Wie entsteht Konsens auf einer Blockchain? — PoW, PoS, DPoS

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Einer der wichtigsten Aspekte von Blockchains und Kryptowährungen ist die dezentrale Konsensfindung, welche durch den Einsatz verschiedener Konsens Algorithmen oder auch Mechanismen erlangt werden kann. Diese Algorithmen sind das Herzstück der Funktionsweise von Kryptos, da sie das Problem des Double Spendings (Doppelausgabe bzw. doppelte Ausgabe) lösen. Eine Herausforderung, die in der Vergangenheit eine breite Adaption digitaler Währungen verhindert hat. Mit der Erfindung der Bitcoin Blockchain und des dezentralen Hauptbuchs, das mit Hilfe eben dieser Konsens Algorithmen verwaltet wird, konnten diese großen Barrieren erstmals überwunden werden. Durch die öffentliche und dezentrale Natur, der für Kryptowährungen verwendeten Hauptbücher, ist es wichtig, innerhalb des Netzwerks einen Konsens zu finden, welcher die Blockchain vor Manipulation und böswillig handelnden Akteuren schützt.

Wie von dev-insider.de erklärt: “Konsensus-Modelle sorgen im Wesentlichen für zwei Dinge: Zum einen dafür, dass es nur ein Block an die Kette schafft und somit alle Nutzer ein und dieselbe Datenbasis nutzen. Zum anderen wird verhindert, dass Nutzer mehrere unterschiedliche Blöcke „anbieten“, um die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, dass sie den nächsten Block anhängen — wofür sie schließlich entlohnt würden. So wird das System vor Forks und Manipulationen geschützt.

Im Kontext der Kryptowährungen werden Konsens Algorithmen also dazu eingesetzt, um sicher zu stellen, dass Transaktionen gültig sind und die Aufzeichnungen über diese Transaktionen an alle Teilnehmer des Netzwerks verteilt werden und für alle identisch sind. In einem zentralisierten System erledigt diese Aufgabe eine zentrale Einheit, bspw. eine Bank, auf einer Blockchain sind eine Gruppe von Minern für diesen Prozess verantwortlich.

Die meisten Blockchain Projekte nutzen derzeit einen der drei gängigen Konsens Algorithmen, jeder von ihnen bringt seine eigenen Vor -und Nachteile mit sich, welche zu den spezifischen Anforderungen der Projekte und Coins passen müssen: Proof-of-Work (PoW), Proof-of-Stake (PoS), Delegated Proof-of-Stake (DPoS).

Anmerkung: Die Blockchain Welt ist ein sich ständig wandelndes System, daher will ich hier anmerken, dass es eine Vielzahl weiterer Ansätze für die Konsensfindung gibt und in Zukunft geben wird. Dies ist eine Momentaufnahme und ich werde diesen Blog updaten, sobald es neue Erkenntnisse und Trends gibt.

Proof-of-Work (PoW)

Proof-of-Work (PoW) war der erste erfolgreiche Blockchain Konsens Algorithmus, also das Original, wenn man so will. PoW wird jedoch immer noch von Bitcoin und einer großen Menge weiterer Kryptowährungen genutzt, darunter auch Ethereum (Ethereum plant die Umstellung auf Proof of Stake, dazu später mehr), Litecoin, ZCash, Monero und viele mehr. PoW erfordert für die Konsensfindung den Einsatz von Energie und Zeit in Form von Computerpower. Im Falle von Bitcoin treten “Miner” gegeneinander an, um eine Sammlung von Transaktionen, bekannt als “Blocks“, an die globale Blockchain anzuhängen, welche für das Netzwerk öffentlich zugänglich ist und alle verifizierten Transaktionen enthält. Somit werden auch alle neuen Transaktionen, die die Miner versuchen hinzuzufügen zu gültigen Transaktionen.

Die Miner nutzen Hashfunktionen, also mathematische Funktionen, die aus einer Zeichenkette beliebiger Länge eine Zeichenkette fester Länge erzeugen. Die Schwierigkeit liegt darin, dass ein Ergebnis mit gewissen Eigenschaften gefunden werden muss, die sich aus der Hashfunktion ergeben. Die Miner versuchen zu einem vorgegebenen Output den zugehörigen Input zu finden. Aus Sicht des Miners muss also die Fragestellung gelöst werden: „Welchen Input muss ich in die mathematische Funktion eingeben, um den vorgegebenen Output zu erhalten?“ Eine wichtige Eigenschaft der verwendeten Hashfunktion ist es, das der Input nicht einfach auf Basis des Outputs berechnet werden kann. Stattdessen muss man „raten“, was der Input war, mit dem man genau diesen Output erzielen kann. Daher führen die Miner die Berechnungen milliardenfach pro Sekunde durch und probieren viele Inputwerte aus, bis man schließlich einen Input gefunden hat, der den gewünschten Output ergibt. Ist der Block dann korrekt gemined, wird er, an die Blockchain angehangen.

Der große Vorteil beim PoW ist seine Geschichte, er ist der einzige Konsens Algorithmus, der seine Zuverlässigkeit, schon seit vielen Jahren beweist, was man über die anderen Konzepte noch nicht sagen kann.

Proof-of-Stake (PoS)

Es gibt mittlerweile eine ganze Reihe verschiedener Ausführungen des Proof-of-Stake (PoS) Algorithmus. Das Grundprinzip ist jedoch bei allen gleich: Die grundlegende Idee des Proof of Stake (PoS) ist nämlich, die Entkoppelung der Stimmgewalt eines Miners von seiner Rechenleistung, hin zur Gewichtung anhand der Anzahl der sich in seinem Besitz befindenden Coins. Also anstatt Computerleistung aufzuwenden, kumuliert der Miner eine Vielzahl an Coins, die er anschließend in einer Wallet “lockt”(verschließt — diese Coins können nicht getradet oder versendet werden). Die Entscheidung darüber, welcher Miner den neuen Block komplementieren darf (und somit auch die Belohnung einstreicht), wird bemessen an der Menge der Coins, die er besitzt. Je größer der Anteil des Einzelnen am Gesamtwert und je länger er seinen Anteil bereits hält, desto höher wird die Wahrscheinlichkeit, dass die Wahl auf ihn fällt. Es geht bei der Auswahl hauptsächlich darum, sicher zustellen, dass der Miner die langfristigen Ziele des Projekts unterstützt.

Anders als beim Proof-of-Work Algorithmus, welcher Fehlverhalten durch den Einsatz unökonomischer fördert und ermöglicht, wird beim Proof-Of-Stake, die Verantwortung über die Vertrauenswürdigkeit und somit Zukunft eines Projekts in die Hände derer gelegt, die das größte Interesse am Erfolg eines Coins haben, nämlich die, die am meisten davon besitzen. Proof-of-Stake wird derzeit von Coins wie Dash, Neo und Stratos verwendet. Auch in Ethereum Roadmap ist ein Wechsel von PoW auf PoS vorgesehen, da dieser Ansatz wesentlich energiesparender und wahrscheinlich besser in der Abwehr von Hackerangriffen ist.

Delegated Proof-of-Stake (DPoS)

Im Name zwar sehr ähnlich zum Proof-of-Stake, bringt der Delegated Proof-of-Stake (DPoS) in seiner Funktionsweise jedoch einige grundlegende Unterschiede mit sich. Beim DPoS sind nicht diejenigen mit den meisten Coins dazu berechtig Transaktionen zu bestätigen, sondern alle Token Besitzer wählen eine Gruppe an Delegierten, die diese Aufgabe ausführt. DPoS bleibt in dem Sinne “dezentralisiert“, als dass alle Teilnehmer des Netzwerks dazu berechtig sind, die Gruppe auszuwählen, die die Transaktionen bestätigen darf. Der positive Aspekt der zentralisierten Seite beim DPoS ist eine höhere Geschwindigkeit bei der Verifizierung und somit auch bei den Transaktionen. Der ständige Voting Prozess, welcher zur schnellen Auswechslung eines Delegierten führen kann, sorgt für ein hohes Maß an Pflichtbewusst seitens der gewählten Prüfer und hält diese Verantwortung bewusst und ehrlich. Größter Vorteil des DPoS ist die bereits angesprochene Transaktionsgeschwindigkeit, die zu einer hohen Skalierbarkeit führt. Der Nachteil ist, dass dieses teilweise zentralisierte Modell sich noch bei keinem großen Projekt als effektive und sichere Lösung bewiesen hat. EOS, Steemit und ARK nutzen DPoS.

Die Zukunft der Konsens Mechanismen

Wie bereits in der Einleitung erwähnt, ist das Problem von Konsens und Transaktionsverifizierung schwierig und außerordentlich vielseitig. Über die nächsten Jahre werden wir einige Konsens Algorithmen sehen die ihre ganz eigenen Ansätze und somit Vor- und Nachteile mit sich bringen und möglicherweise die bisherigen Methoden ablösen.

Beim Prof of Importance geht es bspw. nicht allein um die Anzahl der Coins, die man hält, sondern um die Fähigkeit, das Netzwerk “voran” zu bringen. Wichtige Faktoren sind hierfür z.b die allgemeine Bekanntheit (ähnlich wie in einem sozialen Netzwerk) oder die Anzahl an Transaktionen innerhalb des Netzwerks. Ziel beim PoI ist es, ein allumfassendes Bild eines “nützlichen” Mitglieds abzubilden.

Decentralized acyclic graphs (DAGs) bekommen derzeit eine Menge Aufmerksamkeit und bieten einen aussichtsreichen Ansatz, wenn es um Skalierbarkeit geht (hierzu kommt mit Sicherheit in Zukunft mal ein ausführlicher Artikel). Hashgraph, Tangle, und Block-lattice sind hier die prominentesten Ausführungen.

Fazit

Zurzeit müssen sich Blockchain Projekte zwischen Geschwindigkeit und Grad der Dezentralisierung entscheiden, wenn sie über die Wahl des passenden Konsens Mechanismus nachdenken. Es wird spannend zu sehen, wie diese Mechanismen mit der steigenden Zahl an Nutzern und Transaktionen zurechtkommen und welche neuen Lösungen wir in Zukunft sehen werden.

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