Konsens-Algorithmen der Blockchain erklärt

Blockchains wurden erst durch die Entwicklung eines entscheidenden Mechanismus möglich: eines Konsens-Algorithmus, der die Koordination zwischen Nutzern oder Maschinen in einer verteilten Umgebung ermöglicht. Die Hauptaufgabe dieses Algorithmus ist sicherzustellen, dass alle Teilnehmer im System sich auf eine einzige Quelle der Wahrheit einigen können, selbst wenn einige Teilnehmer ausfallen. Diese Fehlertoleranz ist wesentlich für den Erfolg des Systems.

Im Gegensatz zu einer zentralen Struktur, in der eine einzige Instanz die volle Kontrolle über das System hat und Änderungen nach Belieben vornehmen kann, stellt ein dezentrales Format eine große Herausforderung dar. Bei einer verteilten Datenbank etwa: Wie einigen wir uns darauf, welche Einträge hinzugefügt werden sollen?

Die Lösung liegt in der Entwicklung eines komplexen Governance-Systems, das es Fremden, die sich nicht vertrauen, erlaubt, einen Konsens zu erzielen. Diese Hürde zu überwinden war ein Meilenstein in der Entwicklung von Blockchains, die auf Konsens-Algorithmen angewiesen sind, um die Integrität des Systems zu gewährleisten.

Konsens-Algorithmen in der Kryptowelt

Die Blockchain dient als Datenbank von Kryptowährungen und zeichnet die Kontostände der Nutzer auf. Alle Nodes im Netzwerk müssen eine identische Kopie der Datenbank führen, um widersprüchliche Informationen zu vermeiden, die den gesamten Zweck des Kryptowährungsnetzwerks untergraben würden.

Öffentliche Schlüssel-Kryptographie sorgt dafür, dass Nutzer nicht die Coins anderer ausgeben können. Dennoch ist eine einzige Quelle der Wahrheit notwendig, damit die Netzwerkteilnehmer feststellen können, ob Gelder bereits ausgegeben wurden.

Um die Teilnehmer bei Bitcoin zu koordinieren, schlug dessen Schöpfer Satoshi Nakamoto ein Proof-of-Work-System (PoW) vor, das wir gleich erklären. Zuvor betrachten wir jedoch die gemeinsamen Merkmale von Konsens-Algorithmen.

Erstens müssen Validatoren, die Blöcke hinzufügen wollen, einen Einsatz bringen, der unehrliches Verhalten unattraktiv macht. Der Einsatz kann Rechenleistung, Kryptowährung oder Reputation sein. Wenn sie betrügen, verlieren sie ihren Einsatz. Es gibt eine Belohnung in Form der nativen Kryptowährung des Protokolls, die aus von anderen Nutzern gezahlten Gebühren, neu geschaffenen Einheiten oder beidem bestehen kann.

Schließlich ist Transparenz entscheidend, um Betrug aufzudecken. Es sollte kostspielig für Validatoren sein, Blöcke zu erzeugen, aber kostengünstig für andere, diese zu validieren. So werden Validatoren von normalen Nutzern kontrolliert.

Die gebräuchlichsten Konsens-Algorithmen

Proof of Work

Proof of Work ist ein altbewährter Konsens-Algorithmus, der durch Bitcoin populär wurde, aber schon länger existiert. Dieser Algorithmus verlangt von Validatoren, die als Miner bezeichnet werden, dass sie Daten, die sie in die Kette aufnehmen wollen, so lange hashen, bis sie eine bestimmte Lösung finden. Ein Hash ist eine Zeichenfolge aus Buchstaben und Zahlen, die entsteht, wenn Daten durch eine Hash-Funktion laufen; schon die kleinste Änderung führt zu einem völlig anderen Ergebnis.

Im Proof-of-Work-Protokoll werden Bedingungen festgelegt, die bestimmen, wann ein Block gültig ist. Beispielsweise könnte ein Block, dessen Hash mit 00 beginnt, als gültig gelten. Um einen Block zu schaffen, der diese Kriterien erfüllt, müssen Miner Eingaben per Brute-Force durchprobieren und Parameter verändern, bis der richtige Hash entsteht. Bei großen Blockchains liegt die Messlatte sehr hoch, sodass Miner viel spezielle Hardware und Strom benötigen, um konkurrenzfähig zu sein.

Im Proof-of-Work-System erbringen Miner ihren Einsatz in Form der Kosten für Maschinen und Strom, die zum Mining nötig sind. ASICs, also spezialisierte Mining-Hardware, sind teuer und außerhalb des Krypto-Minings weitestgehend nutzlos. Erfolgreiches Schürfen eines neuen Blocks kann jedoch erhebliche Belohnungen einbringen.

Für das Netzwerk ist es einfach zu überprüfen, ob ein Miner einen gültigen Block erstellt hat. Selbst wenn der Miner Billionen Kombinationen ausprobiert hat, muss das Netzwerk die Daten nur einmal durch die Funktion laufen lassen. Produziert die Eingabe einen gültigen Hash, erhält der Miner die Belohnung; andernfalls wird der Block abgelehnt.

Proof of Stake

Als Alternative zu Proof of Work wurde in den frühen Tagen von Bitcoin das Konzept Proof of Stake (PoS) vorgeschlagen. Es eliminiert die Notwendigkeit für spezialisierte Hardware, hohen Energieverbrauch und Miner. Stattdessen müssen Staker eine Mindestmenge an Kryptowährung halten, um für das Staking berechtigt zu sein.

Sobald sie berechtigt sind, sperren Staker ihre Mittel in einer Wallet und einigen sich mit anderen Validatoren darauf, welche Transaktionen in den nächsten Block aufgenommen werden. Das Protokoll wählt dann einen Block aus, und der Validator des ausgewählten Blocks erhält einen Teil der Transaktionsgebühren basierend auf seinem Einsatz. Je mehr Mittel gesperrt sind, desto größer ist der potenzielle Gewinn. Betrug führt zum Verlust eines Teils oder des gesamten Einsatzes.

Pures Proof of Stake wurde bisher vor allem in kleineren Kryptowährungen eingesetzt, und seine Tauglichkeit als echte Alternative zu PoW ist noch nicht vollständig geklärt. In der Regel sind bei PoS-Validatoren keine neu geschaffenen Coins Teil der Belohnung. Die native Währung der Blockchain muss also auf anderem Wege ausgegeben worden sein, etwa durch eine anfängliche Verteilung (z. B. ICO oder IEO) oder indem das Protokoll mit PoW startet und später auf PoS umstellt.

Der Übergang zu PoS ist ein Feld für Spieltheorie und finanzielle Anreize. Er ist nur auf einem live laufenden Netzwerk realisierbar, denn wer die technischen Mittel hätte, ein PoS-System zu „knacken“, würde dies nur tun, wenn sich ein persönlicher Vorteil daraus ergäbe.

Andere Konsens-Algorithmen

Es gibt zahlreiche Konsens-Algorithmen neben Proof of Work und Proof of Stake. Diese Alternativen bringen jeweils eigene Vor- und Nachteile mit sich. Hier eine Liste einiger Beispiele:

• Delayed Proof of Work
• Leased Proof of Stake
• Proof of Authority
• Proof of Burn
• Delegated Proof of Stake
• Hybrider PoW/PoS-Konsens

Fazit

Der Einsatz von Konsensmechanismen ist für das Funktionieren verteilter Systeme unerlässlich. Viele halten Bitcoin's wichtigste Innovation für die Einführung von Proof of Work, das es Nutzern ermöglicht, sich auf eine gemeinsame Faktenbasis zu einigen.

Konsens-Algorithmen bilden das Fundament digitaler Währungssysteme und Blockchains und erlauben Entwicklern, Code über ein verteiltes Netzwerk auszuführen. Sie sind ein grundlegender Bestandteil der Blockchain-Technologie, und die langfristige Belastbarkeit bestehender Netzwerke hängt von ihnen ab.

Proof of Work ist nach wie vor der am weitesten verbreitete Konsens-Algorithmus, und es hat sich noch keine Alternative als zuverlässiger oder sicherer erwiesen. Dennoch gibt es umfangreiche Forschung und Entwicklung, die darauf abzielt, PoW zu ersetzen, und es ist wahrscheinlich, dass in den kommenden Jahren weitere Alternativen entstehen werden.