Wie die Blockchain ohne zentrale Instanz Konsensus erzeugt

Die Technologie der Blockchain in all seinem Variantenreichtum schafft in dieser Form nie dagewesene Möglichkeiten.

Die Nachfrage nach entsprechenden privaten und offenen Systemen, die auf Blockchain basieren, ist in den letzten Jahren enorm gestiegen. Eigenschaften wie Dezentralität, Transparenz oder optionale Anonymität bergen vielversprechende Möglichkeiten für Unternehmen, Behörden, Regierungen und auch Privatpersonen.

 
Mit diesen Möglichkeiten einher gehen jedoch auch Herausforderungen technischer Natur. Insbesondere der Aspekt der Dezentralität führt dazu, dass einige klassische Mechanismen von Netzwerken und Infrastrukturen neu erarbeitet werden müssen, da keine zentrale Instanz diese Bereiche mehr verantwortet. Neben dem Konto- und Teilnehmermanagement, welches über kryptografische Verschlüsselung gelöst wird, liegt der Fokus auf der Steuerung und Kontrolle des Systems. 

Innerhalb einer Blockchain muss es bestimmte Gesetze geben, welche den Informationsfluss regeln und eine geordnete Funktionsweise des Systems garantieren um jegliche Kalamitäten zu vermeiden.
Eines der bekannteren Probleme, welches entsteht, wenn keine zentrale Kontrollinstanz vorhanden ist, beschreibt das sogenannte double spending. 

Insbesondere die Entwicklung digitaler Bezahlmethoden verdeutlicht dies. Es ist simpel eine digitale Information, zum Beispiel ein Foto, zu kopieren und beliebig oft mit diversen Empfängern zu teilen – mit Freunden über einen Messenger-Dienst, diversen Webseiten usw. Bezogen auf digitale Werte und Zahlungen geht dies natürlich nicht. So wäre es ein Problem, wenn jemand in der Lage wäre 1000 Euro auf seinem Bankkonto zu kopieren und zweimal auszugeben (double spending), um damit Produkte von zwei unterschiedlichen Webseiten einzukaufen. Bis dato galt dieses Problem digital als unlösbar, ohne auf eine zentrale Kontrollinstanz zurückgreifen zu müssen. So regeln und kontrollieren Banken, Unternehmen und der Staat mittels ihrer Systeme und Buchhaltung jeglichen digitalen Zahlungsverkehr. Mit Aufkommen der Blockchain wurde jedoch eine dezentrale Lösung für dieses Problem präsentiert. 


Wie also schafft es ein dezentrales System wie die Blockchain seine Funktionsweise ohne zentrale Kontrollinstanz zu gewährleisten? Die Lösung nennt sich Konsensus und stellt eine der herausragenden Mechanismen der Blockchain-Technologie dar. Wie der Name vermuten lässt, handelt es sich dabei um die automatisierte und technische Umsetzung des dezentralen Netzwerks und all seiner Teilnehmer auf einen gemeinschaftlich akzeptierten Konsens darüber, was im System passiert und als Wahr angesehen wird. Speziell bezieht sich dies auf die Informationsverarbeitung der einzelnen Blöcke und deren Dokumentation im System. Bei der Komplexität eines Blockchain-Netzwerks ist es essentiell, eine klare Regelung zu haben, welche Informationen zuerst verarbeitet werden, wer diese Informationen validiert und in welcher Reihenfolge dies geschieht. Hierdurch wird eine geordnete Abwicklung der Systemprozesse und damit die Funktionsweise der Blockchain garantiert. Ziel ist es ein Ergebnis zu haben, in diesem Fall die Historie aller Informationen, mit dem alle Teilnehmer des Netzwerks übereinstimmen.

Es gibt verschiedene Wege für Blockchain-Netzwerke zum Konsensus zu gelangen und entsprechend verschiedene Konsensus-Mechanismen und –Modelle. Im Folgenden wollen wir uns "Proof of Work” genauer ansehen.

 

Proof of Work (PoW)

Bei dem Proof of Work (PoW) handelt es sich um das älteste und aktuell meistverbreitete Modell um innerhalb einer Blockchain zum Konsensus zu gelangen. Die erste jemals entwickelte Blockchain, Bitcoin, bedient sich für sein System dem PoW-Mechanismus, welcher somit seit 2008 in Anwendung ist. Die ursprüngliche Idee des Proof of Work reicht sogar bis in die 90er Jahre zurück, lange bevor es Blockchain-Anwendungen gab. Die Notwendigkeit bestand damals darin Netzwerke vor überlastendem Datenaufkommen, zum Beispiel durch Spam-Attacken, zu schützen. Aufgrund der Existenzdauer, vermehrten Anwendungen und umfangreichen Tests hat es sich als meist adaptiertes System etabliert. Ein Großteil der heute am Markt vorhandenen Blockchain-Systeme nutzt für ihren Konsensus den PoW-Mechanismus. Neben Bitcoin zählen zum Beispiel Litecoin und Monero dazu. 

Wie funktioniert also der Mechanismus des Proof of Work genau? Schauen wir uns zunächst die Notwendigkeit für Konsensus-Modelle an. Ein Netzwerk wie jenes der Blockchain hat mit steigenden Teilnehmerzahlen äquivalent mehr Daten zu verarbeiten. Extrapoliert man das Wachstum einer Blockchain, so wird diese idealerweise von Millionen oder gar Milliarden von Teilnehmern genutzt. Dies könnte wiederum zu Abermillionen von Transaktionen innerhalb kürzester Zeitintervalle führen. Bei solch einem Aufkommen scheint es unmöglich ohne Hilfsinstrument die Transaktionen geordnet zu dokumentieren. Eine zeitgleiche Abwicklung der Transaktionen ist quasi nicht möglich, würde das System überlasten und zusätzlich die Gefahr von Manipulation steigern. Um dieses Chaos zu ordnen und sich auf eine gemeinsame Datenbasis zu einigen, wird der PoW-Mechanismus genutzt.

Zur Verdeutlichung stellen wir uns einen künstlich kreierten Flaschenhals vor, vor welchem sich alle beabsichtigten Transaktionen sammeln, bevor sie realisiert werden. In diesem Status gelten die Transaktionen als unconfirmed, also unbestätigt. In kurzen, konstanten Zeitintervallen werden aus dem Wust dieser Informationen einzelne Blöcke kreiert. Jeder Block besteht aus einer bestimmten Menge an Transaktionen. Bei Bitcoin sind dies in etwa 4200 Transaktionen pro Block, welcher dadurch ca. 1MB groß ist. Wurde ein Block erfolgreich kreiert, wird er durch den Flaschenhals an die bestehende Blockkette angehängt. Die Informationen werden also zeitlich kontrolliert gesammelt, geordnet, zu Blöcken verarbeitet und dokumentiert. Ist dieser Prozess abgeschlossen, werden die Transaktionen realisiert und sind confirmed, also bestätigt. Der Mechanismus des PoW hilft dabei zu bestimmen, wer als nächstes welche Informationen zu einem Block generiert, mit dem Ziel eine klare Reihenfolge und damit eine gemeinschaftlich akzeptierte Datenbasis zu bestimmen. Durch das Fehlen einer zentralen Steuerung wird hierfür ein Wettbewerb unter den Teilnehmern geschaffen, der sich in Work, also Arbeit, bemisst. Derjenige, der die Vorarbeit für die Erstellung eines Blocks A als erster erledigt, bekommt den Zuschlag diesen zu validieren. Erst danach wird der nächste Block B ausgeschrieben, der ausgehend von den akzeptierten Gegebenheiten von Block A operiert. Dies verhindert eine zeitgleiche Verarbeitung zweier Blöcke mit unterschiedlichen Informationen und somit das Problem des double spending. 

Wie sieht die zu erledigende Arbeit nun aus? Arbeit wird in Form von Rechenleistung erbracht. Diese wird genutzt, um ein kryptografisches Rätsel auf Basis des Reverse Engineering, also des Zurückrechnens, zu lösen. Der Ablauf gestaltet sich wie folgt: Die Teilnehmer, oder Miner, die am Wettbewerb partizipieren, suchen sich genügend Transaktionen für eine Blockerstellung. Hierbei wählen sie normalerweise die Transaktionen aus, die auch mit den höchsten Gebührenzahlungen für sie verbunden sind. Aus diesen soll der spätere Block kreiert werden. Der Algorithmus der Blockchain verschlüsselt nun diesen potentiellen Block mit Hilfe des sogenannten Hashwerts. Bei dem Hash handelt es sich um einen Wert, der sich mittels komplexer mathematischer Verfahren aus dem digitalen Inhalt, hier den Informationen des Blocks, ergibt. Dieser Hashwert stellt das Rätsel dar, da von diesem nur ein kleiner Teil öffentlich ist. Der restliche Teil muss erraten werden, indem alle möglichen Variationen des Hashwerts solange ausprobiert werden, bis der richtige Wert dabei ist. Die Schwierigkeit dessen kann die Blockchain mit ihrem Algorithmus selbst bestimmen, indem sie die sogenannte Nonce anpasst. So kann bei steigender Rechenleistung der Miner die Schwierigkeit des Wettbewerbs angepasst werden. Bei Bitcoin müssen beispielsweise aktuell ca. zwei Trillionen Hashwerte errechnet werden, um auf den richtigen Hashwert eines Blocks zu kommen. Diese Rechenoperationen, die den richtigen Hash erraten, repräsentieren die Arbeit im PoW-Modell.

Die Vorteile des Proof of Work bestehen vor allem in der Tatsache, dass ein Blockchain-Netzwerk auf dessen Basis einwandfrei und fehlerfrei funktionieren kann. Die Anwendung des PoW hat sich durch die bewiesene Resilienz immer weiter verbreitet, während die Erfahrungen mit dem System und die höhere Adaption wiederum zu einer steten Weiterentwicklung und Widerstandsfähigkeit führen. Während alternative Konsensus-Modelle noch verhältnismäßig in den Kinderschuhen stecken, blickt der PoW-Mechanismus auf einen reichen Erfahrungsschatz zurück und hat stets bewiesen, dass es die Funktionsweise einer Blockchain garantiert und dadurch das Vertrauen in dieses Modell gerechtfertigt.

Andererseits stößt der Mechanismus bei der Umsetzung komplexer Anwendungsfälle auf viele Herausforderungen und bringt im Zuge der Skalierung einige Nachteile mit sich. Zunächst ist der immens hohe Aufwand an Energie aufzuzählen, der durch die Rechenoperationen zur Konsensbildung gefördert wird. Ein internationales Wettrüsten um Rechenpower unterstützt diese Ausuferung. Einigen Experten zufolge ist allein das Bitcoin-Mining inzwischen für 0,5 Prozent des weltweiten Energieverbrauchs verantwortlich. Neben bedrohten Klimazielen gefährdet dies jedoch auch eine effiziente Nutzung des Blockchain-Netzwerks, da der Aufwand zur Erhaltung der Funktionsweise schlicht zu hoch ist. Dies führt dazu, dass das Netzwerk verhältnismäßig langsam fungiert und die Zeiten für und die Dauer von Transaktionen noch nicht mit klassischen Systemen mithalten können. Bei Bitcoin dauert die Validierung eines Blocks um die 10 Minuten, während gerade einmal bis zu sieben Transaktionen pro Sekunde (TpS) realisiert werden können. Zum Vergleich dazu schafft der Finanzdienstleister VISA laut eigenen Angaben um die 24.000 TpS.
Das bereits erwähnte Wettrüsten schürt zusätzlich die Angst vor einer Zentralisierung. Sofern eine Partei es schafft, 51% Prozent der kompletten Rechenpower auf sich zu vereinen, wäre dies im Grunde genommen das Ende der eigentlich dezentralisiert idealistischen Grundidee der Blockchain. Bei Bitcoin ist dieses Szenario inzwischen nicht mehr auszuschließen. Mit Hilfe von sogenannten ASICS, speziell auf das Mining von Kryptowährungen entwickelte Hardware, erschaffen Unternehmen riesige Mining-Pools. So generieren zurzeit wenige große Unternehmen wie Bitmain und andere bereits einen Großteil aller Bitcoin. 

Trotz aller Schwächen, auch Rom wurde nicht an einem Tag erbaut. Das Proof of Work stellt einen der Eckpfeiler der heutigen Blockchain-Industrie dar, ohne dessen Resilienz andere Entwicklungen kaum so schnell vonstattengegangen wären. Ebenfalls beweist der Mechanismus mit dem Erfolg des Bitcoin kontinuierlich seine Daseinsberechtigung. Wie bei jeder neuen Technologie jedoch ist die Liste der Schwächen im Zuge der Umsetzung in alltägliche Anwendungen lang. Skalierung, Geschwindigkeit und Zentralisierung stellen sich als große Herausforderungen dar. Lösungsansätze gibt es bereits viele, weshalb davon ausgegangen werden kann, dass der PoW sich von seiner heutigen Form weiterentwickeln wird.

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