Der Konsensmechanismus ist ein fundamentales Konzept in Blockchain-Netzwerken, das häufig mit Begriffen wie Proof-of-Stake (PoS), Proof-of-Work (PoW) oder Proof-of-Authority (PoA) in Verbindung gebracht wird. Doch diese Begriffe sind nur Komponenten eines Konsensmechanismus, der vor Sybil-Angriffen schützt.
In diesem Blogbeitrag helfen wir dir, tiefer in die Welt des Konsensmechanismus einzutauchen. Dafür enthüllen wir seine Grundlagen und ergründen, wie er ein verteiltes Netzwerk von Nodes befähigt, den Zustand einer Blockchain zu bestimmen.
Voraussetzungen: Ein grundlegendes Verständnis von Blockchains
Bevor du mit Hilfe von diesem Artikel dein Verständnis von Konsensmechanismen vertiefst, solltest du zunächst wissen, was eine Blockchain ist. Im besten Fall besitzt du ein grundlegendes Verständnis davon, wie eine Blockchain funktioniert und welche Rolle die Nodes dabei spielen.
Was ist Konsens?
Unter Konsens verstehen wir eine allgemeine Übereinkunft. Stelle dir hierfür einfach eine Gruppe von Menschen vor, die zusammen ins Kino gehen möchte. Wenn es keine Uneinigkeit über die Wahl eines Films gibt, herrscht Konsens. Bei Meinungsverschiedenheiten muss die Gruppe Mittel finden, um zu entscheiden, welchen Film sie sehen möchte. In extremen Fällen könnte die Gruppe sich sogar aufteilen, um verschiedene Vorstellungen zu besuchen.
Auf einer Blockchain gilt das gleiche Prinzip. Wobei es bereits ausreichend ist, wenn eine gewisse Mehrheit dem globalen Zustand des Netzwerks zustimmt.
Was ist ein Konsensmechanismus?
Der Begriff Konsensmechanismus bezieht sich auf das gesamte Paket, bestehend aus Protokollen, Anreizen und Ideen, die es einem Netzwerk von Nodes ermöglichen, sich über den Zustand einer Blockchain zu einigen.
Bitcoin nutzt den PoW-Mechanismus, während Ethereum im Jahr 2022 auf den PoS-Mechanismus umgesattelt ist. Letzteres schützt seine Krypto-ökonomische Sicherheit nicht nur durch Anreize, sondern auch durch Strafe, die auf das gesperrte Kapital der sogenannten Stakeholder angewendet werden kann. In jedem Fall sollen Validatoren stets dazu motiviert werden, ehrlich zu agieren und nicht dem Netzwerk zu schaden.
Ein Protokoll regelt, wie ehrliche Validatoren ausgewählt werden, um Blöcke vorzuschlagen oder zu validieren, Transaktionen zu verarbeiten und über den aktuellen Zustand der Blockchain abzustimmen. Dabei wird zur selben Zeit in der Regel immer nur ein einziger Block zugelassen.
In den seltenen Fällen, in denen mehr als ein Blöcke zur selben Zeit erscheinen, greift ein Gabelwahlmechanismus, der letzten Endes den Block auswählt, der bereits die längste Abfolge von Blöcken ausgebildet hat. Bei einigen Konsensmechanismen, wie zum Beispiel dem PoS von Ethereum, kann auch die Anzahl an Validatoren entscheidend sein, die für die Blöcke abgestimmt haben.
Die verschiedenen Arten von Konsensmechanismen
Es gibt eine ganze Reihe an Konsensmechanismen, die Blockchains verwenden können. Die am weitesten verbreiteten und bekanntesten Mechanismen sind allerdings PoW und PoS.
Proof of Work
Bei PoW konkurrieren die Miner um die Erstellung neuer Blöcke, welche die verarbeiteten Transaktionen beinhalten. Der Gewinner teilt den neuen Block mit dem Rest des Netzwerks und verdient frisch geprägte Token des Netzwerks. Im Netzwerk von Bitcoin verdienen die Miner beispielsweise frisch geprägte BTC.
Die Belohnung erhält der Miner, der am schnellsten ein mathematisches Rätsel lösen kann. Dies erzeugt die kryptografische Verbindung zwischen dem aktuellen Block und dem vorherigen. Das Lösen dieses Rätsels repräsentiert die “Arbeit” (im Englischen “Work”) in der Bezeichnung “Proof-of-Work”.
Die Sicherheit des Netzwerks wird aufrecht erhalten, indem 51 % der Rechenleistung des Netzwerks nötig ist, um die Blockchain zu manipulieren. Dies erfordert bei großen Netzwerken wie beispielsweise dem von Bitcoin eine so hohe Investitionen in Ausrüstung und Energie, dass der Verlust höher wäre als der Gewinn.
Eine ausführlichere Erklärung findest du in unserem Proof-of-Work-Artikel.
Proof of Stake
Bei einem auf PoS basierenden Konsensmechanismus wie ihn Ethereum verwendet, erstellen Validatoren neue Blöcke. Sie schicken die Konsensdaten, die nötig sind, um einen Block zu formen, an andere Nodes im Netzwerk zur Überprüfung. Diese Blockerstellung wird ebenfalls mit der heimischen Währung wie beispielsweise Ether (ETH) belohnt.
In seltenen Fällen, in denen mehrere mögliche Blöcke für einen einzelnen Slot existieren oder Nodes von Blöcken zu unterschiedlichen Zeiten erfahren, wählt der Gabelwahlalgorithmus den Block aus, der die Folge an Blöcken mit der größten Anzahl an Beglaubigungen aufweist. Dabei ist in diesem Zusammenhang eine Beglaubigung so zu verstehen, dass für diesen Block und seine Legitimität ein Validator abgestimmt hat.
Die Sicherheit des Netzwerkes wird aufrecht erhalten, indem Validatoren, die Manipulationsversuche starten, Strafe in Form von Slashing drohen. Bei einem Slashing-Verfahren wird entweder ein Teil oder alle der gestakten Kryptowährungen vernichtet.
Erfahre mehr über PoS und seine Funktionsweise in unserem Proof-of-Stake-Artikel.
Sybil-Resistenz & Chain-Auswahl
PoW und PoS werden oft vereinfachend als Konsensprotokolle bezeichnet, doch eigentlich handelt es sich dabei um Sybil-Resistenzmechanismen und Blockautoren-Selektoren.
Sie dienen dazu, festzulegen, wer der Autor des neuesten Blocks ist. Ein weiterer wichtiger Bestandteil ist der Chain-Auswahlalgorithmus (auch Fork-Choice-Algorithmus genannt), der Nodes befähigt, einen einzigen korrekten Block am Ende der Blockchain auszuwählen, wenn sich mehrere Blöcke in derselben Position befinden.
Die Bedeutung der Sybil-Resistenz
Sybil-Resistenz bezeichnet die Fähigkeit eines Protokolls, sich gegen Sybil-Angriffe zu behaupten. Ein Sybil-Angriff tritt auf, wenn ein einzelner Benutzer oder eine Gruppe vorgibt, viele Benutzer zu sein.
Diese Art von Angriff ist für eine dezentralisierte Blockchain von entscheidender Bedeutung. Sie ermöglicht es Minern und Validatoren, gleichwertige Belohnungen auf Grundlage der eingebrachten Ressourcen zu erhalten. PoW und PoS schützen davor, indem sie Benutzer dazu zwingen, viel Energie aufzuwenden oder hohe Einsätze zu leisten. Diese Schutzmechanismen wirken als wirtschaftliche Abschreckung gegen Sybil-Angriffe.
Chain-Auswahl: Das Herzstück der Konsensmechanismen
Die Chain-Auswahl ist ein fundamentaler Bestandteil eines zuverlässigen Konsensmechanismus. In Bitcoin beispielsweise folgt man der “längsten Kette”-Regel, bei der die längste Blockchain als gültig und arbeitsfähig akzeptiert wird. In PoW-Netzwerken wird die Länge der Chain durch die kumulative Schwierigkeit des PoW bestimmt.
Ethereum nutzte früher auch diese Regel, hat jedoch mit dem Wechsel zu PoS einen aktualisierten Fork-Choice-Algorithmus übernommen. Dieser Algorithmus misst das ‘Gewicht’ der Chain bzw. Kette. Das Gewicht ergibt sich aus der summierten Anzahl der Validatoren-Stimmen, gewichtet nach dem ETH-Guthaben der Validator-Teilnehmer.
Die Chain-Auswahl und Sybil-Resistenz sind grundlegende Bausteine für den Aufbau eines sicheren, vertrauenswürdigen und dezentralisierten Blockchain-Netzwerks. Diese Mechanismen schützen vor betrügerischen Angriffen und stellen sicher, dass das Netzwerk fair und gleichberechtigt funktioniert. In der komplexen Welt der Blockchain sind die Sybil-Resistenz und Chain-Auswahl nicht nur Begriffe, sondern die Basis für eine neue Ära des digitalen Vertrauens.
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