Ein Leitfaden zum Verständnis von Blockchain-Konsensus-Algorithmen

Blockchain ist ein dezentrales verteiltes Netzwerk, das höhere Transparenz, Sicherheit und Unveränderlichkeit bietet.

Das wissen wir alle !!

Aber haben Sie sich jemals gefragt, wie es all dies erreichen kann?

Wer regiert dieses Netzwerk und überprüft jede Transaktion, sofern es keine zentralisierte Autorität gibt?

Klingt richtig interessant!

Nun, es sind Blockchain-Konsensalgorithmen – der Kernbestandteil der Blockchain-Entwicklungswelt, über die wir in diesem umfassenden Leitfaden sprechen werden.

INHALTSVERZEICHNIS:

1. Definition des Blockchain-Konsensus-Algorithmus
2. Ziele eines Konsensmechanismus
3. Blockchain-Konsensalgorithmen, die auf dem Markt beliebt sind
4. Eigenschaften eines guten Blockchain-Konsensmechanismus
5. Folgen des Vertrauens auf ein schlechtes Konsensprotokoll
6. Häufig gestellte Fragen
7. Fazit

Was ist der Blockchain-Konsensalgorithmus?

Die einfachste Antwort auf den Blockchain-Konsensalgorithmus ist, dass es sich um ein Verfahren handelt, über das alle Peers eines Blockchain-Netzwerks eine gemeinsame Akzeptanz oder einen gemeinsamen Konsens über den Echtzeitstatus des verteilten Ledgers erreichen.

Ein Konsensmechanismus ermöglicht es dem Blockchain-Netzwerk, Zuverlässigkeit zu erreichen und ein Maß an Vertrauen zwischen verschiedenen Knoten aufzubauen, während gleichzeitig die Sicherheit in der Umgebung gewährleistet wird. Aus diesem Grund ist es einer der wichtigsten Bestandteile jedes Blockchain-App-Entwicklungsleitfadens und jedes dApp-Projekts in der Distributed-Ledger-Umgebung.

Diese Algorithmen arbeiten auf der Grundlage verschiedener Ziele, von denen wir einige im nächsten Abschnitt dieses Artikels behandeln werden.

Ziele des Blockchain-Konsensmechanismus

1. Einheitliche Vereinbarung

Eines der Hauptziele von Konsensmechanismen ist das Erreichen einer einheitlichen Einigung.

Im Gegensatz zu zentralisierten Systemen, bei denen ein Vertrauen in die Autorität erforderlich ist, können Benutzer auch dezentral agieren, ohne Vertrauen zueinander aufzubauen. Die in das verteilte Blockchain-Netzwerk eingebetteten Protokolle stellen sicher, dass die am Prozess beteiligten Daten wahr und genau sind und der Status des öffentlichen Hauptbuchs aktuell ist.

2. Wirtschaftlichen Anreiz ausrichten

Wenn es darum geht, ein vertrauensloses System aufzubauen, das sich selbst reguliert, ist es ein Muss, die Interessen der Teilnehmer des Netzwerks aufeinander abzustimmen.

Ein Konsens-Blockchain -Protokoll bietet in dieser Situation Belohnungen für gutes Verhalten und bestraft die schlechten Akteure. Damit sorgt sie auch für die Regulierung wirtschaftlicher Anreize .

3. Fair und gerecht

Konsensmechanismen ermöglichen es jedem, am Netzwerk teilzunehmen und die gleichen Grundlagen zu verwenden. Auf diese Weise rechtfertigt es die Open-Source- und Dezentralisierungseigenschaft des Blockchain-Systems.

4. Verhindern Sie doppelte Ausgaben

Konsensmechanismen arbeiten auf der Grundlage bestimmter Algorithmen, die sicherstellen, dass nur die Transaktionen in das öffentliche transparente Hauptbuch aufgenommen werden, die verifiziert und gültig sind. Dies löst das traditionelle Problem des doppelten Ausgebens, dh das Problem, eine digitale Währung zweimal auszugeben.

5. Fehlertolerant

Ein weiteres Merkmal der Consensus -Methode ist, dass sie sicherstellt, dass die Blockchain fehlertolerant, konsistent und zuverlässig ist. Das heißt, das geregelte System würde auch bei Ausfällen und Bedrohungen auf unbestimmte Zeit funktionieren.

Derzeit gibt es eine Fülle von Blockchain-Konsensalgorithmen im Ökosystem und viele weitere sind auf dem Weg, auf den Markt zu kommen. Daher ist es für jedes Blockchain-Entwicklungsunternehmen und jeden begeisterten Unternehmer unerlässlich, mit den Faktoren vertraut zu sein, die ein gutes Konsensprotokoll ausmachen, und mit den möglichen Auswirkungen eines schlechten Protokolls.

Lassen Sie uns , nachdem die Grundlagen der Blockchain-Konsensverfahren behandelt wurden, tiefer in das Thema eintauchen und uns die gängigen Arten von Konsensmechanismen ansehen.

Blockchain-Konsensalgorithmen beliebt auf dem Markt

1. Arbeitsnachweis (PoW)

Proof of Work wurde von Satoshi Nakamoto entwickelt und ist der älteste Konsensmechanismus, der im Blockchain-Bereich verwendet wird. Es wird auch als Mining bezeichnet, wobei die teilnehmenden Knoten als Miner bezeichnet werden.

Bei diesem Mechanismus müssen die Miner mit umfassender Rechenleistung komplexe mathematische Rätsel lösen. Sie verwenden verschiedene Formen von Mining-Methoden, wie z. B. GPU-Mining, CPU-Mining, ASIC-Mining und FPGA-Mining. Und derjenige, der das Problem am frühesten löst, bekommt einen Block als Belohnung.

Der Prozess ist jedoch nicht so einfach. Ein Rätsel kann nur durch Trial-and-Error-Methode gelöst werden. Darüber hinaus steigt die Komplexität des Puzzles mit der Geschwindigkeit, mit der Blöcke abgebaut werden. Es ist also zwingend erforderlich, innerhalb eines bestimmten Zeitrahmens einen neuen Block zu erstellen, um den Schwierigkeitsgrad zu bewältigen.

Der Proof-of-Work-Mechanismus wird von mehreren Kryptowährungen wie Bitcoin, Litecoin, ZCash, Primecoin, Monero und Vertcoin verwendet, um nur einige zu nennen.

Der in diesem Mechanismus erläuterte Bitcoin-Algorithmus verwendet die Nonce als Zufallswert, um die Ausgabe des Hash-Werts zu variieren. Im Bitcoin-Konsensalgorithmus soll jeder Block einen Hash-Wert generieren, und die Nonce ist der Parameter, der verwendet wird, um diesen Hash-Wert zu generieren.

In Bezug auf seine Implementierungen hat der Proof of Work (PoW) nicht nur die Finanzindustrie beeinflusst, sondern auch das Gesundheitswesen, die Unternehmensführung, das Management und mehr. Es hat tatsächlich die Möglichkeit von Multichannel-Zahlungen und Multi-Signatur-Transaktionen über eine Adresse zur Erhöhung der Sicherheit angeboten.

2. Einsatznachweis (PoS)

Proof of Stake ist die einfachste und umweltfreundlichste Alternative zum PoW-Konsensprotokoll.

Bei dieser Blockchain-Methode sind die Blockproduzenten keine Miner, sondern agieren wie Validatoren. Sie erhalten die Möglichkeit, einen Block über alle zu erstellen, was Energie spart und die Zeit verkürzt. Damit sie jedoch ein Validator werden, müssen sie einen gewissen Geldbetrag oder Einsatz investieren.

Anders als im Fall von PoW haben Miner außerdem das Privileg, ihre Transaktionsgebühren in diesem Algorithmus zu übernehmen, da es in diesem Konsensmodell kein Belohnungssystem gibt.

Dies insgesamt ermutigte Marken wie Ethereum, ihr Modell in ihrem Ethereum 2.0-Update von PoW auf PoS aufzurüsten . Außerdem half es verschiedenen Blockchain-Ökosystemen wie Dash, Peercoin, Decred, Reddcoin und PivX, richtig zu funktionieren.

Während PoS verschiedene früher mit PoW verbundene Probleme löste, gab es auf dem Markt noch viele Herausforderungen, die noch ungestaubt waren. Um diese Herausforderungen zu mindern und eine verbesserte Blockchain-Umgebung bereitzustellen, wurden mehrere Varianten von PoS entwickelt.

Die beiden beliebtesten Varianten von Proof of Stake (PoS) sind DPoS und LPoS.

• Delegierter Anteilsnachweis (DPoS)

Beim Delegated Proof of Stake (DPoS) staken die Teilnehmer ihre Münze und stimmen für eine bestimmte Anzahl von Delegierten ab, sodass sie umso mehr Gewicht erhalten, je mehr sie investieren. Beispiel: Wenn Benutzer A 10 Münzen für einen Delegierten ausgibt und Benutzer B 5 Münzen investiert, erhält die Stimme von A mehr Gewicht als die von B.

Die Delegierten werden auch in Form von Transaktionsgebühren oder einer bestimmten Menge an Coins belohnt.

Aufgrund dieses einsatzgewichteten Abstimmungsmechanismus ist DPoS eines der schnellsten Blockchain-Konsensmodelle und wird als digitale Demokratie sehr bevorzugt. Einige der realen Anwendungsfälle dieses Blockchain-Konsensmechanismus sind Steem, EOS und BitShares.

• Gemieteter Anteilsnachweis (LPoS)

LPoS ist eine verbesserte Version des PoS-Konsensmechanismus, der auf der Waves-Plattform läuft .

Im Gegensatz zur regulären Proof-of-Stake-Methode, bei der jeder Knoten mit einer gewissen Menge an Kryptowährung berechtigt ist, die nächste Blockchain hinzuzufügen, können Benutzer ihr Guthaben an vollständige Knoten in dieser Konsensalgorithmus-Blockchain leasen. Und derjenige, der die größere Menge an den Full Node vermietet, hat eine höhere Wahrscheinlichkeit, den nächsten Block zu generieren. Außerdem wird der Mieter dann mit einem Prozentsatz der Transaktionsgebühr belohnt, die vom vollständigen Knoten gesammelt wurde.

Diese PoS-Variante ist eine effiziente und sichere Option für die Entwicklung öffentlicher Kryptowährungen.

3. Berechtigungsnachweis

Proof of Authority ist eine modifizierte Version von Proof of Stake, bei der die Identitäten von Validatoren im Netzwerk auf dem Spiel stehen. Um die Identität des Validierers zu überprüfen, ist die Identität die Ähnlichkeit zwischen der persönlichen Identifizierung des Validierers und seiner offiziellen Dokumentation. Diese Validatoren bringen ihren Ruf ins Netzwerk. Beim Proof of Authority sind die Nodes (die zu Validatoren werden) die einzigen, die neue Blöcke produzieren dürfen. Validatoren, deren Identität gefährdet ist, erhalten einen Anreiz, das Blockchain-Netzwerk zu sichern und zu bewahren. In diesem Beweis ist die Anzahl der Validatoren ziemlich klein, etwa 25 oder weniger.

4. Byzantinische Fehlertoleranz (BFT)

Byzantinische Fehlertoleranz wird, wie der Name schon sagt, verwendet, um mit byzantinischen Fehlern (auch Problem der byzantinischen Generäle genannt) umzugehen – eine Situation, in der sich die Akteure des Systems auf eine effektive Strategie einigen müssen, um einen katastrophalen Ausfall des Systems zu umgehen, aber einige davon sie sind zweifelhaft.

Erfahren Sie in diesem Video mehr über das Problem der byzantinischen Generäle:-

Die beiden Varianten des BFT-Konsensmodells, die in der Blockchain-Arena am wichtigsten sind, sind PBFT und DBFT.

• Praktische byzantinische Fehlertoleranz (PBFT)

PBFT ist ein leichtgewichtiger Blockchain-Algorithmus, der die Probleme des byzantinischen Generals löst, indem Benutzer die ihnen zugestellten Nachrichten bestätigen können, indem sie eine Berechnung durchführen, um die Entscheidung über die Gültigkeit der Nachricht zu bewerten.

Die Partei teilt dann ihre Entscheidung anderen Knoten mit, die schließlich eine Entscheidung darüber verarbeiten. Auf diese Weise stützt sich die endgültige Entscheidung auf die von den anderen Knoten abgerufenen Entscheidungen.

Stellar, Ripple und Hyperledger Fabric sind einige Anwendungsfälle dieses Blockchain-Konsensmechanismus.

• Delegierte byzantinische Fehlertoleranz (DBFT)

Der von NEO eingeführte Delegated Byzantine Fault Tolerance-Mechanismus ähnelt dem DPoS-Konsensmodell. Auch hier erhalten die NEO-Token-Inhaber die Möglichkeit, für die Delegierten zu stimmen.

Dies ist jedoch unabhängig von der Höhe der investierten Währung. Delegierter kann jeder werden, der die Grundvoraussetzungen erfüllt, also eine verifizierte Identität, die richtige Ausrüstung und 1.000 GAS . Einer dieser Delegierten wird dann zufällig als Sprecher ausgewählt.

Der Sprecher erstellt einen neuen Block aus der Transaktion, die darauf wartet, validiert zu werden. Außerdem sendet er einen Vorschlag an die gewählten Delegierten, die die Verantwortung haben, alle Transaktionen zu überwachen und sie im Netzwerk aufzuzeichnen. Diese Delegierten haben die Freiheit, die Vorschläge zu teilen und zu analysieren, um die Genauigkeit der Daten und die Ehrlichkeit des Sprechers zu überprüfen. Wenn dann 2/3 der Delegierten es validieren, wird der Block der Blockchain hinzugefügt.

Diese Art von Blockchain-Konsensprotokoll wird auch „Ethereum of China“ genannt und kann eine hilfreiche Ressource beim Aufbau einer „Smart Economy“ sein, indem Vermögenswerte digitalisiert und Smart Contracts auf der Blockchain angeboten werden.

5. Direkter azyklischer Graph (DAG)

Ein weiteres grundlegendes, aber erstklassiges Blockchain-Konsensmodell, mit dem jedes Unternehmen für die Entwicklung mobiler Apps , das mit Blockchain arbeitet, vertraut sein muss, ist DAG.

Bei dieser Art von Blockchain-Konsensprotokoll bereitet sich jeder Knoten selbst darauf vor, „Miner“ zu werden. Wenn Miner ausgerottet und Transaktionen von den Benutzern selbst validiert werden, reduziert sich die damit verbundene Gebühr auf null. Es wird einfacher, Transaktionen zwischen zwei beliebigen nächstgelegenen Knoten zu validieren, was den gesamten Prozess leichtgewichtig, schneller und sicherer macht.

Die beiden besten Beispiele für DAG-Algorithmen sind IOTA und Hedera Hashgraph .

Obwohl dies die wichtigsten Konsensmodelle in der Entwicklungsumgebung sind, haben viele verschiedene Blockchain-Konsensmechanismen langsam und allmählich an Dynamik gewonnen, wie zum Beispiel:-

6. Kapazitätsnachweis (PoC)

Beim Proof of Capacity (PoC)-Mechanismus werden Lösungen für jedes komplexe mathematische Rätsel in digitalen Speichern wie Festplatten gesammelt. Benutzer können diese Festplatten verwenden, um Blöcke zu erstellen, sodass diejenigen, die am schnellsten bei der Bewertung der Lösungen sind, bessere Chancen auf die Erstellung von Blöcken haben.

Der folgende Prozess wird als Plotten bezeichnet. Die beiden Kryptowährungen, die auf dem PoC-Blockchain-Konsensprotokoll basieren, sind Burstcoin und SpaceMint.

7. Brandnachweis (PoB)

Das Konsensmodell Proof of Burn (PoB) gilt als alternative Lösung zu PoW und PoS in Bezug auf den Energieverbrauch und arbeitet nach dem Prinzip, Bergleute die virtuellen Kryptowährungstoken „verbrennen“ oder „ruinieren“ zu lassen, was ihnen zusätzlich das Schreibprivileg verschafft Blöcke im Verhältnis zu den Münzen. Je mehr Münzen sie verbrennen, desto größer sind die Chancen, für jede Münze, die sie erhalten, den neuen Block auszuwählen.

Um Münzen zu verbrennen, müssen sie sie jedoch an die Adresse senden, an der sie nicht zur Überprüfung des Blocks ausgegeben werden konnten.

Dies wird häufig im Fall von verteiltem Konsens verwendet. Und das beste Beispiel für diesen Konsensmechanismus ist die Slim-Münze.

8. Identitätsnachweis (POI)

Das Konzept von PoI (Proof of Identity) ist genauso wie das der autorisierten Identität. Es ist eine kryptografische Bestätigung für den privaten Schlüssel eines Benutzers, der an jede einzelne Transaktion angehängt wird. Jeder identifizierte Benutzer kann einen Datenblock erstellen und verwalten, der anderen im Netzwerk präsentiert werden kann.

Dieses Blockchain-Konsensmodell stellt die Authentizität und Integrität der erstellten Daten sicher. Und damit ist es eine gute Wahl für die Einführung von Smart Cities.

9. Aktivitätsnachweis (PoA)

PoA ist im Grunde ein hybrider Ansatz, der durch die Konvergenz von PoW- und PoS-Blockchain-Konsensmodellen entwickelt wurde.

Beim PoA-Mechanismus rennen die Miner darum, ein kryptografisches Rätsel frühestens mit spezieller Hardware und elektrischer Energie zu lösen, genau wie bei PoW. Die Blöcke, auf die sie stoßen, enthalten jedoch nur die Informationen über die Identität des Blockgewinners und die Belohnungstransaktion. Hier schaltet der Mechanismus auf PoS um.

Die Validatoren (zur Validierung von Transaktionen ernannte Aktionäre) prüfen und stellen die Korrektheit der Sperre sicher. Wenn der Block viele Male überprüft wurde, werden die Validatoren zu einem vollständigen Block aktiviert. Dies bestätigt, dass offene Transaktionen Prozesse sind und schließlich in die gefundenen Blockcontainer integriert werden.

Außerdem wird die Blockbelohnung so aufgeteilt, dass Validatoren Anteile davon erhalten.

Die beiden realen Implementierungen dieses Mechanismus sind Espers- und Decred- Münzen.

10. Nachweis der verstrichenen Zeit (PoET)

PoET wurde von Intel mit der Absicht eingeführt, kryptografische Rätsel im PoW-Mechanismus zu übernehmen, indem berücksichtigt wird, dass die CPU-Architektur und die Menge an Mining-Hardware wissen, wann und mit welcher Häufigkeit ein Miner den Block gewinnt.

Es basiert auf der Idee, die Quoten für einen größeren Teil der Teilnehmer gerecht zu verteilen und zu erweitern. Daher wird jeder teilnehmende Node gebeten, eine bestimmte Zeit zu warten, um am nächsten Mining-Prozess teilzunehmen. Das Mitglied mit der kürzesten Wartezeit wird gebeten, eine Sperre anzubieten.

Gleichzeitig wartet jeder Knoten auch mit einer eigenen Wartezeit auf, nach der er in den Schlafmodus geht.

Sobald also ein Node aktiv wird und ein Block verfügbar ist, gilt dieser Node als „glücklicher Gewinner“. Dieser Knoten kann dann die Informationen im gesamten Netzwerk verbreiten, während er die Eigenschaft der Dezentralisierung beibehält und die Belohnung erhält.

11. Wichtigkeitsnachweis (PoI)

PoI wurde von NEM eingeführt und ist eine Variation des PoS-Protokolls, das die Rolle von Anteilseignern und Prüfern für seinen Betrieb berücksichtigt. Diese wird jedoch nicht nur von der Größe und Chance ihrer Anteile beeinflusst; verschiedene andere Faktoren wie Ruf, Gesamtbilanz und nein. von Transaktionen, die über eine bestimmte Adresse getätigt werden, spielt dabei ebenfalls eine Rolle.

Die auf dem POI-Konsensmodell basierenden Netzwerke sind kostspielig anzugreifen und belohnen Benutzer dafür, dass sie zur Sicherheit des Netzwerks beitragen.

Die bisher geteilten Informationen hätten Ihnen geholfen, die verschiedenen Blockchain-Konsensprotokolle zu unterscheiden.

Um es Ihnen jedoch zu vereinfachen, finden Sie hier eine Vergleichstabelle für Blockchain-Konsensalgorithmen.

Beginnen wir nun damit, zu bestimmen, was einen Blockchain-Konsens zu einem guten macht.

Eigenschaften eines guten Blockchain-Konsensmechanismus

1. Sicherheit

In einem guten Konsensmechanismus sind alle Knoten in der Lage, Ergebnisse zu erzeugen, die gemäß den Protokollregeln gültig sind.

2. Inklusive

Ein guter Konsens-Blockchain -Mechanismus stellt sicher, dass jeder einzelne Knoten des Netzwerks am Abstimmungsprozess teilnimmt.

3. Partizipation

Ein Konsensmechanismus, bei dem alle Knoten aktiv teilnehmen und zur Aktualisierung von Datenbanken auf Blockchain beitragen, wird als gutes Konsensmodell bezeichnet.

4. Egalitär

Ein weiteres Merkmal eines guten Mechanismus ist, dass er jeder vom Knoten empfangenen Stimme den gleichen Wert und die gleiche Gewichtung beimisst.

Lassen Sie uns vor diesem Hintergrund herausfinden, was passiert, wenn Sie diese Faktoren nicht berücksichtigen und ein schlechtes Konsensmodell in Ihren Entwicklungsprozess einführen.

Folgen der Wahl eines schlechten Konsensprotokolls

1. Blockchain-Forks

Die Wahl einer schlechten Blockchain-Konsensmethode erhöht die Anfälligkeit der Kette. Eine solche Schwachstelle, mit der Blockchain-Enthusiasten und Entwickler konfrontiert sind, sind Blockchain Forks.

Blockchain Forks sind in einer Laiensprache eine Situation oder Umstände, unter denen eine einzelne Kette in zwei oder mehr auseinandergeht. Eine detaillierte Erklärung zum Blockchain-Fork und seinen Typen finden Sie im unten eingebetteten Video.

Wenn ein Blockchain-Fork auftritt, beginnt die Anwendung auf unvorhersehbare Weise zu arbeiten und erstellt zwei oder mehr divergierende Knoten im Voraus.

2. Schlechte Leistung

Wenn ein schlechter Konsens-Blockchain -Mechanismus in Betracht gezogen wird, kommt es entweder zu einer Fehlfunktion des Knotens oder zu einer Netzwerkpartitionierung. Dies verzögert den Prozess des Austauschs von Nachrichten zwischen Knoten und erhöht die Latenz der Anwendung, was letztendlich das Leistungsniveau senkt.

3. Konsensversagen

Ein weiterer Effekt der Integration eines schlechten Konsensmechanismus in Ihr Geschäftsmodell ist das Scheitern des Konsenses. In dieser Situation nimmt ein Bruchteil der Nodes an keinem Prozess teil, und daher liefert der Konsens ohne ihre Stimmen keine genauen und gewünschten Ergebnisse.

Nachdem nun die Grundlagen der Blockchain-Konsensverfahren behandelt wurden, lassen Sie uns tiefer in das Thema eintauchen und uns die gängigen Arten von Konsensmechanismen ansehen.

Häufig gestellte Fragen zu Blockchain-Konsensalgorithmen

F. Was ist das Konsensprotokoll in Blockchain?

Ein Konsensprotokoll ist eine Reihe von Regeln oder Verfahren, die regeln, wie zwei oder mehr Knoten interagieren, Informationen austauschen und zugehörige Prozesse im Blockchain - Ökosystem ausführen.

F. Welches Konsensmodell verwendet Ethereum?

Früher arbeitete Ethereum mit dem Konsensmodell PoW (Proof of Work). Aber es hat sich jetzt auf den PoS (Proof of Stake) Blockchain-Konsensalgorithmus verlagert .

Die Endgedanken

Am Ende haben alle diese Komponenten ein ähnliches Ziel, nämlich einen Konsens in einem dezentralen Netzwerk. Aber auch nach einem gemeinsamen Ziel unterscheiden sich diese Mechanismen in ihrer Herangehensweise an die Konsensfindung. Obwohl der ideale Konsens noch nicht existiert, ist es faszinierend und bewegend zu sehen, wie sich Konsensmechanismen entwickelt und langfristig an die sich ändernden Anforderungen eines Protokolls wie diesem angepasst haben, und es wird zweifellos spannend sein, zu beobachten, wie bahnbrechende Ideen Wirklichkeit werden .

Es ist wichtig, diejenige entsprechend der Notwendigkeit des Geschäftsnetzwerks mit Bedacht auszuwählen, da die Blockchain-Netzwerke ohne die Konsensalgorithmen zur Bestätigung jeder einzelnen Transaktion, die ausgeführt wird, nicht richtig funktionieren können.