Blockchain entschlüsseln: Ein tiefer Einblick in PoW- und PoS-Konsensalgorithmen

Wie können wir überprüfen, ob die Aufzeichnung „A hat eine Münze an B übertragen“ authentisch ist und „A hat eine Münze an C übertragen“ falsch ist? Konsensalgorithmen wurden genau zu diesem Zweck entwickelt, um dieses Rätsel zu lösen.

Sie haben also eine Blockchain, brandneu und vielversprechend, die dezentrale, transparente Transaktionen mit lückenloser Sicherheit verspricht. Klingt wie Zauberei, oder? Aber Moment mal, vielleicht kratzen Sie sich gerade am Kopf und fragen sich: „Wie um alles in der Welt werden diese Transaktionen überprüft, bevor sie zum Blockchain-Netzwerk hinzugefügt werden?“ Und voilà! Hier kommt die Geheimzutat der Blockchain ins Spiel – der so wichtige, aber oft unterschätzte Konsensmechanismus.

Warum ist der Blockchain-Konsens wichtig?

Bevor wir uns mit Konsensalgorithmen beschäftigen, sollten wir uns über einige grundlegende Konzepte klar werden. Wir müssen verstehen, was eine Blockchain ist und wie sie funktioniert.

Betrachten wir folgendes Beispiel: A hat vier Münzen. Er schickt eine Münze an B und zwei Münzen an C und behält die letzte Münze für sich. Diese Münztänze werden in einer Blockchain festgehalten, einem digitalen Hauptbuch, das wie ein öffentliches Tagebuch funktioniert und es jedem ermöglicht, jederzeit den Münzbestand jedes Teilnehmers zu überprüfen und die Geschichte aller Transaktionen in der Blockchain zu verfolgen.

👉 Stellen Sie sich als Parallele zum traditionellen Bankensystem ein „Rechenzentrum“ vor, das ein bisschen wie der Big Boss ist, der Aktualisierungen von den Teilnehmern erhält, sie genehmigt, in ein „umfassendes Hauptbuch“ einträgt und diese geprüften Daten dann an andere Teilnehmer (denken Sie an Bankfilialen) weitergibt. Wenn es jedoch eine zentrale Instanz gibt, hat diese die Macht, Informationen nach Belieben zu ändern und damit andere Teilnehmer in die Irre zu führen, oder?

Einfacher ausgedrückt ist eine Blockchain ein digitales Hauptbuch, das ununterbrochen neue Daten oder Transaktionen aufzeichnet. Sie entstand als vollständig dezentralisiertes Netzwerk, das sich wie ein Netz über Tausende von Computern erstreckt.

Solange es eine lebhafte Gruppe von Teilnehmern gibt, funktioniert die Blockchain reibungslos. Das bedeutet, dass jeder Teilnehmer im Netzwerk die gleichen Chancen hat – jeder kann neue Einträge vornehmen, ohne dass ein „zentraler Drahtzieher“ die Fäden zieht.

Die Teilnehmer des Netzwerks sind pseudonym – jeder kann anhand seiner Adresse identifiziert werden, aber diese Identifikatoren können nicht direkt mit der realen Identität der Person in Verbindung gebracht werden. Die Teilnehmer können das Netzwerk nach Belieben betreten oder verlassen.

In ihrer idealen Form soll eine Blockchain, die ein dezentrales System verkörpert, ein Bollwerk gegen Zensur sein und Objektivität wahren. Aber ähnlich wie in einer Shakespeare-Saga ist unser Protagonist nicht unbesiegbar. Objektivität und Widerstand gegen Zensur können unter bestimmten Umständen zusammenbrechen, beispielsweise bei einem 51 %-Angriff, bei dem eine Einheit in einem strategischen Schachzug die Mehrheit der Mining-Leistung des Netzwerks an sich reißt.

Um auf die Metapher des „Ledgers“ zurückzukommen: Von Zeit zu Zeit wird eine neue ‚Zeile‘ angehängt, die alle Änderungen (Transaktionen) enthält, die in diesem Zeitraum stattgefunden haben. Diese Daten werden anschließend gespeichert und an Tausende von Computern innerhalb des Blockchain-Netzwerks weitergeleitet.

Diese Zeile wird als Block bezeichnet, woraus sich der Begriff „Blockchain“ ableitet, eine Kette von Blöcken.

Da eine Blockchain allen Teilnehmern gleiche und offene Rechte gewährt, stellt sich die Frage: Warum sollte jemand den Daten in einer Blockchain vertrauen, wenn es keinen „zentralen Validator“ gibt? Wie können wir authentifizieren, dass die Aussage „A hat eine Münze an B gesendet“ wahr ist und „A hat eine Münze an C gesendet“ falsch ist? Um dieses Dilemma zu lösen, wurden speziell Konsensalgorithmen entwickelt.

Die Funktionsweise der Blockchain-Teilnehmer lässt sich anhand der folgenden Abbildung veranschaulichen (Abb. 1).

In der schematischen Darstellung symbolisieren die blauen Zylinder die konsensbildenden Einheiten, die für die Erstellung neuer Einträge verantwortlich sind. In einem typischen Blockchain-Netzwerk wird diese Aufgabe von Minern übernommen. Die grünen Zylinder fungieren als Verwahrer von Blockchain-Kopien, authentifizieren die Gültigkeit neuer Datensätze und weisen Aufgaben zu, um die nächste Transaktionsgruppe in Blöcken zu speichern. Dabei handelt es sich in der Regel um voll funktionsfähige Wallet-Knoten. Die gelben Quadrate stellen die einfachsten Blockchain-Nutzer dar, ähnlich wie mobile E-Wallets, die in der Regel nur Zugriff auf Datensätze haben, die mit ihren eigenen Transaktionen oder bestimmten Segmenten des „Ledgers“ verbunden sind.

Das Ergebnis der Anwendung eines kryptografischen Algorithmus auf den Inhalt eines Blocks ist eine eindeutige elektronische Signatur (auch als Hash bezeichnet), mit der jeder Block (oder die neue Zeile des Ledgers) signiert wird. Jeder Teilnehmer der Blockchain kann die Echtheit dieser Signatur überprüfen und bestätigen.

Jede Manipulation der Daten im Block führt zu einer Diskrepanz in seiner Signatur. Darüber hinaus basiert jede nachfolgende Signatur auf der vorherigen, sodass jeder Teilnehmer überprüfen kann, ob ein neuer Block eine echte Fortsetzung der Blockchain ist.

Der Konsensalgorithmus spielt eine entscheidende Rolle bei der Gewährleistung der Transaktionssicherheit, indem er die Richtigkeit der durchgeführten Aktionen überprüft. Diese Verantwortung wird von zahlreichen Netzwerkteilnehmern gemeinsam getragen.

Es gibt eine Vielzahl von Konsensalgorithmen, von denen jeder seine eigenen Stärken hat. In diesem Artikel werden wir uns zwei der beliebtesten Algorithmen genauer ansehen: Proof-of-Work und Proof-of-Stake.

PoW-Konsensalgorithmus

Der Proof-of-Work-Algorithmus (PoW) ist einer der ältesten und am weitesten verbreiteten Konsensmechanismen in Blockchain-Netzwerken. Er zeichnet sich durch seine rechnerische Komplexität aus, bei der Miner um die Lösung komplizierter mathematischer Probleme wetteifern.

Alle Transaktionen werden durch diese kniffligen Berechnungen validiert, deren Richtigkeit von jedem beliebigen Nutzer im Netzwerk überprüft werden kann.

Die goldene Regel? Der erste Miner, der das Rätsel löst, darf einen neuen Block in der Blockchain hinzufügen und die nächsten Transaktionen darin festhalten. Diese Transaktionen werden dann wie ein Gütesiegel mit „bestätigt“ gekennzeichnet.

Und was bekommt unser siegreicher Miner, fragen Sie sich? Eine glänzende Belohnung natürlich! Eine reizvolle Mischung aus Kryptowährung und Transaktionsgebühren aus den Transaktionen im neuen Block. Eine Kombination, die das Herz eines jeden Miners höher schlagen lässt und ihn in diesen Rechenwettlauf lockt.

Aber Moment, es gibt noch mehr! Der PoW-Algorithmus hat es in sich:

• PoW verringert das Risiko von Netzwerkangriffen, bei denen ein Angreifer eine große Anzahl gefälschter Teilnehmer generiert, die falsche Informationen verbreiten, um den Konsens der Mehrheit zu überwältigen. Um einen solchen Angriff in einem PoW-basierten Netzwerk durchzuführen, wäre eine astronomische Rechenleistung erforderlich.
• PoW fördert Fairness. Die Belohnung jedes Miners ist an seinen Rechenbeitrag oder seine Hash-Rate gekoppelt. Wenn ein Miner also 2 % der gesamten Hash-Rate beiträgt, darf er durchschnittlich 2 % der Blöcke minen und erhält 2 % der verteilten Belohnungen. Es ist wie eine Art „Man erntet, was man sät“-Deal.
• Schließlich hat Unehrlichkeit einen hohen Preis. Miner investieren erhebliche Ressourcen (wie Rechenleistung und Strom) in das Mining. Es ist wie bei einem Pokerspiel mit hohen Einsätzen, bei dem man nur gewinnen kann, wenn man sich an die Regeln des Netzwerks hält.

Aber vergessen wir nicht, dass auch PoW seine Schwachstelle hat. Ein 51 %-Angriff, bei dem eine Gruppe 51 % oder mehr der Rechenleistung des Netzwerks kontrolliert, kann verheerende Folgen haben. In einem solchen Szenario könnten die Angreifer Blöcke anderer Miner ignorieren oder verändern und die Mining-Belohnungen monopolisieren. Aber selbst unter diesen Umständen können die Angreifer keine Bitcoins von Nutzern stehlen oder neue Coins außerhalb der Regeln des Systems fälschen.

Das ist also der Stand der Dinge. PoW mit seiner Mischung aus Rechenaufgaben und Belohnungen dient als robuster und fairer Mechanismus für die Transaktionsvalidierung und das Hinzufügen von Blöcken in einem Blockchain-Netzwerk.

PoS-Konsensalgorithmus

Der Proof-of-Stake-Algorithmus (PoS) weist einige Ähnlichkeiten mit dem Proof-of-Work-Algorithmus (PoW) auf, hat jedoch einen wesentlichen Unterschied: Miner müssen keine komplexen Rechenaufgaben lösen. Stattdessen kommt eine andere Gruppe von Teilnehmern ins Spiel, die als Validatoren bezeichnet werden.

PoS wurde erstmals 2012 von Peercoin (ursprünglich bekannt als PPCoin) ins Leben gerufen. Die treibende Kraft hinter PoS war das Bestreben, den hohen Energieverbrauch von PoW zu bekämpfen und eine nachhaltigere und umweltfreundlichere Alternative anzubieten.

Im PoS-Universum sind Validatoren so etwas wie Sheriffs, die die Legitimität von Transaktionen überprüfen. Dazu müssen sie ihre eigenen Coins im Netzwerk staken. Stellen Sie sich das wie einen Einsatz in einem Spiel vor. Diese Coins sind tabu und werden für die Dauer des Staking-Zeitraums in einem Tresor eingeschlossen. Und wenn ein Validator versucht, etwas Unlauteres zu tun, wie beispielsweise zweifelhafte Transaktionen zu genehmigen, riskiert er den Verlust seines Einsatzes.

Nun könnte man meinen, dass Validatoren wie bei PoW für das Lösen von mathematischen Problemen auf die Schulter geklopft werden. Das ist jedoch nicht der Fall. Im PoS-Universum sehen die Belohnungen ganz anders aus. Einige PoS-basierte Kryptowährungen geben Validatoren einen Teil der Transaktionsgebühren als „Dankeschön“ für ihre harte Arbeit. Andere prägen möglicherweise neue Coins als Belohnung. Je mehr Coins ein Validator einsetzt und je länger er sie einsetzt, desto höher sind seine Chancen, als Transaktionsvalidator ausgewählt zu werden und sich die attraktiven Belohnungen zu sichern.

Lassen Sie sich jedoch nicht vom Begriff „Stimmen“ täuschen. Bei PoS werden mit den eingesetzten Coins keine Stimmen in einem demokratischen Prozess abgegeben. Sie sind eher eine finanzielle Zusage, ein Versprechen der Validatoren, die Integrität des Netzwerks zu wahren.

Das ist also PoS – eine Welt, in der gestellte Sicherheiten und Transaktionsvalidierung zusammenkommen, um einen weniger energiehungrigen, aber ebenso robusten Mechanismus zur Aufrechterhaltung eines Blockchain-Netzwerks zu bieten.

PoW vs. PoS: Was ist besser?

Energieverbrauch

In der Welt des Proof-of-Work (PoW) müssen Miner hart „arbeiten“ und mit enormen Rechenressourcen Zahlen jonglieren, um das Netzwerk zu sichern. Dieser hohe Energieverbrauch, der oft als Verschwendung angesehen wird, ist ein wesentliches Merkmal von PoW. Warum? Weil all diese Berechnungen, obwohl sie für das Mining entscheidend sind, keinem anderen Zweck dienen. Auf der anderen Seite schläft Proof-of-Stake (PoS) in Sachen Energieverbrauch. In der PoS-Welt gibt es keine „unnötigen“ Berechnungen, was PoS zum energieeffizienteren Cousin von PoW macht.

Skalierbarkeit

Sie brauchen Geschwindigkeit? Dann könnte Ihnen die Transaktionsgeschwindigkeit der Blockchain etwas langsam erscheinen, insbesondere im Vergleich zu herkömmlichen Systemen. Dies ist der Kompromiss für Sicherheit und Dezentralisierung. In puncto Skalierbarkeit ist PoW jedoch nicht der König. Sharding, eine Methode zur Beschleunigung der Transaktionsverarbeitung, ist theoretisch für jede Blockchain möglich. In der Praxis haben sich jedoch vor allem im PoS-Bereich funktionierende Sharding-Modelle durchgesetzt.

Dezentralisierung

Sowohl PoW als auch PoS haben mit Zentralisierung zu kämpfen. Bei PoW dominiert die Mining-Industrie, wobei eine Handvoll großer Akteure einen Großteil der Rechenleistung kontrollieren (und den größten Teil der Gewinne einstreichen). Bei PoS können die wohlhabenden Nutzer, die viel investieren, oft viel gewinnen, was zu ähnlichen Zentralisierungsproblemen führt. Beachten Sie jedoch, dass nicht alle PoS-Systeme gleich sind – einige verwenden verschiedene Methoden wie Randomisierung, um gleiche Wettbewerbsbedingungen zu schaffen.

Sicherheit

Sicherheit geht vor, oder? Die Sicherheit hat in jedem Blockchain-Netzwerk oberste Priorität. Der berüchtigte „51 %-Angriff“ ist sowohl in PoW- als auch in PoS-Systemen eine potenzielle Bedrohung. Bei PoW müsste ein Angreifer mehr als die Hälfte der Mining-Leistung kontrollieren (was astronomische Rechenressourcen erfordert). Bei PoS müsste er mehr als die Hälfte der gestakten Coins kontrollieren. Aber hier kommt der Clou: Bei PoS hätte ein Angreifer mit einem so großen Anteil einen erheblichen finanziellen Anreiz, die Sicherheit des Netzwerks zu gewährleisten, da sein eigenes Vermögen gefährdet wäre, wenn er die Integrität des Netzwerks gefährden würde.

Fazit

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass PoW und PoS zwei Seiten derselben Medaille sind, die jeweils ihre eigenen Stärken und Schwächen haben. Die „bessere“ Wahl hängt vom jeweiligen Anwendungsfall, den Zielen und dem Netzwerkdesign ab. Beide bieten einzigartige Lösungen für die Herausforderungen der Sicherung eines dezentralen Netzwerks, und die Wahl zwischen den beiden ist keine allgemeingültige Antwort.

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FAQ

Was ist Blockchain-Konsens?

Der Blockchain-Konsens spielt eine zentrale Rolle in der Blockchain-Technologie und dient allen Netzwerkteilnehmern (oder Knoten) als Mittel, um sich über die Authentizität von Transaktionen zu einigen. Dieser Konsensprozess stellt sicher, dass jede Transaktion, die zur Blockchain hinzugefügt wird, von allen Knoten als einzige Wahrheit akzeptiert wird, wodurch doppelte Ausgaben und betrügerische Aktivitäten verhindert werden.

Stellen Sie sich den Konsensmechanismus als eine Reihe von Regeln vor, die alle Knoten im Netzwerk als Richtlinie zur Überprüfung von Informationen verwenden. Auf diese Weise gelangen alle Mitglieder eines Blockchain-Netzwerks zu einem gemeinsamen Verständnis über den aktuellen Status des gemeinsamen Ledgers. Daher sind Konsensalgorithmen für die Aufrechterhaltung der Integrität und Sicherheit eines Blockchain-Netzwerks unerlässlich.

Welche Konsensalgorithmen gibt es?

Konsensalgorithmen sind Regelwerke, die den Knoten in einem Blockchain-Netzwerk dabei helfen, eine Einigung über die im Ledger zu speichernden Informationen zu erzielen. Es gibt eine Vielzahl von Konsensalgorithmen, die jeweils ihre eigenen Vor- und Nachteile haben. Zu den gängigsten gehören Proof-of-Work, Proof-of-Stake, Delegated Proof-of-Stake, Proof-of-Authority und Byzantine Fault Tolerance (BFT) sowie deren Abwandlungen wie PBFT und dBFT.