Konsensmechanismen sind unerlässlich, damit sich alle Parteien auf eine einzige unveränderliche Historie einer Blockchain einigen können, um neue Blöcke zu prägen und das Protokoll als Ganzes aufrechtzuerhalten.

Die beiden wichtigsten heute verwendeten Konsensmethoden basieren auf Proof-of-Work- (PoW) oder Proof-of-Stake- (PoS) Mechanismen, die viele andere Arten ähnlicher Konsensmethoden beeinflusst haben.

Hier, nach dem erfolgreichen Hard Fork von Cardano zu einer PoS-Blockchain, tauchen wir tief in die Geschichte der Konsensmechanismen ein, in ihre Grenzen, und wie Cardano einige der relevantesten Konsensprobleme durch Ouroboros löst – den technisch fortschrittlichsten PoS-Algorithmus bis heute.

Wir werden auch untersuchen, wie Cardanos Konsensansatz Smart Contracts und dezentralisierte Anwendungen (DApp) sicherer denn je macht.

Proof of Work (PoW)

Proof of Work wurde in der Blockchain, wie wir sie heute kennen, erstmals durch Bitcoin im Jahr 2008 eingeführt. Ihre Grundlagen liegen jedoch in der kryptographischen Forschung, die viel älter ist als die Blockchain-Technologie selbst, und das Verständnis des Ursprungs von PoW kann uns helfen, die Distributed-Ledger-Technologie als Ganzes zu verstehen.

Erstmals beschrieben von Cynthia Dwork und Moni Naor im Jahr 1993 als Rechentechnik zur Bekämpfung von Junk-Mail, bestand die grundlegende Theorie hinter frühen PoW-Systemen darin, von den Teilnehmern des Ökosystems die Berechnung eines mäßig schweren, aber nicht unmöglichen mathematischen Problems zu verlangen, um an einer Ressource oder einem Netzwerk teilnehmen zu können – und damit die leichtfertige Nutzung zu verhindern.

Heute kann ein kurzer Blick in den Junk-Ordner Ihrer E-Mail zeigen, dass PoW seine wichtigste Nische nicht in der Verhinderung von Spam gefunden hat, sondern in der Erleichterung der Schaffung der Blockchain-Technologie durch die Verhinderung von double-spending durch Hashcash, Teil des Mining-Algorithmus, der schließlich von Bitcoin verwendet wurde.

Im Jahr 1999 formalisierten die Kryptographen Markus Jakobsson und Ari Juels den Begriff PoW, definierten ihn als eine Verifizierung, dass die Teilnehmer in einem bestimmten Zeitintervall eine bestimmte Menge an Rechenarbeit geleistet haben, woraufhin ihnen der Zugang zu einer Ressource gewährt wurde – dargestellt als Blockbelohnung in PoW-Blockchains.

Ein paar Jahre später entwickelte der verstorbene Kryptograph Hal Finney das erste digitale E-Geld unter Verwendung einer Iteration von PoW, die nur begrenzt wirtschaftlich genutzt wurde. Knapp ein Jahrzehnt später war Finney jedoch der allererste Empfänger von Bitcoin, der ursprünglichen funktionalen PoW-Blockchain, die von dem anonymen Satoshi Nakamoto entwickelt wurde – heute immer noch die größte Kryptowährung nach Marktkapitalisierung.

PoW führte zur Entstehung von Kryptowährungs-Minern, die leistungsstarke Computerhardware einsetzen, um kryptografische Probleme zu lösen und Blöcke im Gegenzug für Blockbelohnungen zu validieren. Das Krypto-Mining hat sich seitdem zu einem riesigen Geschäft entwickelt und treibt die Kryptowährungsmärkte und die gesamte Industrie an.

Es ist unklar, ob diese Pioniere der Kryptografie geahnt haben, zu welchem Giganten sich Bitcoin und der Rest der Blockchain-Industrie entwickeln würden. Nichtsdestotrotz legte die akademische Theorie den Grundstein für Konsensmechanismen und Hashing-Algorithmen, wie wir sie heute kennen, auch für jene Protokolle, die sich über PoW hinaus entwickelt haben.

Neben Bitcoin wird PoW als Konsensmechanismus für über 75% der heutigen Blockchains verwendet, darunter Litecoin, Ethereum, Bitcoin Cash, Monero, Dogecoin und viele mehr. Aber nur weil sie die erste ist, bedeutet das nicht unbedingt, dass sie die beste ist. Lassen Sie uns einige Einschränkungen von PoW untersuchen.

Probleme mit PoW

Trotz seiner Nützlichkeit zur Verhinderung von Doppelausgaben gibt es eine Reihe von theoretischen und nachgewiesenen Problemen mit dem PoW-Konsens, darunter:

• Energieineffizienz – PoW benötigt enorme Mengen an Energie, um die zum Mining von Blöcken benötigte Computerhardware zu betreiben, was eine enorme Umweltbelastung darstellt. Im Jahr 2019 veröffentlichte Forschungen schätzten, dass allein das Bitcoin-Mining-Netzwerk mindestens 40 TWh Strom pro Jahr verbraucht, möglicherweise sogar bis zu 62 TWh – vergleichbar mit dem Energiebedarf der gesamten Schweiz.
• Hashrate-Konsolidierung – Theoretisch könnte eine relativ kleine Handvoll von entsprechend gut finanzierten Minern oder Mining-Gruppen für den Großteil der Hash-Rate in einem PoW-System verantwortlich sein. Das Risiko der Hash-Raten-Konsolidierung macht das gesamte Netzwerk zentralisierter, da eine relativ kleine Anzahl von Minern für das Mining neuer Blöcke verantwortlich ist.

Proof of Stake (PoS)

Wie wir im Folgenden im Detail untersuchen werden, ist Cardano eine PoS-Blockchain. PoS-Protokolle sind in Runden organisiert, und die meisten PoS-Blockchains zirkulieren einfach durch die Blockproduzenten, wenn es darum geht, einen neuen Block in einer Art Round-Robin-Auswahl zu prägen. Stattdessen wählen einige PoS-Blockchains, wie wir weiter unten untersuchen werden, nach dem Zufallsprinzip Anführer für jede Runde oder jeden Slot, die bei Cardano Slot Leader genannt werden. Die kritischste algorithmische Komponente ist ein Slot-Leader-Wahlverfahren, das eine Untergruppe von Teilnehmern bestimmt, die befugt sind, der Blockchain in jeder Runde einen neuen Block hinzuzufügen.

Slot-Leader werden nach ihrem „Einsatz“ im Protokoll ausgewählt, d. h. nach dem Anteil der Protokoll-Token, den sie im Vergleich zu den übrigen Teilnehmern mit Einsatz kontrollieren. Diejenigen mit höheren Einsätzen werden mit größerer Wahrscheinlichkeit als Slot Leader ausgewählt und prägen einen neuen Block – daher der Begriff Proof of Stake.

Kritisch ist, dass PoS nur einen Bruchteil der Hashing-Leistung – und damit auch nur einen Bruchteil des Stroms – benötigt, den PoW-Algorithmen verbrauchen. Der geringe Hashing- und Energiebedarf ist darauf zurückzuführen, dass die Slot-Leader nach ihrem Anteil am Protokoll ausgewählt werden und nicht danach, wie viel physische Hashing-Leistung sie aufwenden.

Andere PoS-Blockchains

Cardano ist eine der neuesten und am weitesten entwickelten PoS-Blockchains. Dennoch haben einige andere Blockchains in der Vergangenheit Pionierarbeit geleistet, einige nutzen derzeit PoS, und einige andere Blockchains planen, es in Zukunft zu implementieren:

• Peercoin – Gegründet im Jahr 2012, war Peercoin die erste Blockchain, die PoS implementierte. Peercoin basiert auf der Bitcoin-Codebasis und wurde in einem Whitepaper beschrieben, das die erste formale Münzprägung mit PoS auf der Grundlage des „Alters“ von Münzen in einem Netzwerk darlegte.
• Tezos – Wie Cardano hat Tezos eine Blockproduktionsrunde, die als „Zyklus“ bezeichnet wird. Tezos basiert auf einer völlig anderen Konsensschicht als Cardano, trotz der Ähnlichkeiten auf der Oberflächenschicht. Zum Beispiel hat Tezos ein Kontomodell, das auf Ethereum basiert und nicht auf einem erweiterten UTXO wie Cardano – was Hydra und eine bessere Multi-Asset-Unterstützung ermöglicht. Tezos hat sowohl Blockproduzenten, die sie „Bakers“ nennen, als auch Teilnehmer, die neuen Blöcken zustimmen, „Endorser“ genannt. Den Teilnehmern am PoS-Konsensalgorithmus von Tezos werden zu Beginn eines jeden Zyklus Backing-Rechte oder Endorsing-Rechte zugewiesen, wobei ein zufälliger Seed verwendet wird, der aus den auf der Blockchain gespeicherten Informationen berechnet wird.
• Ethereum 2.0 – Obwohl Ethereum derzeit als PoW-Blockchain existiert, wird es mit der Einführung von Ethereum 2.0 schließlich zu PoS übergehen. Ethereum 2.0 wird sich auf Validatoren – eine Rolle, die auch als „virtuelle Miner“ bezeichnet wird – und Ether-Einlagen verlassen, um einen Konsens zu erreichen.

Probleme mit Proof of Stake

Es gibt einige theoretische Probleme im Zusammenhang mit PoS, von denen viele in den frühen Iterationen von PoS-Blockchains problematisch waren. Lassen Sie uns hier einige von ihnen erkunden, und wir werden im Folgenden untersuchen, wie Cardano diese vermeidet:

• Das ’nothing-at-stake‘-Problem – Angriffe auf PoS-Blockchains können durch Validierer erleichtert werden, die mehrere Blockchains gleichzeitig fortführen, indem sie die Tatsache ausnutzen, dass für den Aufbau einer PoS-Blockchain wenig Rechenaufwand erforderlich ist. Da die Sicherung des Netzwerks im Gegensatz zu PoW-Algorithmen keine intrinsischen Kosten verursacht, kann dies dazu führen, dass Validierer auf allen früheren Forks einer PoS-Blockchain aufbauen, um Transaktionsgebühren für die Kette zu kassieren, die am Ende am meisten genutzt wird. Dies kann den Konsens stören und das gesamte Netzwerk verwundbar machen.
• Goldfinger-Angriffe – Benannt nach dem Bond-Bösewicht, der versuchte, die Reserven des US-Finanzministeriums zu zerstören, Goldfinger-Angriffe versuchen, das Konsensprotokoll selbst zu untergraben und zu destabilisieren, um dem Angreifer finanzielle Vorteile zu verschaffen. Diese Angriffe können verschiedene Formen annehmen, wie z.B. einen Buy-Out-Angriff, einen Bestechungsangriff, Mietangriffe oder einen Gebäudeangriff, jeweils mit unterschiedlichem Modus Operandi zum gleichen Zweck.

Konsens über Cardano

Nach dem Hard Fork von Byron zu Shelley arbeitet Cardano nun mit Ouroboros Praos, einem PoS-Protokoll, das als erstes nachweislich sicher gegen adaptive Angreifer und in einem wirklich praktischen Sinne skalierbar ist.

In der altägyptischen und hellenistischen Ikonographie ist der Ouroboros eine sich selbst verzehrende Schlange, die zyklische Erneuerung darstellt – besonders treffend für die Art und Weise, wie verifiable random functions während einer Epoche erzeugt und in der nächsten Epoche zur Wahl der Slot-Leiter verwendet werden.

Ouroboros Praos bietet Sicherheit gegen volladaptive Korruption in der halbsynchronen Umgebung, was bedeutet, dass Angreifer jeden Stakeholder zu jedem Zeitpunkt korrumpieren können, ohne dass die zugrunde liegende Blockchain beeinträchtigt wird, solange die Verteilung der Stakeholder eine ehrliche Mehrheit der Stakes aufrechterhält – was durch Stake-Pools und Delegation ermöglicht wird.

Teilnehmer werden durch einen Pool-Sättigungspunkt oder „K“ daran gehindert, zu viel Kontrolle über das Cardano-Netzwerk auszuüben, an dem der Pool abnehmende Erträge für die Teilnahme am Konsens erzielen würde. Damit soll verhindert werden, dass ein einzelner oder eine Handvoll Pools unverhältnismäßig stark als Slot-Leader ausgewählt wird, und die Blockchain wirklich dezentralisiert bleibt.

Das Design der Stake-Pools und der Delegation auf Cardano stellt sicher, dass das Protokoll eine viel größere Kapazität für die Dezentralisierung hat – es fördert die Schaffung von Tausenden von Stake-Pools und einer theoretisch unbegrenzten Anzahl von Delegierten. Daher ist der PoS-Algorithmus von Cardano nach Ansicht von unabhängigen Code-Auditoren der Konkurrenz weit überlegen.

Wie überwindet Cardano die PoS-Beschränkungen?

Cardano wurde auf der Grundlage der neuesten kryptographischen Forschungsergebnisse entwickelt, die durch akademische Strenge ständig verbessert werden, und basiert auf fast 80 von Experten begutachteten kryptographischen Veröffentlichungen des IOHK.

Als Ergebnis wurden viele der mit dem PoS-Konsens verbundenen Einschränkungen gemildert oder ganz vermieden, was Ouroboros Praos zur bisher sichersten Iteration des PoS macht.

Das „Nichts steht auf dem Spiel“-Problem wird durch Cardanos Analyse von forkbaren Zeichenketten gelöst. Selbst wenn ein Angreifer alle möglichen Strategien, um die Cardano-Blockchain in naher Zukunft zu fälschen, durchprobieren würde, gäbe es keine Strategien, die sich finanziell lohnen würden.

Auch die Kettenauswahlregel weist die Teilnehmer an, sehr tiefe Forks zu ignorieren, die von dem Block abweichen, den sie das letzte Mal erhalten haben, als sie online waren.

Beyond Shelley – intelligente Verträge, optimaler Durchsatz und Sidechains

Shelley führte Live-PoS in Cardano ein, aber es gibt noch viele weitere Vorteile des PoS-Konsenses für den Nutzen der breiteren Cardano-Blockchain. Dazu gehören intelligente Verträge, optimaler Transaktionsdurchsatz und Sidechains. Lassen Sie uns einige der grundlegenden Prinzipien dieser Funktionen untersuchen.

Smarte Verträge

Die Art und Weise, wie Cardano einen Konsens erreicht, ist wichtig für seine Smart Contract- und DApp-Fähigkeiten. Mehr Dezentralisierung in einer Blockchain bedeutet, dass sich mehr Knoten auf eine einzige Version der Wahrheit einigen.

Infolgedessen sind intelligente Verträge, die in einem ausreichend dezentralen Netzwerk geschrieben wurden, besonders robust und vertrauenswürdig. In Verbindung mit einem dezentralisierten Orakelnetzwerk könnten diese intelligenten Verträge für Unternehmensanwendungen oder sogar für die Abwicklung komplexer rechtlicher Vereinbarungen geeignet sein.

Nahezu optimaler Durchsatz

Einen hohen Transaktionsdurchsatz zu erreichen, ist eine der größten Herausforderungen für Blockchains, aber es ist unerlässlich, wenn Blockchains die Finanzbetriebssysteme der Zukunft werden sollen.

IOHK-Forscher haben einen Vorschlag für ein formales Ausführungsmodell für PoS auf der Grundlage von Ouroboros gemacht, das die Sicherheit aufrechterhält und gleichzeitig einen optimalen Transaktionsdurchsatz ermöglicht, so dass die Cardano-Blockchain skalieren und eine hohe Anzahl von Transaktionen bewältigen kann und dabei sicher bleibt.

PoS-Sidechains und Interoperabilität

Sidechains werden seit langem auf ihr Potenzial hin untersucht, die Skalierbarkeit und Interoperabilität von Blockchains zu ermöglichen, aber es gibt viele Sicherheitsüberlegungen und Probleme zu lösen, bevor sie effektiv implementiert werden können.

Im Mai 2019 haben Forscher des IOHK als erste eine Konstruktion für PoS-Sidechains beschrieben die auf Cardanos Ouroboros Praos PoS-Protokoll eingesetzt werden könnte.

Es wurde eine Lösung vorgeschlagen, die sichere kettenübergreifende Werttransfers unterstützt, die wiederum die Sicherheit jeder zugrunde liegenden Kette aufrechterhalten, die Existenz einer Mehrheit ehrlicher Stakes für beide teilnehmenden Ketten verifizieren und die Integrität einer transagierenden Kette aufrechterhalten würde, falls die andere ausfällt.

Goldfinger-Angriffe und andere Versuche, den Konsens zu untergraben, werden auf Sidechains vereitelt, da sie jeweils nur einen kleinen Betrag an Einsätzen tragen.

In der Praxis könnte die Implementierung von PoS-Sidechains zum ersten Mal eine vollständige Interoperabilität zwischen Blockchains ermöglichen, was die Skalierbarkeit in der gesamten Blockchain-Industrie beschleunigen, aber auch die Kommunikation mit bestehenden Bank- und Finanzsystemen über genehmigte Ledger ermöglichen würde.

Erfahren Sie mehr über den Konsens bei Cardano

Nachdem wir die Geschichte der bisherigen Konsensmechanismen erforscht haben und wissen, wo der PoS-Konsens von Cardano in das Gesamtbild passt, können wir nun verstehen, wie fortschrittlich der PoS-Mechanismus von Cardano ist und, was noch wichtiger ist, wie er das gesamte Cardano-Ökosystem stützt.

Sie können mehr über den Konsensmechanismus von Cardano lesen, indem Sie unsere Entwicklerdokumentation besuchen, auf unsere Foren, oder lesen Sie die umfangreiche Forschungsbibliothek der IOHK.

Quellenverzeichnis:

Cardano Foundation. (2020, August 19). Consensus on Cardano vs. other blockchains – cardanorss. Medium. https://medium.com/cardanorss/consensus-on-cardano-vs-other-blockchains-ef5e7f05e495