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Die Blockchain-Technologie zeichnet sich dabei vor allem durch die vier Merkmale Dezentralit\u00e4t, Persistenz, Anonymit\u00e4t und Nachvollziehbarkeit aus [1, 3].<\/p>\n\n
Dezentralit\u00e4t bedeutet in diesem Zusammenhang, dass eine Transaktion zwischen zwei Parteien nicht von einer zentralisierten dritten Partei verifiziert werden muss, sondern innerhalb des Netzwerkes selbst verifiziert werden kann. Hierdurch k\u00f6nnen anfallende Kosten gesenkt und die Performance verbessert werden [1]. Weiterhin wird das Netzwerk robuster, da kein zentraler Angriffspunkt existiert und bei einem Knotenausfall die Transaktion \u00fcber eine alternative Strecke \u00fcbermittelt werden kann. Dies ist m\u00f6glich, da jede Partei als gleichwertig betrachtet wird [5].<\/p>\n\n
Um eine Transaktion zwischen verschiedenen Teilnehmern zu authentifizieren, werden asymmetrische kryptographische Verfahren in Form von digitalen Signaturen verwendet. Jeder Nutzer erh\u00e4lt einen privaten und einen \u00f6ffentlichen Schl\u00fcssel. Der private Schl\u00fcssel wird dabei f\u00fcr die Signierung der Transaktion genutzt und kann mit dem \u00f6ffentlichen Schl\u00fcsselpaar anschlie\u00dfend verifiziert werden [1, 3].<\/p>\n\n
Blockchain-Anwendungen lassen sich in die Typen privat, \u00f6ffentlich, halbprivat und Konsortium unterteilen: \u00d6ffentliche Blockchain-Anwendungen k\u00f6nnen von jedem gelesen und f\u00fcr Transaktionen genutzt werden. Jeder Netzwerkteilnehmer kann an der Konsensfindung partizipieren. Private Blockchain-Anwendungen hingegen werden von einer zentralen Organisation gesteuert, welche \u00fcber die Rechtevergabe entscheidet. Halbprivate Anwendungen stellen Mischformen dar. Konsortium Blockchain-Anwendungen k\u00f6nnen nur von vorab definierten Parteien verwendet werden und unterliegen diversen Restriktionen [1, 6].<\/p>\n\n
Zur Notwendigkeit von Konsens in der Blockchain<\/h2>\n\n
Konsensfindung beschreibt den dynamischen Prozess der Einigung auf einen Zustand innerhalb einer Gruppe oder eines Netzwerks [1, 7]. Aufgrund dezentraler und verteilter Architektur stehen Blockchain-Anwendungen bei der Findung eines gemeinsamen Konsenses vor zwei Problemen [2, 7]:<\/p>\n\n
(1.) Das Byzantine General Problem. Hierbei handelt es sich um ein Szenario, in dem eine Gruppe von Gener\u00e4len den Angriff auf eine Stadt koordiniert. Der Angriff kann dabei nur gelingen, wenn alle Gener\u00e4le die Stadt gleichzeitig angreifen. Dabei gilt es jedoch zu beachten, dass die einzelnen Gener\u00e4le auch Verrat begehen k\u00f6nnen und diese sich somit gegenseitig nicht trauen [8]. Auf Blockchain \u00fcbertragen existiert eine Vielzahl an unbekannten Teilnehmern innerhalb eines Netzwerks, die sich unabh\u00e4ngig voneinander \u00fcber die Richtigkeit eines Blocks einigen m\u00fcssen.<\/p>\n\n
(2.) Kann Guthaben in einer W\u00e4hrung f\u00fcr zwei Transaktionen gleichzeitig genutzt werden, so wird dies als Double-Spending-Problem bezeichnet. Dies ist theoretisch in der Blockchain m\u00f6glich, da im Vergleich zu klassischen W\u00e4hrungen wie dem Dollar weder ein physisches Underlying noch eine zentrale Partei, die alle Transaktionen verifiziert, existieren [2, 7, 9]. Zur L\u00f6sung dieser Probleme bedarf es Algorithmen zur Konsensfindung innerhalb des Netzwerks.<\/p>\n\n
Die im folgenden vorgestellten Algorithmen gew\u00e4hrleisten hierbei, dass nur ein Block an die vorhandene Kette gehangen wird. Dieser beinhaltet ausschlie\u00dflich g\u00fcltige Transaktionen [7]. So wird gew\u00e4hrleistet, dass alle Nutzer innerhalb des Netzwerks auf die gleiche Datenbasis zur\u00fcckgreifen k\u00f6nnen und keine doppelten Ausgaben m\u00f6glich sind [7]. Weiterhin reduzieren Konsens-Algorithmen den Anreiz ung\u00fcltige bzw. sch\u00e4dliche Bl\u00f6cke parallel anzubieten und so das Netzwerk zu manipulieren [1, 2, 10].<\/p>\n\n
Proof of Work \u2013 POW<\/h2>\n\n
Die Grundidee des Proof-of-Work-Algorithmus beruht darauf, dass jeder Netzwerkteilnehmer die Transaktionen eines Blocks pr\u00fcfen kann, indem er mittels Rechenleistung komplexe mathematische Probleme l\u00f6st. Die Durchf\u00fchrung dieser mathematischen Funktion wird als Mining und die durchf\u00fchrenden Teilnehmer als Miner bezeichnet. M\u00f6chte ein Miner einen neu erstellten Block an eine bestehende Kette anf\u00fcgen, so muss dieser einen bestimmten Grad an Arbeit verrichten [3], wodurch diesem Kosten in Form von Zeit und Ressourcen entstehen. Ein neu erstellter Block wird verifiziert, indem der Header des neuen Blocks mit dem Wert des Nonce-Felds kombiniert und anschlie\u00dfend mittels einer Hash-Funktion transformiert wird [3, 11].<\/p>\n\n
Eine Hash-Funktion ist eine Funktion, die eine Folge an Zeichen mit beliebiger L\u00e4nge in eine Zeichenfolge mit fester l\u00e4nge transformiert (Hashwert) [11, 12]. Die eigentliche Schwierigkeit liegt hierbei darin, dass der zu findende Hashwert bestimmte Eigenschaften aufweisen muss, bspw. eine vorab definierte Nullfolge am Anfang des Werts. Dies wird im Nonce-Feld definiert [9]. Ein verifizierender Hashwert muss dabei kleiner-gleich dem Ziel-Hashwert sein. Im Fall Bitcoin wird die Hashfunktion SHA-256 genutzt [10].<\/p>\n\n
Der Miner, der als erstes den passenden Hashwert findet, darf den Block an die bestehende Kette anheften und wird f\u00fcr seinen Aufwand verg\u00fctet. Die anderen Miner gehen in diesem Fall leer aus. Wurde ein Block erfolgreich verifiziert, muss dieser anschlie\u00dfend vom restlichen Netzwerk best\u00e4tigt werden, indem diese den Wert erneut per Hashfunktion pr\u00fcfen [1, 3, 11]. Die Verg\u00fctung besteht aus einer vorab im Protokoll definierten Summe an neu generierten Token sowie den Transaktionsgeb\u00fchren des neuen Blocks. Hierbei muss jedoch beachtet werden, dass die Schwierigkeit der Hashfunktion, sowie die Pr\u00e4mie sich \u00fcber den Lauf der Zeit anpassen. Aktuell erhalten Bitcoin-Miner eine Belohnung in H\u00f6he von 12.5 Bitcoin, welche sich alle 210.000 Bl\u00f6cke halbiert [9, 13].<\/p>\n\n
Proof of Stake \u2013 POS<\/h2>\n\n
Im direkten Vergleich steht beim Proof of Stake nicht das Verrichten von Arbeit in Form von Rechenleistung im Vordergrund, sondern die Anzahl an Token, die ein Netzwerkteilnehmer (Stakeholder) bereit ist, f\u00fcr einen bestimmten Zeitraum wegzuschlie\u00dfen. W\u00e4hrend dieses Zeitraums k\u00f6nnen die weggeschlossenen Token weder gehandelt noch verkauft werden. Dieser Anteil an Token, den ein Teilnehmer wegschlie\u00dft, wird als Stake bezeichnet, das Wegschlie\u00dfen als Staken. POS verfolgt die grundlegende Idee, dass Teilnehmer, die eine gro\u00dfe Anzahl an Token wegschlie\u00dfen, weniger dazu tendieren, das Netzwerk in Form von falsch verifizierten Bl\u00f6cken anzugreifen. Folglich k\u00f6nnen nur Stakeholder an der Konsensfindung teilnehmen [9, 12, 14].<\/p>\n\n
In einem Netzwerk, das zur Konsensfindung einen POS-Algorithmus nutzt, wie das NXT-Netzwerk, wird f\u00fcr jede Blockverifizierung eine Partei per Zufall ausgew\u00e4hlt. Je gr\u00f6\u00dfer der Stake einer Partei ist, desto h\u00f6her ist die Wahrscheinlichkeit, dass diese Partei ausgew\u00e4hlt wird, um den n\u00e4chsten Block zu verifizieren. Je nach Ausf\u00fchrung des Algorithmus spielen weitere Variablen eine Rolle. Diese zus\u00e4tzlichen Bedingungen werden implementiert, damit die Entscheidungsfindung nicht alleine vom Verm\u00f6gen abh\u00e4ngig ist und auch Nutzer mit einem geringen Stake die M\u00f6glichkeit erhalten, Bl\u00f6cke zu verifizieren. Nach erfolgreicher Auswahl wird der Netzwerkteilnehmer, der den Block verifiziert hat, in Form einer vorab definierten Pr\u00e4mie verg\u00fctet. In POS-Algorithmen werden keine neuen Token generiert. Die Pr\u00e4mie entspricht daher den Transaktionsgeb\u00fchren eines Blocks [9].<\/p>\n\n
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Da Stakeholder jedoch keine Ressourcen bei der Verifikation von Bl\u00f6cken verbrauchen, stehen POS-Algorithmen aufgrund ihres Designs vor einem sogenannten Nothing-at-Stake-Problem.<\/p>\n\n\n\n
Da es zu keinen Opportunit\u00e4tskosten bei der Verifizierung von legitimen Bl\u00f6cken kommt, besteht f\u00fcr verifizierende Stakeholder im Falle einer Teilung in zwei Ketten, (wie im Fall Ethereum und Ethereum Classic) der Anreiz darin, mehrere Bl\u00f6cke parallel zu verifizieren und so die Menge an erhaltenen Transaktionsgeb\u00fchren zu maximieren [14].<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n\n
Delegated Proof of Stake \u2013 DPOS<\/h2>\n\n
Der Konsens-Algorithmus Delegated Proof of Stake stellt eine erweiterte Version des Proof of Stake dar und verbindet Reputation innerhalb des Netzwerks mit einem Echtzeit-Wahlsystem. Bei dieser Variante w\u00e4hlen die Stakeholder mittels Stimmrechten delegierte Validatoren, welche die Verifikation von Bl\u00f6cken und Transaktionen verantworten. Die Stimmrechte werden hierbei proportional zur Anzahl vorhandener Token vergeben. Hierbei k\u00f6nnen Abstimmungssystem und Verg\u00fctungssystem von Netzwerk zu Netzwerk variieren.<\/p>\n\n
In der Regel wird jedoch der Validierer f\u00fcr die Verifikation der Transaktionen prozentual verg\u00fctet. Diese Verg\u00fctung kann anschlie\u00dfend proportional mit den W\u00e4hlern geteilt werden [2, 10]. Aufgrund der geringeren Anzahl beteiligter Parteien k\u00f6nnen Bl\u00f6cke schneller verifiziert und somit Transaktionen schneller durchgef\u00fchrt werden. Weiterhin k\u00f6nnen unehrliche Validatoren schnell vom Netzwerk abgew\u00e4hlt und durch eine vertrauensw\u00fcrdige Partei ersetzt werden [1, 7].<\/p>\n\n
Nachhaltigkeit in der Blockchain<\/h2>\n\n
Wie beschrieben setzt der POW-Algorithmus auf das Verrichten von Arbeit in Form von Rechenleistung. Dies hat Auswirkungen auf die Nachhaltigkeit von Blockchain-Anwendungen und wird im Folgenden anhand der Bitcoin-Blockchain diskutiert: Das Ausf\u00fchren der Hashfunktionen ist sehr rechenintensiv und mit enormem Stromverbrauch verbunden. Allein die Konsensfindung von Bitcoins verbraucht mindestens 2.55 GWh j\u00e4hrlich, Tendenz stark steigend [14]. Bei einem Stromverbrauch von 2.55 GWh (Stand 2018; zum Vergleich: der Jahresverbrauch Irlands entsprach 3.1 GWh) kostet eine Transaktion innerhalb des Bitcoin-Netzwerks ca. 300 kWh [10, 15].<\/p>\n\n
Je mehr Rechenleistung ein Miner besitzt, desto schneller k\u00f6nnen Inputs in einen Hashwert umgewandelt werden. Folglich haben die Miner mit der meisten Rechenleistung auch die h\u00f6chste Wahrscheinlichkeit den n\u00e4chsten Block zu verifizieren und die Pr\u00e4mie einzustreichen [10, 16]. Im Fall von Bitcoin liefern die Investitionskosten in Form von Hardware und Ressourcenbedarf zus\u00e4tzlichen Schutz und stellen eine H\u00fcrde f\u00fcr potenzielle Angreifer da [5].<\/p>\n\n
Aufgrund der ansteigenden Schwierigkeit in POW-Algorithmen, m\u00fcssen Teilnehmer technisch aufr\u00fcsten, um weiterhin erfolgreich an der Konsensfindung teilnehmen zu k\u00f6nnen. Dieses Wettr\u00fcsten f\u00fchrt zum Zusammenschluss der einzelnen Parteien, zu sogenannten Mining-Pools, in denen Rechenleistung zusammengelegt wird, um mathematischen Probleme gemeinsam zu l\u00f6sen. Nach erfolgreichem Minen eines Blocks wird die Pr\u00e4mie innerhalb des Pools aufgeteilt. Aktuell besitzen die vier gr\u00f6\u00dften Mining Pools mehr als 50 % der gesamten Rechenleistung innerhalb des Bitcoin-Netzwerks. Durch die Bildung von Mining Pools und der Zusammenlegung von Rechenleistung verliert das Bitcoin-Netzwerk stetig an Dezentralit\u00e4t [2, 10].<\/p>\n\n
Im direkten Vergleich bieten der POS- als auch der DPOS-Algorithmus eine weitaus umweltfreundlichere und nachhaltigere Alternative zur Konsensfindung. Teilnehmer ben\u00f6tigen keine rechenstarke Hardware, somit kann der Bedarf von Elektrizit\u00e4t sowie das Anschaffen teurer Hardware um ein Vielfaches verringert werden [1, 14].<\/p>\n\n
Aufgrund der geringeren Anzahl an Validierungsm\u00f6glichkeiten, k\u00f6nnen Bl\u00f6cke eines DPOS-Algorithmus schneller verifiziert und folglich Transaktionen schneller ausgef\u00fchrt werden. Im Gegenzug zur gewonnen Effizienz verliert das Netzwerk jedoch durch die beschr\u00e4nkte Anzahl an Validierern an Dezentralit\u00e4t [1, 10]. Die folgende Tabelle ordnet die vorgestellten Algorithmen in die drei S\u00e4ulen der Nachhaltigkeit ein.<\/p>\n\n
Wie Zheng u.\u2009a. [1] zeigen, sind alle drei Algorithmen anf\u00e4llig f\u00fcr einen 51%-Angriff.<\/p>\n\n
Dabei versucht der Angreifer die Konsensfindung zu seinen Gunsten zu beeinflussen, indem er einen Gro\u00dfteil der Entscheidungsgewalt selbst stellt [1, 2, 5]. F\u00fcr einen effektiven Angriff auf ein Netzwerk das POS oder DPOS nutzt, ben\u00f6tigt der Angreifer mehr als 50% der Coins oder mehr als 50% der Validatoren. Hervorzuheben ist jedoch, dass solch ein Angriff hier aufgrund des Algorithmus-Designs als sehr unwahrscheinlich zu bewerten ist [2]. In einem Netzwerk das POW zur Konsensfindung nutzt, reichen bereits mehr als 25% der Gesamtrechenleistung, um das Netzwerk zu manipulieren und die Wahrscheinlichkeit einer Belohnung zu erh\u00f6hen (vgl. selfish mining strategy) [1, 2, 11]. Wird das Mining jedoch aus einer spieltheoretischen Sicht betrachtet, so stellt ehrliches Verhalten ein Nash-Gleichgewicht dar, solange die Miner nur \u00fcber eine geringe Rechenleistung verf\u00fcgen [17].<\/p>\n\n
Das dynamische Wahlsystem des DPOS Algorithmus bietet eine m\u00f6gliche L\u00f6sung f\u00fcr das Nothing-at-Stake Problem. Betr\u00fcgerische Validatoren k\u00f6nnen problemlos abgew\u00e4hlt und anschlie\u00dfend durch einen Validator mit besserer Reputation ersetzt werden [1, 2].<\/p>\n\n
Zusammenfassung<\/h2>\n\n
Blockchain-Technologien stehen aufgrund ihrer dezentralen und verteilten Architektur vor dem Problem einer einheitlichen Konsensfindung. Die in diesem Beitrag vorgestellten Konsens-Algorithmen bieten verschiedene M\u00f6glichkeiten, um innerhalb des Netzwerks einen einheitlichen Konsens zu erreichen. Proof-of-Work-Algorithmen, wie im Fall von Bitcoin, weisen einen hohen Elektrizit\u00e4tsverbrauch auf. Proof-of-Stake- sowie Delegated-Proof-of-Stake-Algorithmen stellen im direkten Vergleich zu Proof of Work eine ressourcenschonendere Alternative zur effektiven Konsensfindung innerhalb eines Netzwerks dar.<\/p>\n\n
Dieser Beitrag entstand im Rahmen der Nachwuchsforschungsgruppe ProMUT \u201eNachhaltigkeitsmanagement 4.0 \u2013 Transformative Potentiale digital-vernetzter Produktion f\u00fcr Mensch, Umwelt und Technik\u201c (Kennzeichen 01UU1705B), das vom Bundesministerium f\u00fcr Bildung und Forschung in Rahmen der F\u00f6rderinitiative \u201eSozial-\u00f6kologische Forschung\u201c gef\u00f6rdert wird.<\/em><\/p>\nBibliography <\/h2>[1] Zheng, Z.; Xie, S.; Dai, H.; Chen, X.; Wang, H.: An Overview of Blockchain Technology: Ar- chitecture, Consensus, and Future Trends. In: Proc. – 2017 IEEE 6th Int. Congr. Big Data, BigData Congr. (2017), S. 557-564.\r
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