Konsensus-Mechanismen: Was man wissen sollte

Damit sich alle Teilnehmer in einem dezentralen System korrekt verhalten, müssen wirtschaftliche Anreize so gestaltet werden, dass Fehlverhalten einzelner Akteure vermieden wird. Blockchain-Technologie ermöglicht es Individuen und Organisationen weltweit, in einem Netzwerk unter Verwendung einer gemeinsam verwalteten Transaktionsliste zusammenzuarbeiten. Um sicherzustellen, dass Netzwerkteilnehmer ehrlich handeln, werden Transaktionen kollaborativ validiert und verifiziert (Voshmgir & Kalinov, 2018). In diesem Prozess verwenden verschiedene Konsensmechanismen Anreize, um sicherzustellen, dass sich jeder Teilnehmer im besten Interesse des Netzwerks verhält. Dies schafft ein sicheres, fehlertolerantes und neutrales System, in dem es sich nicht lohnt, andere zu betrügen. Wie Konsensmechanismen funktionieren und welche wirtschaftlichen Anreize angewendet werden, wird im Folgenden diskutiert.

Ein Konsensmechanismus ist ein Protokoll, das in einer Blockchain sicherstellt, dass alle Netzwerkknoten miteinander synchronisiert sind. Das Protokoll definiert die Regeln, nach denen die Netzwerkknoten sich über die Transaktionen einigen, die legitim zur Blockchain hinzugefügt werden sollen. Die am weitesten verbreiteten Konsensmechanismen sind der Proof-of-Work (PoW) und Proof-of-Stake (PoS) Konsens.

Proof-of-Work

Proof-of-Work (PoW) war der erste Konsensalgorithmus einer Blockchain. Satoshi Nakamoto (2008) übernahm den PoW-Algorithmus von Back (2002) für die Verwendung in der Bitcoin-Blockchain. Der PoW-Algorithmus ist nicht nur der Grund für die hohe Sicherheit von Transaktionen im Bitcoin-Netzwerk, sondern auch für die Mining-Aktivitäten und den damit verbundenen Stromverbrauch. PoW ist eine sehr zuverlässige, aber eher ineffiziente Methode zur Validierung von Transaktionen für eine große Anzahl von Netzwerkknoten. Aufgrund dieser Ineffizienzen arbeiten Forscher derzeit an verschiedenen Möglichkeiten, einen manipulationssicheren Konsens in einem dezentralen System zu erreichen. Ein Beispiel ist das Ethereum-Projekt. Durch den Wechsel von PoW zu PoS soll die Skalierbarkeit und Effizienz der Smart-Contract-Plattform erhöht werden (Whiterspoon, 2018).

Wie funktioniert PoW?

In PoW lösen sogenannte Miner komplexe mathematische Aufgaben, die viel Rechenleistung erfordern. Der Erste, der die Aufgabe löst, erstellt einen Block von Transaktionen und erhält dafür eine Belohnung. Je mehr Rechenleistung ein Miner einsetzt, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass dieser Miner einen Block erstellen kann (Blockgenic, 2018).

Alle Miner arbeiten gleichzeitig an derselben Aufgabe und konkurrieren miteinander, um eine korrekte Lösung zu finden. Wenn einer der Miner eine Lösung findet, wird sie mit dem gesamten Netzwerk geteilt und ein neuer Block von Transaktionen wird erstellt. Die anderen Miner überprüfen das Ergebnis und derjenige, der den Block gelöst hat, wird belohnt. Der Miner hat bewiesen, dass er Rechenleistung aufgewendet hat, um die Aufgabe zu lösen und somit den Block zu erstellen - daher stammt der Begriff "Proof of Work". Die Miner versuchen nun, den nächsten Transaktionsblock zu lösen, der auf dem vorherigen basiert. Die Blöcke werden in chronologischer Reihenfolge verkettet, weshalb wir von einer Kette von Blöcken sprechen - der Blockchain.

Durch die Verkettung der Blöcke wird sichergestellt, dass die Manipulation von Transaktionen wirtschaftlich nicht lohnenswert ist. Miner vertrauen immer der längsten Blockchain, da dort die meiste Rechenarbeit geleistet wurde. Datenmanipulation ist daher äußerst kostspielig und kann nur mit mehr als 50 Prozent der Rechenleistung des gesamten Netzwerks erreicht werden. Stark dezentralisierte PoW-Blockchains mit einer großen Anzahl von Minern können daher kaum manipuliert werden.

Proof-of-Stake

Im Gegensatz zu PoW haben in einem PoS-System die Teilnehmer mit dem höchsten Vermögen im Netzwerk ein Interesse daran, das Netzwerk aufrechtzuerhalten. Validatoren von Transaktionen werden zufällig ausgewählt, um Blöcke von Transaktionen zu erstellen, wobei die Menge der beteiligten Assets berücksichtigt wird. Wenn die Transaktionen korrekt validiert werden, werden sie anschließend für ihre Bemühungen vergütet (Blockgenic, 2018).

Die Validierung in PoS erfolgt nicht über den Einsatz von Rechenleistung. Stattdessen setzen Validatoren ihre Assets (Stake) in Form von Token auf die Richtigkeit von Transaktionen. Bei Unstimmigkeiten verwenden die Validatoren ihre Token, um darüber abzustimmen, welche Version sie unterstützen möchten. Teilnehmer, die für die falschen Blöcke stimmen, verlieren ihren Stake. PoS schafft daher auf neue Weise einen Anreiz für Netzwerkteilnehmer, sich korrekt zu verhalten (Whiterspoon, 2018).

Wie funktioniert PoS?

Deposit: In PoS werden Block-Ersteller Validatoren genannt. Validatoren müssen eine Einzahlung (Stack) leisten, um an der Block-Erstellung teilzunehmen.

Auswahl: Während in PoW die Validatoren miteinander konkurrieren, basiert die Auswahl der Validatoren in PoS auf einer Pseudo-Zufallsfunktion unter Berücksichtigung des von jedem Validator geleisteten Stakes.

Skalierbarkeit: Im Gegensatz zu PoW reduziert PoS den Energieverbrauch, da jeweils nur ein Validator Transaktionen validiert und fast keine Rechenleistung erforderlich ist.

Anreize: Anreize für korrektes Verhalten werden durch den Einsatz von Assets und die entsprechende Belohnung oder Bestrafung erzeugt.

Sicherheit: Wenn Validatoren falsche Transaktionen validieren, verlieren sie ihre Investition. Da dieser Stake höher ist als die Belohnung für eine korrekte Validierung, besteht ein großer Anreiz für die Validatoren, im besten Interesse des Netzwerks zu handeln.

Andere Konsensmechanismen

Neben PoW und PoS gibt es in der Praxis zahlreiche andere Konsensmechanismen wie:

• Proof-of-work (Bitcoin, Ethereum, Ethereum Classic, Litecoin, …)
• Proof-of-stake (Ethereum 2.0, Dash, Enigma, …)
• Delegated Proof-of-Stake (EOS, Lisk, Nano, …)
• Proof of capacity (Siacoin, Storj)
• Byzantine fault tolerance (Hyperledger)
• Proof of authority (VeChain, Corda)

Laut einer Studie von Hays (2018) sind unter den Top-100-Kryptowährungen PoW und PoS oder eine Hybridlösung aus beiden Mechanismen am weitesten verbreitet. Die häufigsten Alternativen werden im Folgenden kurz erläutert.

Delegated Proof-of-Stake (DPoS)

In DPoS stimmen Token-Inhaber nicht selbst über die Gültigkeit der Blöcke ab, sondern wählen Vertreter, die die Validierung in ihrem Namen durchführen. Normalerweise gibt es zwischen 21-100 gewählte Vertreter in einem DPoS-System. Die Delegierten werden regelmäßig gemischt und sind angewiesen, ihre Blöcke einzureichen (Whiterspoon, 2018).

Proof of Authority (PoA)

Proof-of-Authority ist eine Konsensmethode, bei der Transaktionen von genehmigten Benutzern validiert werden - ähnlich einem Systemadministrator. Diese Benutzer sind die Instanz, von der andere Knoten ihre Wahrheit erhalten. PoA hat einen hohen Transaktionsdurchsatz und ist für private Netzwerke optimiert. PoA wird normalerweise nicht in einer öffentlichen Blockchain verwendet, da es eine eher zentralisierte Lösung ist (Whiterspoon, 2018).

Byzantine Fault Tolerance (BFT)

Byzantine Fault Tolerance (BFT) ist die Eigenschaft eines Systems, das auch dann funktionieren kann, wenn einige der Knoten ausfallen oder böswillig handeln. Mit anderen Worten, die Mehrheit der Knoten innerhalb eines verteilten Netzwerks muss zustimmen, um einen totalen Ausfall zu vermeiden. Damit dies geschieht, müssen mindestens zwei Drittel der Netzwerkknoten ehrlich handeln. Wenn die Mehrheit des Netzwerks beschließt, böswillig zu handeln, ist das System anfällig (Binance, 2019).

Proof of Capacity (PoC)

Mit PoC werden, ähnlich wie bei PoW, Lösungen für die Verkettung von Transaktionsblöcken gesucht. Anstatt Rechenleistung zur Berechnung kryptographischer Probleme zu verwenden, werden mögliche Lösungen im Voraus auf digitalen Datenspeichergeräten (z.B. Festplatten oder Servern) gespeichert. Nachdem ein Speicher geplottet wurde - d.h. mit Lösungen gefüllt wurde - kann er am Prozess der Block-Erstellung teilnehmen. Die Block-Validierung erfolgt durch die Suche nach fertigen Lösungen, die sich auf den Datenspeichergeräten befinden. Validatoren mit höherer Speicherkapazität finden mit größerer Wahrscheinlichkeit einen Block, da sie mehr Lösungen durchsuchen können (Binance, 2019).

Autor: Severin Kranz
Blockchain Enthusiast & Fintech Consultant

Quelle: Medium - Ledgerlabs-li