Bereits 1991 wurde das Konzept einer kryptografisch gesicherten Kette von Blöcken beschrieben. Lese diesen Beitrag und lerne die Mechanik der Blockchain kennen und erfahre, wieso dieses Zusammenspiel so einzigartig ist!
»The Merge«
Es ist der 15. September 2022 – Entwickler, Nutzer und Investoren der Kryptowährung Ether (ETH) sitzen vor ihren Bildschirmen und fiebern gespannt einem Ereignis entgegen. »The Merge« oder auch »die Zusammenführung«, soll das Mainnet, welches als öffentliche Blockchain und als Hauptnetzwerk für den Ether-Token fungiert, mit der neuen Blockchain, der »Beacon Chain«, zusammenführen. Durch die Umstellung sollte der Konsensmechanismus des Netzwerks dauerhaft vom energieintensiven Proof-of-Work zum effizienteren Proof-of-Stake wechseln. Minuten später ist es so weit – der Merge ist geglückt und Entwickler und Community sind außer Rand und Band.
Laut der Ethereum-Foundation, der NPO hinter dem Ether-Token, wurde durch die Zusammenführung der Energieverbrauch der Kryptowährung um ~99,95 Prozent gesenkt. Außerdem sei es ein spannender Schritt zur Verwirklichung der Ethereum-Vision, zur Skalierbarkeit, Sicherheit und Nachhaltigkeit des Netzwerks. Man solle sich den Ether-Token wie ein Raumschiff vorstellen, welches startete, bevor es bereit für die interstellare Reise war. Mit der Beaon Chain baute die Community zudem einen neuen Motor und eine stabilere Hülle. Nach ausgiebigen Test war es dann schließlich so weit und während des Fluges wurde das alte Triebwerk durch das neue ersetzt.
Ethereum änderte mit diesem Schritt den Konsensmechanismus des Netzwerks. Doch wieso ist das so fundamental? Nutzer eine Blockchain, bei der es sich im Wesentlichen um eine verteilte Datenbank handelt, müssen zu einem Konsens kommen, was den aktuellen Stand des Netzwerks betrifft. Das Ziel ist also eine gemeinschaftliche Einigung zu erzielen. Vergleicht man dies mit einer Freundesgruppe, die ins Kino gehen möchte, so kann es im Extremfall zu einer Spaltung der Gruppe kommen – die Gruppe geht nicht in den gleichen Film. Ist hingegen ein Konsens erreicht, so entscheidet sich die Gruppe im Kollektiv für denselben Film.
Ein Konsens ist für ein verteiltes, dezentrales Netzwerk wie Bitcoin also enorm wichtig! Nur durch einen Konsens kann ein vertrauenswürdiges Geld geschaffen werden, welches als langfristiger Wertspeicher angesehen werden kann. Welche unterschiedlichen Mechanismen gibt es für verteilte Netzwerke, um zu einem Konsens zu kommen? War die Konsensumstellung im Ethereum-Netzwerk eine sinnvolle Entscheidung? Lese diesen Beitrag und lerne, welche Konsensmechanismen bei unterschiedlichen Kryptowährungen zum Einsatz kommen und warum Bitcoin dennoch eine besondere Stellung genießt!
Inhaltsverzeichnis
Wieso benötigt es Konsensmechanismen?
Ein sicheres Computersystem, muss auch dann noch funktionieren, wenn einer oder mehrerer seiner Bestandteile wegfallen. Wie können die Netzwerkteilnehmer sich auf eine bestimmte Realität einigen, wenn beispielsweise ein fehlerhafter Bestandteil widersprüchliche Daten an andere Teile des Systems überträgt? Diese Schwierigkeit beschreibt »das Problem der byzantinischen Generäle«. Das Gedankenspiel beschreibt eine spieltheoretische Problematik, welche das Dilemma aufzeigt, ohne Hilfe einer zentralen »vertrauenswürdigen« Partei, einen Konsens zu erzielen. Die Spieltheorie untersucht das strategische Verhalten von Individuen in Entscheidungssituationen.
Das Problem der byzantinischen Generäle steht für mehrere Generäle, die gemeinsam eine Stadt belagern. Sie haben die Stadt von allen Seiten eingekreist, müssen nun allerdings entscheiden, wann sie als Gruppe angreifen. Nur wenn alle Generäle aller Seiten zur gleichen Zeit angreifen, haben sie eine Chance zu gewinnen. Jeglicher Brief, den sie einander zukommen lassen, um den Angriff abzustimmen, könnte von gegnerischer Seite abgefangen oder manipuliert werden. Die Generäle haben also keine sicheren Kommunikationsmittel untereinander. Zudem müssen wir annehmen, dass einige Generäle verräterische Absichten haben und den Angriff somit gefährden. Wie kann man den Angriff jedoch sicher koordinieren?
Auch wenn das Problem hier als militärische Komplikation beschrieben wird – es betrifft jegliche Art von Computersystem. Dieses Hindernis muss bestmöglich aus dem Weg geräumt werden, damit eine verteilte Knotengruppe, beispielsweise Computer, sicher untereinander kommunizieren kann. Es gibt dabei zahlreiche Gründe, die zu einem Problem in einem verteilten System führen könnten. Sei es ein Softwarefehler, eine Hardwarefehlfunktion oder aber auch ein bösartiger Angriff auf das System – in einem verteilten System sind byzantinische Fehler nahezu vorherbestimmt. In einem sicheren Netzwerk sind ein paar ausgefallene oder schädliche Knotenpunkte nicht gleich verheerend für das System im Ganzen.
Die Fähigkeit, sich gegen derartige Fehler zu schützen, wird als »Byzantinische Fehlertoleranz« bezeichnet. Eine höhere Toleranz haben Netzwerke, die eine größere Anzahl byzantinischer Fehler verkraften können. In Kernkraftwerken, Flugtriebwerkssystemen und jedem anderen System, indem Aktionen von einer großen Anzahl von Sensoren abhängt, ist byzantinische Fehlertoleranz deshalb von großer Bedeutung! In unserem traditionellen Finanzsystem vertrauen wir Banken, dass sie eine echte Bilanz und eine ehrliche Transaktionshistorie sicherstellen. Tun sie dies nicht und versucht stattdessen Kunden zu täuschen, so hat die Zentralbank oder die Regierung die Befugnis, das Vertrauen zurückzubringen.
Bitcoin löst das Problem der byzantinischen Generäle
Die meiste Zeit über haben Menschen Edelmetalle oder seltene Gegenstände wie Muscheln oder Perlen als Geld genutzt. Gold erfüllte jedoch am besten die Funktionen des Geldes. Lese meinen Beitrag zur Geschichte des Goldes, um dessen Besonderheit zu verstehen! Das Gewicht und der Reinheitsgrad von Gold kann aber auch heute noch nur schwer ermittelt werden. Gold konnte das Problem der byzantinischen Generäle ebenfalls nicht vollständig lösen, weil das Edelmetall physisch ist und Lagerung benötigt. So monopolisierten Regierungen die Münzprägung, um einheitliche Münzen zu schaffen und Vertrauen in Gewicht und Reinheit aufzubauen. Dieses Vertrauen wurde allerdings im Laufe der Zeit immer wieder durch Beschlagnahmung, Veränderung und Entwertung missbraucht.
Um das Problem zu bewältigen, benötigt es fälschungssicheres, überprüfbares Geld, welches nicht auf Vertrauen angewiesen ist. Satoshi Nakamoto scheint diese Schwierigkeit mit der Entwicklung Bitcoins überwunden zu haben. Die Lösung, die der mysteriöse Entwickler präsentiert heißt »Proof-of-Work« (Arbeitsnachweis). Studiere meinen Artikel zur Energienutzung Bitcoins, wenn Du noch nie etwas über diesen Mechanismus gehört hast. Dabei bedient sich der geheimnisvolle Entwickler der Analogie des Gold-Minings. Anders als ein Goldgräber sucht der Bitcoin-Miner allerdings nicht nach Gold im Boden, sondern nach einem fehlendem Puzzlestück – einen Hashwert. Miner lösen also eine Hash-Funktion, welche nur durch das Raten verschiedener (Nonce-Werte) gelöst werden kann.
Miner können als Dienstleister des Netzwerks betrachtet werden, weil sie ihre Rechenleistung investieren, um der Bitcoin-Blockchain neue Datenblöcke hinzuzufügen. Im traditionellen Finanzsystem müssen wir zentralen Parteien vertrauen, Transaktionen zu überprüfen. Im Bitcoin-Netzwerk übernehmen die Nodes (Knoten) diese Aufgabe. Jeder kann Node-Betreiber werden, dazu muss nur die Bitcoin-Core-Software heruntergeladen werden. Eine Node verfügt damit über die komplette Transaktionshistorie der Bitcoin-Blockchain, welche man sich wie ein Kontenbuch vorstellen kann. Die Nodes lehnen jede Transaktion ab, die nicht den Regeln des Netzwerks entspricht.
Nodes können damit als Hüter der Regeln angesehen werden. Miner, die Dienstleister des Netzwerks, haben deshalb einen Anreiz sich an das Regelwerk zu halten, weil sie nicht nur ihre Rechenleistung, sondern auch in ASIC-Miner investieren und somit viel Kapital auf dem Spiel steht. Ein ASIC ist ein Hardware-Gerät, welches speziell für das Bitcoin-Mining entwickelt wurde und sonst quasi nutzlos ist. Ein einzelner ASIC-Miner kostet dabei wenige hundert, bis mehrere tausend Euro – je nach Modell. Miner werden für ihr Investment und ihr vorausschauendes unternehmerisches Handeln in Form von Bitcoin belohnt. Ein anderer Grund, weshalb Miner an der Gesundheit des Netzwerks Interesse haben sollten.
Welche Konsensmechanismen gibt es?
Ein Konsensmechanismus ist also das eigentliche Herzstück der Blockchain. Die Idee hinter Proof-of »x« ist, dass es sich bei x um eine knappe Ressource handelt, die ein potenzieller Angreifer nicht ohne Weiteres erhalten kann. Bei Bitcoins Proof-of-Work ist x also die Rechenleistung, die ein Miner bereitstellen kann. Wie Du in meinem Artikel zur Energienutzung Bitcoins lesen kannst, wird Bitcoin dafür häufig stark kritisiert. Mit aus diesem Grund wurden im Laufe der Zeit andere Konsensverfahren entwickelt, die effizienter sein sollen als Proof-of-Work. So wurde durch Proof-of-Stake (PoS) ein Mechanismus geschaffen, welcher kein Mining benötigt. Stattdessen zählt der »Stake«, also der Einsatz des Nutzers.
Validatoren müssen keine teure Mining-Hardware kaufen, sondern können stattdessen ihre Kryptowährung zur Bestätigung einsetzen. Wer mehr Coins zum Staking einsetzt, der hat auch höhere Chancen zur Validierung ausgewählt zu werden – natürlich ist so aber auch mehr Kapital gebunden. Zunächst einmal scheint der Konsensmechanismus dadurch auch sehr viel energieeffizienter, da kein aufwendiges Mining betrieben werden muss, um Transaktionen zu überprüfen. Kritisiert wird Bitcoin ebenfalls oft für die Geschwindigkeit des Netzwerks, denn es sind maximal 7 Transaktionen pro Sekunde möglich. Proof-of-Stake-Projekte schaffen hingegen weit über 1000 Sendungen in der Sekunde.
Proof-of-History (PoH) heißt ein anderer Konsensmechanismus, den die Kryptowährung »Solana« für sich nutzt. PoH ist im Wesentlichen eine Methode, um eine präzise und öffentlich überprüfbare Zeitreihenfolge von Ereignissen zu schaffen, ohne dass alle Knoten im Netzwerk jedes Mal miteinander kommunizieren müssen. In der Bitcoin-Blockchain werden Transaktions-Blöcke hintereinander der Blockchain angefügt und es dauert eine Weile, bis eine Geldsendung bestätigt wird. Durch Proof-of-History muss hingegen nicht auf die sequentielle Blockproduktion gewartet werden. Dies beschleunigt den Prozess der Transaktionsüberprüfung erheblich und es können bis zu 65.000 Transaktionen in der Sekunden gewährleistet werden. Konsens wird hier durch das Zusammenspiel von Proof-of-History und Proof-of-Stake erreicht.
Neben diesen beiden Mechanismen, gibt es noch dutzende andere Neuentwicklungen, wie beispielsweise Proof-of-Importance (PoI), Proof-of-Activity (PoA),Delegated-Proof-of-Stake (DPoS), Leased-Proof-of-Stake (LPoS), Proof-of-Capacity (PoC) oder Proof-of-Burn (PoB). Diese Konsensmechanismen finden neben Bitcoins Proof-of-Work und dem Proof-of-Stake einiger anderer Kryptowährungen, jedoch nur wenig Anwendung. Die scheinbare Effizienz anderer Mechanismen darf nicht darüber hinwegtäuschen, dass die Genialität von Proof-of-Work in seiner bewährten Kombination aus Sicherheit, Dezentralisierung und langjähriger Zuverlässigkeit liegt. Doch welchen Aspekt mach Proof-of-Work so sicher und wieso weist Proof-of-Stake langfristig einige Probleme auf?
Warum Bitcoin sich unterscheidet
Warum Bitcoins Konsensverfahren so sicher ist kann man vermutlich besser nachvollziehen, wenn man Warengeld wie Gold betrachtet. Das Edelmetall funktionierte gut als Geld, weil es einen Preis hat dieses Geld herzustellen. Gold-Mining hat einen Preis und je tiefer man gräbt und umso aufwendiger die Prozesse, desto kostspieliger wird es neues Geld zu erhalten. Bitcoin ist ebenfalls durch eine knappe Ressource gedeckt – Energie! Der erste Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass Energie weder erzeugt noch vernichtet werden kann, sondern stets nur umgewandelt wird. Je mehr Energie das Bitcoin-Netzwerk nutzt, umso sicherer ist also auch Transaktionshistorie gegen eine mögliche Form der Attacke.
So könnte eine Person oder Entität, die über die Hälfte der Rechenleistung verfügt, beispielsweise eine 51-Prozent-Attacke ausführen und das Netzwerk manipulieren. Jedoch sichern Millionen von ASIC-Minern das Bitcoin-Netzwerk und tausende Entwickler arbeiten jeden Tag indirekt oder direkt am Bitcoin-Protokoll. Kleinere Projekte, die versuchten Bitcoin zu kopieren, den Krypto-Markt zu revolutionieren und das Zepter zu übernehmen, konnten hingegen nicht die Rechenleistung replizieren, die hinter der Kryptowährung steckt. Viele dieser Projekte waren deshalb einer derartigen 51-Prozent-Attacke ausgesetzt, weil sie zwar Bitcoins-Software-Code kopieren konnten, aber nicht genügend Anreiz für Miner schafften, sich für ihr Netzwerk zu entscheiden. Der nachfolgende Chart zeigt die Netzwerkleistung Bitcoins, auch »Hash-Rate« genannt, im Vergleich zu seinen Mitstreitern.
Bitcoins Proof-of-Work ist simple – Miner müssen nicht bestraft werden, weil sie sich selbst bestrafen, wenn sie fehlerhafte Blöcke erzeugen, die von den Netzwerk-Hütern (Nodes) abgelehnt werden. Proof-of-Stake, wie es nun auch bei Ether zum Einsatz kommt, ist dagegen deutlich komplexer. PoS-Validatoren setzen ihre Coins ein, um für die Bestätigung eines neuen Blocks infrage zu kommen. Im Gegenzug werden sie für ihren Einsatz mit neuen Coins belohnt. Hier besteht allerdings keine Verbindung zur Realwelt und das System muss einen Weg finden, um Fehlverhalten abzustrafen. So müssen Staker um ihre Coins fürchten, wenn sie sich nicht an die Regeln des Netzwerks halten. Neben der Komplexität gibt es aber noch ein weiteres großes Problem dieses Konsensverfahrens – die Zentralisierung.
In einem Proof-of-Stake-System hast du mehr Stimmrechte, wenn Du mehr Coins zur Validierung der Blockchain einsetzt. Diejenigen, die viele Coins besitzen sind ebenfalls jene, die mehr neue Coins durch Staking verdienen. Sie können ihren Gesamtbesitz einfach erhöhen, da sie zur Validierung keine Realwelt-Ressourcen aufwenden müssen. Im Laufe der Zeit könnte so ihr Einfluss auf das Netzwerk erhöht werden – auch, ohne dass dies auffällt. So könnte eine einzelne Entität sich beispielsweise im Netzwerk unter mehreren Entitäten tarnen. Mehr Netzwerkdominanz führt also im schlimmsten Fall zu noch mehr Dominanz im Netzwerk. Noch eindrucksvoller wäre es, wenn man diese Situation mit einem politischen System vergleichen würde.
Ein System der Oligarchen
Stell Dir vor, es gäbe ein politisches-System, indem man für jede 100 Euro die man vorweisen kann, eine Stimme erhält. Für jede Stimmabgabe würde man von der Regierung einen Euro ausgezahlt bekommen. Frau Müller, die Klassenlehrerin für Erdkunde, besitzt insgesamt ein Nettovermögen von 20.000 Euro. Für ihr dargebotenes Vermögen erhält sie also 200 Stimmen und bekommt dadurch 200 Euro von der Regierung für ihre Stimmabgabe. Elon Musk hingegen besitzt ein Nettovermögen von rund 200 Milliarden Euro. Dafür erhält er 2 Milliarden Stimmen und verdient zusätzlich durch die Regierung 2 Milliarden Euro durch seine Stimmabgabe. Auf dem Papier ist er so ein sehr viel wertvollerer Bürger als Frau Müller und dafür erhält er eine große Belohnung.
Für ein zensurresistentes, dezentrales Geld ohne Grenzen scheint Proof-of-Stake also weniger von Bedeutung zu sein. Man kann den Konsensmechanismus eher mit Unternehmensanteilen als mit einem Geld vergleichen. In einem Proof-of-Work-System wird die Macht demgegenüber unter den Entwicklern, Minern und den Nodes aufgeteilt. Die Fähigkeit ein erfolgreicher Miner zu sein, geht dabei mit Deinem Können einher, Kapital zu investieren und den kostengünstigsten Strom ausfindig zu machen. Bestehende Miner haben keinen großen Vorsprung, den sie im Laufe der Zeit automatisch vergrößern können. Stattdessen haben neue Miner sogar gewisserweise einen Vorteil, weil sie fabrikneue ASIC-Miner kaufen können, die mehr Rechenleistung pro Watt aufweisen.
Dank des Mooreschen Gesetzes entwickelt sich auch der Markt für ASIC-Miner immer weiter und es kommen fortwährend neue Miner mit einer höheren Rechenleistung in den Verkauf. So müssen sich alle Miner, ob neu oder alt, stetig mit neuen Investitionen befassen und einen Weg finden, ihr eingesetztes Kapital besser zu nutzen. Das können sie durch den Kauf neuer ASICs, aber vor allem durch den Einsatz günstigerer Energiequellen. Größenvorteile bringen hier nur bis zu einem gewissen Punkt einen Vorteil, weil kleinere Miner flexibler sind und beispielsweise auch die Abwärme der ASICs anderweitig nutzen können. Die Qualität und Erfahrung des Managements sind hier also erfolgsentscheidend.
Neben diesem beständigen Wettbewerb, der für pausenlose Veränderungen im Markt sorgt und somit Zentralisierung langfristig entgegenwirkt, ist der Betrieb einer Bitcoin-Node einfach und kostengünstig. Das ist ein wichtiger Grundsatz, den Bitcoin von den meisten anderen Kryptowährungen unterscheidet. So ist es jedem Nutzer ermöglicht, die gesamte Blockchain zu speichern und Blöcke abzulehnen, die gegen die Regeln des Netzwerks verstoßen. Im Bitcoin-Netzwerk liegt die wirkliche Macht deshalb bei den Nodes und nicht bei den Minern. Wenn ein Miner versuchen sollte, sich abzusprechen und ungültige Blöcke zu schürfen, dann weist das Netzwerk von Knoten diese Blöcke einfach zurück.
Ein digitaler Rohstoff
Die genannten Eigenschaften Bitcoins machen die Krytowährung zu einer Art digitalen Rohstoff. Ähnlich wie bei Gold, gibt es bei Bitcoin eine maximale Menge, die jemals existieren wird. Im Gegensatz zu Fiat-Währungen wie dem Euro, die von Regierungen herausgegeben werden, gibt es bei Bitcoin keinen zentralen Herausgeber wie eine Zentralbank. Das Fehlen einer zentralen Autorität ähnelt der Unabhängigkeit, die bei vielen traditionellen Rohstoffen zu finden ist. Ebenfalls gibt es bei der Kryptowährung kein einhergehendes Gewinnversprechen, stattdessen wird der Bitcoin-Kurs nur durch Angebot und Nachfrage bestimmt.
Dass Bitcoin als digitaler Rohstoff gesehen werden kann, hängt auch mit seiner Entstehungsgeschichte zusammen. So ergibt sich die Technologie durch das Gedankengut und Wirken der Cypherpunks und damit nicht von einer renommierten Institution. Lese meinen Beitrag zum mysteriösen Bitcoin-Entwickler, um die Anfänge Bitcoins zu verstehen. Obwohl Bitcoin Energie benötigt, um Sicherheit zu gewährleisten, muss dies nicht umweltschädlich sein. In meinem Artikel zum Virunga-Nationalpark in der Demokratischen Republik Kongo wird das ersichtlich. Hast Du möglicherweise eine andere Meinung zum Konsensmechanismus Bitcoins? Hinterlasse mir einen Kommentar und folge mir auf Instagram oder auf 𝕏, um keinen Beitrag mehr zu verpassen!
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