trotz Fehlen einer zentralen Infrastruktur.

Die Bedeutung von P2P für Blockchain

Die Blockchain-Technologie baut auf der inhärenten P2P-Architektur auf, um das verteilte Hauptbuch zu verwalten, das Bitcoin und andere Kryptowährungen antreibt. Satoshi Nakamoto definierte Bitcoin als "Peer-to-Peer Electronic Cash System", das den digitalen Geldtransfer zwischen Nutzern über ein P2P-Netzwerk ermöglicht. Die P2P-Architektur erlaubt es Nutzern, Transaktionen ohne Vermittler oder zentrale Server durchzuführen. Jeder kann einen Bitcoin-Knoten einrichten, um an der Verifizierung und Validierung von Blöcken teilzunehmen.

Transaktionen im Bitcoin-Netzwerk werden von der Blockchain verarbeitet und aufgezeichnet, die als digitales Hauptbuch fungiert. Jeder Knoten besitzt eine Kopie der Blockchain und vergleicht diese mit anderen, um die Datenintegrität sicherzustellen und schnell bösartige oder fehlerhafte Aktivitäten abzulehnen. Knoten können in Kryptowährungs-Blockchains verschiedene Rollen übernehmen; Full Nodes bieten Sicherheit, indem sie Transaktionen anhand der Konsensregeln des Systems überprüfen.

Full Nodes führen eine vollständige, aktuelle Kopie der Blockchain und ermöglichen so die kollektive Verifizierung des tatsächlichen Zustands des verteilten Hauptbuchs. Dabei ist zu beachten, dass nicht alle vollständig validierenden Knoten Miner sind. Die Blockchain-Architektur gewährleistet ein dezentrales und sicheres Netzwerk, das die Notwendigkeit von Banken oder Zwischenhändlern zur Abwicklung von Transaktionen eliminiert.

Vorteile

Die Nutzung der P2P-Architektur in Blockchains bietet verschiedene Vorteile. Einer der wichtigsten ist die erhöhte Sicherheit gegenüber traditionellen Client-Server-Setups. Da Blockchains über zahlreiche Knoten verteilt sind, werden Denial-of-Service-Angriffe, die häufig viele Systeme betreffen, nahezu unmöglich.

Außerdem ist es aufgrund der Notwendigkeit eines Konsenses der Mehrheit der Knoten vor dem Hinzufügen von Daten zu einer Blockchain für einen Angreifer schwierig, Daten zu manipulieren — vor allem in umfangreichen Netzwerken wie Bitcoin. In kleineren Blockchains könnte eine Einzelperson oder Gruppe allerdings eine Mehrzahl der Knoten kontrollieren und so einen 51-Prozent-Angriff ermöglichen.

So konnten Blockchains, einschließlich Bitcoin, byzantinische Fehlertoleranz erreichen. Das verteilte P2P-Netzwerk in Kombination mit der Mehrheitserfordernis beim Konsens macht Blockchains sehr widerstandsfähig gegenüber böswilligen Aktivitäten.

Neben der erhöhten Sicherheit sorgt die P2P-Architektur in Kryptowährungs-Blockchains auch dafür, dass sie gegenüber Zensur durch zentrale Behörden resistent sind. Anders als Bankkonten können Regierungen Kryptowährungs-Wallets nicht einfrieren oder leeren. Dieser Zensurwiderstand erstreckt sich auch auf private Zahlungsabwicklungen und Inhaltsplattformen. Einige Content-Ersteller und Online-Händler akzeptieren Kryptowährungen, um zu vermeiden, dass Zahlungen durch Dritte blockiert werden.

Einschränkungen 

Der Einsatz von P2P-Netzwerken in Blockchains bringt zahlreiche Vorteile, hat jedoch auch gewisse Einschränkungen.

Die Hauptbegrenzung besteht in dem erheblichen Rechenaufwand, der erforderlich ist, um verteilte Ledger auf jedem Knoten zu aktualisieren. Dies verringert die Effizienz und stellt eine große Herausforderung für die Skalierbarkeit dar. Entwickler erforschen jedoch Alternativen zur Bewältigung dieses Problems, darunter das Mimblewimble-Protokoll, das Lightning Network und Ethereum Plasma.

Eine weitere Einschränkung ergeben Hard-Fork-Ereignisse, bei denen Gruppen von Knoten Code kopieren und modifizieren, um ein neues, paralleles Netzwerk zu schaffen. Werden bestimmte Sicherheitsmaßnahmen nicht getroffen, können beide Ketten anfällig für Replay-Angriffe werden.

Die verteilte Natur von P2P-Netzwerken macht sie schwer zu kontrollieren und zu regulieren, was zu illegalen Aktivitäten und Urheberrechtsverletzungen durch verschiedene P2P-Unternehmen und -Anwendungen geführt hat. Dieses Problem ist nicht auf Blockchains beschränkt, sondern stellt eine breitere Herausforderung dar, die mit P2P-Netzwerken im Allgemeinen verbunden ist.

Fazit

Die P2P-Architektur ist für Blockchains essenziell und ermöglicht verteilte Transaktionsledger über Netzwerke von Knoten, wodurch Sicherheit, Dezentralisierung und Zensurresistenz gewährleistet werden. Über Blockchain hinaus haben P2P-Systeme vielfältige Anwendungen im verteilten Rechnen, einschließlich Dateifreigabenetzwerken und Energiehandelsplattformen.