Wenn in irgendeinem Zusammenhang der Begriff „Blockchain“ fällt, geht damit meist der komplexe Begriff „Konsensalgorithmus“ einher. Die meisten Leser denken nicht einmal daran, zu recherchieren, was ein Konsensalgorithmus ist. Tatsächlich wissen die meisten nicht einmal, wofür ein Algorithmus im Blockchain-Kontext verwendet wird. Dennoch gibt es Dutzende von Arten von Algorithmen, von denen die meisten in der Blockchain-Welt verwendet werden.
Die Idee eines Konsenses kommt zu einer einheitlichen Position zu einem Problem. In der Informatik bezieht sich ein Konsens auf ein Konsensproblem. Das grundlegende Problem bei verteilten Rechen- und Multi-Agenten-Systemen besteht darin, eine Gesamtsystemzuverlässigkeit bei Vorhandensein einer Anzahl fehlerhafter Prozesse zu erreichen. Dies erfordert häufig, dass Prozesse sich auf einige Daten einigen, die während der Berechnung benötigt werden. Die Blockchain ist von demselben Problem betroffen, und Wissenschaftler und Programmierer haben Wege gefunden, es zu lösen.
Im Wesentlichen ist ein Algorithmus eine Reihe von analysierten, programmierten und notwendigen Schritten, die erforderlich sind, um ein bestimmtes Ergebnis zu erzielen. Der Konsensalgorithmus bedeutet also, die notwendigen Maßnahmen zu ergreifen, um eine Einigung über ein einzelnes Thema zu erzielen. In der Blockchain-Welt bedeutet diese Einzelfrage, sich auf die Berechnung eines Blocks durch alle Netzwerkteilnehmer zu einigen, damit er gehasht werden kann.
In der Blockchain -Welt
Wenn es um Blockchain geht, kann der Konsensalgorithmus mehrere Ergebnisse als Hauptziel aller Netzwerkteilnehmer haben. Die häufigsten Zwecke des Algorithmus sind die folgenden:
- Vereinbarung: Der Konsensmechanismus sammelt alle Vereinbarungen aus der Gruppe der Netzwerkteilnehmer.
- Zusammenarbeit: Jedes Mitglied der Gruppe strebt eine bessere Vereinbarung an, die dem Interesse der Gruppe als Ganzes entspricht.
- Zusammenarbeit: Jeder Einzelne arbeitet im Team und stellt seine eigenen Interessen zugunsten des Allgemeinwohls zurück.
- Gleichberechtigung: Jeder Teilnehmer hat im Abstimmungsprozess den gleichen Wert. Bei einem solchen Ansatz zählt jede Stimme, denn ohne auch nur eine einzige Stimme wird der Konsens nicht zustande kommen.
- Teilnahme: Jeder innerhalb des Netzwerks muss am Abstimmungsprozess teilnehmen. Niemand wird ausgelassen oder kann sich aus der Abstimmung heraushalten, da dies das Funktionieren des Algorithmus stoppt.
- Aktivität: Jedes Mitglied der Gruppe ist gleichermaßen aktiv. Die Verantwortung in der Gruppe wird gleichmäßig auf alle Teilnehmer verteilt.
Typen
Tatsächlich sind derzeit über 30 Arten von Konsensalgorithmen verfügbar. Die häufigsten sind die folgenden:
- Arbeitsnachweis
- Proof-of-Stake
- Delegierter Proof-of-Stake
- Berechtigungsnachweis
- Byzantinische Fehlertoleranz
- Delegierte byzantinische Fehlertoleranz (dBFT)
Und so weiter und so fort. Die Liste lässt sich endlos fortführen, aber Tatsache bleibt, dass alle hier erwähnten Algorithmen und alle anderen, die nicht in das gegebene Material passen, ebenso wichtige Zwecke erfüllen, die sich um das Erreichen eines Konsenses drehen. Das einzige, was sich ändert, ist die Methode, mit der sie es erreichen.
Die Ruhmeshalle
Die beliebtesten Arten von Konsensalgorithmen sind natürlich Proof-of-Work und Proof-of-Stake, die zusammen mit der Blockchain als Erstgeborene entstanden sind.
Proof-of-Work ist die älteste Art von Konsens auf der Blockchain und existiert seit Anfang 2003 mit der Geburt von Bitcoin und befindet sich seit 2009 in der Testphase. Obwohl nicht neu, erhielt der Algorithmus mit Satoshi Nakamoto neues Leben. Bei seiner vorgeschlagenen Methode müssen die Teilnehmer der Blockchain (die Miner) ein komplexes und völlig nutzloses Rechenproblem lösen, damit ein Transaktionsblock zur Blockchain hinzugefügt werden kann. Die Probleme bei diesem Ansatz sind zahlreich. Es ist langsam, energieintensiv und umweltschädlich, und es ist anfällig für Skaleneffekte.
Als nächstes kommt das Proof-of-Stake-Konzept. Dieser Ansatz entstand als Alternative zu letzterem und schlug vor, dass die Teilnehmer des Netzwerks, anstatt Mining zu verwenden, um Blöcke zu trac , einige Einsätze in Form von Münzen im System haben müssen, um an dem Prozess teilnehmen zu können. Der Besitz eines Anteils von 10 % gewährt die Wahrscheinlichkeit, den nächsten Block bei 10 % abzubauen. Je mehr Coins der Stake-Inhaber hält, desto höher ist die Chance, dass er den Block trac . Der Ansatz ist auch fehlerhaft, da er anfällig für das Problem ist, dass nichts auf dem Spiel steht. Dennoch ist es weniger stromintensiv, nicht anfällig für Skaleneffekte und besser gegen Angriffe geschützt.
Ganz gleich, welcher Ansatz zur Erzielung eines Konsenses verwendet wird, die Probleme sind immer noch weitgehend dieselben und hallen von einem zum anderen wider. Die größten Probleme, mit denen alle Konsensmodelle konfrontiert sind, sind die folgenden:
Der Stromverbrauch ist mit Abstand das größte Problem des Blockchain-Betriebs. Zum Beispiel hat Bitcoin 20 Milliarden Hashes pro Sekunde. Das erfordert immense Mengen an Strom und es gibt derzeit keine günstigen Energiealternativen, um den Energiehunger moderner Blockchains zu stillen.
Die Zentralisierung von Minern in PoW-Netzwerken ist ein weiteres Problem, da große Hersteller mehr Energie für den Betrieb benötigen und versuchen werden, die Regeln im Mining-System zu beugen oder sogar neue herauszugeben, um ihre Anforderungen zu erfüllen. Die Zentralisierung innerhalb eines dezentralen Netzwerks ist die Folge. Wenn die Zentralisierung greift, ist das System keine Blockchain mehr und es macht keinen Sinn, sich zu einigen.
Angriffe auf das Netzwerk sind immer noch beliebt und die Hacker gehen nirgendwo hin. Ein 51-%-Angriff ist realisierbar und es gibt keine Garantie dafür, dass dies nicht geschieht. Werden Stakes von Angreifern übernommen, ist es nur noch eine Frage von Zeit und Rechenleistung, bis sie über die Hälfte aller Nodes kontrollieren und das Netzwerk zum Geldverdiener machen.
Rein mit dem Neuen
Die Probleme früherer Konsensalgorithmen wurden gründlich untersucht und erforscht, um Programmierern zu ermöglichen, neue Konsensmodelle zu erreichen.
Eines der neuesten und vielversprechendsten Modelle für Blockchains ist Proof-of-Agreement, ein weiterer Konsensalgorithmus, der von der Credits-Plattform . Es ist ein ziemlich einfaches Konzept, das auf den ersten Blick kompliziert erscheint, aber effektiv ist, um einen Konsens zu erzielen. Das gesamte Verfahren zum Konsens besteht aus der Bildung der Transaktionen und deren Verteilung zwischen den Netzwerkknoten und zyklischen Ausführungsrunden, in denen Trusted Nodes (TN) die Befugnis erhalten, einen Konsens durchzuführen, was zu einer gemeinsamen Auflösung einschließlich Transaktionen in einem Block und seiner Generierung führt. Transaktionspakete enthalten eine geordnete Anzahl von Transaktionen (bis zu 500) und erhalten einen Header, der einen mit dem Blake2s-Algorithmus berechneten Hash enthält. Sobald die Nodes die Liste der im Round Table enthaltenen Transaktionspakete erhalten, beginnen sie damit, die Verfügbarkeit dieser Pakete im lokalen Puffer zu prüfen. Wenn einige Pakete fehlen, wird der Synchronisationsprozess eingeleitet. Ein Knoten fordert die fehlenden Pakete von seinen Nachbarknoten an, und wenn die Pakete auch auf diesen Knoten fehlen, fordern diese Nachbarn die Pakete von ihren Nachbarn an und der Vorgang wird wiederholt, bis die fehlenden Pakete gefunden sind. Die Verfügbarkeit aller im Roundtable enthaltenen Transaktionspakete auf allen Trusted Nodes ist Voraussetzung für den Beginn einer Runde. Nachdem alle Netzwerkknoten die Transaktionspakete freigegeben und miteinander ausgetauscht haben, müssen die Knoten ausgewählt werden, die für die Konsensausführung verantwortlich sind, und diese Knoten müssen die Transaktionen validieren und einen Block generieren. Einfache und effektive Blockbildung unter voller Einbeziehung aller Knoten mit der Möglichkeit der Implementierung in öffentliche Netze ist das, was einen solchen Konsensalgorithmus ausmacht.
Der nächste vielversprechende Algorithmus ist Facebooks LibraBFT Consensus-Algorithmus. LibraBFT verbessert HotStuff und passt es für eine breitere Nutzung an. Libra ist ein Konsensalgorithmus vom Typ Byzantinische Fehlertoleranz, der auf HotStuff basiert und ein robustes und effizientes Replikationssystem für Zustandsmaschinen ist, das für die Libra-Blockchain entwickelt wurde. LibraBFT ist eine Erweiterung von HotStuff mit der Implementierung des Pacemaker-Mechanismus. Es umfasst eine Lebendigkeitsanalyse, die aus konkreten Grenzen für die Transaktionsbindung besteht. In LibraBFT werden die Prozesse Validatoren genannt. Jeder der letzteren arbeitet in Runden, wobei jeder einen designierten Validator hat, der als Leader bezeichnet wird. Die Leiter schlagen neue Blöcke vor und erhalten von den Validatoren unterzeichnete Stimmen zu den Vorschlägen zur Blockgenerierung. Eine Runde ist nur eine Kommunikationsphase mit einem einzigen designierten Leiter, und die Vorschläge der Leiter werden mithilfe kryptografischer Hashes in einer Kette organisiert. Wenn eine Runde gestartet wird, schlägt der Anführer einen Block vor, der die längste Kette erweitert, die ihm zur Verfügung steht. Wenn der Vorschlag gültig und zeitgerecht ist, wird jeder ehrliche Knoten ihn unterzeichnen und eine Stimme an den Leiter senden. Sobald genügend Stimmen vorhanden sind, um ein Quorum zu erreichen, fasst der Leader die Stimmen in einem Quorum-Zertifikat (QC) zusammen, das dieselbe Kette erneut verlängert, und das QC wird an jeden Knoten gesendet. Wenn der Leiter keine QC zusammenstellt, gehen die Teilnehmer in die nächste Runde.
Mittlerweile ist die Libra Blockchain als Permissioned Network gestartet. Zu den Gründungsvalidatoren gehören Firmen wie Uber, Visa, MasterCard, PayPal usw. Alle Gründer halten sich an strenge Richtlinien, um frühe Validatoren zu sein. Beispielsweise mussten Krypto-Hedgefonds ein verwaltetes Vermögen von über 1 Milliarde US-Dollar haben, während Depotbanken, die sich auf digitale Vermögenswerte konzentrieren, mindestens 100 Millionen US-Dollar aufbewahren mussten. Nicht-Krypto-Unternehmen mussten eine Marktkapitalisierung von mehr als 1 Milliarde US-Dollar oder Kundenguthaben von mehr als 500 Millionen US-Dollar haben.
Ein weiterer Konsensalgorithmus ist Proof of Elapsed Time, der Anfang 2016 von Intel erfunden und von Hyperledger Sawtooth 1.1 erfolgreich getestet wurde.
Das Funktionsprinzip ist ziemlich einfach, da jeder Knoten im Netzwerk für eine zufällig gewählte Zeitspanne wartet. Der erste Knoten, der die Wartezeit verstreicht, gewinnt das Recht, den nächsten Block auszugeben. Jeder Knoten im Netzwerk generiert zufällige Wartezeitintervalle und wird für eine bestimmte Zeit schlafend deaktiviert. Der Knoten, der aufwacht, und derjenige mit der kürzesten Wartezeit, fügt der Blockchain einen neuen Block hinzu und überträgt die Daten durch das gesamte Netzwerk. Der Vorgang wird wiederholt, bis der nächste Block gefunden ist. Die Vorteile eines solchen Algorithmus sind geringe Kosten der Teilnahme, einfache Legitimitätsprüfung und geringe Kosten der Prüfungs- und Wahlkontrolle. Es gibt auch Nachteile, wie die Notwendigkeit spezieller Hardware und die Tatsache, dass sie für öffentliche Netzwerke nutzlos ist. Alles in allem
Die Vielfalt der Konsensalgorithmen macht Blockchains vielseitig und anpassungsfähig an verschiedene Anwendungen und Strukturen. Obwohl anfällig für Angriffe, oft umständlich und höchst energieineffizient, sind die Blockchains immer noch da, um zu bleiben, und es ist nur eine Frage der Zeit, bis der eine oder andere Algorithmus die anderen im Wettlauf um Effizienz schlägt. Vielleicht wird einer der Algorithmen in der langen Liste der obskuren und weniger bekannten Algorithmen derjenige sein, der PoW und PoS in naher Zukunft verdrängen wird.
