Proof-of-Work, Proof-of-Stake, oder doch lieber Proof-of-Authority? Um die Vertrauenswürdigkeit jeder Blockchain zu garantieren, erzielen die Teilnehmer Übereinstimmung über den Status des Netzwerks. Dafür entwickelte man über die Jahre viele neuartige Konsensverfahren. In diesem Artikel schauen wir uns genauer an, was einen Konsensmechanismus ausmacht und warum er für die Funktion jeder Blockchain von kritischer Bedeutung ist.
Die Blockchain-Technologie existiert bereits seit dem Jahr 2009. Damals setzte die mystische Figur Satoshi Nakamoto die Bitcoin-Blockchain frei. Was als Experiment startete, ist heute eine globale Bewegung. Aufgrund dieses Wachstums benötigt man mittlerweile speziell angefertigte Hardware, um Bitcoin mithilfe des Konsensmechanismus namens “Proof-of-Work” zu schürfen.
Früher war das Schürfen jedoch auf dem eigenen Computer möglich. Erst waren Computer-Prozessoren ausreichend, dann musste man auf Grafikkarten aufrüsten. Heute rentiert sich das Mining nur noch als professionelle Farm mit Zugriff auf günstige Strompreise.
Denn es wird im Falle von Bitcoin eine ganze Menge Strom für das Schürfen via Proof-of-Work benötigt. Das ist der Fall, weil spezielle Mining-Geräte Rechenkraft aufbringen, um einen Algorithmus zu lösen. Der Algorithmus nennt sich Sha-256 und bei erfolgreicher Lösung wartet die Ausschüttung des sogenannten Block-Rewards: die Belohnung in Bitcoin.
Aufgrund des hohen Energieverbrauchs kommen mittlerweile viele Blockchains von Proof-of-Work als bevorzugten Konsensmechanismus ab. So plant Ethereum nach dem kommenden Update “The Merge”, nicht mehr auf Proof-of-Work angewiesen zu sein. Man möchte dann Konsens durch ein anderes Verfahren erreichen, sogenanntes Proof-of-Stake.
Was hat es jedoch genau mit dem Konsensmechanismus auf sich und warum ist er unbedingt nötig? Schauen wir uns dafür die Funktionsweise von Blockchains etwas genauer an.
Warum is ein Konsensmechanismus nötig? So funktioniert die Blockchain
Das Wort Konsens steht für „Übereinstimmung“. Genauer bedeutet es die übereinstimmende Meinung von Personen zu einer Frage. Es stellt das zentrale Element jeder Blockchain dar.
In einer Blockchain werden Transaktionen von sogenannten Validatoren in Blöcken gespeichert. Diese bilden dann eine Kette (“chain”), die unendlich lange fortgeführt wird. Daher stammt der Name “Blockchain”. So ist eine Blockchain eine öffentliche, verteilte Datenbank, welche von einer unabhängigen Gemeinschaft von Computern auf der ganzen Welt verwaltet wird.
Diese unabhängige Gemeinschaft formt ein Peer-to-Peer-Netzwerk, was von Knotenpunkten (“Nodes”) und Validatoren verwaltet wird. Sie bestätigen den Status der Blockchain. Um zu garantieren, dass die Datenbank nicht manipuliert wird, muss die Mehrheit aller Teilnehmer den gleichen Status der Blockchain anerkennen: einen Konsens finden.
Ein Konsensmechanismus ist demnach ein Algorithmus, der eine Übereinstimmung über den Status einer Blockchain zwischen seinen Teilnehmern erzielt. Diese Mechanismen verwendet man, um sicherzustellen, dass alle Teilnehmer eine identische Kopie der Datenbank besitzen.
Das Netzwerk kann in diesem Falle nur ausgehebelt werden, wenn die Mehrheit dem gleichen manipulierten Status zustimmt. Dafür gibt es in der Szene einen Begriff: 51%-Angriff. Das ist vor allem für kleine Proof-of-Work-Blockchains eine Gefahr, da man sich auf gewissen Internetseiten Rechenkraft mieten kann.
Aufgrund von Nachteilen wie hohem Energieverbrauch und 51%-Attacken, entwickelte man in den letzten Jahren weitere Konsensverfahren. Einige davon scheinen heute mehr Anhang gefunden zu haben als andere. In Anbetracht der Vielfalt verwendeter Mechanismen ist klar, dass das perfekte Konsensverfahren bisher noch nicht existiert.
Die bekanntesten Konsensverfahren
Proof-of-Work
Proof-of-Work (PoW) ist das älteste Konsensverfahren. Hier erzielt man Konsens durch Rechenkraft. Teilnehmer bekommen eine komplexe Rechenaufgabe vorgelegt, die sie mithilfe von Hardware lösen müssen. Für den Einsatz an Ressourcen (Hardware und Energie) bekommen sie eine Belohnung. Heute scheint man sich eher von PoW zu entfernen. Dies ist hauptsächlich aufgrund des hohen Energieverbrauchs der Fall. Bekannte Blockchains, die auf PoW basieren, sind Ethereum, Bitcoin und Monero.
Proof-of-Stake
Proof-of-Stake (PoS) ist nach PoW der wahrscheinlich beliebteste Konsensmechanismus. Es steht für “Anteilsnachweis”, weil man hier Konsens durch bereitgestelltes Vermögen (“stake”) und der Dauer der Bereitstellung erzielt. Proof-of-Stake wurde im Jahre 2012 als Antwort auf Bitcoins hohen Energieverbrauch herausgebracht. Da bei PoS kein Mining erfolgt, ist es nicht möglich, das Netzwerk durch Rechenkraft auszuhebeln. Angreifer müssten hierfür über die Hälfte der zirkulierenden Coins erwerben. Bekannte Beispiele für Proof-of-Stake-Blockchains sind Solana und Avalanche.
Delegated Proof-of-Stake
DPoS ist eine bekannte Weiterentwicklung von Proof-of-Stake. Hier werden Delegierte demokratisch gewählt, die für bestimmte Aufgaben im Netzwerk zuständig sind. Aufgaben sind beispielsweise das Validieren von Blöcken und Bestätigen des Status der Blockchain. Das Stimmrecht der Wähler ist hierbei in der Regel nach der Anzahl an Token gewichtet. Blockchains wie Cardano, EOS, Tron oder Cosmos machen von DPoS Gebrauch.
Weniger bekannte Konsensverfahren
Proof-of-Person
Neben den drei bekanntesten handelt es sich bei Proof-of-Person um einen weniger bekannten Konsensmechanismus. Hier beweisen Netzwerkteilnehmer, dass sie echte Personen sind und sind dadurch berechtigt, an der Netzwerkaktivität teilzunehmen. Der Beweis kann durch gewisse Aufgaben oder sogar durch biometrische Daten erfolgen. Dies ist vor allem für die Dezentralisierung von Vorteil, da jede Person nur einmal im Netzwerk vertreten sein kann. Blockchains, die auf einer Form von PoP basieren, sind Idena oder Humanode.
Proof-of-Authority
Durch Proof-of-Authority wählt man vertrauenswürdige Teilnehmer aus, welche danach gewisse Aufgaben ausführen dürfen. Die Auswahl ist in der Regel abhängig vom Ruf der Teilnehmer. So stellen sich Teilnehmer einem Bewerbungsprozess, bevor sie als Validatoren für die Blockchain infrage kommen. Der Prozess basiert in der Regel auf der realen Identität des Bewerbers. Das sorgt für eine hohe Vertrauenswürdigkeit von PoA-Netzwerken, geht jedoch gleichzeitig mit Sicherheitsrisiken einher. Das bekannteste Beispiel einer Proof-of-Authority-Blockchain ist die Binance Smart Chain.
Proof-of-Work vs. Proof-of-Stake: Gibt es einen besten Konsensmechanismus?
Obwohl Proof-of-Work als der sicherste Konsensalgorithmus gilt, bevorzugen mittlerweile viele Blockchains Proof-of-Stake. Das hat vor allem mit der Umweltfreundlichkeit zu tun, aber auch die Skalierbarkeit der Blockchains spielt dabei eine große Rolle. So kann das Bitcoin-Netzwerk als digitales Gold mit einem niedrigen Transaktionsvolumen auskommen und Sicherheit als erste Priorität wählen, bei Netzwerken wie Ethereum, welche grundsätzlich auf schnelle und günstige Transaktionen angewiesen sind, sieht das jedoch anders aus.
Deshalb ist für diese Blockchains Proof-of-Stake die attraktivere Konsensmethode. Doch auch hier findet man einige Schwachpunkte. Man kritisiert vor allem, dass es die “Reichen reicher” mache und in der Regel zentralisierte Netzwerke schafft. So brauchen Validatoren des Ethereum-Netzwerks 32 ETH, um zugelassen zu werden. Das sorgt für eine große Zugangsbarriere für Einsteiger und kleine Investoren, während Investoren mit dem nötigen Kapital problemlos Staking-Rewards einkassieren und sich somit der Spalt zwischen kleinem und großem Investor weitet.
Bei der Wahl des Konsensverfahrens greift das Blockchain-Trilemma. Dieses besagt, dass eine Blockchain die gewünschten Qualitäten “Dezentralität, Skalierbarkeit und Sicherheit” nicht auf einmal erfüllen kann, da einer der Faktoren nur auf Kosten der anderen zu erzielen ist. So sind skalierbare Blockchains in der Regel wenig dezentralisiert und sichere Blockchains eher langsam. Es stellt sich lediglich die Frage: Welche der gewünschten Qualitäten bevorzugt man?
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