Blockchains gelten oftmals als Technologie mit der größten Auswirkung auf das Leben in der Zukunft. Tatsächlich gelten Blockchain Entwickler aktuell als die gefragtesten und bestbezahltesten IT-Jobs.
Blockchains kann man sich als verteilte Datenbank vorstellen oder als Netzwerk ohne zentrale Autorität, die dieses kontrolliert. Alle Teilnehmer des Netzwerkes, die sogenannten Nodes, bilden gleichzeitig auch das Netzwerk. Die Methoden, mit der sich die Nodes über den Zustand einer Blockchain einigen, wird Consensus Mechanism genannt (auch: Consensus Protocol oder Consensus Algorithm).
Durch diese Mechanismen kann der Status einer Blockchain überprüft werden. Das wiederum macht Blockchains zu einer hervorragenden Lösung für Bereiche, in denen Vertrauen eine wichtige Rolle spielt.
Proof of Work (PoW), der Consensus Mechanism für Bitcoin, und Proof of Stake (PoS) sind die zwei größten Consensus Mechanisms, welche die Überprüfung für Transaktionen und das Anfügen von neuen Blöcken zu der Blockchain ermöglichen.
Lasst uns etwas tiefer in das Thema einsteigen….
Das Wichtigste zuerst - Was ist ein Consensus Mechanism?
Konsens bedeutet im Allgemeinen eine Einigung.
Da es bei einer Blockchain, oder allgemeiner ausgedrückt, bei einem verteilten Netzwerk, keine zentrale Behörde gibt, die über den Status des Netzwerks entscheidet, müssen sich die Nodes, aus denen das Netzwerk besteht, auf den Status des Netzwerks einigen, d. h. darauf, welche Transaktionen gültig sind. Diese Einigung zu erreichen, kann ziemlich schwierig sein. Auf diese Weise trägt sie auch zur Demokratisierung der Entscheidungsfindung bei.
Ein Consensus Mechanism ist das Rückgrat einer Blockchain und hilft dabei, das Netzwerk zu koordinieren und es sicher zu halten. Wir haben gesagt, dass man sich die Blockchain als verteilte Datenbank vorstellen kann. Es ist wichtig, dass jeder Node, der das Netzwerk mit aufbaut, die gleiche Kopie der Datenbank hat. Wenn das nicht der Fall wäre, würde man schnell auf widersprüchliche Informationen stoßen.
Es gibt verschiedene Typen von Consensus Mechanisms, abhängig von der Blockchain und ihrer Anwendung. Wir konzentrieren uns auf zwei große Consensus Mechanisms, nämlich Proof of Work, welcher für Bitcoin und früher für Ethereum verwendet wurde, und Proof of Stake, der nun für Ethereum verwendet wird.
Proof of Work
Als Satoshi Nakamoto Bitcoin erfunden hat, musste er sichergehen, dass die Blockchain sicher ist. Er nutzte dafür ein Konsensprotokoll mit dem Namen Proof of Work. Proof of Work ist einer der meistgenutzten Konsensalgorithmen und wurde früher auch für Ethereum (bevor es Proof of Stake wurde für Ethereum 2.0), Litecoin oder Dogecoin verwendet.
Bei Proof of Work konkurrieren die Nodes (auch Miner genannt), um die Schnellsten zu sein, die ein hochkomplexes mathematisches Problem lösen. Indem er das Problem zuerst löst, erhält der Miner den „Proof“ für die „Work“ und verdient sich das Recht den Transaktionsblock zu bearbeiten. Der Miner wird mit einer vorher festgelegten Menge an Kryptowährung belohnt.
Proof of Work ist im Vergleich ziemlich teuer und benötigt daher viel Energie. Tatsächlich wurde Bitcoin oft dafür kritisiert, einen hohen Einfluss auf die Umwelt zu haben. Oftmals wird auch spezielle Hardware benötigt, wie zum Beispiels GPUs und voll ausgestattete Maschinen, was den Zugang für individuelle Miner erschweren kann.
Vorteile von Proof of Work
- Da Proof of Work am längsten vorhanden ist, ist es auch eines der meistgenutzten Algorithmen für Kryptowährungen.
- Man sagt auch, dass es äußerst sicher ist, da mehr als die Hälfte des Netzwerks von Angreifern kontrolliert werden müsste, um das Netzwerk zu manipulieren. Das wird auch der 51%-Angriff genannt.
- Es zieht zudem Miner an, die Personen (oder Knoten), die Transaktionen überprüfen, indem sie dafür belohnt werden.
Nachteile von Proof of Work
- Proof of Work benötigt eine Menge Energie. Die Knoten eines Netzwerkes durchlaufen einen rechnerisch sehr teuren Wettlauf von Versuchen und Scheitern, um die Nonce für einen Block zu finden. Daher ist Proof of Work mit sehr hohen Kosten für die Umwelt verbunden.
- Um mit bereits existierenden Minern konkurrieren zu können, wird oft sehr teure Hardware benötigt, was es wiederum schwierig für individuelle Miner macht, mit sogenannten „Mining-Farmen“ mitzuhalten.
- Das Proof of Work Protokoll wird oft mit langer Transaktionsdauer in Verbindung gebracht, was wiederum die Skalierung des Netzwerks erschwert. Das ist einer der Gründe, warum Ethereum den Schritt zu Proof of Stake gemacht hat.
Proof of Stake
Proof of Stake ist ein Consens Mechanism, bei dem das Recht, eine Transaktion zu validieren und dem Netzwerk neue Blöcke hinzuzufügen, davon abhängt, wie viel ein Prüfer (bei Proof of Work Miner genannt) eingesetzt hat, d. h. wie viel Kryptowährung der Prüfer besitzt.
Ein Computeralgorithmus wählt die Prüfer mit einem gewissen Grad an Zufälligkeit aus, aber diejenigen, die mehr Geld im Netzwerk besitzen, haben eine höhere Wahrscheinlichkeit, ausgewählt zu werden. Im Grunde werden diejenigen belohnt, die sich länger beteiligen, indem sie mehr Geld in das Netzwerk einbringen.
Beim Proof of Stake wird im Gegensatz zum Proof of Work keine Energie für die Auswahl der Prüfer benötigt. Daher sind der Energieverbrauch und die Auswirkungen auf die Umwelt viel geringer. Er wurde auch entwickelt, um die Probleme der Skalierbarkeit und Transaktionsgeschwindigkeit im Zusammenhang mit dem Proof-of-Work-Protokoll zu lösen.
Vorteile von Proof of Stake
- Beim Proof of Stake geht es nicht um einen Wettbewerb, wer am schnellsten die richtige Nonce für den Block findet. Daher erfordert er im Vergleich zum Proof of Work relativ wenig Energie für die Aufrechterhaltung.
- Im Gegensatz zum konkurrierenden Proof of Work verkürzt der Proof of Stake die Transaktionszeiten und kann daher das Transaktionsvolumen erhöhen.
- Da der Proof of Stake effizienter ist als der Proof of Work, sind die Transaktionsgebühren niedriger, was auch das Transaktionsvolumen begünstigt.
Nachteile von Proof of Stake
- In kleineren Netzwerken besteht ein erhöhtes Risiko eines 51%-Angriffs, bei dem jemand 51% oder mehr einer Kryptowährung kontrolliert und somit die Blockchain manipulieren kann.
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Alternative Consensus Mechanisms
Mit der zunehmenden Zahl von Kryptowährungen haben sich auch die Methoden zur Steuerung dieser Kryptowährungen diversifiziert. Diese Liste ist nicht vollendet und sicherlich wird die Anzahl der Consensus Mechanisms in Zukunft noch steigen.
Delegated Proof of Stake
Bei dieser Variante des Proof of Stake kann jemand über die Anzahl der Delegierten zur Erstellung eines neuen Blocks abstimmen. Cardano ist ein bekanntes Beispiel für einen delegierten Proof of Stake.
Proof of Authority
Das Konsensprotokoll „Proof of Authority“ verwendet ein reputationsbasiertes Modell, bei dem Nodes von anderen Netzwerkteilnehmern ausgewählt und genehmigt werden müssen, um neue Blöcke zu validieren. Während beim Proof of Stake ein Prüfer finanzielles Kapital einbringen muss, muss er beim Proof of Authority soziales Kapital einbringen. VeChain ist ein Beispiel für eine Blockchain, die den Autoritätsnachweis verwendet.
Proof of History
Bei Proof of History hat jeder Prüfer, bildlich gesprochen, eine eingebaute Uhr, die den genauen Zeitpunkt aufzeichnet, zu dem eine Aktion auf der Blockchain durchgeführt wurde. Bei Solana beispielsweise, das Proof of History verwendet, verarbeitet jeweils ein leitender Prüfer Transaktionen und schreibt den Netzwerkstatus, während andere Prüfer den Status lesen und bestätigen.
Proof of Space/Proof of Capacity
Beim Proof of Space, auch Proof of Capacity genannt, setzt ein Prüfer seinen verfügbaren Festplattenplatz ein, um das Recht zu erhalten, die nächste Transaktion zu verarbeiten und zu validieren. Auf der Festplatte werden mehrere kryptografische Mining-Lösungen gespeichert. Das heißt, je mehr Festplattenplatz ihr zur Verfügung habt, desto höher ist euer Einsatz und desto höher ist eure Wahrscheinlichkeit, die nächste Transaktion zu bearbeiten. Chia ist ein Netzwerk, das Proof of Space verwendet, obwohl es an Proof of Time gebunden ist.
Die wichtigsten Erkenntnisse
- Consensus Mechanisms sind ein Instrument, das es dezentralen Netzwerken ermöglicht, sich über den Zustand des Netzwerks zu einigen.
- Consensus Mechanisms sind das Rückgrat der Blockchain und spielen eine entscheidende Rolle für die Sicherheit der Blockchain.
- Proof of Work, der erste Consensus Mechanism, gilt als sehr sicher, benötigt aber viel Energie und das Mining erfordert spezielle Hardware.
- Beim Proof of Stake wird der Betrag der Kryptowährung des Netzwerks verwendet, den ein Prüfer eingesetzt hat, um das Recht zu bestimmen, einen Block zu verarbeiten und zu validieren.
- Jeder Consensus Mechanism hat seine Vor- und Nachteile, und im Laufe der Zeit werden wir eine größere Vielfalt von ihnen sehen. Zu den neueren Consensus Mechanisms gehören der Proof of History, der Proof of Space oder der Proof of Authority.
