Ob Sie es glauben oder nicht, der Mensch ist gut in der Zusammenarbeit. So haben wir als Spezies überlebt und uns weiterentwickelt, aber je weiter sich die Gesellschaft entwickelt hat, desto zentralisierter waren die Institutionen, die benötigt wurden, um einen Konsens darüber zu erzielen, wie Dinge erledigt werden können – wie die Kontrolle von Geld. Das alles änderte sich 2008 mit der Erfindung von Bitcoin und seiner einzigartigen Blockchain-basierten Konsensmethode – Proof of Work -, die keine Autorität erfordert. Aber wie funktioniert das Verfahren und welche anderen Ansätze gibt es noch? Um dies zu beantworten, haben wir den ultimativen Leitfaden für Krypto-Konsensmechanismen erstellt.
Stellen Sie sich vor, Sie wären Teil einer weltweit verteilten Gruppe von Menschen (eines Netzwerks), die Sie nicht kennen oder denen Sie nicht unbedingt vertrauen, und die vor der Herausforderung stünden, sich über die Genauigkeit eines konstanten Datenflusses, z. B. der täglichen Temperatur, zu einigen. Wie würden Sie einen Konsens über die Genauigkeit der Daten erreichen?
Um Ordnung und Fortschritt zu erreichen, muss es einen Rahmen für die Sammlung und Validierung von Daten und eine Organisationsstruktur mit Verwaltungsangestellten geben, die die Einheitlichkeit der Zielsetzung und die Möglichkeit der doppelten Überprüfung der Genauigkeit der Daten sicherstellen; andernfalls herrscht Chaos, oder?
Das Problem ist besonders schwierig, wenn die Teilnehmer der Gruppe einen Anreiz zum Schummeln haben. Das mag bei Temperaturdaten der Fall sein (wenn man bedenkt, wie politisch dieses Thema ist) und ist definitiv der Fall bei Geld.
Riesige Institutionen mit massiven Arbeitskräften und Prozessen – und dem ultimativen Rückhalt durch das Gesetz – kontrollieren diesen Rahmen, der Geld ausgibt und verwaltet, und versuchen, seinen Wert und Nutzen für den Handel zu erhalten. Das System ist zentralisiert, was bedeutet, dass es zentrale Schwachstellen gibt, denen man einfach vertrauen muss, und es wird letztlich durch die Androhung von Gewalt gestützt.
Das Schöne an Bitcoin als Geldsystem ist, dass durch die Blockchain, die es unterstützt, ein Rahmen gefunden wurde, um ein festes Angebot und einen Konsens über Bitcoin-Guthaben innerhalb eines Ledgers zu erreichen, ohne dass Vertrauen in eine zentrale Autorität oder Durchsetzung erforderlich ist. Nur wirtschaftlicher Anreiz und Code.
Das Problem der Konsensfindung
Bei einer Konsensmethode handelt es sich im Wesentlichen um eine Reihe von Regeln, die von allen Teilnehmern einer Gruppe oder eines Netzwerks als der einzige Weg zur Erzielung einer Einigung akzeptiert werden.
Konsens leitet sich vom lateinischen Wort für Einigung ab. Gesellschaften haben verschiedene Modelle entwickelt, um Entscheidungen zu treffen, wenn die Meinungen unterschiedlich sind und die Diskussionspunkte subjektiv sind – es gibt kein absolutes Richtig oder Falsch.
Jede Konsensmethode beinhaltet spezifische Ziele oder Arbeitsbedingungen, wie z. B. Einigung, Zusammenarbeit, Kooperation, gleiche Rechte für alle Teilnehmer und obligatorische Teilnahme am Konsensprozess.
Demokratische Regierungen verfügen über verschiedene Stufen der Entscheidungsfindung für neue Gesetze, wie der Senat und das Repräsentantenhaus in den USA oder das House of Lord und das Parlament im Vereinigten Königreich; das Verfahren, das sie für die Schaffung neuer Gesetze anwenden, sind Konsensmechanismen. Sie sind komplex und langsam, und es gibt keinen idealen Ansatz; sie sind alle anfällig für Missbrauch und Einflussnahme.
Es ist etwas einfacher, wenn man versucht, sich auf ein sehr spezifisches Ziel zu einigen, das rein mathematisch ausgedrückt werden kann – wie Geld -, aber es ist immer noch eine bemerkenswerte Leistung von Satoshi Nakamoto, ein System geschaffen zu haben, das einen Konsens ohne Vertrauen oder Gewaltandrohung erreicht.
Bitcoin’s Ansatz zum Konsens
Bitcoin (als Geldsystem) ist so konzipiert, dass ein Konsens über die nicht ausgegebenen Bitcoin-Guthaben (die Geldeinheit) innerhalb eines Hauptbuchs (Ledger) erzielt wird, das in einem Netzwerk von Computern – Nodes – existiert, wobei eine Reihe von Regeln, die im Code definiert sind, und wirtschaftliche Anreize (Belohnungen für neue Bitcoin) verwendet werden, anstatt von einer zentralen Behörde verwaltet zu werden.
Dieses Hauptbuch ist als Bitcoin-Blockchain bekannt. Blöcke von Transaktionsdaten, die kryptografisch aneinandergereiht und durch komplexe mathematische Verfahren gesichert sind.
Jeder Knoten im Netzwerk agiert unabhängig von jedem anderen Knoten. Da sie aber alle denselben Regeln folgen, ist das System so aufgebaut, dass neue Daten (die der Blockchain als neue Blöcke hinzugefügt werden), die von den teilnehmenden Knoten vorgeschlagen werden, die einzige Version der Wahrheit sind, der alle Knoten in dem verteilten/dezentralen Computernetzwerk zustimmen.
Das Schlüsselelement der Regeln der Bitcoin-Blockchain, das sicherstellt, dass ein Konsens erreicht wird und nicht gefährdet werden kann, ist der so genannte Proof of Work.
Bitcoin hat andere Konsensmethoden mit anderen Regeln inspiriert, wobei die gängigste der Proof of Stake (PoS) ist. Die Art und Weise, wie die Konsensverfahren funktionieren, wird nun zum Maßstab dafür, wie schnell und wie stark sich diese Blockchains und die von ihnen unterstützten Anwendungen auf dem Markt durchsetzen werden. für dezentrale Dienste.
Proof-of-Work (PoW)
PoW ist das Konsensprotokoll für das Bitcoin-Netzwerk. Es handelt sich um den Prozess der Erzeugung kryptografischer Hashes (Hashing ist der Prozess der Eingabe eines Elements variabler Länge, um ein Ausgabeelement fester Länge in der Blockchain zu erhalten) durch dezentrale Ledger-Netzwerke.
In einem PoW-System wie dem Bitcoin-Netzwerk nehmen die Mining-Knoten in der Regel Daten aus einem Blockchain-Header und lassen sie kontinuierlich durch eine kryptografische Hash-Funktion laufen, wobei sie eine leicht veränderte Eingabe, die Nonce, verwenden.
Ein Nonce ist eine beliebige Zahl, die nur einmal verwendet werden kann und danach verworfen wird, wenn sie keinen Hash ergibt. Daher befinden sich die Schürfer in einem PoW-System immer in einem hektischen Wettlauf, um den Hash zu finden und eine Belohnung in Form von Netzwerk-Token zu erhalten, indem sie mehrere Nonces durchlaufen.
Diese Berechnungen verbrauchen eine große Menge an elektrischer Energie. Im Gegensatz zu den früheren Tagen von Bitcoin, in denen Personalcomputer und später GPUs für den Mining-Prozess verwendet wurden, sind jetzt spezielle Computer, sogenannte ASICs, erforderlich, um diese komplexen mathematischen Probleme zu berechnen, die für das PoW-System benötigt werden.
Vorteile:
- Eiserne Resistenz gegen 51%-Angriffe, die vielleicht die größte Bedrohung für Blockchain-Netzwerke darstellen.
- Ermöglicht Netzwerkteilnehmern, die sich keine vollen Knoten leisten können, den Betrieb von Light Nodes, die weniger Ressourcen benötigen.
Nachteile:
- Scharfe Kritik an der Blockchain, da sie viel Energie verbraucht und zum Klimawandel beiträgt.
- Erfordert enorme Ressourcen für die Einrichtung, so dass es nicht in der Reichweite von Kleinanbietern, sondern von großen Unternehmen liegt.
- Wird als anfällig für Zentralisierung kritisiert, was den ursprünglichen Grundsätzen eines dezentralen Netzwerks zuwiderläuft.
- Die meisten PoW-Blockchains wachsen mit der Zeit linear in der Datengröße, was es schwierig macht, einen vollständigen Knoten zu betreiben. Die andere Möglichkeit wäre, einen Light Node zu betreiben, der den Full Nodes vertrauen muss.
Proof-of-Stake (PoS)
Wie PoW verfolgt auch Proof-of-Stake das Ziel, Transaktionen im Netz zu validieren; PoS verfolgt jedoch einen anderen Ansatz. Anstatt komplexe Hash-Funktionen auszuführen, erfolgt die Validierung neuer Blöcke im Blockchain-Netzwerk durch die zufällige Auswahl von Validierern, die ihre Ressourcen in Form von digitalem Geld oder Netzwerk-Token einsetzen (Lock-in).
Obwohl die Auswahl der Validierer in der PoS-Blockchain zufällig erfolgt, haben die Validierer je nach Höhe ihres Einsatzes eine größere Chance, für den Vorschlag des nächsten Blocks ausgewählt zu werden.
Technisch gesehen validieren die Validatoren im PoS-Netzwerk Blöcke, indem sie eine Wette auf sie abschließen, sobald sie einen Block entdecken, der ihrer Meinung nach der Kette hinzugefügt werden kann. Cardano, Mina Protocol und Ethereum (wenn es vollständig auf Eth 2.0 umgestellt ist) sind Beispiele für Blockchain-Netzwerke, die auf einem Proof-of-Stake-Konsensalgorithmus basieren.
Vorteile:
- PoS erfordert keine harte Rechenarbeit; daher hat es das Potenzial, den Energiebedarf für das Hinzufügen von Blöcken zur Blockchain einer Kryptowährung massiv zu reduzieren.
- Im Vergleich zu seinem PoW-Gegenstück kann es inkrementell skaliert werden, da eine PoS-Kette durch Sharding mehrere Blöcke gleichzeitig erstellen kann, was den Transaktionsdurchsatz erhöht.
Nachteile:
- Der Mechanismus der Konsensmethode ist nicht so einfach zu implementieren, wie es in der Theorie scheint.
- PoS-Protokolle können unter dem “nothing-at-stake”-Problem leiden, bei dem Validierungsknoten mehrere widersprüchliche Kopien der Blockchain validieren, weil die Kosten dafür minimal sind.
- Auch anfällig für Zentralisierung, insbesondere bei neueren Blockchain-Protokollen.
Delegated Proof-of-Stake (DPoS)
DPoS ist ein Konsensalgorithmus, der auf einem Abstimmungssystem basiert. Hier wählen Netzwerkteilnehmer, die “Delegierte” genannt werden, Validatoren, die mit der Aufgabe betraut sind, Blöcke vorzuschlagen. Für ihre Tätigkeit erhalten die Validatoren Netzwerkgebühren, die sie mit den Delegierten teilen, die sie gewählt haben.
Als Delegierter hat man ein Stimmrecht, das proportional zur Höhe des eigenen Anteils ist. Es handelt sich um eine weit verbreitete Konsensmethode, die von Daniel Larimer entwickelt wurde und heute von führenden Blockchain-Netzwerken wie EOS, Tezos, Steem, Tron, Lisk usw. übernommen wird.
Pros:
- Es ist ein leichter zu skalierender Konsensmechanismus.
- Weit verbreitet unter den meisten Blockchain-Plattformen sowie den meisten Sidechains, die auf Basisschicht-Netzwerken implementiert sind.
Nachteile:
- Anfällig für Absprachen zwischen Validatoren und Kartellen
- Die meisten Netzwerkteilnehmer sind auf Delegiertenrollen festgelegt, die nicht aktiv an Blockvorschlägen oder der Validierung beteiligt sind.
Proof-of-Burn (PoB)
Wie der Name schon sagt, senden die Teilnehmer des Proof-of-Burn-Netzwerks ihre Münzen (das können die netzwerkeigenen Token oder andere Münzen wie Bitcoin sein) an eine Burn-Adresse, von der sie nie wieder abgerufen werden können, anstatt in teure Hardware wie ASIC-Miner zu investieren.
Dafür erhalten sie das Privileg, ausgewählt zu werden, um den nächsten Block im Netzwerk vorzuschlagen. Das Verbrennen von Münzen bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Validierer im Gegenzug für ihren kurzfristigen Verlust eine langfristige Verpflichtung eingehen – eine clevere auktionsähnliche Logik, die bei genügend Teilnehmern eine optimale Verbrennungsrate festlegt. Je mehr Münzen die Validierer verbrennen, desto größer sind ihre Chancen, für das Mining des nächsten Blocks ausgewählt zu werden.
Pros:
- Weithin beliebt und aufgrund des wachsenden Interesses von dlt-Netzwerken eingeführt.
Nachteile:
- Wird als verschwenderisch angesehen, da die meisten Ressourcen verbrannt werden
- Wird als anfällig für Zentralisierung angesehen, da nur diejenigen, die bereit sind, mehr Geld zu verbrennen, bessere Chancen haben, als Validierer ausgewählt zu werden.
Proof-of-Elapsed-Time (PoET)
Der PoET-Algorithmus generiert nach dem Zufallsprinzip die verstrichene Zeit, um über Schürfrechte und Blockgewinner in einem Blockchain-Netzwerk zu entscheiden.
Wie bei einem typischen fairen Lotteriesystem, bei dem jede Partei die gleiche Wahrscheinlichkeit hat, ausgewählt zu werden, basiert der PoET-Mechanismus auf einer fairen Verteilung der Gewinnchancen auf die größtmögliche Anzahl von Netzwerkteilnehmern.
In einem PoET-Netzwerk erzeugt jeder teilnehmende Knoten eine zufällig zugewiesene Wartezeit, nach der er inaktiv wird. Der Knoten mit der kürzesten Wartezeit wacht auf, sobald seine Wartezeit abgelaufen ist, um den nächsten Block zu übermitteln, der an die anderen Peers im Netzwerk gesendet wird. Bei dieser Konsensmethode werden zusätzliche Maßnahmen in den Algorithmus eingebaut, um zu verhindern, dass Knoten immer die Wahl gewinnen und dass sie den niedrigsten Timerwert erzeugen.
Pro:
- Obwohl es dem PoW-Konsensmodell von Bitcoin ähnelt, ist es nicht ressourcenintensiv, sondern ermöglicht es den Mining-Prozessoren, zu anderen Aufgaben zu wechseln, während sie darauf warten, dass sie aufgrund des “Random Leader Selection Problems” ausgewählt werden.
- Es ist eine gute Option als Konsensmodell für genehmigte oder private Blockchains wie Hyperledger Fabric.
Nachteile:
- Es ist zu spezialisiert, da es als Teil des Software Guard Extensions (SGX) Programmierreferenzhandbuchs entwickelt und veröffentlicht wurde. Dies kann bedeuten, dass es notwendig ist, sich auf die Sicherheit spezialisierter Hardware zu verlassen, da SGX ausschließlich von Intel hergestellt wird.
Proof-of-Authority (PoA)
Der ehemalige Mitbegründer und CTO von Ethereum, Gavin Wood, entwickelte 2017 das PoA-Konzept, bei dem Netzwerkvalidierer nicht ihre Ressourcen, sondern ihre Identität und ihren Ruf einsetzen müssen. Das Proof-of-Authority-Modell arbeitet mit einer festen Anzahl von Block-Validatoren, die willkürlich als vertrauenswürdige Parteien ausgewählt werden, was es zu einem leicht skalierbaren Blockchain-System macht, da Transaktionen von bereits zugelassenen Netzwerkteilnehmern überprüft werden.
Vorteile:
- Benötigt extrem wenig Rechenleistung und belastet daher den für den Betrieb des Netzwerks erforderlichen Strom nicht wesentlich.
- Skaliert schneller als traditionelle Konsensmodelle wie PoW und PoS.
Nachteile:
- Es fehlt jeglicher Anschein von Dezentralisierung, da nur eine begrenzte Anzahl von Validatoren zugelassen ist, die nicht einmal unbedingt demokratisch gewählt sind.
- Dapps, die auf einer konsensgesteuerten PoA-Blockchain aufgebaut sind, sind nicht völlig zensurresistent, da die begrenzte Anzahl von identifizierten Validatoren Transaktionen zensieren kann.
- Das Risiko der Rufschädigung eines Validators ist möglicherweise nicht groß genug, um Validatoren im Vergleich zu den Gewinnen, die sie erzielen, davon abzuhalten, auf böswillige Weise zu handeln.
Der Wettlauf um eine dominante Konsensmethode
Der Wettlauf um die Frage, welches Blockchain-Netzwerk den größten Marktanteil in der Web3-Wirtschaft haben wird, ist in vollem Gange, und der entscheidende Faktor ist der von den jeweiligen Blockchain-Netzwerken verwendete Konsensalgorithmus.
Der Proof-of-Work-Algorithmus von Bitcoin mag zwar derzeit den größten Marktanteil haben, aber sein umstrittener Energieverbrauch hat zu innovativen neuen Lösungen für das uralte Problem geführt, einen Konsens ohne zentralisierte Macht zu erreichen.
Konkurrierende Netzwerke mit neuartigen Ansätzen zur Konsensfindung versuchen, Schwung zu holen. Ethereum hat sich verpflichtet, von Proof of Work zu Proof of Stake zu wechseln, aber es gibt eine ganze Reihe anderer Herausforderer wie Solana, Algorand, Binance Smart Chain, Polkadot und Cardano, die sich alle in einem fieberhaften Rennen befinden, um den dominanten Ansatz zu entthronen.
In Wahrheit kann keiner von ihnen einen klaren Beweis dafür liefern, dass seine Konsensmethode der neue Standard ist. Das mag einfach daran liegen, dass sie neu und unerprobt sind, oder, noch grundsätzlicher, dass das Grundproblem, einen Konsens mit Zentralisierung zu erreichen, einfach nicht ohne Kompromisse möglich ist.
