Beim Baseball erfordert ein Homerun, dass der Schlagmann einen fairen Ball schlägt, der über den Outfield-Zaun fliegt, so dass der Schlagmann die Bases ohne Widerstand erklimmen kann. Es ist nur möglich, einen Homerun zu erzielen, weil sich die Spieler, Schiedsrichter und Zuschauer auf die Parameter einigen, die ihn definieren. Wenn eine Mannschaft glaubte, dass der Ball einen Zaun überqueren musste, um einen Homerun zu erzielen, die andere Mannschaft aber auch glaubte, dass der Ball von einem Baum abprallen musste, um sich zu qualifizieren, würde der fehlende Konsens den Status der Leistung in Frage stellen.
Wenn es um Finanzen geht, kann das keine Frage sein. Niemand möchte drei Bitcoins an einen Immobilienmakler und dann hören Sie die Worte "Herzlichen Glückwunsch, Sie haben vielleicht ein Haus gekauft."
Konsensmechanismen erleichtern die Übereinstimmung zwischen den Knoten in einem Blockchain-Netzwerk. In einfachen Worten stellen sie sicher, dass sich jeder Spieler auf die Spielregeln einigt.
Das Konsenssystem schützt die Dezentralisierung des Netzwerks, indem es sicherstellt, dass es nicht auf einen Single Point of Failure angewiesen ist. Es schützt aber auch die Sicherheit des Netzwerks, indem es sicherstellt, dass es sich nicht auf einen einzigen Autoritätspunkt verlässt. Wenn es beim Baseball zum Beispiel kein Regelwerk gäbe, gäbe es nichts, was einen Schlagmann daran hindern würde, einen Ball aus zwei Metern Höhe zu schlagen und dann einen "Homerun" zu erklären. Wenn es keinen Konsensmechanismus auf einer Blockchain gäbe, gäbe es nichts, was einen einzelnen böswilligen Akteur daran hindern könnte, Transaktionen auf der Blockchain einseitig zu validieren, um sich selbst reich zu machen.
Wie Blockchains Transaktionen validieren – PoW, PoS und darüber hinaus
Proof of Work vs. Proof of Stake sind zwei primäre Konsensmechanismen, die in Kryptowährungsnetzwerken verwendet werden, um Transaktionen zu validieren. Der Hauptunterschied liegt in der Art und Weise, wie sie bestimmen, wer Transaktionen validieren darf. PoW stützt sich auf Rechenleistung, bei der die Teilnehmer gegeneinander antreten, um komplexe Rätsel zu lösen, während PoS ein lotterieähnliches System verwendet, bei dem die Teilnehmer auf der Grundlage ihres Einsatzes an Kryptowährung ausgewählt werden.
Auf einer PoW-Blockchain, wie z. B. Bitcoin, sind Ihre Chancen, einen Block zu treffen, direkt proportional zu der Menge an Rechenleistung, die Sie haben. Auf einer PoS-Blockchain wie Etheruem oder Cardano sind Ihre Chancen, einen Block zu treffen, proportional zu der Menge der Währung, die Sie persönlich besitzen. Es ist wichtig zu beachten, dass nur Münzen auf einer PoW-Blockchain abgebaut werden können, da PoS-Ketten Blöcke auf der Grundlage einer zufälligen Ziehung belohnen.
Eine dritte Methode, die als Delegated Proof of Stake (DpoS) bekannt ist, ist ein Konsensmechanismus, bei dem Netzwerkbenutzer für Delegierte abstimmen, um Transaktionen zu validieren. Anstatt dass jeder Benutzer direkt am Validierungsprozess teilnimmt, wie es bei Proof-of-Stake (PoS) der Fall ist, ermöglicht DPoS einer kleineren Gruppe von gewählten Delegierten, die Arbeit zu erledigen.
Arbeitsnachweis
Das Konzept des Proof of Work (PoW) wurde ursprünglich 1993 vorgeschlagen, um E-Mail-Spam und Denial-of-Service-Angriffe zu bekämpfen. Später, im Jahr 1997, implementierte Adam Back einen PoW-Mechanismus namens Hashcash, der das Konzept weiter festigte. Seitdem wurden einige weitere Versuche einer Implementierung in der realen Welt unternommen, aber PoW wurde nicht weit verbreitet, bis Bitcoin entwickelt und anschließend von Satoshi Nakamoto populär gemacht wurde.
Mit dieser Methode können sich Miner messen, um extrem komplexe mathematische Probleme zu lösen. Der erste Miner, der die Ziellinie erreicht, validiert die Transaktion und erhält einen Block dieser Währung als Belohnung für seinen Beitrag. Die Lösung wird dann von den anderen Knoten im Netzwerk überprüft, um sicherzustellen, dass sich die Mehrheit über den Zustand des Blockchain-Ledgers einig ist und verhindert, dass eine einzelne Instanz es kontrolliert.
Der Rätsellösungsprozess des PoW-Mechanismus sichert das Netzwerk auf verschiedene Weise:
1. Energieintensiv: Das Lösen des Rätsels erfordert erhebliche Rechenleistung und Energie. Dies erschwert es böswilligen Akteuren, Angriffe zu starten, da sie erhebliche Ressourcen benötigen würden.
2. Rechenaufwand: Die Komplexität des Rätsels sorgt dafür, dass die Suche nach einer Lösung Zeit und Mühe erfordert. Dies verlangsamt den Prozess des Hinzufügens neuer Blöcke und erschwert es Angreifern, die Blockchain zu manipulieren.
3. Unveränderliche Kette: Sobald eine Transaktion bestätigt und dem Block hinzugefügt wurde, wird sie effektiv dauerhaft, was auch als Unveränderlichkeit bezeichnet wird. Diese Dauerhaftigkeit wird durch kryptografische Hashes erzwungen, die jeden Block in der Kette miteinander verknüpfen. Das Ändern eines einzelnen Blocks würde jeden nachfolgenden Block in der Kette ungültig machen. Die Erstellung eines betrügerischen Blocks würde eine Neuberechnung aller nachfolgenden Blöcke erfordern, was für böswillige Akteure rechnerisch unpraktisch ist. Wenn es überhaupt möglich wäre, würde die Menge an Energie, die ein Hacker für das Lösen der nachfolgenden Blöcke aufwenden würde, mehr kosten als das, was das Verbrechen tatsächlich ausgezahlt hat.
Zu den bemerkenswerten Projekten, die PoW nutzen, gehören Bitcoin, Dogecoin, Litecoin und Ethereum Classic.
Proof-of-Stake
In PoS-Systemen werden Validatoren ausgewählt, um neue Blöcke basierend auf der Anzahl der Coins zu erstellen, die sie halten und bereit sind, als Sicherheit zu "staken". Diese Coins sind im Wesentlichen gesperrt, was bedeutet, dass sie nicht gehandelt oder verkauft werden können, während sie eingesetzt werden. Dies schreckt von böswilligem Verhalten ab, da Validatoren Gefahr laufen, ihren Einsatz zu verlieren, wenn sie sich nicht an die Regeln halten.
Die Blockvalidatoren werden nach dem Zufallsprinzip nach einem lotterieähnlichen System ausgewählt, das auf ihrem wirtschaftlichen Anteil am Netzwerk basiert. Je mehr Münzen Sie einsetzen, desto besser sind Ihre Chancen, zur Validierung einer Transaktion ausgewählt zu werden und dadurch eine Blockprämie zu erhalten. Stellen Sie sich jede Münze, die Sie einsetzen, als "Ticket" in der Blockchain-Lotterie vor. Dieser Ansatz reduziert den Energieverbrauch im Vergleich zu PoW erheblich, da ressourcenintensive Berechnungen überflüssig werden.
Zu den bemerkenswerten Projekten, die PoS nutzen, gehören Ethereum (ETH), Cardano (ADA), Polkadot (DOT), Algorand (ALGO), Cosmos (ATOM), Tezos und Avalanche. Dieser Vergleich... Proof of Work vs. Proof of Stake – ist wichtig, wenn es um Nachhaltigkeit und Energieverbrauch geht.
Delegierter Proof-of-Stake
Ein weiterer innovativer Ansatz ist der Delegated Proof of Stake (DPoS), der eine Delegationsebene in den Konsensprozess einführt. In DPoS-Systemen wählen die Stakeholder eine kleine Anzahl von Delegierten, die für die Validierung von Transaktionen auf der Grundlage ihrer wahrgenommenen Qualifikationen verantwortlich sind. Diese Methode verbessert die Skalierbarkeit und Transaktionsgeschwindigkeit, während die Dezentralisierung bis zu einem gewissen Grad erhalten bleibt.
Zu den bemerkenswerten Projekten, bei denen DPoS zum Einsatz kommt, gehören EOS und TRON, die aufgrund ihrer Fähigkeit, Tausende von Transaktionen pro Sekunde zu verarbeiten, Aufmerksamkeit erregt haben.
Doppelte Ausgaben und 51%-Angriffe
Digitale Währungen existieren als Daten, die leicht kopiert werden können. Ohne einen Mechanismus, der dies verhindert, könnte jemand möglicherweise dieselbe digitale Währung an mehrere Personen gleichzeitig senden und dabei denselben Token mehrmals ausgeben. Dies wird als "Double-Spending" bezeichnet und ist einer von vielen Gründen, warum ein Konsens für die Gesundheit und Stabilität der Blockchain von entscheidender Bedeutung ist.
Ein Konsens zwischen den Knoten wird erreicht, indem ein einziger Datensatz aufbewahrt wird – die einvernehmlich vereinbarte Version der unveränderlichen Transaktionshistorie einer Blockchain – anstatt jeden einzelnen Knoten seine eigene Kopie der Datenbank in seiner Gesamtheit pflegen zu lassen. Die Knoten erhalten Eingabedaten aus einer ausstehenden Transaktion und genehmigen oder lehnen die Transaktion anschließend ab, nachdem sie sie mit den Regeln der Blockchain abgeglichen haben.
Zum Beispiel überprüft es, ob die Transaktion ordnungsgemäß signiert/autorisiert ist, ob der Absender über genügend verfügbare Mittel verfügt, und gleicht dann die Anfrage mit seiner eigenen Kopie der Blockchain ab, um sicherzustellen, dass der Kauf nicht Teil einer bereits abgeschlossenen Transaktion ist, was geschieht, um Doppelausgaben zu verhindern. Wenn ein Benutzer versucht, die Transaktion mit Münzen abzuschließen, die bereits verwendet wurden, wird die Transaktion abgelehnt.
Zentralisierung und Sicherheit
Kritiker des PoW-Mechanismus haben Bedenken hinsichtlich der Zentralisierung aufgrund von Mining-Pools geäußert, die die Hash-Power dominieren. Zum jetzigen Zeitpunkt werden beispielsweise mehr als 60 % der neu geschürften Bitcoin-Blöcke von nur drei führenden Mining-Pools generiert. Diese Zentralisierung der Macht wirft erhebliche Bedenken hinsichtlich der Netzwerksicherheit auf, da eine begrenzte Anzahl von Unternehmen einen übermäßigen Einfluss auf die gesamte Blockchain ausüben kann. Wenn beispielsweise ein einzelner Mining-Pool einen großen Teil der Hashrate des Netzwerks dominiert, könnte er möglicherweise einen "51%-Angriff" starten, der ihm die Kontrolle über die gesamte Blockchain gibt.
Im Gegensatz zu PoW zielen PoS und DPoS darauf ab, die Macht gleichmäßiger unter den Teilnehmern zu verteilen. Es besteht nach wie vor die Gefahr einer Zentralisierung, die auf der Konzentration von Reichtum beruht; Diejenigen, die mehr Münzen haben, haben mehr Kontrolle. Die Erfolgschancen bei einem 51%-Angriff auf eine PoS-Blockchain sind gering, da ein einzelnes Unternehmen 51% der Coins in der gesamten Blockchain besitzen müsste.
Skalierbarkeit und Nachhaltigkeit – Warum Proof of Work vs. Proof of Stake Materien
Der PoW-Konsensmechanismus hat sich seit seiner Einführung im Jahr 2009 als wirksam erwiesen, um die Sicherheit und Integrität von Bitcoin zu wahren. Die Abhängigkeit von PoW hat jedoch auch Bedenken hinsichtlich des Energieverbrauchs und der Skalierbarkeit aufgeworfen.
Das Umweltproblem, das mit PoW-Systemen verbunden ist, ist ihr massiver Energieverbrauch. Die Rechenleistung, die zum Lösen von Blockaden und zur Sicherung des Netzwerks erforderlich ist, erfordert erheblichen Strom, oft aus nicht erneuerbaren Quellen, was zu einem Anstieg der Kohlenstoffemissionen führt.
Je mehr Miner dem Netzwerk beitreten, desto schwieriger wird es, die Blockrätsel zu lösen, was zu einem höheren Energieverbrauch und längeren Transaktionszeiten führt. Dies schränkt den Transaktionsdurchsatz auf PoW-basierten Blockchains stark ein. Bitcoin zum Beispiel kann nur sieben Transaktionen pro Sekunde (TPS) verarbeiten, was im Vergleich zu zentralisierten Zahlungssystemen wie Visa, die Tausende von TPS verarbeiten können, verblasst.
Um Probleme im Zusammenhang mit Skalierbarkeit und Effizienz zu lösen, hat Ethereum im September 2022 auf den PoS-Mechanismus umgestellt. Dieses Upgrade reduzierte den Energieverbrauch des Netzwerks um 99,9 % und ebnete den Weg für zukünftige Verbesserungen der Skalierbarkeit, da PoS deutlich mehr Transaktionen pro Sekunde verarbeiten kann als PoW.
Darüber hinaus zielen Layer-2-Innovationen wie das Lightning Network für Bitcoin oder Plasma für Ethereum darauf ab, die Skalierbarkeit durch die Verarbeitung von Transaktionen außerhalb der Kette zu verbessern und gleichzeitig die Sicherheit der zugrunde liegenden Blockchain zu nutzen.