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Blockchain: Konsens-Algorithmen Blockchain Konsens: Welche Konsens-Algorithmen gibt es?

16.04.2018, 16:31  |  1495   |   |   

 

Das Bitcoin-Mining oder genauer gesagt sagt der Proof-of-Work (PoW) Mechanismus von Bitcoin steht seit einigen Jahren in der Kritik. Er verschwende zu viel Energie, verursache Hardware-Müll und skaliere nicht gut genug sind einige der größten Kritikpunkte. Dennoch hat die Konsensbildung eine wichtige Funktion innerhalb einer öffentlichen Blockchain. In diesem Artikel sollen die verschiedenen Konsens-Algorithmen betrachtet werden.

 

Was ist ein Konsens-Algorthmus wie PoW und was bewirkt es?

 

Eine Blockchain verkettet Datenblöcke chronologisch miteinander. Die Reihe von Datenblöcken vom ersten bis zum letzten, aktuellsten Block wird Blockchain genannt. Bei einer öffentlichen, (globalen) Blockchain wie der Bitcoin-Blockchain ist es sehr wichtig, dass alle Teilnehmern dieser gleichen Blockchain vertrauen – Stichwort Integrität. Der Prozess dazu wird durch einen Konsens-Algorithmus gelöst. Ein Konsens-Algorithmus wie PoW stellt also sicher, dass der nächste Block in der Blockchain immer der einzig wahre ist und hält somit die Blockchain als dezentrale, verteilte Datenbank zusammen.

 

PoW hat der Bitcoin-Blockchain verholfen zu einem robusten Netzwerk zu wachsen, welches bisher noch nicht gehackt wurde. Trotzdem ist das Bitcoin-Mining mittlerweile fern von der Vision Satoshi Nakamotos bei der jeder herkömmliche Rechner am Bitcoin-Mining teilhaben kann.

 

Welche Algorithmen gibt es also und was sind die Alternativen zu Proof-of-Work?

 

Proof-of-Work (PoW)

 

PoW (deutsch: Arbeitsnachweis) ist ein Datenstück, welches schwer zu berechnen, aber einfach zu verifizieren ist. Das zufällige Datenstück ist der Beweis für den nächsten Block in der Blockchain. Der Erzeuger des Blockes erhält normalerweise eine Anzahl an Coins als Belohnung für seinen Dienst. Durch PoW werden sowohl Transaktionen bestätigt, als auch neue Einheiten geschaffen. Häufig wird eine Analogie zum Gold schürfen verwendet, da durch Einsatz von Equipment und Zeit das gesuchte Stück (zufällig) gefunden wird. Je mehr Rechenleistung ein Miner besitzt, desto wahrscheinlicher ist das Finden des Blockes. Vereint ein Miner mehr als 50% der Rechenleistung ist potentiell eine Manipulation der Blockchain möglich (51% Attack).

 

Bitcoin benutzt den Algorithmus SHA256, sodass Mining nur noch durch ASIC-Miner (hochspezialisierte Computer) wirtschaftlich betrieben werden kann. Dies führt zu erhöhten Eintrittsbarrieren und Zentralisierung.

 

Durch diese Problematik entstanden verschiedene Abänderungen des SHA256-Algorithmus in anderen Kryptoprojekten. Ethereum benutzt den Algorithmus Ethash, welcher mehr Bandbreite und Speicher benötigt und dadurch für ASIC-Miner ungeeignet ist. Auch Litecoin verfolgt mit Scrypt den gleichen Ansatz.

 

Proof-of-Stake (PoS)

 

PoS ist die häufigste Alternative zu PoW. Der Nachweis wird nicht wie bei PoW über Hardware und Zeit bereitgestellt, sondern über den Anteil der Coins der Validatoren in Relation zur Gesamtzahl der Coins in einem System. Entscheidet ist also nicht die Anzahl an Computern, sondern das Vermögen eines Validatoren.

 

Im PoS werden keine neue Einheiten geschaffen, alle Coins sind meistens von Beginn an vorhanden. Durch PoS werden nur die Transaktionen validiert, das energie- und zeitintensive Mining entfällt.

 

Um zu verhindern, dass Validatoren mehrere Blöcke gleichzeitig erschaffen und mit den Transaktionskosten belohnt werden (Nothing at Stake Problem), können nur Beträge erhalten bleiben, welche aus einem Block stammen, der auch in der aktuellen Blockchain bleibt. Die Beträge aus „verwaisten“ Blöcken, also Blöcken die nicht in der Blockchain eingegliedert werden, müssen von den Validatoren zurück bezahlt werden.

 

PoS wird von NXT, Stratis, NEO, Waves und Lisk angewendet. Auch Ethereum plant in der Zukunft auf PoS umzusteigen.

 

Delegated-Proof-of-Stake (DPoS)

 

DPoS ist eine Unterkategorie von PoS. Bei DpoS-Sytemen wie Lisk und Bitshares werden Repräsentanten gewählt, welche den nächsten Block validieren. Die Repräsentanten werden von allen Netzwerkteilnehmern gewählt und sind für einen begrenzten Zeitraum in ihrer Funktion tätig. Wenn PoS eine Demokratie wäre, käme DPoS mit einer repräsentativen Demokratie gleich.

 

Proof-of-Importance (PoI)

 

PoI ist eine ähnliche Alternative zu PoS und wird zurzeit in der NEM-Blockchain angewendet. Jeder Account im NEM-Netzwerk erhält eine Wichtigkeitspunktzahl. Je höher diese Punktzahl ist, desto wahrscheinlicher ist der Erhalt der Transaktionsgebühren mittels „Harvesting“ - wie der Prozess der Blockbestätigung genannt wird. Die Möglichkeit Harvesting zu betreiben ist nicht allen gewährt, eine Mindestanzahl an XEM (Einheit von NEM), zurzeit 10.000, sind erforderlich.

 

Die Wichtigkeit eines Accounts wird allgemein durch wie Aktivität eines Nutzers, z.B. durch die Anzahl der Transaktionen in einer gegebenen Zeitperiode, bestimmt.

 

Proof-of-Activity (PoA)

 

PoA ist ein Hybridmodell aus PoW und PoS und wird zurzeit in Decred verwendet. Es wird versucht das Beste aus beiden Algorithmen zu vereinen. Zuerst wird ein Block ohne Transaktionen mittels PoW gesucht und anschließend von PoS-Teilnehmern vervollständigt und validiert. Beide Gruppen werden für diesen Dienst belohnt.

 

Was wird sich durchsetzen?

 

Proof-of-Work ist der zurzeit sicherste und robusteste Konsens-Algorithmus, jedoch auch der energieintensivste. Innovative Mechanismen wie Proof-of-Stake gehören definitiv die Zukunft, aber erst, wenn die Sicherheit von PoW auch in PoS-Netzwerken erreicht werden kann. Besonders interessant scheint der Umstieg des "Schwergewichtes" Ethereum von PoW auf PoS zu beobachten.

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