Blockchain und Validierung Das Blockchain-Konsensprotokoll

Autor / Redakteur: Dipl. Betriebswirt Otto Geißler / Peter Schmitz

Es gibt nicht nur eine Variante der Blockchain. Viele Blockchains unterscheiden sich unter anderem durch die Funktion, wie ein Konsens im Netzwerk erzielt wird: Welche Transaktionen sind legitim? Welche Transaktionen dürfen der Blockchain hinzugefügt werden?

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Zuverlässige Konsensmechanismen prüfen die Blockchain über alle Knoten hinweg. Erfüllen sie nicht vollständig ihre Funktion, wird die Blockchain anfällig für Hacker-Attacken.
Zuverlässige Konsensmechanismen prüfen die Blockchain über alle Knoten hinweg. Erfüllen sie nicht vollständig ihre Funktion, wird die Blockchain anfällig für Hacker-Attacken.
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In einer zentralisierten IT-Organisation werden alle Entscheidungen von einem Leiter bzw. den jeweiligen Entscheidungsträgern getroffen. Dies ist in einer Blockchain natürlich nicht möglich, da eine Blockchain keinen Leiter kennt. Sie ist dagegen ein dezentrales Peer-to-Peer-System ohne zentrale Autoritätsperson. Damit aber die Blockchain Entscheidungen treffen kann, muss sie mithilfe von sogenannten „Konsensmechanismen“ zu einer Einigung über alle Knoten (Computer im Netzwerk der Blockchain) hinweg gelangen.

Zentrale Bedeutung des Konsensprotokolls

Auf diese Weise entsteht mit der Blockchain zwar ein zuverlässiges System, das Manipulationen quasi ausschließt, aber dennoch bleibt die Frage offen, wie die Entscheidungen letztlich getroffen werden sollen. Wobei Konsensmechanismen im Grunde Protokolle bezeichnen, die sicherstellen, dass alle Knoten miteinander synchronisiert sind und Transaktionen für legitim erklären und daher der Blockchain hinzugefügt werden dürfen.

Da der Konsensmechanismus für eine Blockchain von zentraler Bedeutung ist, müssen alle Transaktionen ständig überprüft werden. Ohne einen funktionieren Konsensmechanismus wäre die Blockchain einer Vielzahl von Hacker-Angriffen ausgesetzt. Je nach Anwendungen und erwünschten Ergebnisse, verwenden Blockchain-Netzwerke unterschiedliche Konsensmechanismen. Im Folgenden werden die wichtigsten Typen des Blockchain-Konsensmechanismus vorgestellt.

Konsens über Proof of Work (PoW)

Bei einem Proof of Work-Prozess, der auch als Mining genannt wird, lösen Miner komplizierte mathematische Aufgaben, die eine hohe Rechenleistung erfordern. Zu diesem Zweck nutzen Miner verschiedene Mining-Methoden wie CPU-Mining, GPU-Mining, FPGA-Mining, Mining-Pools, ASIC-Mining und viele mehr. Wenn es einem Miner gelingt, diese mathematischen Rätsel als erster zu lösen, aerhält er einen Block in der Blockchain bzw. Bitcoins als Belohnung.

Mehrere populäre Kryptowährungen wie beispielsweise der Bitcoin nutzen den Proof of Work-Prozess. Dieser Proof of Work-Konsensmechanismus verbraucht jedoch Ressourcen in einem schwindelerregenden Ausmaß. Im Jahr 2020 belief sich der geschätzte jährliche Stromverbrauch von Bitcoin bei bereits über 70 Terrawatt (Twh). Das entspricht einem Wert von 3,6 Mrd. US-Dollar.

Konsens über Proof of Stake (PoS)

Proof Of Stake ist die umweltfreundlichere Variante des Proof Of Work-Protokolls. Proof Of Stake baut auf der Prämisse auf, dass diejenigen, die über die meisten Coins in einem Netzwerk verfügen, auch ein berechtigtes Interesse daran haben, das Netzwerk und den Wert seiner Coins aufrechtzuerhalten. In einem Proof Of Stake-System wird ein randomisierter Prozess verwendet, um zu bestimmen, wer den nächsten Block in der Blockchain produzieren darf.

Das bedeutet, die Blockchain-Teilnehmer können ihre Coins einsetzen, um ein Validator zu werden. Der Prozess, der entscheidet, wer den nächsten Block produzieren darf, hängt vom Design der Blockchain ab. Im Allgemeinen hat jedoch der Teilnehmer mit dem größten Einsatz die höchste Chance, einen Block zu produzieren. Die Belohnung, die der Validator für das Erstellen des nächsten Blocks erhält, hängt wiederum vom Design der Blockchain ab.

Normalerweise erhalten die Validatoren entweder alle oder einen Teil der erhobenen Transaktionsgebühren für die von ihnen erstellten Blöcke oder es wird eine feste Menge an Coins verteilt. Mit diesem Ansatz bietet Proof of Stake den Validatoren vitale Anreize für die Aufrechterhaltung des Blockchain-Netzwerks. Proof of Stake ist im Vergleich zu anderen Blockchain-Konsensmechanismen wie Proof of Work wesentlich energieeffizienter.

Konsens über Delegierter Proof of Stake (DPoS)

In einem delegierten Proof Of Stake-System können Blockchain-Teilnehmer ihre Coins einsetzen, um für eine bestimmte Anzahl von Delegierten zu stimmen. Das Gewicht ihrer Stimme hängt von ihrem Einsatz ab. Wenn beispielsweise Teilnehmer A 10 Coins für einen Delegierten und B 1 Coin für einen Delegierten setzt, wiegt die Stimme von A zehn Mal schwerer als die Stimme von B.

Wobei ein Delegierter eine Person bzw. Organisation darstellt, die Blöcke in einem Blockchain-Netzwerk erzeugen möchte. Die Delegierten, die die meisten Stimmen erhalten, dürfen Blöcke erstellen und werden für die Erstellung dieser Blöcke belohnt. Genau wie bei Proof Of Stake werden sie entweder aus den Transaktionsgebühren oder mit einem festen Betrag an Coins bezahlt. Wie viele Delegierte Blöcke produzieren dürfen, hängt vom Design der Blockchain ab.

Das Delegated Proof Of Stake-Protokoll ist bei der Verarbeitung von Transaktionen ebenfalls viel effizienter als alle oben genannten Protokolle. Die Blockchains, die das Delegated Proof Of Stake-Protokoll verwenden, haben unabhängig von ihrer Größe auch keine Probleme mit der Verarbeitung aller empfangenen Transaktionen.

Der Delegated Proof of Stake-Mechanismus zählt daher zu einem der schnellsten Blockchain-Konsensmechanismen. Denn dieser kann im Vergleich zum Proof of Work-Mechanismus eine höhere Anzahl von Transaktionen bewältigen. Aufgrund seines Stake-gewichteten Abstimmungssystems wird DPOS oft als eine Art digitaler Demokratie betrachtet.

Fazit

Obwohl diese verschiedenen Konsensmechanismen ähnliche Ziele verfolgen, stellen sie den Konsens mit unterschiedlichen Ansätzen sicher. Darüber hinaus existieren noch weitere Konsensmechanismen wie beispielsweise Proof of Capacity, Proof of Identity, Proof of Authority oder Proof of Activity. Einen einzigen optimalen Konsensmechanismus gibt es derzeit noch nicht, aber die bislang erprobten entwickeln sich im Laufe der Zeit fortwährend weiter, um den Anforderungen der Blockchain-Technologie noch besser gerecht zu werden.

Da die zugrunde liegende Technologie noch relativ jung ist, kann eine Vorhersage über die Art des Blockchain-Konsensmechanismus, die sich langfristig durchsetzen und nützlich sein wird, nur vage ausfallen. Aus diesem Grunde sollten die Entscheider, die über eine Einführung der Blockchain-Technologie in ihrer Organisation nachdenken, sich gut über die verschiedenen Blockchain-Konsensmechanismen informieren.

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