Konsensmechanismus

19.5.2022

Wie funktioniert Bitcoin-Konsens?

Konsensmechanismus


Tech Grundlagen Blockchain Konsens. Home Artikel Was ist ein Konsens-Algorithmus. Ein Konsens-Algorithmus ist ein Mechanismus, der es Benutzern oder Maschinen ermöglicht, sich in einer verteilten Umgebung zu koordinieren. Er muss sicherstellen, dass sich alle Agenten im System auf eine einzige Quelle der Wahrheit einigen können, selbst wenn einige Agenten versagen. Mit anderen Worten, das System muss fehlertolerant sein siehe auch: Byzantinische Fehlertoleranz. Die Bewältigung dieser Herausforderung in einem Umfeld, in dem Fremde einander nicht vertrauen, war vielleicht die wichtigste Entwicklung, die den Weg für Blockchains ebnete. In diesem Artikel werfen wir einen Blick darauf, wie Konsens-Algorithmen für das Funktionieren von Kryptowährungen und verteilten Ledgern von entscheidender Bedeutung sind. Bei Krypto-Währungen werden die Salden der Benutzer in einer Datenbank erfasst — in der sogenannten Blockchain.

Es ist wichtig, dass jeder oder genauer gesagt, jeder Node eine identische Kopie der Datenbank führt. Andernfalls würden Sie bald mit widersprüchlichen Informationen enden und den gesamten Zweck des Kryptowährungsnetzwerks untergraben. Public-Key-Kryptographie stellt sicher, dass die Benutzer nicht gegenseitig ihre Coins ausgeben können. Aber es muss immer noch eine einzige Wahrheitsquelle geben, auf die sich die Netzwerkteilnehmer verlassen können, um feststellen zu können, ob die Gelder bereits ausgegeben wurden. Satoshi Nakamoto , der Erfinder von Bitcoin , schlug ein Proof of Work System zur Koordinierung der Teilnehmer vor. Wir werden uns in Kürze mit der Funktionsweise des PoW befassen — doch zunächst werden wir einige der gemeinsamen Merkmale der vielen existierenden Konsens-Algorithmen identifizieren. In der Regel werden die von den Delegierten gesammelten Belohnungen proportional mit ihren jeweiligen Wählern geteilt.

Daher schafft der DPoS-Algorithmus ein Abstimmungssystem, das direkt vom Ruf der Delegierten abhängt. Wenn sich ein gewählter Node schlecht verhält oder nicht effizient arbeitet, wird er schnell gemieden und durch einen anderen ersetzt. In Bezug auf die Performance sind DPoS-Blockchains besser skalierbar, da sie mehr Transaktionen pro Sekunde verarbeiten können. Weitere Konsensmechanismen sind Proof of Asset, -Storage, -Intelligence, -Believability, -Devotion, -Retrievability, -Authority, Konsensmechanismen Finanzdienstleistern wie Visa oder Mastercard benötigen keinen Konsensmechanismus, da sie selbst das gesamte Netzwerk kontrollieren. Das Durchführen eines Proof-of-Work-Mechanismus bzw. Die Miner versuchen dabei, durch milliardenfache Ausführung von Rechenoperationen, ein Ergebnis mit bestimmten Eigenschaften zu finden.

Haben Sie ein solches Ergebnis getroffen, werden Sie mit dem sogenannten Block Subsidy vergütet. Der Prozess einer Transaktion, die in das Netzwerk gepusht wird, sieht bis zur Bestätigung wie folgt aus:. Die Miner nutzen Hashfunktionen , also mathematische Funktionen, die aus einer Zeichenkette beliebiger Länge eine Zeichenkette fester Länge erzeugen. Die Schwierigkeit liegt darin, dass ein Ergebnis mit gewissen Eigenschaften gefunden werden muss, die sich aus der Hashfunktion ergeben. Ausprägungen: Konsensmechanismen können über verschiedene Wege eine Einigung herbeiführen. Die drei häufigsten Ausprägungen sind derzeit Proof-of-Work, Proof-of-Stake und PBFT-Verfahren. Das Proof-of-Work-Konzept wird von der Bitcoin-Blockchain verwendet.

Um neue Blöcke mit Einträgen an die Bitcoin-Blockchain anzuhängen, muss ein Teilnehmer eine Rechenaufgabe über das Versuch-und-Irrtum-Prinzip lösen. Hat der Teilnehmer als Erster eine Lösung gefunden, verteilt er die Lösung der Aufgabe sowie die Einträge des Blocks an das Netzwerk, sodass andere Teilnehmer auf diesem Block aufbauen und einen weiteren Block mit neuen Einträgen anhängen können. Der Arbeitsnachweis Proof-of-work , den der Teilnehmer erbracht hat ist sehr rechen- und zeitintensiv. Um den hohen Energieaufwand für die Berechnung zu minimieren, verwenden Proof-of-Stake-Mechanismen nur sehr einfache Rechenaufgaben. Der positive Aspekt der Deflation ist natürlich, dass es das Gegenteil von Inflation ist.

Die unter staatlicher Kontrolle stehenden Währungen leiden unter dem moralischen Risiko der einfachen Ausgabe von Schuldtiteln, die später auf Kosten der Sparer durch eine Abwertung ausgelöscht werden können. Es bleibt abzuwarten, ob der deflationäre Aspekt der Währung ein Problem darstellt, wenn sie nicht durch eine schnelle wirtschaftliche Rücknahme vorangetrieben wird, oder ein Vorteil, weil der Schutz vor Inflation und Abwertung die Deflationsrisiken bei weitem überwiegt. Alle herkömmlichen Zahlungssysteme hängen von einem Treuhandmodell ab, das eine zentrale Behörde hat, die einen Clearinghouse-Service bereitstellt und im Grunde alle Transaktionen überprüft und löscht. Die Blockchain wird nicht von einer Zentrale erstellt, sondern unabhängig von jedem Knoten im Netzwerk. Irgendwie kann jeder Knoten im Netzwerk, der auf Informationen über unsichere Netzwerkverbindungen reagiert, zum gleichen Schluss kommen und eine Kopie des gleichen öffentlichen Ledgers wie alle anderen zusammenstellen.

Dieser Artikel untersucht den Prozess, mit dem das Bitcoin-Netzwerk globalen Konsens ohne zentrale Autorität erreicht. Die wichtigste Erfindung von Satoshi Nakamoto ist der dezentrale Mechanismus für den entstehenden Konsens. Emergent, weil Konsens nicht explizit erreicht wird — es gibt keine Wahl oder einen festen Zeitpunkt, an dem ein Konsens eintritt. Konsens ist vielmehr ein emergentes Artefakt der asynchronen Interaktion Tausender unabhängiger Knoten, die alle einfachen Regeln folgen. Der dezentrale Konsens von Bitcoin ergibt sich aus dem Zusammenspiel von vier Prozessen, die unabhängig voneinander auf Knoten im Netzwerk stattfinden:. Die Wallet-Software erstellt Transaktionen, indem sie UTXO sammelt, die entsprechenden Entsperrungsskripts bereitstellt und dann neue Ausgaben erstellt, die einem neuen Besitzer zugewiesen sind.

Die resultierende Transaktion wird dann an die benachbarten Knoten im Bitcoin-Netzwerk gesendet, sodass sie über das gesamte Bitcoin-Netzwerk verbreitet werden kann. Bevor jedoch Transaktionen an seine Nachbarn weitergeleitet werden, verifiziert jeder Bitcoin-Knoten, der eine Transaktion empfängt, zuerst die Transaktion. Jeder Knoten überprüft jede Transaktion anhand einer langen Checkliste von Kriterien:. Diese Bedingungen können im Detail in den Funktionen AcceptToMemoryPool , Check Transaction und CheckInputs im Bitcoin-Core eingesehen werden. Beachte jedoch, dass sich die Bedingungen im Laufe der Zeit ändern, um neue Arten von Denial-of-Service -Angriffen vorzubeugen oder um die Regeln zu lockern, um mehr Arten von Transaktionen einzubeziehen. Durch unabhängiges Verifizieren jeder Transaktion, wie sie empfangen wird und bevor sie verbreitet wird, baut jeder Knoten einen Pool gültiger aber unbestätigter Transaktionen auf, die als Transaktionspool, Speicherpool oder Mempool bekannt sind.

Diese spezielle Mining-Hardware ist mit einem Server verbunden, auf dem ein vollständiger Bitcoin-Knoten ausgeführt wird. Wie jeder andere vollständige Knoten empfängt und verbreitet ein Knoten unbestätigte Transaktionen im Bitcoin-Netzwerk. Einige Knoten aggregieren diese Transaktionen jedoch auch zu neuen Blöcken. Wie kann ich Siacoin (SC) kaufen? - kraken pro. Ein Knoten wartet auf neue Blöcke, die auf dem Bitcoin-Netzwerk verbreitet werden, wie dies bei allen Knoten der Fall ist. Die Ankunft eines neuen Blocks hat jedoch eine besondere Bedeutung für einen Mining-Knoten. Der Wettbewerb unter Minern endet effektiv mit der Verbreitung eines neuen Blocks, der als Ankündigung eines Siegers fungiert. Für Miner bedeutet das Erhalten eines gültigen neuen Blocks, dass jemand anderes den Wettbewerb gewonnen hat und sie verloren haben.

Das Ende einer Runde eines Wettbewerbs ist jedoch auch der Beginn der nächsten Runde. Der neue Block ist nicht nur eine karierte Flagge, er markiert das Ende des Rennens. Es ist auch die Startpistole im Rennen um den nächsten Block. Nach der Validierung von Transaktionen fügt ein Bitcoin-Knoten diese dem Speicherpool oder Transaktionspool hinzu, wo Transaktionen warten, bis sie in einen Block aufgenommen geminet werden können. Einige Knoten sammeln, validieren und übertragen neue Transaktionen genau wie andere Knoten. Im Gegensatz zu anderen Knoten aggregiert jedoch irgendein Knoten diese Transaktionen zu einem Kandidatenblock.

Für den Zweck, die Konzepte in diesem Artikel zu demonstrieren, nehmen wir an, dass der Block von einem Mining-System generiert wurde und der Transaktion von Mark folgt, da er Teil dieses neuen Blocks wird. Einige Mining-Knoten verwalten eine lokale Kopie der Blockchain. Wenn Mark die Tasse Kaffee kauft, haben einige Knoten eine Kette bis zum Block zusammengestellt. Ein Knoten lauscht auf Transaktionen, versucht, einen neuen Block zu generieren und hört auch nach Blöcken, die von anderen Knoten entdeckt wurden. Einige Knoten minen, es erhält Block über das Bitcoin-Netzwerk. Die Ankunft dieses Blocks bedeutet das Ende des Wettbewerbs für den Block und den Beginn des Wettbewerbs, um den Block zu erstellen.

Während der letzten 10 Minuten, während ein Knoten nach einer Lösung zum Generieren des Blocks suchte, sammelte er auch Transaktionen in Vorbereitung auf den nächsten Block. Inzwischen hat es ein paar hundert Transaktionen im Speicherpool gesammelt. Nach dem Empfang des Blocks und seiner Validierung vergleicht ein Knoten sie mit allen Transaktionen im Speicherpool und entfernt alle, die in Block enthalten waren. Alle Transaktionen, die im Speicherpool verbleiben, sind unbestätigt und warten darauf, in einem neuen Block aufgezeichnet zu werden. Ein Knoten erzeugt sofort einen neuen leeren Block, einen Kandidaten für den Block Dieser Block wird als Kandidatenblock bezeichnet, weil er noch kein gültiger Block ist, da er keinen gültigen Arbeitsbeweis enthält. Der Block wird nur gültig, wenn es dem Miner gelingt, eine Lösung für den Proof-of-Work-Algorithmus zu finden.

Wenn ein Knoten alle Transaktionen aus dem Speicherpool aggregiert, hat der neue Kandidatenblock Transaktionen mit Gesamttransaktionsgebühren von 0, Bitcoin. Diese Transaktion wird von einem Knoten erstellt und enthält die Belohnung für den Aufwand. Als der Block generiert wurde, betrug die Belohnung 12,5 Bitcoin pro Block. Die Blockbelohnung ändert sich im Jahr auf 6, In Der Gesamtbetrag der Belohnung, den der Miner für den Mining Block sammelt, ist die Summe der Belohnung für die Coinbase 12,5 neue Bitcoin und der Transaktionsgebühren 0, von allen Transaktionen, die im Block enthalten sind.

Im Gegensatz zu normalen Transaktionen verbraucht die Coinbase-Transaktion nicht den UTXO als Input. Stattdessen hat es nur einen Eingang, die Coinbase, der Bitcoin aus dem Nichts erzeugt. Die Coinbase-Transaktion hat eine Ausgabe, die an die Bitcoin-Adresse des Miners zu zahlen ist. Die Ausgabe der Coinbase-Transaktion sendet den Wert von 12, Bitcoin an die Bitcoin-Adresse des Miners. Um die Coinbase-Transaktion zu konstruieren, berechnet ein Miner-Knoten zuerst den Gesamtbetrag der Transaktionsgebühren durch Addieren aller Eingaben und Ausgaben der Transaktionen, die zu dem Block hinzugefügt wurden. Die Gebühren werden wie folgt berechnet:.

Im Block sind die gesamten Transaktionsgebühren 0, Bitcoin. Als nächstes berechnet der Miner-Knoten die korrekte Belohnung für den neuen Block. Die Belohnung wird basierend auf der Blockhöhe berechnet, beginnend bei 50 Bitcoin pro Block und dies reduziert sich alle Somit kontrolliert keine zentrale Instanz alleine die Richtigkeit dieser Ereignisse. Diese von den Teilnehmern gegebenen Bestätigungen führen zu einem Konsens im Netzwerk, mit dem der Datenstand der Blockchain fortlaufend beschlossen wird. Ob eine Transaktion also valide ist, entscheidet die Mehrheit der Teilnehmer statt ein einzelner Player. Um einen Konsens zu gestalten und zu implementieren, gibt es mehrere Mechanismen, die ich im folgenden erklären möchte.

Jede Blockchain muss einen Mechanismus wählen, der die Übereinstimmung aller Teilnehmer mit einer Wahrheit über ihre Daten sicherstellt. Man kann sich das wie einen standardisierten Weg vorstellen, mit dem alle Politiker eines Parlamentes dazu gebracht werden können, sich schnellstmöglich auf eine Meinung zu einigen. Da die Politiker wahrscheinlich darüber diskutieren müssen, tun dies alle Teilnehmer eines Blockchain-Netzwerks auch, indem sie über das Netzwerk miteinander kommunizieren. Die Kommunikationsprotokolle sind dabei in der Software implementiert, die auf allen beteiligten Geräten ausgeführt wird. Kommuniziert wird hierbei aber nicht über eine politische Meinung sondern den Datenstand der Blockchain, wie beispielsweise die Transaktionshistorie einer Währung wie Bitcoin.

Dabei überragt aktuell die Anerkanntheit zweier dieser Mechanismen, während andere unbekannt blieben oder noch unbekannt sind. Auch für das Ethereum Netzwerk müssen Transaktionen mittels Mining in Blöcke verpackt und somit bestätigt werden. Der richtige Name dieses Konsens-Mechanismus ist Proof of Work PoW. Er beschreibt ganz simpel die Bedingung, dass ein Teilnehmer im Netzwerk ehrliche und beweisbare Arbeit verrichtet haben muss, damit er eine Anzahl von Transaktionen bestätigen kann. Dafür wird er pro errechnetem Block angemessen belohnt. Diese Belohnung soll die aufgebrachte elektrische Energie und den Einsatz von spezieller Hardware ASIC-Miner oder GPU entschädigen und zusätzlich einen Gewinn ermöglichen. Die Ausschüttung setzt sich aus dem aktuellen Block Reward und den in den Transaktionen bewilligten Transaktionsgebühren zustande. Proof of Work ist vor allem bei Kryptowährungen bisher das meistverbreitetste Verfahren.

Wahrscheinlich ist das der Fall, da es sich schon seit mit seiner Robustheit und Sicherheit bewährt. Zusätzlich stellt der hohe Einsatz beim Minen auch sicher, dass die dadurch generierten Coins einen wirklichen Gegenwert in Form von Fiat-Geld haben. So robust und bewährt das Verfahren auch sein mag, es steht auch stark in der Kritik. Der Nachteil von Proof of Work ist, dass die benötigte elektrische Energie und die teils speziell gefertigte Hardware zu Lasten der Umwelt verbraucht wird. Viele Krypto-Fans und Kritiker würden sich wünschen, dass der Konsens keine derart hohe Umweltbelastung generiert.