[Einführung] Konsensus-Mechanismen bei Kryptowährungen

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Wenn du dich bereits seit geraumer Zeit mit der Blockchain-Technologie und Kryptowährungen beschäftigt hast, wirst Du sicherlich schon auf den Begriff „Konsensus“ gestoßen sein.

In dieser Einführung erklären wir dir welche verschiedenen Konsensus-Mechanismen im Krypto-Bereich existieren, wodurch sie sich auszeichnen und welche Vor- und Nachteile sie bieten.

Was ist eigentlich ein Konsensus-Mechanismus?

Ein Konsensus-Mechanismus ist ein System, das in der Blockchain-Technologie verwendet wird um die Übereinstimmung zwischen einzelnen Datenwerten oder den gewünschten Zustand des Netzwerks zu gewährleisten. Ein Beispiel ist die Aufzeichnung von Transaktionen.

In zentralisierten Systemen, wie einer Datenbank mit Informationen zu den angemeldeten PKWs auf bestimmte Namen, gibt es einen zentrale administrative Behörde wie das Kraftfahrt-Bundesamt, die die Datenbank pflegt (Hinzufügen/Löschen/Aktualisieren von angemeldeten PKWs auf eine bestimmte Person). Sie allein trägt die Verantwortung für die Datenbank und die enthaltenen Datensätze.

Öffentliche Blockchains, die dezentral organisiert und selbstregulierend funktionieren, benötigen keine einzelne Autorität, die alles überwacht und verwaltet. Tausende von Netzwerkteilnehmern nehmen die Verifizierung und Authentifizierung von Transaktionen selbst vor, die dann auf der Blockchain und jedem einzelnen Node gespeichert werden.

Blockchains sind dynamische Systeme, da sie immer neue Informationen über neue Transaktionen aufnehmen müssen. Dabei müssen sie:

  • effizient
  • fair
  • zuverlässig
  • und in Echtzeit funktionieren.

Jene Eigenschaften garantieren, dass unter allen Netzwerkteilnehmern einen Konsens über den Status des Ledgers erreicht werden kann. Diese Aufgabe wird von den Konsensus-Mechanismen erfüllt. Es ist praktisch eine Art Regelwerk für die Blockchain.

Welche Konsensus-Mechanismen gibt es? 

Proof-of-Work (PoW)

Proof-of-Work_SHA256_Example_Bitcoin_Miner

Der Proof-of-Work (PoW) Konsensus wurde 2008 erstmals im Rahmen des ersten funktionierenden Blockchain-Protokolls (Bitcoin) implementiert, obwohl seine Ursprünge älter sind. PoW ist eine Möglichkeit, zu bestätigen, dass Netzwerkteilnehmer in einem bestimmten Zeitraum einen gewissen Rechenaufwand betrieben haben.

Proof of Work Konsensus-Mechanismen verwenden eine Hash-Funktion, die es jedem Full-Node im Netzwerk ermöglicht, Angaben über die Gültigkeit eines Blocks den anderen Nodes im Netzwerk mitzuteilen. Diese kann dann von anderen Netzwerkteilnehmern überprüft werden. Enthält die Hashfunktion falsche oder inakzeptable Informationen, wird sie nicht im Netzwerk validiert, sondern abgelehnt.

Der Prozess der Teilnahme am PoW-Konsens wird als Mining bezeichnet. In der Regel wird der Miner – der Teilnehmer, der zuerst einen Block verifiziert hat – für den Rechenaufwand belohnt, in dem er für jeden neuen gefundenen und validierten Block eine Entlohnung in Form des Coins erhält. Gleiches gilt für das Verifizieren von Transaktionen.

Die Schaffung von Anreizen für die Miner ist ein wesentlicher Bestandteil des Systems, aber sie hat auch zum Aufstieg von einzelnen Gruppen von Minern geführt, die einen sehr hohen Anteil der Hashrate eines Protokolls kontrollieren.

Vorteile

  • Proof-of-Work ist ein sehr sicherer Konsensus-Mechanismus
  • Es ist sehr schwierig ein PoW-System anzugreifen, da man eine hohe Rechenleistung benötigt

Nachteile

  • Hoher Energieverbrauch zu lasten der Umwelt
  • Gefahr der Zentralisierung durch Mining-Kartelle
NameKonsensusAlgorithmusBlock Time
BitcoinPoWSHA25610 Minuten
EthereumPoWEthash14 Sekunden
LitecoinPoWScrypt2,5 Minuten
MoneroPoWCryptoNight2 Minuten

Byzantine Fault Tolerance (BFT)

byzantine-fault-tolerance-abbildung

Zuerst müssen wir verstehen, was die Byzantinische Fehlertoleranz (BFT) ist. Laut Wikipedia bezieht sich BFT auf das Problem der berühmten byzantinischen Generäle, ein Problem, das von Leslie Lamport, Robert Shostak und Marshall Pease in ihrem Artikel von 1982 beschrieben wurde.

Bei diesem Problem der byzantinischen Generäle muss eine Gruppe von Generälen, die jeweils einen weit voneinander entfernten Teil der byzantinischen Armee befehligt, entscheiden, ob sie angreifen oder sich zurückziehen um einen Plan für den Angriff auf eine Stadt zu vereinbaren.

Einige Generäle ziehen es vielleicht vor, anzugreifen, während andere es vorziehen, sich zurückzuziehen. Das Problem wird jedoch durch die Anwesenheit von verräterischen Generälen erschwert, die nicht nur für eine schlechtere Option stimmen, sondern auch einige Generäle angreifen und sich von den Generälen zurückziehen. So können sie keinen einheitlichen Plan formulieren und werden im Krieg höchstwahrscheinlich scheitern.

Daher besteht das Wesen des byzantinischen allgemeinen Problems darin, einen Weg zu finden, wie die Generäle einen Konsens über den Schlachtplan in einer nicht vertrauenswürdigen Umgebung mit Verrätern finden können.

Dieses Problem finden wir heute auch bei Kryptowährungen wieder und es ist notwendig, dass die Blockchain einen Weg findet um sicherzustellen, dass auch bei fehlerhaften oder gar bösartig handelnden Nodes das Netzwerk normal funktionieren kann.

Blockchains sind dezentrale Ledger, die per Definition nicht von einer zentralen Behörde kontrolliert werden. Aufgrund der in diesen Ledgern gespeicherten Werte haben böswillige Akteure große wirtschaftliche Anreize, Fehler zu verursachen.

Ohne BFT ist ein Nutzer in der Lage, falsche Transaktionen zu übertragen und zu buchen, was die Zuverlässigkeit der Blockchain zunichte macht. Das Ziel eines BFT-Mechanismus ist es, sich gegen Systemausfälle durch kollektive Entscheidungsfindung (sowohl richtige als auch fehlerhafte Knoten) zu schützen, die darauf abzielt, den Einfluss der fehlerhaften Knoten zu reduzieren.

Vorteile

  • Transaktionen können ohne Warten auf Bestätigungen durch das Netzwerk durchgeführt werden.
  • Deutliche Reduzierung des Energieverbrauchs im Vergleich zu PoW-Systemen.

Nachteile

  • Das Modell funktioniert in der klassischen Form nur gut wenn die Konsensus-Gruppen relativ klein sind, da die Kommunikation zwischen den Nodes ansonsten länger andauert.
  • Anfällig für sog. “Sybil-Angriffe”, bei dem eine einzelne Partei eine große Anzahl von Nodes im Netzwerk erstellen und somit das Netzwerk kompromittieren kann.

Proof-of-Stake (PoS)

TON PoS Konsensus Visualisierung

 

Der Proof-of-Stake Mechanismus (PoS) ist ein Konsensus-Mechanismus, der nicht auf Mining basiert, sondern darauf, Validatoren nach der Anzahl der Token auszuwählen, die die Netzwerkteilnehmer besitzen.

Anstelle der Hash-Funktion in PoW-basierten Konsens-Mechanismen stellt PoS einzelnen Stakeholdern eine digitale Signatur zur Verfügung, die ihr Eigentum an einer Beteiligung am Protokoll überprüft. Wenn es an der Zeit ist, neue Blöcke zu validieren, wählt das Netzwerk zufällig einen einzelnen Node aus um die Informationen zu validieren.

Je höher die Anzahl der Token, die eine Person besitzt, desto wahrscheinlicher ist es, dass sie ausgewählt wird um den nächsten Block zu validieren.

Wenn ein Validator einen neuen Block genehmigt, erhält er eine Prämie wie auch in PoW-Systemen. Dadurch wird sichergestellt, dass es sich für Nutzer lohnt, am Netzwerk teilzunehmen und ihre Token zu staken um die Chance zu haben, ausgewählt zu werden einen Block zu validieren.

Derzeit gibt es nur wenige funktionale Implementierungen von echten PoS-Konsensus-Protokollen. Ethereum ist eines der bekanntesten Blockchain-Projekte, welches kurz vor einem Übergang zu einem PoS-basierten System steht.

Geplant ist die Einführung des Casper PoS-Algorithmus, der das PoW-Protokoll ersetzen soll. Jedoch hat die Entwicklung von Casper in den Anfängen sehr lange gedauert, verspricht aber eine enorme Steigerung der Skalierbarkeit des Netzwerks.

Vorteile

  • PoS ist kosteneffizienter als PoW
  • Keine teure Mining-Hardware nötig
  • Weniger Energieverbrauch als bei PoW
  • Risiken der Zentralisierung sind geringer

Nachteile

  • Um langfristig zu staken muss man seine Krypto-Assets halten und kann nicht mit ihnen handeln
NameKonsensusPoS APRBlock Time
StellarPoS1%6 Sekunden
CosmosPoS13,20%6 Sekunden
NeoPoS2,96%15 Sekunden
DashPoS6,44%2,6 Minuten

Delegated Proof-of-Stake (dPoS)

EOS Delegated PoS Governance Modell

 

Einige Blockchain-Experten haben erkannt, dass es Probleme mit einem reinen PoS-Konsens gibt. Das schwerwiegendste davon ist die aktive Teilnahme.

Angenommen, eine Blockchain hat eine hohe Anzahl von Adressen mit nur wenigen Tokens. In diesem Fall wäre es schwierig, eine voll repräsentative Abstimmung zu erreichen, es sei denn, die Wahlbeteiligung war ungewöhnlich hoch, da es wahrscheinlich ist, dass viele Blockchain-Teilnehmer keine aktive Rolle bei der Abstimmung oder Validierung im Netzwerk übernehmen werden.

Delegierte Proof-of-Stake-Systeme (dPoS) teilen viele der gleichen Prinzipien des PoS-Konsensus mit der zusätzlichen Möglichkeit für die Teilnehmer, ihren Anteil an einen vertrauenswürdigen Pool oder eine vertrauenswürdige Einrichtung zu „delegieren“, die ihn dann in ihrem Namen einsetzen kann.

Ein Beispiel dafür wäre eine Person, die über die notwendige Hardware verfügt, um einen Staking Pool rund um die Uhr mit garantierter Betriebszeit zu betreiben, so dass sie eine höhere Wahrscheinlichkeit hat, ausgewählt zu werden, um einen bestimmten Block zu validieren.

In diesem Fall könnten die Teilnehmer ihren Einsatz an diesen Pool delegieren, und jedes Mal, wenn es darum geht, einen neuen Block zu validieren, erhalten sie Belohnungen, die proportional zu ihrem Einsatz in diesem Pool sind.

dPoS ist in gewisser Weise ein überlegener Konsens-Mechanismus gegenüber PoS. Nicht jeder Teilnehmer verfügt über das notwendige technische Wissen, die Computerhardware oder die Zeit um direkt am Protokoll-Konsens teilzunehmen.

Da es von Vorteil ist, eine maximale Anzahl von Netzwerkteilnehmern zu haben, ermöglicht dPoS diesen Personen, dennoch am Konsens teilzunehmen. Obwohl dies das Netzwerk theoretisch stärker zentralisiert, gibt es keine Verpflichtung, auf unbestimmte Zeit in einem Staking-Pool zu bleiben.

Vorteile

  • Skalierbarkeit und Geschwindigkeit: Es bietet eine schnellere Verarbeitung von Transaktionen als PoW und PoS. Dies ist wohl der bedeutendste Vorteil: DPoS ist für viele Anwendungen sinnvoll, die eine hohe Skalierbarkeit erfordern.
  • Bessere Verteilung der Belohnungen: Theoretisch werden nur die Teilnehmer gewählt, die ihnen die meisten Belohnungen geben, so dass jeder, auch ein Gelegenheitsnutzer, davon profitiert.
  • Sicherheit bei Abstimmungen in Echtzeit: Die Wähler können böswillige Aktionen sofort erkennen und der böswillige Delegierte kann aus dem System abgewählt werden.
  • Energieeffizienz: DPoS verbraucht deutlich weniger Energie als PoW.
  • Weniger Hardware: Die Teilnehmer benötigen keine teure, spezialisierte Ausrüstung. Ein normaler Computer ist leistungsfähig genug.

Nachteile

  • Delegierte könnten Kartelle bilden: Delegierte können sich zu Kartellen organisieren, indem sie die Rolle der Validierung in einer kleineren Anzahl von Händen konzentrieren. Das macht es nicht nur weniger dezentralisiert, sondern auch weniger belastbar.
NameKonsensusPoS APRBlock Time
EOSdPoS1,85%500 ms
TRONdPoS4,20%3 Sekunden
CardanodPoS3,70%20 Sekunden
TezosdPoS7,15%60 Sekunden

Proof-of-Authority (PoA)

poa

Der Proof of Authority (PoA)-Konsens ist nicht unbedingt ein neuer Konsensus-Mechanismus und wurde bereits in einigen interessanten Plattformen als Kompromiss zwischen Konsens-Modellen, die auf die vollständige Dezentralisierung abzielen und effizienteren, zentralisierten Modellen umgesetzt.

Zunächst wurde PoA von einer Gruppe von Entwicklern im März 2017 als Blockchain basierend auf dem Ethereum-Protokoll vorgeschlagen. Es wurde in erster Linie als Lösung für das Problem der Spam-Angriffe auf das Ropsten-Testnet von Ethereum entwickelt. Das neue Netzwerk hieß Kovan und ist ein primäres Testnetzwerk, das heute allen Ethereum-Anwendern zur Verfügung steht.

Der PoA-Konsens ist im Wesentlichen ein optimiertes Proof-of-Stake-Modell, das die Identität als Form des Einsatzes nutzt. Die Identität wird von einer Gruppe von Validatoren festgelegt, die vorab für die Validierung von Transaktionen und Blöcken innerhalb des jeweiligen Netzwerks zugelassen sind. Die Gruppe der Prüfer soll in der Regel relativ klein bleiben (~25 oder weniger) um die Effizienz und überschaubare Sicherheit des Netzwerks zu gewährleisten.

Die Hauptmerkmale eines PoA-Netzwerks sind ein geringer Bedarf an Rechenleistung, keine Notwendigkeit der Kommunikation zwischen den Knoten um einen Konsens zu erreichen und die Kontinuität des Netzwerks ist unabhängig von der Anzahl der verfügbaren echten Knoten.

Diese wird vorab genehmigt und nachweislich durch eine Kreuz-Verifikation als vertrauenswürdig eingestuft.

Vorteile

  • PoA kann eine größere Effizienz im Vergleich zu anderen Konsensmechanismen erreichen.
  • Umweltfreundlicher als Proof-of-Work-basierte Algorithmen.

Nachteile

  • Verlangt von den Nutzern Validatoren zu vertrauen, während öffentliche Blockchains darauf abzielen vertrauenslos zu sein.
NameKonsensus
JPMCoinProof-of-Authority

Proof-of-Weight (PoWeight)

proof of weight

Proof-of-Weight besteht aus einer breiten Palette von Konsensus-Algorithmen, die alle versuchen, das gleiche Ziel mit etwas anderen Mitteln zu erreichen. Es basiert auf dem Algorand-Konsens-Modell.

Für diejenigen, die mit Algorand nicht vertraut sind, dies ist ein Protokoll, das Transaktionen sehr schnell bestätigt. Dies wird durch ein byzantinisches Vereinbarungsprotokoll erreicht, das sehr skalierbar ist. Gewichtete Nutzer spielen in diesem Prozess eine wichtige Rolle, daher der Begriff Proof-of-Weight.

Jeder Benutzer in einem Netzwerk, der den Proof-of-weight verwendet, hat ein „Gewicht”. Dieses Gewicht basiert darauf, wie viele Einheiten eines Wertes ein Nutzer besitzt. Auf der Filecoin Blockchain ist es z.B. die Menge an Daten, die ein Nutzer gespeichert hat. Solange der insgesamt gewichtete Anteil der Nutzer ehrlich ist – in der Regel zwei Drittel oder mehr – bleibt das Netzwerk sicher. Diese Methode schützt das Netzwerk auch vor Double Spending Attacken.

Proof-of-Weight-Mechanismen können ein Komitee bilden, das sich aus zufälligen Netzwerkbenutzern zusammensetzt und jeden Schritt des Protokolls ausführt. Somit wird das Protokoll sicherstellen, dass die Mehrheit der Ausschussmitglieder ehrlich ist, und gleichzeitig eine gewisse Zentralisierung einführen. Keine größeren Proof-of-Weight-Kryptowährungen verlassen sich derzeit auf die Komitee-Struktur, aber es ist ein Aspekt, den man trotzdem beachten sollte.

Obwohl Proof-of-Weight Vorteile hat, ist es kein Konsens-Modell, das große Kryptowährungen in naher Zukunft einführen werden. Es ist sehr schwierig, die Nutzer zur Teilnahme an solchen Netzwerken anzuregen, da sie keine Belohnungen erhalten. Dies kann von Entwicklern auf viele kreative Arten angegangen werden. Im Kern ist Proof-of-Weight jedoch nicht darauf ausgerichtet, passive Einnahmequellen zu generieren.

Vorteile

  • Hohe Anpassungsfähigkeit und skalierbar.

Nachteile

  • Kein Anreiz für Nutzer um aktiv im Netzwerk teilzunehmen
NameKonsensus
FileCoinProof-of-Weight

Directed Acyclic Graph (DAG)

dag

Von der DAG Technologie versprechen sich zahlreiche Krypto-Experten einen Durchbruch in der Weiterentwicklung der Blockchain-Technologie. Directed Acyclic Graphs (DAGs) sind mehr als nur ein neues Buzz-Word.

Es ist eine Datenstruktur mit topologischer Ordnung, d.h. die Reihenfolge kann nur in eine Richtung verlaufen (früher → später). Mit dieser Struktur ist es möglich, Probleme im Bereich Datenverarbeitung/Kompression zu lösen und schnellere Routen für Datensätze zu finden.

Knoten eines DAG sind durch Kanten mit den bestimmten Richtungen verbunden und es ist unmöglich, die Richtungen zu verändern. Durch die azyklische Eigenschaften der DAG ist es nicht möglich, dass sich zwei Knoten beim Bewegen in der DAG-Struktur wieder treffen, da sie nicht kreisförmig angeordnet sind.

Vorteile

  • DAGs bieten eine gute Skalierbarkeit und bewältigt eine Vielzahl von Transaktionen pro Sekunde.
  • Hohe Zuverlässigkeit, da die Transaktionen immer von anderen Knoten verifiziert werden.
  • Weniger Energieverbrauch als herkömmliche Konsensus-Modelle.
  • Geeignet für Micro Payments, da die Kosten pro Transaktion gegen Null tendieren.

Nachteile

  • Die Technologie ist noch weitestgehend unerprobt
NameKonsensus
IOTADAG
NanoDAG
HcashDAG
DERODAG

Fazit: Der Fortschritt hat gerade erst begonnen

Gut 10 Jahre nach der ersten Implementierung eines Konsensus-Mechanismus in eine Kryptowährungen gibt es bereits vielerlei neue Ansätze um die neue Technologie noch sicherer und skalierbarer zu machen.

Es ist fraglich ob sich die energieaufwendigen Proof-of-Work Kryptowährungen wie Bitcoin sich langfristig durchsetzen werden oder ob sich neuartige Lösungen wie das (d)PoS oder DAG-Modell durchsetzen können.

Der Fortschritt und die Entwicklung der Kryptowährungen hat gerade erst begonnen!



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