Blockchain-Konsensmechanismen im Vergleich

Tobias Jung, Product Owner

Um zu verstehen, warum der Konsensmechanismus in einer Blockchain so wichtig ist, muss vorher der Begriff „Distributed Ledger“ geklärt werden. Distributed Ledger entstanden gemeinsam mit Blockchains. Dabei handelt es sich um manipulationssichere Datenbanken, die redundant in Form eines verteilten Hauptbuches auf allen Rechnern eines Netzwerkes gespeichert sind. Alle Transaktionen werden in diesem Hauptbuch chronologisch gesichert. Die Verteilung dieses Hauptbuches auf den Rechnern im Netzwerk ist ein Grund, warum die Blockchain-Technologie als sicher, transparent und unveränderlich angesehen wird.

Der Konsensmechanismus dient der Verifikation von (Transaktions-)Daten, die in der Blockchain in Form von neuen Blöcken hochgeladen werden. Die Verifikation benötigt die Zustimmung der Mehrheit aller Teilnehmenden im Netzwerk, sprich einen Konsens unter den Beteiligten.

Proof of Work

Der Konsensmechanismus Proof of Work (PoW) wird von der ersten Kryptowährung Bitcoin verwendet. Der Konsens wird durch das Lösen von kryptografischen Rätseln durch sogenannte Miner erreicht. Der erste Miner, der die Lösung herausfindet, sendet diese an das Netzwerk, in welchem die anderen Miner die Lösung überprüfen. Sobald die Mehrheit der Lösung zustimmt, kann der neue Block angereiht werden. Die Arbeit der Miner wird in Form von Bitcoin entlohnt. Der Anteil der Rechenkapazität im gesamten Netzwerk ist dabei ausschlaggebend für die Wahrscheinlichkeit einen Block erfolgreich zu „minen“.  Krypto Mining steht in verschiedenen Jurisdiktionen stark in der Kritik – unter anderem wegen dem hohen Energieverbrauch, der für das Mining erforderlich ist.

Proof of Work
Sicherheit	Sehr sicher Je mehr Miner und damit Mining Power vorhanden ist, desto teurer wird es, 51% des Netzwerkes zu kontrollieren und damit manipulieren zu können.
Schnellig­keit	Langsam
Kosten	Hohe Transaktionskosten, hohe Kosten für Hardware um Mining durchzuführen
Energieeffizienz	Mining = sehr ressourcenintensiv, da eine hohe Rechenkapazität erforderlich ist
Spezifische Vorteile	Gut etabliert, sehr gut durch Hacking Angriffe geschützt
Spezifische Nachteile	Wegen hohem Energieverbrauch Diskussionen über Krypto Mining Verbote in verschiedenen Jurisdiktionen Gefahr bei Kontrolle über große Mining Pools

Proof of Stake

Um mittels des Mechanismus Proof of Stake (PoS) einen Konsens im Netzwerk zu erreichen, ist der Stake der einzelnen Teilnehmenden entscheidend. Bei dem Stake eines Teilnehmers handelt es sich um die Menge an Token, die ein Validator im Netzwerk aufbewahrt. Je größer der Anteil der „gestakten“ Token ist, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit das dieser ausgewählt wird, den nächsten Block zu validieren.  
Ein entscheidender Unterschied zum Proof of Work Mechanismus, besteht darin, dass der Validator mittels eines Zufallsalgorithmus ausgewählt wird. Die gestakten Token kann man sich als Gewinnlose vorstellen: Je mehr Lose ein Validator besitzt, desto wahrscheinlicher ist es, dass dieser ausgewählt wird.
Auch bei diesem Konsensmechanismus wird die Arbeit in Form von Token aus dem Netzwerk entlohnt.  Bei Fehlverhalten des Validators, wird dieser geslasht („bestraft“) und verliert in Folge seinen Stake.

Proof of Stake
Sicherheit	Sicher, aber durch die geringere Anzahl an Computern, die Kontrolle über Netzwerk haben, weniger sicher als PoW.
Schnellig­keit	Transaktionszeiten wesentlich schneller als bei PoW
Kosten	Geringe Transaktionsgebühren, keine spezielle Hardware nötig, wodurch mehr Menschen der Zugang ermöglicht wird
Energieeffizienz	Ressourcenschonender, da weniger Energie benötigt wird, um das Netzwerk aufrecht zu erhalten (da weniger Computer erforderlich sind)
Spezifische Vorteile	Keine Möglichkeit der Economics of Scale, da stets direkt in die Netzwerktoken investiert wird und es dafür keinen Mengenrabatt und somit auch keinen Vorteil für Großinvestoren gib (im Vergleich zu Proof of Work, wo diese Möglichkeit bei dem Einkauf vieler Miner besteht)
Spezifische Nachteile	Gefahr von großen Node Operator und oligopolartigen Stake-Konzentrationen

Delegated Proof of Stake

Bei diesem Konsensmechanismus handelt es sich um eine Weiterentwicklung von Proof of Stake.

Bei dem klassischen Proof of Stake kann grundsätzlich jeder, der Token in seiner Wallet hält, als Validator in Frage kommen. Beim Delegated Proof of Stake entspricht der Besitz eines Tokens einem Stimmrecht. Je mehr Token, desto mehr wiegt das Stimmrecht. Nur ein Anteil der Teilnehmenden erhält für seine Arbeit die Entlohnung in Form von Netzwerktoken. Diese zusätzlichen Regelungen im Auswahlprozess sollen den Konsensmechanismus demokratischer gestalten.

Es werden zwei Rollen unterschieden: Validatoren und Delegierende. Die Validatoren übernehmen die Aufgabe des Validierens neuer Blöcke. Dabei zählt neben der finanziellen Macht des Zeugen (also dem Anteil des Stakes) vielmehr die vertrauensvolle Ausführung der Arbeit. Die Delegierenden überprüfen Sicherheit und Korrektheit des Netzwerkes.

Ein Problem dieses Wahlsystems besteht jedoch in der Teilnahme: wenn es viele Wallets mit jeweils nur einer geringen Anzahl an Token gibt, ist es schwierig eine repräsentative Abstimmung durchzuführen, es sei denn es kann eine hohe Wahlbeteiligung festgestellt werden. Da es bei DPoS keine besonderen Zugangsbeschränkungen gibt, existieren auch viele Teilnehmer, die nicht die technischen Kenntnisse oder die Zeit mitbringen, um am Konsens teilzunehmen. Diese Teilnehmenden können ihre Stimmrechte an einen vertrauensvollen Validatoren abgeben und werden dafür ebenfalls in Form von Rewards proportional entlohnt.

Delegated Proof of Stake
Sicherheit	Sicher geringere Zugangsbeschränkungen → mehr Teilnehmer → mehr Dezentralität → mehr Sicherheit
Schnellig­keit	Transaktionszeiten wesentlich schneller als bei PoW
Kosten	Geringe Transaktionsgebühren, keine spezielle Hardware nötig, wodurch mehr Menschen der Zugang ermöglicht wird
Energieeffizienz	Ressourcenschonender, da weniger Energie benötigt wird, um das Netzwerk aufrecht zu erhalten (da weniger Computer erforderlich sind)
Spezifische Vorteile	Wahlsystem liefert mehr Sicherheit und Integrität, geringere Zugangsvoraussetzungen, auch für „kleine“ Möglichkeit am Konsens teilzunehmen, integre Validatoren zu stärken und von Rewards zu profitieren
Spezifische Nachteile	Gefahr von „Validatoren-Kartelle“, Anzahl an Validatoren begrenzt

Fazit

Neben den genannten Konsensmechanismen gibt es auch noch viele mehr am Markt, jedoch sind PoW, PoS und DPoS die am stärksten vertretenen. Gerade die Nutzung und Verbreitung von PoS und DPoS dürfte in den kommenden Jahren mit der zunehmenden Kritik am PoW an Bedeutung gewinnen. Die verschiedenen Konsensmechanismen geben jeweils einen Lösungsansatz, die darunter liegende Blockchain dezentral, sicher und skalierbar zu gestalten. Die Telekom MMS agiert als Infrastrukturanbieter für verschiedene öffentliche Blockchain-Netzwerke und unterstützt damit deren Dezentralität, Stabilität und Sicherheit. Derzeit stellt die Telekom-Tochter Validatoren für zwölf Netzwerke bereit, darunter Ethereum, Polkadot, Celo, Flow, Q, Polygon, Energy Web, The Graph, Fetch.ai, Aleph Zero und MultiversX.

---

Weitere Informationen zu Chainlink Labs finden Sie in diesen Artikeln:

> Telekom MMS becomes Chainlink node operator
> Smart contracts made reliable and useful with real-world data

---

---

Mehr über unsere Services finden sie hier

---

Ansprechpartner:
Tobias Jung, Product Owner Blockchain Solution Center

Tobias Jung ist Product Owner im Staking Bereich, im Blockchain Solution Center der Telekom MMS, einer Tochtergesellschaft der Deutschen Telekom. Dort baut er Infrastruktur für öffentliche Blockchain-Netzwerke auf. Zuvor arbeitete er in verschiedenen Tech-Software-Startups. Tobias schloss sein Studium an der Universität Lund mit einem MSC in Betriebswirtschaftslehre ab. Er engagiert sich bereits seit Jahren im Kryptoraum.

---