Was ist ein Konsens-Algorithmus und wie funktioniert er?
Was ist ein Konsens-Algorithmus?
Ein Konsens-Algorithmus ist ein Mechanismus, der dafür sorgt, dass alle Teilnehmer in einem Netzwerk sich einig sind (Konsens) über den Zustand der Blockchain, ohne dass eine zentrale Autorität nötig ist. Konsens-Algorithmen sorgen dafür, dass eine Blockchain funktioniert.
Eine Blockchain ist eine Kette von Informationen, in der Transaktionen gespeichert werden. Wenn neue Transaktionen stattfinden, wird ein neuer Block zur Blockchain hinzugefügt. Dadurch wird alle Information festgehalten und kann anschließend nicht mehr verändert werden. Der Konsens-Algorithmus einer Blockchain bestimmt, wie die Nodes sich einigen, damit dieser neue Block auf verlässliche Weise hinzugefügt werden kann.
Dank Konsens-Algorithmen funktionieren Blockchains und bleiben sicher. Konsens-Algorithmen sorgen dafür, dass alle Nodes in einem Netzwerk sich über die Reihenfolge der Transaktionen einig sind, was doppelte Ausgaben oder betrügerische Aktionen verhindert.
Wichtigste Erkenntnisse
- Konsens-Algorithmen sorgen dafür, dass sich alle Teilnehmer auf der Blockchain einigen.
- Konsens-Algorithmen verhindern doppelte Ausgaben und Betrug, indem sie sich auf die Reihenfolge der Transaktionen einigen.
- Es gibt verschiedene Arten von Konsens-Algorithmen, die jeweils ihre eigenen Vor- und Nachteile haben.
Wie funktioniert ein Konsens-Algorithmus?
Konsens-Algorithmen arbeiten durch einen kryptografischen Prozess, bei dem Nodes die Gültigkeit einer Transaktion oder eines Blocks von Transaktionen validieren und sich auf die Reihenfolge einigen müssen, in der diese neuen Blöcke der Blockchain hinzugefügt werden. Die Node, die letztendlich den Block mit neuen Informationen zur Blockchain hinzufügen darf, nennt man den Validator und sie erhält dafür eine Belohnung in Form von Kryptowährung. Dieser Prozess läuft oft automatisch und es ist keine zentrale Instanz notwendig, die alles kontrolliert.
Konsens-Algorithmen stellen sicher, dass alle Nodes in einem Blockchain-Netzwerk sich über die Gültigkeit von Transaktionen einig sind. Über kryptografische Methoden validieren Nodes neue Transaktionen oder Blöcke und stimmen ab, welcher Block zur Blockchain hinzugefügt wird. Die Node, die schlussendlich einen Block hinzufügen darf (das kann man sich wie den Gewinner vorstellen), nennen wir Validator (bei Proof of Stake) oder Miner (bei Proof of Work). Diese erhält eine Belohnung in Form von Kryptowährung (bei Bitcoin also eine Bitcoin-Belohnung). Der ganze Prozess läuft ohne zentrale Instanz, das Netzwerk regelt die Überprüfung und Genehmigung selbst.
Wir erklären den Prozess von Konsens-Algorithmen anhand eines Beispiels aus der Formel‑1-Rennwelt:
Stell dir ein Formel‑1-Rennen vor: mehrere Fahrer rasen über eine Rennstrecke mit dem Ziel, als Erste/r die Ziellinie zu überqueren. Von Start bis Ziel können sie nicht einfach machen, was sie wollen, denn es gibt klare Regeln von der FIA (der internationalen Motorsport‑Organisation), die dafür sorgen, dass alles fair und sicher abläuft. Denk an Vorgaben für bestimmte Reifen oder dass Fahrer nicht einfach Abkürzungen nehmen dürfen.
Während des Rennens wird alles von Renn‑Offiziellen (so etwas wie Schiedsrichter) und Sensoren in den Autos überwacht. Es wird also ständig kontrolliert, ob die Fahrer sich an die Regeln halten. Bei einem Verstoß erhält ein Fahrer eine Verwarnung, Zeitstrafe oder wird sogar disqualifiziert.
Eine Blockchain funktioniert mit einem ähnlichen Mechanismus: der Konsens-Algorithmus. Anstelle von Fahrern hast du Nodes, die alle Transaktionen verarbeiten (das Rennen) und kontrollieren (laufen die Regeln?). Aber ein großer Unterschied ist, dass es keinen zentralen Schiedsrichter wie die FIA gibt, die Nodes beobachten sich gegenseitig. Sie sorgen dafür, dass die Blockchain korrekt geführt wird. Wenn eine Node die Regeln bricht, zum Beispiel indem sie doppelte Ausgaben genehmigt, können andere Nodes sie ignorieren oder sogar bestrafen.
Am Ende entsteht über den Algorithmus Konsens zwischen allen Teilnehmern darüber, welche Transaktionen gültig sind. Der Prozess ähnelt einem Formel‑1-Rennen, ist aber komplett dezentralisiert.
Welche verschiedenen Arten von Konsens-Algorithmen gibt es?
Es gibt unterschiedliche Arten von Konsens-Algorithmen, mit denen das Netzwerk von Nodes auf einer Blockchain zum Konsens kommt. Jeder Mechanismus hat eigene Regeln, Vorteile und Einschränkungen.
Proof of Work (PoW)
Das ist der älteste und bekannteste Konsens-Algorithmus, eingeführt von Bitcoin. Er ist bekannt für seinen hohen Energieverbrauch, weil Nodes mathematische Rätsel lösen müssen, was viel Rechenleistung kostet. Proof of Work ist sehr sicher, aber die Skalierbarkeit ist ein Problem.
Bekannte Proof of Work Blockchains: Bitcoin und Litecoin
Proof of Stake (PoS)
Proof of Stake ist ein Konsens-Algorithmus, bei dem Teilnehmer ausgewählt werden basierend auf der Anzahl der Token, die sie einsetzen, das nennt man Staking. Proof of Stake ist energieeffizienter als Proof of Work, weil keine intensive Rechenleistung nötig ist. Ethereum wechselte 2022 von Proof of Work zu Proof of Stake, um die Energieeffizienz zu steigern.
Bekannte Proof of Stake Blockchains: Ethereum, Cardano und Tezos
Delegated Proof of Stake (DPoS)
Delegated Proof of Stake ist eine Variante von Proof of Stake, entwickelt, um schneller und effizienter zu sein. Es verwendet eine kleine Gruppe gewählter Vertreter, die neue Blöcke zur Blockchain hinzufügen. Das erhöht die Geschwindigkeit des Netzwerks, reduziert aber die Dezentralisierung.
Bekannte Delegated Proof of Stake Blockchains: Tron
Proof of Authority (PoA)
Bei Proof of Authority gibt es im Netzwerk sogenannte „Validators“, eine begrenzte vertrauenswürdige Gruppe von Teilnehmern, die Blöcke zur Blockchain hinzufügen dürfen. Das Netzwerk ist schnell und effizient, aber weniger dezentralisiert als PoW oder PoS. Proof of Authority wird oft in privaten Blockchains eingesetzt.
Bekannte Proof of Authority Blockchains: VeChain
Proof of History (PoH)
Proof of History ist ein relativ neues und innovatives Konsens-Verfahren. Bekannt geworden durch die Solana-Blockchain. Anstelle einen Konsens über die Reihenfolge der Transaktionen zu erreichen, werden bei PoH Transaktionen kryptografisch mit einem Zeitstempel versehen. Jedes Ereignis im Netzwerk erhält einen eindeutigen Zeitstempel, bevor es ins Netzwerk geschickt wird, sodass Nodes sehen können, in welcher Reihenfolge diese passiert sind. Dadurch müssen die Nodes nicht mehr abstimmen. So können diese Blockchains extrem schnell und effizient arbeiten, mit geringen Kosten.
Bekannte Proof of History Blockchains: Solana
Andere Konsens-Algorithmen
- Proof of Burn
- Proof of Capacity
- Proof of Participation
- Proof of Elapsed Time
- Delayed Proof of Work
- Effective Proof of Stake
- Pure Proof of Stake
- Bonded Proof of Stake
- Nominated Proof of Stake
- Proof of Stake Time
- Leased Proof of Stake
- Anonymous Proof of Stake
- Hybrid Proof of Stake
- Delegated Proof of Contribution
- Secure Proof of Stake
- Tresholded Proof of Stake
- Roll Delegated Proof of Stake
- Proof of Coverage
- Proof of Importance
- Delegated Proof of Broker
- Proof of Transfer
- Proof of Storage
- Proof of Activity
Fazit
Konsens-Algorithmen sorgen dafür, dass Blockchains zuverlässig, sicher und dezentral funktionieren, indem sie Konsens unter allen Nodes im Netzwerk über die Gültigkeit und Reihenfolge von Transaktionen herstellen. Ohne zentrale Autorität können Blockchains weiter als transparente Netzwerke arbeiten, in denen Betrug verhindert und doppelte Ausgaben unmöglich gemacht werden. Jeder Konsens-Algorithmus bringt eigene Eigenschaften, Vorteile und Einschränkungen mit sich, was sie für verschiedene Anwendungsfälle in der Krypto‑Welt geeignet macht.
