Blockchain und der Konsens Algorithmus
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Bei der Verwendung einer Blockchain spielt der Konsens eine wichtige Rolle. Dieser Mechanismus bietet allen Teilnehmern eine Garantie für die Datenintegrität in einem dezentralen Netzwerk. Dies gilt für öffentliche und private Blockchains.
Wo findet der Konsens Algorithmus Einsatz?
Die Konsensmechanismen werden in den Blockchains dafür eingesetzt, damit diese weitestgehend ohne Probleme dezentral funktionieren können. Nachdem es in einem dezentralen Netzwerk keine zentrale Instanz gibt, sind es die Nodes in einer Blockchain selber die die Transaktionen validieren müssen. Der Konsensmechanismus übernimmt diese Aufgabe über verschiedene Knoten, also NetzwerkteilnehmerInnen. Der Konsens einer Blockchain stellt sicher, dass alle Transaktionen die über die Nodes laufen gültig und signiert sind.
Der Konsens besteht aus einem Algorithmus und einem Protokoll. Das Protokoll definiert die Regeln, der Algorithmus setzt sie um. (Ongaro & Ousterhout, 2014)
Was bedeutet Proof-of-Work (PoW)?
Proof-of-Work ist der Konsens Algorithmus, auf dem die Bitcoin-Blockchain basiert. Es wird als „Proof-of-Work“ bezeichnet, weil die teilnehmenden Miner (Nodes) im Bitcoin-Netzwerk eine Rechenleistung (eine Art von Arbeit) übernehmen müssen.
Der Konsens Algorithmus stellt die Einhaltung bestimmter Regeln im Blockchain-Netzwerk sicher. Es handelt sich um eine Vereinbarung über die Regeln einer bestimmten Blockchain und die Bedingungen für die Teilnahme der Benutzer am Netzwerk.
Bei PoW ist dies die Berechnung eines neuen Blocks in der Bitcoin-Blockchain. In der Regel bekommen die Miner mit der höchsten Rechenleistung einen neuen Block zum validieren. Dies bedeutet aber einen permanenten Vorteil gegenüber den ärmeren Minern im Netzwerk. Bei Proof-Of-Work spielt also eine höhere Rechenleistung einen wichtigen Erfolgsfaktor, was aber wiederum einen sehr hohen Ressourcen- und Energieverbrauch zur Folge hat. Personen die in diesem Netzwerk als „Miner“ fungieren wollen fällt der Einstieg daher eher schwer.
Daher setzen immer mehr Blockchains auf modernere Systeme, die weniger Ressourcen und Energie verbrauchen. (Gervais et al., 2016)
Die Nachteile von Proof-of-Work
In Bezug auf die Geschwindigkeit der Transaktionsverarbeitung hat sich PoW als sehr langsam erwiesen. Bisher konnten maximal sieben Bitcoin-Transaktionen in einer Sekunde verarbeitet werden, im Vergleich zum VISA-Netzwerk, das rund 1.700 Transaktionen pro Sekunde verarbeitet.
Darüber hinaus kostet das Mining von Bitcoin auf der Blockchain viel Energie. In Deutschland betrugen die durchschnittlichen Kosten für das Mining eines Bitcoins im Jahr 2018 12.000 Euro.
Ein weiterer Nachteil von PoW besteht darin, dass größere Mining-Pools mehr Rechenleistung zur Verfügung haben und daher eher den richtigen Block zuerst extrahieren. Dadurch werden einzelne Nodes benachteiligt. (Werbach, 2018)
Welche Bedeutung hat Proof-of-Stake (PoS) in Ethereum 2.0?
Ethereum ändert sein Konsensverfahren in der neuen Version 2.0. Anstelle von Proof-of-Work (PoW) verwendet Ethereum 2.0 Proof-of-Stake (PoS). Auch dieses Konsensverfahren ist mehrere Jahre alt und verwendet eine andere Methode als Proof-Of-Work um einen Block zu validieren und zu signieren. PoS wurde entwickelt, um das energieintensive PoW zu ersetzen. (Douglas, 2021)
Damit man in einem PoS-Netzwerk Transaktionen überprüfen und neue Blöcke erzeugen kann, müssen die NetzwerkteilnehmerInnen einen sogenannten Stake (Anteil) an Coins dieses Netzwerks besitzen. Das Einzahlen dieser Stakes, zum Beispiel in eine Wallet, bezeichnet man als “placing a stake” oder “staking”. Wie viele Blöcke eine Person eines PoS-Systems erzeugen kann, hängt von der Größe seines Anteils im Netzwerk ab.
Beim Proof-of-Work (PoW) geht die „Belohnung“ an den Miner, der zuerst den nächsten Block berechnet. Die schnellsten bzw. „stärksten“ Miner werden also belohnt. Der Proof-of-Stake Konsens funktioniert hier komplett anders. Hier wird ein Node zufällig als allen im dezentralen Netzwerk zur Verfügung stehenden ausgewählt. Nodes müssen eine bestimmte Anzahl an Coins in ihrer Wallet verfügbar haben. Ausschlaggebend ist hier der Stake (Anteil) des Nodes an Coins.
Welche Zukunft hat Proof-of-Stake?
Bitcoin wird auch weiterhin eine führende Rolle in den Kryptowährungen spielen. Nichtsdestotrotz werden Proof-of-Stake (PoS) Algorithmen vielmehr Beachtung in der Industrie gewinnen, vor allem in Hinblick auf die Notwendigkeit energieeffizienter Konsens-Mechanismen. (King & Nadal, o. J.)
Quellen:
Douglas, J. (2021, Dezember 9). Abgerufen am 20.12.2021, Proof-of-stake (PoS). Ethereum.Org. https://ethereum.org/en/developers/docs/consensus-mechanisms/pos/
Gervais, A., Karame, G. O., Wüst, K., Glykantzis, V., Ritzdorf, H., & Capkun, S. (2016). Abgerufen am 20.12.2021, On the Security and Performance of Proof of Work Blockchains. Proceedings of the 2016 ACM SIGSAC Conference on Computer and Communications Security, 3–16. https://doi.org/10.1145/2976749.2978341
King, S., & Nadal, S. (o. J.). PPCoin: Peer-to-Peer Crypto-Currency with Proof-of-Stake. 6.
Ongaro, D., & Ousterhout, J. (2014). Abgerufen am 20.12.2021, In Search of an Understandable Consensus Algorithm. 305–319. https://www.usenix.org/conference/atc14/technical-sessions/presentation/ongaro
Werbach, K. (2018). The Blockchain and the New Architecture of Trust. MIT Press.
Abbildungsverzeichnis:
Bild 1: © Andy, iStock
