Konsensus Mechanismen
Konsensmechanismen sind Protokolle, die sicherstellen, dass alle Knoten (Geräte oder Teilnehmer an einem Netzwerk) in der Blockchain miteinander synchronisiert und sich darüber einig sind, welche Transaktionen legitim sind, und der Blockchain hinzugefügt werden.
Diese Konsensmechanismen garantieren die korrekte Funktion der Blockchain. Sie stellen sicher, dass alle dieselbe Blockchain verwenden und alle Knoten dieselben Informationen haben. Es ist daher erforderlich, dass alle Transaktionen laufend überprüft werden und die Blockchain ständig von allen Knoten überprüft wird. Ohne gute Konsensmechanismen sind Blockchains verschiedenen Angriffen ausgesetzt. Je mehr Knoten miteinander verknüpft sind und sich austauschen, desto dezentraler und sicherer ist eine Blockchain.
Es gibt verschiedene Wege, um einen Konsens zwischen den Knoten zu erreichen, der dazu führt, dass neue Transaktionen als korrekt betrachtet und zur Blockchain hinzugefügt werden können.
Nachfolgend werden die beliebtesten Konsensusmodelle kurz vorgestellt.
Proof-of-Work (POW)
Der Proof-of-Work-Prozess wird als Mining und die Knoten werden als Miner bezeichnet. Miner lösen komplexe mathematische Rätsel, die viel Rechenleistung erfordern. Der erste, der das Rätsel löst, erstellt einen neuen Block und erhält eine Belohnung in Form von z.B. Bitcoin für das Erstellen dieses Blocks. Die mathematischen Rätsel haben einige interessante Eigenschaften. Zunächst einmal sind sie asymmetrisch, d.h., es dauert lange Zeit, die Antwort zu finden, aber es geht schnell, zu überprüfen, ob eine Antwort richtig ist.
Zweitens besteht die einzige Möglichkeit, diese Rätsel zu lösen, darin, die Antwort zu "erraten". Es ist nicht möglich, die Rätsel mit einer anderen Methode als Versuch und Irrtum schneller zu lösen. Dies bedeutet auch, dass, wenn man die Lösung schneller finden möchte, mehr Rechenleistung benötigt wird, was sehr teuer werden kann. Letztendlich ändert sich der Schwierigkeitsgrad der Rätsel in Abhängigkeit davon, wie schnell Blöcke abgebaut werden. Um einen konstanten Vorrat an neuen Münzen zu gewährleisten, müssen Blöcke innerhalb eines bestimmten Zeitrahmens erstellt werden. Wenn Blöcke zu schnell erstellt werden, werden die Rätsel härter, und wenn sie zu langsam erstellt werden, werden die Rätsel einfacher.
Das Ziel des Minings ist nicht primär, neue Coins zu schaffen, sondern, anfallende Transaktionen zu sammeln, zu prüfen und in die Blockchain zu schreiben. Der erste Miner, der das aktuelle Rätsel löst, darf den Block generieren, die Transaktionen über einen Hash (eine Codierung) einspeichern und von allen anderen Minern bestätigen lassen. Letzteres geht sekundenschnell und gewährleistet die Korrektheit der Transaktionen.
Die Bitcoin Blockerstellungszeit beträgt 10 Minuten. Alle in dieser Zeit getätigten Transaktionsgebühren erhält der Miner, der das Rätsel gelöst und den Block ersellt hat. Zudem erhält er einige Bitcoins als Belohnung bzw. Aufwandsentschädigung.
Im Laufe der Zeit ist das Bitcoin-Mining immer rechenaufwendiger geworden und hat inzwischen einen ungeheuren Stromverbrauch, weswegen diese Methode nur noch in Ländern mit billigem Strom möglich ist, und von großen Miningfarmen betrieben werden muss. Insgesamt ist Proof-of-Work in Verruf geraten und gilt als veraltet. Bis Ende 2018 soll der Bitcoin-Stromverbrauch Kosten von insgesamt fast 4 Mrd. USD verursacht haben.
Neben Bitcoin arbeiten z.B. auch Ethereum, Litecoin, Digibyte oder Monero mit POW.
Proof-of-Stake (POS)
Proof Of Stake ist die umweltfreundlichere Variante des Proof-of-Work-Protokolls. Proof-of-Stake nutzt die Annahme, dass diejenigen, die die meisten Münzen in einem Netzwerk besitzen, ein berechtigtes Interesse daran haben, das Netzwerk aufrecht zu erhalten und den Wert der Münzen hoch zu halten. Also ernsthaft und korrekt arbeiten.
In einem System, das Proof-of-Stake verwendet, wird ein randomisierter Prozess verwendet, um zu bestimmen, wer den nächsten Block erzeugen soll. Knotenbesitzer sind diejenigen mit den meisten Münzen. Sie müssen dieses Kapital einfrieren/sperren und der Blockchain zur Verfügung stellen. Damit wird der Knoten zum Validierer und kann Blöcke generieren. Der Prozess, der entscheidet, wer genau den nächsten Block produzieren soll, berücksichtigt verschiedene Faktoren. Diese können von den Blockchainentwicklern im Vorraus festgelegt werden und unterscheiden sich daher von Blockchain zu Blockchain, die mit POS arbeitet. Im Allgemeinen hat jedoch der Knoten mit dem größten Münzbesitz die besten Chancen, einen neuen Block zu produzieren. Ein weiterer Faktor, der berücksichtigt werden kann, ist die Zeit, die ein Knoten bereits im Besitz ist.
Validatoren werden auch für ihre Arbeit belohnt. Die Belohnung, die der Prüfer für die Erstellung des nächsten Blocks erhält, hängt wieder vom Design der Blockchain ab. In der Regel erhalten sie entweder alle oder einen Teil aller Transaktionsgebühren aller Transaktionen in dem von ihnen erstellten Block oder sie erhalten eine feste Menge an neu generierten Münzen.
Proof-of-Stake ist nicht nur wesentlich energieeffizienter als das Proof-of-Work-System, sondern unterscheidet sich auch erheblich. In einem Proof-of-Work-System darf ein Bergmann keine der Münzen besitzen, die er abbaut. Im Proof-of-Stake-System haben Validatoren einen Anreiz, das Netzwerk tatsächlich zu unterhalten, da sie die Münzen der Blockchain selbst halten, für die sie validieren.
POS hat unterschiedliche Ausgestaltungsformen. Manche belohnen jeglichen Besitz mit regelmäßigen Ausschüttungen, die wie eine Dividende wirken (z.B. Vechain und Ontology). Manche vergeben Knoten und Münzbelohnungen erst ab einer gewissen vordefinierten Anzahl an Coins oder Tokens. Diese können dann aber deutlich mehr Belohnung kassieren.
Neben den genannten Blockchains arbeiten auch Cardano, Nuls, Stratis oder Dash.
Delegated Proof-of-Stake (DPOS)
Im Delegated-Proof-of-Stake-System können Benutzer ihre Münzen einsetzen/sperren, um für eine bestimmte Anzahl von Delegierten abzustimmen, die dann neue Blöcke produzieren und belohnt werden. Das Gewicht ihrer Stimme hängt von ihrem Coin-Einsatz ab. Ein laufender Abstimmungsprozess soll für maximale Demokratisierung bei der Wahl der Knoten sorgen. Es werden nur wenige Deligierte gewählt, was diesen Mechanismus sehr schnell und sklalierbar, aber damit auch eher zentralistisch macht, weil die wenigen Deligierten die gesamte Gestaltungsmacht der Blockchain besitzen.
Letzteres ist denn auch die immer wieder geäußerte Kritik an EOS, einer der ersten DPOS-Blockchains.
Ein weiterer Vorteil neben der Geschwindigkeit ist die Motivation der Delegierten, laufend Nützliches für das Netzwerk (Infos, Videos, Wallets, usw.) zu schaffen, um sich bei den Wählern beliebt zu machen und Vertrauen zu erwerben.
Neben EOS arbeiten Blockchains wie Steem, Bitshares und Tron mit DPOS.
BFT; byzantinischer Fehlertoleranz-Konsensus
Beim byzantinischen Fehler geht es um das Problem, dass sich Teilnehmer an einer gemeinsamen Aktion einstimmig verhalten müssen, ohne sich jedoch miteinander austauschen zu können. Dies war das Problem mehrerer Generäle, die einen Angriff planten, ohne mit einander in direktem Kontakt zu stehen und ohne sich gegenseitig zu vertrauen. Das Problem des Blockchain-Konsensus ist ähnlich gelagert und wird mathematisch entsprechend mit einer Toleranzberechnung gelöst.
Um zu einer gemeinsamen Entscheidung über einen Angriff zu kommen (= Konsensus), muss ausgeschlossen werden, dass es Teilnehmer gibt, die lügen und dass die Botschaften, die sich die Teilnehmer zur Abstimmung schicken, nicht manipuliert werden.
Verschiedene Blockchains nutzen das BFT-Protokoll. Auch Hyperledger arbeitet damit. Kritikpunkt ist eine Tendenz zur Zentralisierung.
Ontology und NEO beispielsweise arbeiten mit dem POS- bzw. DPOS-Konsensus und zusätzlich mit abgewandelter Byzantine Fault Tolerance (BFT). Ontology nutzt einen VBFT (V=verifiable), NEO einen DBFT (D=delegated). Die Vorteile der abgewandeltetn BFT-Mechanismen liegen in hoher Skalierbarkeit, Schnelligkeit, geringen Kosten und geringer Resourcenbeanspruchung.
Andere Proof-of Varianten
Neben den drei am weitesten verbreiteten Konsensusmechanismen gibt es verschiedenste Spielvarianten, die alle irgendwie die Unterstützung der Netzwerkteilnehmer (Knoten) für die Blockchain bewerten und belohnen. Viele sind Varianten der POS-Methode:
- Proof-of-Activity (POA)
- Proof-of-Capacity (POC)
- Proof-of-Elapsed-Time (POET)
- Proof-of-Credit (POC)
- Proof-of-Importance (POI)
- Proof-of-Reputation (POR)
Welcher Konsensusmechanismus sich in Zukunft als der beste erweist, wid sich zeigen. Es gilt, Schnelligkeit von Transaktionen und damit Skalierbarkeit, sowie Sicherheit und Dezentralität optimal zu gestalten.
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