Was ist Kaspas GhostDAG und wie funktioniert es?

Was ist GhostDAG?

GhostDAG (Greedy Heaviest Observed SubTree Directed Acyclic Graph) ist ein Konsensmechanismus, der von Kaspa verwendet wird. GhostDAG wurde als Erweiterung des klassischen Proof-of-Work-Konsensmodells von Bitcoin entwickelt, das von Satoshi Nakamoto entwickelt wurde. Der größte Unterschied: GhostDAG wird auf einen Directed Acyclic Graph (DAG) angewendet statt auf eine lineare Blockchain. Ein Directed Acyclic Graph (DAG) ist eine Datenstruktur, in der Blöcke nicht in einer einzigen geraden Kette platziert werden, sondern als ein Netzwerk aus Knotenpunkten mit mehreren Verbindungen, wobei jeder neue Block auf mehrere frühere Blöcke verweisen kann, ohne dass zyklische (wiederkehrende) Verbindungen entstehen. Würde dies doch passieren, würde ein Block indirekt wieder auf sich selbst verweisen. Dadurch wird unklar, in welcher Reihenfolge Transaktionen stattgefunden haben, und das Netzwerk kann keine verlässliche Historie mehr führen.

In traditionellen Blockchains wird pro Zeiteinheit nur ein Block akzeptiert (auch die Block Time genannt), während konkurrierende Blöcke als „Orphans“ verworfen werden. GhostDAG durchbricht dieses Modell, indem es parallele Blöcke erlaubt und sie in eine gemeinsame Datenstruktur (BlockDAG) integriert. Dadurch kann Kaspa höhere Transaktionsgeschwindigkeiten mit weniger Rechenleistung und damit Energie erreichen. Außerdem bleibt die Dezentralisierung erhalten und wird sogar gestärkt, weil Miner nicht länger miteinander konkurrieren, um einen Block validieren zu dürfen, sondern nahezu alle produzierten Blöcke zum Netzwerk beitragen. Dadurch sinkt die Eintrittsbarriere und die Macht konzentriert sich weniger bei großen Mining Pools.

Dadurch stellt GhostDAG eine klar andere Interpretation dar, wie Proof-of-Work-Konsens angewendet werden kann.

Wichtigste Erkenntnisse

• GhostDAG ist das aktuelle Konsensprotokoll des Kaspa-Netzwerks und bildet die Grundlage der Funktionsweise.
• Es nutzt einen festen k-Parameter, um im Netzwerk Konsens zu erreichen.
• Das Protokoll ermöglicht es, mehrere Blöcke parallel innerhalb einer BlockDAG-Struktur zu verarbeiten.
• Dadurch kann das Netzwerk Transaktionen schneller und effizienter verarbeiten als traditionelle Blockchains.
• GhostDAG behält ein starkes Sicherheitsmodell bei, wobei das Netzwerk sicher bleibt, solange ein Angreifer weniger als 50% der Hashpower kontrolliert.
• Es wird täglich in der Praxis genutzt und hat sich als stabile und skalierbare Lösung bewiesen.

Wie funktioniert GhostDAG?

GhostDAG arbeitet auf Basis einer BlockDAG-Struktur, in der Blöcke mehrere „Eltern“ (vorherige Blöcke) haben können und gleichzeitig dem Netzwerk hinzugefügt werden. Statt einer geraden Kette aus Blöcken entsteht ein Netzwerk aus Blöcken, die miteinander verbunden sind. Das macht es möglich, viel effizienter mit gleichzeitig gefundenen Blöcken umzugehen.

Dass Blöcke mehrere vorherige Blöcke haben können, ist direkt der große Unterschied zu traditionellen Blockchains wie Bitcoin, Ethereum und Solana. Dort gibt es immer nur eine Reihenfolge und es kann jeweils nur ein Block gleichzeitig zur Blockchain hinzugefügt werden.

Beispiel: Wenn zwei Miner gleichzeitig einen Block finden, entsteht ein Konflikt und am Ende wird einer der beiden Blöcke verworfen (ein Orphan Block).

Bei GhostDAG können mehrere Blöcke gleichzeitig existieren, neue Blöcke können auf mehrere frühere Blöcke verweisen und Blöcke werden nicht verworfen. Das sorgt für ein effizientes System, bei dem die von Minern eingesetzte Rechenleistung optimal genutzt wird.

Kurz zusammengefasst: Ein BlockDAG und eine Blockchain sind beide Arten von Distributed Ledger, unterscheiden sich aber in Struktur und Verarbeitung: Eine Blockchain funktioniert als lineare Kette von Blöcken, die nacheinander hinzugefügt werden, während ein BlockDAG eine Netzwerkstruktur verwendet, in der mehrere Blöcke gleichzeitig und parallel hinzugefügt werden können.

Greedy Heaviest Subtree-Algorithmus

Die logische Frage lautet dann: Wie bestimmt das Netzwerk, welcher Block „früher“ kommt, wenn mehrere Blöcke gleichzeitig erstellt werden?

Das wird durch den Greedy Heaviest Subtree-Algorithmus (GhostDAG) geregelt. Dieser Algorithmus, der im Code von Kaspa eingebaut ist, hilft Nodes, Ordnung in alle eingehenden Blöcke zu bringen.

In der Praxis funktioniert das so: Nodes sammeln alle Blöcke, die sie erhalten, und betrachten anschließend, welche Gruppe von Blöcken zusammen die meiste Rechenleistung (Hashpower) gekostet hat, um sie zu erstellen. Jeder Block enthält nämlich eine bestimmte Menge Arbeit (Proof-of-Work), und durch das Addieren ergibt sich eine Gesamtsumme. Je höher diese Summe ist, desto schwieriger ist es, diese Struktur nachzubauen oder anzugreifen, und desto zuverlässiger wird sie angesehen.

Auf dieser Basis bestimmt jede Node für sich selbst, was die beste Reihenfolge der Blöcke ist. Da alle Nodes denselben Regeln folgen, kommen sie am Ende auf nahezu dieselbe Reihenfolge. Dadurch entsteht Konsens im Netzwerk.

Blue Set vs. Red Set

Ein weiterer wichtiger Bestandteil von GhostDAG ist, dass Blöcke in zwei Kategorien eingeteilt werden, nämlich Blue Blocks und Red Blocks:

• Blue Blocks: Das sind Blöcke, die gut in die Hauptstruktur des Netzwerks passen und ausreichend mit anderen Blöcken verbunden sind.
• Red Blocks: Das sind Blöcke, die weniger gut anschließen, zum Beispiel weil sie zu stark abweichen oder zu wenige Verbindungen haben.

Im Gegensatz zu traditionellen Blockchains werden Red Blocks nicht als Orphans verworfen, sondern bleiben Teil des Netzwerks und spielen eine kleinere Rolle in der finalen Reihenfolge von Transaktionen.

Diese Einteilung hilft dem Netzwerk, schnell zu bestimmen, welche Blöcke „zuverlässig genug“ sind, um Priorität zu erhalten, ohne dass wertvolle Informationen verloren gehen.

Das GhostDAG-Whitepaper

Das GhostDAG-Whitepaper bildet die theoretische Grundlage des Konsensmechanismus, der in Kaspa verwendet wird, und hat das Ziel, das Blockchain-Trilemma anzugehen: die Herausforderung, gleichzeitig Skalierbarkeit, Sicherheit und Dezentralisierung zu erreichen.

Es baut auf dem früheren PHANTOM-Protokoll auf, einem akademischen Vorschlag, der als erster versuchte, einen BlockDAG sicher zu ordnen. Obwohl PHANTOM theoretisch stark war, erwies es sich in der Praxis als schwierig, effizient zu implementieren. GhostDAG wurde als praktisch nutzbare und effiziente Variante entwickelt, die dieselben Prinzipien beibehält, aber in einem echten Netzwerk besser skalierbar ist.

Erreichen von Konsens

Einer der wichtigsten Beiträge des Whitepapers ist die Erweiterung des klassischen Nakamoto-Konsensmodells, indem Konsens mithilfe einer DAG-Struktur statt einer einzigen linearen Kette von Blöcken erreicht wird. Das bedeutet, dass mehrere Blöcke gleichzeitig produziert werden können, ohne dass Rechenleistung verschwendet wird, unter anderem durch die Verwendung von sogenannten Blue und Red Blocks. Traditionelle Blockchains können nämlich jeweils nur einen Block gleichzeitig verarbeiten, wodurch andere gefundene Blöcke als Orphan Blocks verworfen werden.

Erhalt der Zuverlässigkeit von Blöcken

Ein zentrales Element in GhostDAG ist der sogenannte k-Parameter. Dieser Parameter bestimmt, wie viele gleichzeitige Blöcke noch als „sicher“ und zuverlässig innerhalb des Netzwerks angesehen werden. Mit anderen Worten: Er gibt an, wie viel Abweichung (durch Netzwerkverzögerung oder gleichzeitige Blockproduktion) noch akzeptabel ist, ohne dass die Sicherheit gefährdet wird.
Die Wahl von k hängt von Faktoren wie Netzwerklatenz und Blockproduktionsgeschwindigkeit ab und spielt eine wichtige Rolle in der Balance zwischen Geschwindigkeit und Sicherheit.

Sicherheit

Wie bei Bitcoin basiert auch das Sicherheitsmodell von GhostDAG auf der Annahme, dass ein Angreifer weniger als 50% der gesamten Rechenleistung (Hashpower) kontrolliert. Solange diese Bedingung gilt, ist es für einen Angreifer extrem schwer, die Reihenfolge von Transaktionen zu manipulieren oder das Netzwerk umzuschreiben.

Throughput-Verbesserung

Ein wichtiges Ziel von GhostDAG ist die Erhöhung des Throughputs (die Anzahl der Blöcke und Transaktionen, die pro Sekunde verarbeitet werden können). Da Blöcke nicht länger miteinander konkurrieren, sondern kombiniert werden, kann das Netzwerk viel schneller Blöcke produzieren.

Im Gegensatz zu traditionellen Blockchains führt eine höhere Blockfrequenz hier nicht automatisch zu mehr Forks oder verschwendeten Blöcken. Dadurch kann GhostDAG eine deutlich höhere Skalierbarkeit erreichen, ohne Abstriche bei der Sicherheit zu machen.

Unterschied zwischen GhostDAG und DAGKnight

DAGKnight kann als die nächste Evolution von GhostDAG betrachtet werden. Während GhostDAG einen festen k-Parameter verwendet (basierend auf Annahmen wie Netzwerklatenz), ist DAGKnight ohne festen Parameter konzipiert und passt sich dynamisch an die aktuellen Netzwerkbedingungen an.

Dadurch ist DAGKnight flexibler und besser gegen Schwankungen im Netzwerk gewappnet, wie Verzögerungen oder Aktivitätsspitzen. Beide Protokolle behalten dasselbe Sicherheitsmodell bei, wobei das Netzwerk sicher bleibt, solange ein Angreifer weniger als 50% der gesamten Hashpower kontrolliert.

Aktuell bildet GhostDAG die aktive Basis des Kaspa-Netzwerks und wird täglich genutzt, um Transaktionen zu verarbeiten und Konsens zu erreichen. DAGKnight befindet sich noch in der Entwicklung und wird als zukünftiges Upgrade des Protokolls angesehen.

Kurz zusammengefasst: GhostDAG ist der aktuelle Motor von Kaspa, während DAGKnight als flexiblerer und skalierbarerer Nachfolger entwickelt wird, der sich dynamisch an Netzwerkbedingungen anpasst.

Welche Rolle spielt GhostDAG innerhalb von Kaspa?

1. Kerninfrastruktur:
GhostDAG bildet die Grundlage des Kaspa-Netzwerks und bestimmt, wie alles funktioniert. Es sorgt dafür, dass Transaktionen in die richtige Reihenfolge gebracht werden, validiert neue Blöcke und stellt sicher, dass alle Nodes im Netzwerk sich einig werden (Konsens).

2. Hohe Geschwindigkeit und Skalierbarkeit:
Dank GhostDAG können mehrere Blöcke gleichzeitig verarbeitet werden, wodurch Kaspa mehrere Blöcke pro Sekunde produzieren kann. Das führt zu einer hohen Verarbeitungsgeschwindigkeit (Throughput), ohne dass das Netzwerk zentralisiert wird.

3. Kein verschwendetes Mining:
Im Gegensatz zu traditionellen Blockchains werden Blöcke nicht weggeworfen, wenn sie gleichzeitig gefunden werden. Nahezu alle Blöcke werden innerhalb des BlockDAG genutzt, wodurch die eingesetzte Rechenleistung (Hashpower) effizienter ausgenutzt wird.

4. Erhalt der Proof-of-Work-Prinzipien:
GhostDAG sorgt dafür, dass Kaspa die wichtigsten Eigenschaften von Proof-of-Work beibehält, wie Dezentralisierung, Sicherheit basierend auf Hashpower und ein offenes (permissionless) Netzwerk. Gleichzeitig fügt es die Skalierbarkeit einer DAG-Struktur hinzu.

Fazit

GhostDAG bildet den Kern des Kaspa-Netzwerks und zeigt, wie eine BlockDAG-Struktur in der Praxis effizient und sicher funktionieren kann. Durch die Verwendung eines festen k-Parameters findet das Protokoll eine gute Balance zwischen Geschwindigkeit, Sicherheit und Konsens, selbst in einem Netzwerk mit vielen gleichzeitigen Blöcken.

Obwohl neue Entwicklungen wie DAGKnight im Kommen sind, beweist GhostDAG aktuell bereits, dass es eine robuste und skalierbare Lösung für die Verarbeitung von Transaktionen ist. Damit ist es ein wichtiger Schritt in der Evolution verteilter Netzwerke und legt die Grundlage für weitere Innovationen innerhalb des Kaspa-Ökosystems.