Konsensalgorithmus (Konsensmechanismus)

Was ist ein Konsensalgorithmus?

Die Blockchain-Technologie und Kryptowährungen haben einen revolutionären Weg für den Austausch und die Speicherung von Geldwerten eröffnet.

Ein Konsensalgorithmus, auch Konsensmechanismus genannt, ist das Herzstück dieser Technologie.

Das Wort „Konsens“ bedeutet „allgemeine Zustimmung“.

Eine Blockchain ist ein verteiltes Hauptbuch, das Transaktionen und Kontosalden aufzeichnet. Alle Teilnehmer müssen sich über den Stand des Hauptbuchs einig sein. An dieser Stelle kommt der Konsensalgorithmus ins Spiel.

Beim Konsensalgorithmus handelt es sich um einen Prozess, bei dem die Blockchain-Knoten (Computer, die Transaktionen validieren und aufzeichnen) eine Einigung über den Stand des Hauptbuchs erzielen.

Der Konsensalgorithmus ist für eine Blockchain von entscheidender Bedeutung, da er verhindert, dass böswillige Akteure das System betrügen.

Der Mechanismus schützt vor schädlichen Aktivitäten wie „Doppelausgaben“ von Kryptowährungen und Sybil-Angriffe, indem er Anreize für ehrliche Teilnehmer schafft.

Daher umfasst die Definition des Konsensmechanismus Regeln und Anreize, anhand derer sich das Netzwerk auf den Zustand einer Blockchain einigen kann.

Wie funktioniert der Konsensalgorithmus?

Nehmen wir an, Max ist ein böswilliger Akteur, der ein Guthaben von 10 Krypto-Token hat. Max möchte seine Kryptowährung „doppelt ausgeben“, indem er 10 Token an Nina schickt und dann dieselben 10 Token an Ozy überweist.

Um Nina und Ozy zu betrügen, bräuchte Max alle Knoten auf der Blockchain, die seinem gefälschten Transaktionsverlauf zustimmen.

Da eine öffentliche Blockchain jedoch dezentralisiert und offen ist, zählt das System auf gute und motivierte Teilnehmer, die falsche Transaktionen zurückweisen.

Solange die guten Akteure in der Überzahl sind, wird es Max nicht gelingen, doppelt auszugeben, da es keine „allgemeine Zustimmung“ zu den gefälschten Transaktionen geben wird.

Typen von Konsensalgorithmen

Sehen wir uns die verschiedenen Arten von Konsensalgorithmen an, die in Blockchain-Systemen verwendet werden.

Hier ist eine Liste der beliebtesten davon:

• Proof-of-Work (PoW)
• Proof-of-Stake (PoS)
• Delegated Proof-of-Stake (dPoS)
• Proof-of-Authority (PoA)
• Hybrider PoW/PoS-Konsens
• Proof-of-Burn (PoB)
• Delayed Proof-of-Work (dPoW)

Proof-of-Work (PoW)

Proof-of-Work ist der bekannteste Konsensalgorithmus. Dieser kommt in der ersten öffentlichen Blockchain für Kryptowährungen zum Einsatz: Bitcoin.

Beim PoW-Konsensmechanismus verbrauchen Netzwerkteilnehmer (sogenannte „Miner“) Rechenleistung und Strom, um Transaktionen zu validieren und neue Blöcke zum Blockchain-Ledger hinzuzufügen.

Im Gegenzug werden die Miner mit neuen Token (BTC im Fall von Bitcoin) für ihre ehrliche Arbeit belohnt.

Eine PoW-Blockchain bleibt sicher, solange 51 % der Rechenleistung des Netzwerks von ehrlichen Knoten gehalten wird.

Da ehrliche Miner die Mehrheit der Rechenleistung kontrollieren, wird die ehrliche Kette (ehrliche Version der Blockchain) alle konkurrierenden Chains überflügeln.

Um Änderungen an einem vergangenen Block vorzunehmen, muss ein Angreifer Rechenleistung und Strom aufwenden, um diesen bestimmten Block und alle nachfolgenden Blöcke zu bearbeiten und die Leistung der ehrlichen Kette zu übertreffen.

Für einen Angreifer kann der Aufwand an Rechenleistung und Strom den wirtschaftlichen Gewinn der Attacke überwiegen.

Ausgereifte PoW-Blockchains wie Bitcoin verfügen über genügend Hashing-Power, um den Versuch eines 51%igen Angriffs unglaublich teuer zu machen.

Dasselbe gilt jedoch nicht für kleinere PoW-Blockchains mit weniger Hashing-Power zur Sicherung des Netzwerks.

Proof-Of-Stake (PoS)

Der Proof-of-Stake-Konsensmechanismus rückte mit dem Übergang von Ethereum von PoW zu PoS im Jahr 2022 ins Rampenlicht.

Hier werden PoW-Miner durch PoS-Staker ersetzt. Im Gegensatz zu Minern müssen Staker keine Energie zur Validierung von Transaktionen aufwenden.

Stattdessen benötigen die Teilnehmer Kapital (in Form von Kryptowährungen) als Sicherheit, um Validatoren zu werden.

Validatoren werden für die Erstellung neuer Blöcke nach dem Zufallsprinzip ausgewählt. Nachdem ein neuer Block erzeugt wurde, wird der Validator mit neuen Krypto-Token belohnt.

Die Sicherheiten und Block-Rewards sorgen dafür, dass die Validatoren ehrlich bleiben und ihre Aufgaben zur Überprüfung von Transaktionen, zur Erstellung neuer Blöcke und zur Aufrechterhaltung des Netzwerks erfüllen.

Ein Validator riskiert die Vernichtung seiner gestakten Sicherheiten, sollte er sich böswillig verhalten.

Die Nichtteilnahme an den Netzwerkaktivitäten, wenn sie dazu aufgefordert werden, führt zum Verlust der Block-Belohnungen für die Validatoren.

Aktuell benötigt man 32 ETH, um ein Validator auf Ethereum zu werden.

Hauptunterschiede zwischen PoW und PoS

Delegated Proof-Of-Stake (dPoS)

Delegated Proof-of-Stake ist eine Variante des PoS-Konsensmechanismus. Hier stimmen die Netzwerknutzer ab und wählen Delegierte zur Validierung von Blöcken.

dPoS ist ein reputationsbasiertes Konsensmechanismusmodell. Die Delegierten werden auf der Grundlage ihres Zuverlässigkeitsrufs gewählt.

dPoS-Netzwerke haben im Vergleich zu PoS-Blockchains eine geringere Anzahl von Validatoren, wodurch das Netzwerk einen schnelleren Konsens erreichen kann.

Allerdings sind dPoS-Systeme anfälliger für 51%ige Angriffe, da die Zahl der Validatoren im Netz geringer ist.

Zudem besteht das Risiko einer Zentralisierung der Macht, weil es nur wenige Validatoren gibt und die Abstimmung reputationsabhängig ist.

Proof-Of-Authority (PoA)

Proof-of-Authority ist ein Konsensmechanismus, bei dem nur autorisierte Stellen als Block-Validatoren zugelassen werden.

Hier durchlaufen potenzielle Validatoren ein Prüfverfahren, bei dem sie auf der Grundlage ihrer Vertrauenswürdigkeit, ihrer Moralvorstellungen, ihres Strafregisters, ihres investierbaren Kapitals, ihrer Zuverlässigkeit und ihres Rufs ausgewählt werden.

PoA gilt als hocheffizienter Konsensmechanismus, da das Netzwerk von einer kleinen Anzahl von Top-Validatoren abhängt.

Wie DPoS ist auch der PoA-Konsensmechanismus anfällig für Zentralisierung und 51%-Angriffe.

Hybrider PoW/PoS-Konsens

Wie der Name schon sagt, ist der hybride PoW/PoS-Konsens eine Mischung aus Proof-of-Work und Proof-of-Stake. Dieser Ansatz vereint die Sicherheit von PoW und die Kontrolle von PoS.

Ein Beispiel für eine Blockchain, die einen hybriden PoW/PoS-Konsens verwendet, ist Decred. PoW-Miner spielen auf Decred eine ähnliche Rolle wie auf der Bitcoin-Blockchain, nämlich die Überprüfung von Transaktionen und die Erstellung neuer Blöcke.

PoS auf Decred ist für die Governance konzipiert. DCR-Token-Inhaber können ihre Coins staken, um Abstimmungstickets zu erhalten.

Die Ticketinhaber werden nach einem Zufallsprinzip ausgewählt, um PoW-Miner zu genehmigen und über Änderungsvorschläge abzustimmen.

Proof-Of-Burn (PoB)

Zunächst einmal sollte man den Begriff „Verbrennen“ erklären. Bei der Verbrennung werden die Coins endgültig aus dem Verkehr gezogen, indem sie an eine nicht wieder auffindbare Adresse geschickt werden.

Beim Proof-of-Burn müssen die Miner also Coins verbrennen.

Die Verbrennung von Coins ist der Preis für die Teilnahme an Mining-Aktivitäten, d. h. für die Verifizierung von Transaktionen, die Erstellung neuer Blöcke und den Erhalt von Block-Belohnungen.

Laut Iain Stewart, dem Erfinder des PoB-Konsens, ist die Mining-Kapazität umso höher, je mehr Coins ein Miner verbrennt.

Da PoB-Miner Coins verbrennen, anstatt Strom zu verbrauchen, wie es PoW-Miner tun, ist PoB im Vergleich zu PoW deutlich weniger energieintensiv.

Delayed Proof-Of-Work (dPoW)

Delayed Proof-of-Work ist ein Konsensmechanismus, bei dem eine Blockchain die Sicherheit eines sekundären PoW-Netzwerks (z. B. Bitcoin) nutzt.

Dieser Konsensmechanismus wurde von der Komodo Foundation eingeführt.

Laut Komodo verwenden dPoW-Netzwerke die sekundäre PoW-Blockchain, um Backups ihres Blockchain-Verlaufs zu speichern.

Eine einzige Kopie der ursprünglichen dPoW-Kette ermöglicht es dem gesamten Netzwerk, sich im Falle eines Angriffs auf die dPoW-Kette zu regenerieren.

Durch den dPoW-Konsensmechanismus können sich Blockchains mit niedrigen Hash-Raten in puncto Sicherheit auf ausgereifte PoW-Netzwerke wie Bitcoin verlassen.

Fazit

Konsensalgorithmen sind das Rückgrat der Blockchain-Technologie.

Jeder Konsensalgorithmus hat seine eigenen Vorteile und Grenzen. Während manche davon auf Sicherheit und Dezentralisierung setzen, haben für andere Geschwindigkeit und Effizienz Priorität.