Das dezentralisierte Netzwerk der Blockchain-Technologie etabliert ein System, das frei von Korruption ist und gleichzeitig erhöhte Sicherheit, Transparenz und Unveränderlichkeit bietet. Das ist allgemein bekannt. Aber haben Sie sich schon einmal gefragt, wie ein solches System ohne eine zentrale Kontrollinstanz funktioniert oder wie die Überprüfung von Transaktionen durchgeführt wird?
Ein zentrales Versprechen der Blockchain-Technologie ist ein vertrauenswürdiges Peer-to-Peer-System, bei dem die Gemeinschaft bei der Bestätigung der Echtheit von Transaktionen mitwirkt. Doch wie genau funktioniert das? Die Antwort lautet: durch verschiedene Methoden, die als Blockchain-Konsensalgorithmen bezeichnet werden.
Diese Algorithmen, auch Konsensprotokolle genannt, sind die Regeln, nach denen die Netzwerke operieren. Wenn Sie dies interessant finden, dann lesen Sie unseren umfassenden Leitfaden, um zu erfahren, was Blockchain-Konsensalgorithmen sind, welche Ziele sie verfolgen, wie sie funktionieren und worin die Unterschiede zwischen den beiden am häufigsten verwendeten Methoden liegen.
Wie funktionieren Blockchains?
Die Blockchain ist im Grunde ein System zur Aufzeichnung von Informationen, das so konstruiert ist, dass es nicht manipuliert oder gehackt werden kann. Sie wird auch als Distributed Ledger Technology (DLT) bezeichnet und nutzt dezentralisierte kryptografische Hash-Funktionen, um eine sichere und transparente Historie digitaler Vermögenswerte zu erstellen.
Obwohl die Blockchain auf einem komplexeren System aufbaut, kann eine einfache Analogie ihre Funktionsweise veranschaulichen: Stellen Sie sich Google Docs vor. Anstatt Dokumente zu kopieren und zu verschicken, können alle Teammitglieder ein über Google Docs erstelltes Dokument gleichzeitig einsehen und bearbeiten.
Google Docs verwendet eine dezentrale Vertriebsstruktur, die es allen Teammitgliedern ermöglicht, parallel auf das Dokument zuzugreifen. Sämtliche Änderungen werden in Echtzeit erfasst und sind für alle transparent, da niemand ausgeschlossen wird.
Jeder Block in der Blockchain enthält eine Anzahl von Transaktionen. Sobald ein Nutzer eine neue Transaktion in die Blockchain einfügt, wird der Transaktionsdatensatz allen Teilnehmern des Netzwerks hinzugefügt.
Versucht ein Benutzer einen Block in der Kette zu manipulieren, wird dies für alle beteiligten Computer unmittelbar sichtbar. Ein Hacker, der das System kompromittieren möchte, müsste also alle Blöcke der Kette über jede verteilte Version hinweg verändern.
Was ist ein Blockchain-Konsensmechanismus?
Ein Konsensmechanismus ist ein Verfahren, mit dem eine Gruppe von Personen Entscheidungen treffen und die Einhaltung von Vereinbarungen sicherstellen kann, ohne auf eine zentrale Kontrollinstanz angewiesen zu sein. Ein Blockchain-Konsensalgorithmus beschreibt den Prozess, durch den Teilnehmer eines Blockchain-Netzwerks eine gemeinsame Übereinstimmung oder einen Konsens über den aktuellen Zustand der Blockchain erreichen.
Das Konsensprotokoll ermöglicht es dem Blockchain-Netzwerk, Zuverlässigkeit zu gewährleisten und Vertrauen zwischen den verschiedenen Knoten zu schaffen, während gleichzeitig die Sicherheit im verteilten Ledger aufrechterhalten wird. Ein Konsensalgorithmus ist daher ein wesentlicher Bestandteil jeder Blockchain-Anwendung oder jedes DApps-Projekts.
Blockchain-Konsensmechanismen sind im Allgemeinen für die folgenden drei Aspekte verantwortlich:
- Sie stellen sicher, dass der nächste Block in der Kette die einzig korrekte Version der Wahrheit ist.
- Sie verhindern, dass böswillige Angreifer eine Mehrheit von 51 % der Hash-Leistung erlangen, das System übernehmen und die Kette erfolgreich forken.
- Sie garantieren die Zuverlässigkeit eines Netzwerks, das aus mehreren Knoten besteht, was einer der wichtigsten Aspekte ist, da er die Integrität des Netzwerks bestätigt. Ein Schlüsselelement von Konsensmechanismen ist die Verhinderung von doppelten Ausgaben (Double Spending) einer Kryptowährung.
Andere Finanzdienstleister, wie z.B. Kredit- und Debitkartenunternehmen, nutzen keine Konsensmechanismen, da diese im Gegensatz zu Blockchain-Systemen ihre Netzwerke zentral verwalten. Wenn Sie Ihre Kreditkarte einsetzen, werden die Informationen an eine zentrale Datenbank weitergeleitet. Nutzer von Kreditkarten vertrauen darauf, dass diese Unternehmen sowohl ihre Daten als auch den ordnungsgemäßen Ablauf ihrer Bestellungen bei Transaktionen schützen können.
Da ein Kreditkartenunternehmen die Kontrolle über sein gesamtes Netzwerk behält, behält es sich auch das Recht vor, Transaktionen zu stornieren oder zu zensieren. Darüber hinaus sind die meisten zentralisierten Datenbanken sehr anfällig für Hackerangriffe und Korruption.
Hier kommt die Blockchain mit ihren Kryptowährungen ins Spiel: Es ist jetzt möglich, Peer-to-Peer-Transaktionen durchzuführen, die innerhalb eines dezentralisierten Netzwerks vertrauenswürdig, unveränderlich und nachvollziehbar sind. Da es in solchen Netzwerken keine zentrale Kontrollinstanz gibt, die die Einhaltung der Regeln sicherstellt, sorgen verschiedene Arten von Blockchain-Konsensalgorithmen dafür, dass jeder Teilnehmer des Netzwerks die Regeln akzeptiert und einhält.
Ziele von Blockchain-Konsensmechanismen
Die Hauptziele von Blockchain-Konsensmechanismen umfassen:
#1. Einheitliche Übereinstimmung
Das Erreichen einer einheitlichen Übereinstimmung ist eines der Hauptziele des Konsensmechanismus. Die in das dezentrale Blockchain-Netzwerk eingebetteten Protokolle stellen sicher, dass alle eingegebenen Daten korrekt und genau sind und dass der Status des Ledgers aktuell bleibt. Dadurch können Nutzer Transaktionen durchführen, ohne zwingend Vertrauen zu ihren Gegenparteien aufbauen zu müssen.
#2. Schaffung eines gemeinsamen wirtschaftlichen Anreizes
Da die Blockchain ein System ohne Vertrauensnotwendigkeit ist, das sich selbst reguliert, müssen die Interessen aller Beteiligten in Einklang gebracht werden. In diesem Fall belohnt ein Blockchain-Konsensalgorithmus diejenigen, die sich an die Regeln halten, und bestraft die schwarzen Schafe, während wirtschaftliche Anreize gesteuert werden.
#3. Fairness und Gerechtigkeit
Konsensprotokolle sorgen dafür, dass alle interessierten Nutzer unter gleichen Bedingungen am Netzwerk teilnehmen können. Dies unterstützt die Dezentralisierung und die Open-Source-Natur des Blockchain-Systems.
#4. Beseitigung von Fehlern
Der Konsensmechanismus stellt auch sicher, dass die Blockchain konsistent, zuverlässig und fehlerfrei ist, so dass das System jederzeit unabhängig funktionieren kann, selbst im Falle von Ausfällen oder Bedrohungen.
Arten von Blockchain-Konsensalgorithmen: Proof of Work vs. Proof of Stake
Es gibt zahlreiche Konsensalgorithmen im Blockchain-Ökosystem, und es werden ständig neue entwickelt. Daher sollte jeder Nutzer oder Unternehmer mit den Besonderheiten der verschiedenen Konsensmechanismen vertraut sein und wissen, wie man schlechte von guten unterscheidet. Nachdem Sie die Grundlagen von Blockchain-Konsensalgorithmen kennengelernt haben, ist es nun an der Zeit, die Stärken und Schwächen der beiden beliebtesten Konsensverfahren zu untersuchen.
Proof of Work (PoW) und Proof of Stake (PoS) sind die am weitesten verbreiteten Blockchain-Konsensverfahren. Beide regeln den Prozess, durch den Peer-to-Peer-Transaktionen ohne eine zentrale Behörde überprüft und in das öffentlich verteilte Hauptbuch einer Blockchain aufgenommen werden. Ein Verständnis der Unterschiede zwischen PoW und PoS hilft Ihnen bei der Bewertung der Kryptowährungen in Ihrem Portfolio.
Was ist Proof of Work (PoW)?
Die Proof-of-Work-Konsensmethode wurde in den frühen 1990er Jahren eingeführt, um E-Mail-Spam zu bekämpfen. Die Grundidee war, dass ein Computer eine gewisse Arbeit leisten muss, bevor er eine E-Mail senden kann. Während die Arbeit für den Versand einer oder zwei regulärer E-Mails trivial sein sollte, erforderte sie für das Versenden von Massen-E-Mails erhebliche Mengen an Ressourcen und Rechenleistung. Satoshi Nakamoto, der Schöpfer von Bitcoin, war der erste, der diese Technologie für digitales Geld im Bitcoin-Whitepaper anwandte.
a. Blockchain-Ordnung
Wie Sie bereits wissen, besteht eine Blockchain aus einer Reihe von Blöcken, die chronologisch angeordnete Gruppen von Transaktionen darstellen. Der erste Block in einer Proof-of-Work-basierten Blockchain ist fest in die Software einprogrammiert und wird als Block 0 oder Genesis-Block bezeichnet. Während der erste Block keinen Bezug zu früheren Blöcken hat, müssen alle anderen Blöcke auf vorherige Blöcke verweisen. Jeder Teilnehmer trägt eine Kopie des aktualisierten Hauptbuchs.
b. Energieverbrauch
Der Proof-of-Work-Algorithmus nutzt einen Wettbewerb, um zu bestimmen, welcher Teilnehmer (Kryptowährungs-Miner) das Hauptbuch aktualisieren kann. Miner müssen Rechenleistung aufwenden, um sich zu qualifizieren, gültige Blöcke gemäß den Netzwerkregeln vorzuschlagen.
Computer, die die Bitcoin-Software ausführen (sogenannte Nodes), validieren Transaktionen, verhindern doppelte Ausgaben und entscheiden, ob ein vorgeschlagener Block der Kette hinzugefügt werden soll. Bitcoin-Miner konkurrieren darum, einen neuen Block zu erstellen, indem sie komplexe mathematische Aufgaben durch ein Verfahren namens Hashing lösen. Die mathematischen Probleme sind schwer zu lösen, aber die richtige Lösung kann leicht vom Netzwerk überprüft werden.
c. Beteiligung
Die PoW-Konsensmethode kombiniert Rechenleistung mit Kryptographie, um einen Konsens herzustellen und in der Blockchain aufgezeichnete Transaktionen zu validieren. Miner, die sich am Hashing-Prozess beteiligen, müssen die korrekte Antwort auf das mathematische Problem finden, um sich für das Hinzufügen eines neuen Blocks zur Kette zu qualifizieren.
Die teilnehmenden Miner generieren eine Reihe von Pseudozufallszahlen, die in Verbindung mit den Informationen im Block eine Lösung ergeben müssen, die den vom Algorithmus festgelegten Bedingungen entspricht. Diese Lösung wird durch einen Hash-Funktionscomputer ermittelt.
Sobald eine Antwort gefunden wurde, sendet das System den Gewinner-Hash an das Netzwerk, damit andere Miner seine Gültigkeit überprüfen können. Wird der Hash von den anderen Minern verifiziert, wird der Block zur Blockchain hinzugefügt, und der erfolgreiche Miner erhält eine Belohnung in Form von neuen Kryptowährungseinheiten.
d. Belohnungsverteilung
Die Person, die einen Block in der Blockchain erfolgreich schürft und dieser vom Netzwerk akzeptiert wird, erhält eine Blockbelohnung, in der Regel in Form von neuen Kryptowährungseinheiten. Bei Kryptowährungen wie Bitcoin reduziert die Blockchain systematisch die Höhe der Blockbelohnung nach einer bestimmten Anzahl von erstellten Blöcken, um den Gesamtbetrag der Mittel endlich und deflationär zu halten.
Was ist Proof of Stake (PoS)?
Die Proof of Stake (PoS)-Konsensmethode wurde 2012 als Alternative zu PoW entwickelt. Anstatt sich nur darauf zu verlassen, dass Computer im Wettbewerb gegeneinander antreten, um den richtigen Hash zu generieren, ist das Ziel eines PoS-Konsensprotokolls, die Beteiligung durch das Eigentum an der jeweiligen Kryptowährung zu ermöglichen. Das Hauptziel war es, den hohen Energieverbrauch von PoW bei der Bestimmung der Blockchain-Reihenfolge zu verringern.
Der PoS-Algorithmus nutzt eine Reihe vordefinierter Faktoren, um einen Knoten unter den Münzbesitzern per Zufallsprinzip auszuwählen, der den nächsten Block für die Blockchain vorschlagen darf. Die Aufgabe des ausgewählten Knotens ist es, die Gültigkeit der Transaktionen innerhalb eines Blocks zu verifizieren und den Block für die Validierung zu signieren und an die Blockchain zu übermitteln.
a. Blockchain-Ordnung
Wie bei der PoW-Methode besteht auch die PoS-Konsensmethode aus einer Reihe von Blöcken, die chronologisch geordnet sind. Der erste Block innerhalb einer PoS-basierten Blockchain ist ebenfalls in der Software des Genesis-Blocks fest codiert. Alle folgenden Blöcke, die der Blockchain hinzugefügt werden, müssen auf den vorhergehenden Block verweisen und eine vollständige Kopie des aktualisierten Ledgers enthalten. Im Gegensatz zur PoW-Methode konkurrieren die teilnehmenden Knoten jedoch nicht um die Auswahl zum Hinzufügen von Blöcken. Daher werden neue Blöcke in der Regel „geschmiedet“ oder „geprägt“, anstatt abgebaut zu werden.
b. Energieverbrauch
PoS-basierte Blockchains sind bekannt für ihren energieeffizienten Ansatz, um zu bestimmen, wer neue Blöcke vorschlagen kann. Sie sind nicht auf hohen Energieverbrauch und Rechenleistung angewiesen. Befürworter des PoS-Konsensmechanismus bezeichnen ihn als umweltfreundlich, da hier ein einzelner Knoten die Aufgabe erhält, neue Blöcke zu erstellen, anstatt dass Knoten gegeneinander konkurrieren.
Sowohl PoW- als auch PoS-Mining benötigen Energie, weshalb Miner und Mining-Knoten motiviert sind, die günstigste Form von Strom zu verwenden, meist aus erneuerbaren Ressourcen wie Wasser-, Wind- oder Sonnenenergie und nicht aus Treibhausgasen erzeugenden Quellen wie Kohle.
Während PoS-Miner lediglich eine aktive Internetverbindung benötigen, die wenig Energie verbraucht, benötigen PoW-Miner spezialisierte Hardware (GPUs), Mining-Ausrüstung und andere kostspielige Geräte, um überhaupt eine Chance zu haben, einen Block zu produzieren.
c. Beteiligung
Um am PoS-Konsensverfahren teilnehmen zu können und die Chance zu erhalten, für das Hinzufügen von Blöcken zur Kette ausgewählt zu werden, muss ein Nutzer eine bestimmte Menge an Token der Blockchain in einem Smart Contract einsetzen oder „sperren“. Ihre Chance, für die Teilnahme ausgewählt zu werden, hängt von der Menge der eingesetzten Kryptowährung ab.
Nutzer, die böswillig handeln oder gegen die aufgestellten Regeln verstoßen, können ihren Einsatz als Strafe verlieren. Der PoS-Algorithmus verwendet noch andere bestimmende Faktoren, um zu vermeiden, dass nur die wohlhabendsten Knoten bevorzugt werden. Einige davon beinhalten eine reine Zufallsziehung oder die Häufigkeit, mit der ein Knoten Münzen eingesetzt hat.
d. Belohnungsverteilung
Ähnlich wie beim PoW-Konsensmechanismus werden Nutzer, die erfolgreich einen gültigen Block vorschlagen, mit einer Blockbelohnung belohnt, die auf die Kryptowährung der Blockchain bezogen ist. Da der Besitz von Coins die Auswahl bestimmt, bieten einige Kryptowährungsbörsen Staking-Dienste an, indem sie im Auftrag ihrer Nutzer Stakes platzieren und dafür regelmäßige Auszahlungen leisten.
PoW vs. PoS: Wem gehört die Zukunft?
Unser Fazit zum Vergleich der Blockchain-Konsensalgorithmen Proof of Work und Proof of Stake lautet, dass beide unterschiedliche Wege gehen, um den gleichen Zweck zu erfüllen. Da Proof of Stake jedoch noch relativ neu auf dem Markt ist, ist es vielleicht zu früh, um einen klaren Gewinner zu küren.
PoW war der traditionelle Konsensmechanismus in den meisten ursprünglichen Blockchains wie Bitcoin und Ethereum. Ethereum ist jedoch dabei, ein neues PoS-Protokoll einzuführen, um das Potenzial der aufkommenden Konsensverfahren zu demonstrieren.
Der PoW-Konsensmechanismus hat seine Robustheit und seine Fähigkeit zur Absicherung einer Blockchain unter Beweis gestellt. Er hatte jedoch negative Auswirkungen auf die Skalierbarkeit des Netzwerks, was sich wiederum negativ auf die Transaktionen auswirkt. Heutzutage haben Privatpersonen kaum noch die Möglichkeit, Mining zu betreiben, da große, zentralisierte Mining-Unternehmen mit immenser Rechenleistung die Kontrolle übernommen haben und die damit verbundenen Kosten unerschwinglich machen.
Der PoS-Algorithmus hingegen ist energieeffizienter, und die zugrunde liegenden Netzwerke profitieren von einer höheren Skalierbarkeit und effizienteren Transaktionen. Der Mechanismus bietet jedoch weniger Sicherheit für die von den Teilnehmern eingesetzte Kryptowährung.
Fazit
PoS wurde entwickelt, um die Mängel des PoW-Mechanismus zu beheben und glänzt vor allem im Bereich der Energieeffizienz. Beide Blockchain-Konsensalgorithmen dürften jedoch auf absehbare Zeit relevant bleiben, da Bitcoin auf PoW setzt, während Ethereum zu PoS tendiert.
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