Konsensalgorithmen sind ein fester Bestandteil aller Blockchain-basierten Technologien, da es keine Autoritätseinheit gibt, die die Transaktionen des Netzwerks validieren soll. Konsensalgorithmen dienen dazu, die dezentrale störungssichere Funktion des Netzwerks zu gewährleisten. Wir können die Bedeutung des Konsensalgorithmus für jedes einzelne Blockchain-basierte Projekt nicht unterschätzen. Bitcoin verwendet Proof of Work, einen ursprünglichen Konsensalgorithmus für die Ethereum-Blockchain. Die Leute diskutieren, ob es sich lohnt, diesen Konsensalgorithmus zu verwenden, oder ob es besser ist, andere Optionen zu verwenden.
Die frühe Geschichte des Arbeitsnachweises
Das erste Beispiel für einen Algorithmus in der Nähe von Proof of Work wurde 1993 von Cynthia Dward und Moni Naor vorgestellt, die in dem wissenschaftlichen Artikel "Über speichergebundene Funktionen zur Bekämpfung von Spam" eine Anti-Spam-Lösung entwickelten. Die in diesem Dokument beschriebene Methode setzt voraus, dass der unbekannte Absender der Nachricht einige Zeit seiner CPU-Leistung (z. B. 10 Sekunden) aufwenden muss, um zu beweisen, dass der Absender kein Spammer ist.
Laut Dward und Naor könnten Spammer, die 10 Sekunden CPU-Zeit aufwenden müssen, nur bis zu 8.000 Spam-Nachrichten pro Tag senden, anstatt einer unbegrenzten Anzahl von Spam-Nachrichten, die sie heute senden können. Es ist nicht schwer, eine Funktion hinter dem Arbeitsnachweis zu überprüfen, aber das Rechnen bereitet Spam-Absendern echte Kopfschmerzen.
Der Begriff Proof of Work wurde 1999 geprägt. Er tauchte in dem Artikel "Proofs of Work und Brotpudding-Protokolle" (die Autoren Markus Jakobsson und Ari Juels) auf. Der Begriff Proof of Work setzt voraus, dass der "Prüfer" dem "Prüfer" den Nachweis der erforderlichen Computerarbeit zum festgelegten Zeitpunkt erbringen muss. Das Konzept schien recht interessant zu sein, wurde jedoch erst mit der Schaffung von Bitcoin ins Leben gerufen, das sich stark auf Proof of Work stützt, um ein Netzwerk zu schaffen, das von einem verteilten Konsens ohne Vertrauen geleitet wird.
Bitcoin und Arbeitsnachweis
Ein Arbeitsnachweis ist ein Konsensalgorithmus, der einen teuren und zeitraubenden Prozess der Erstellung eines Datenelements erfordert, dessen Richtigkeit mühelos überprüft werden kann. Das Hashcash-Proof-of-Work-System wurde als Rettung vor Spam-Bots erstellt, war jedoch ein wichtiger Bestandteil des Bitcoin-Netzwerks.
Während die Leute sich gegenseitig Münzen schicken, spiegelt das Hauptbuch diese Informationen in Form von Transaktionsblöcken wider. Die Validierung dieser Transaktionen erfordert die Teilnahme einiger oder mehrerer Bergarbeiter.
Personen, die Transaktionen validieren möchten (sogenannte "Bergleute"), müssen das Verfahren zum Nachweis der Arbeit ausführen, um ihr Ziel zu erreichen. Ein Arbeiter ist ein Knoten. Die Schwierigkeit dieser Arbeit (Aufgaben) ist flexibel, so dass der neue Block alle 10 Minuten generiert werden muss. Da die Anzahl der Bergleute unglaublich groß ist und die Zeitspanne von 10 Minuten relativ kurz ist, ist es äußerst schwierig vorherzusagen, welcher Arbeiter (Bergmann) derjenige sein wird, der einen neuen Block generiert (Überprüfung aller Transaktionen im Block).
Der Mechanismus des Arbeitsnachweises
Um einen neuen Block Miner zu generieren, sollte der richtige Hash für den Transaktionsblock bereitgestellt werden. Zu diesem Zweck sollte der Miner die Nonce- und Hash-Funktion ermitteln, wobei eine Nonce eine Zufallszahl ist, die nur einmal verwendet wird (das Bitcoin-Netzwerk verwendet Ganzzahlen zwischen Null und 4.294.967.296 als Nonce), und Hash eine Zeichenfolge aus 64 Symbolen ist (eine Mischung aus Ziffern und Buchstaben) mit den verschlüsselten Daten.
Blöcke in der Blockchain haben einzelne Hashes (ein solcher Hash wird "id" genannt). Jeder Hash wird als Ergebnis einer erfolgreichen Überprüfung des Blocks erstellt. Zur Überprüfung des nächsten Blocks fügt der Miner dem aktuellen Block den neuesten Hash hinzu und erstellt einen großen Textblock. Dann wird am Ende des Textblocks eine Nonce (eine Zufallszahl) hinzugefügt. Dieser Text besteht aus dem vorherigen Block-Hash, den neuen Transaktionen, die auf die Überprüfung warten, und Nonce. Hier beginnt die Berechnung. Während der Berechnungen ändert der Worker die Zufallszahl bis zu dem Moment, an dem die richtige Anzahl von Nullen vor einer Zeichenfolge definiert ist.
Die Schwierigkeit dieser Aufgabe ist nicht zu unterschätzen. Wie bereits erwähnt, ist der Schwierigkeitsgrad so eingestellt, dass unabhängig von der Anzahl der Bergleute und der Leistung ihrer Ausrüstung jedes Problem nur einmal alle 10 Minuten gelöst wird. Um diese Arbeit zu erledigen, muss der Computer jede Sekunde Millionen möglicher Hashes generieren.
Um zu überprüfen, ob ein Knoten die erforderliche Arbeit korrekt ausgeführt hat, benötigt der Knoten eine Zeichenfolge, die als Ergebnis der Validierung angezeigt wurde, und eine Nonce-Nummer. Wenn Sie die Funktion auf diese beiden Werte anwenden, erhalten Sie die Anzahl der Nullen vor der Zeichenfolge. Falls diese Nummer korrekt ist, wurde die Arbeit gut gemacht. Wenn jemand schlechte Absichten hat und versucht, der Kette ungültige Daten hinzuzufügen, wird dies von den anderen Mining-Teilnehmern gestoppt. Während des gesamten Zeitraums von 10 Jahren hat dieses Schema die Bitcoin-Blockchain erfolgreich geschützt. Das Besondere am SHA-256-Algorithmus ist, dass niemand auch nur ein einziges Informationsbit im Block heimlich ändern kann. Deshalb wird dieses Hauptbuch als unveränderlich bezeichnet.
Nachteile des Arbeitsnachweises
Wir können uns nicht darauf einigen, dass der unglaubliche Stromverbrauch, den PoW benötigt, nur eine Verschwendung von Ressourcen ist (viele Gegner von PoW machen solche Behauptungen), da wir bereits erklärt haben, dass dieser Konsensalgorithmus sehr effektiv ist, wenn es darum geht, die Blockchain zu schützen. Trotzdem können wir die Tatsache nicht ignorieren, dass Proof of Work gigantische Mengen an Energie verbraucht, um die Anzahl der Nullen bei der Validierung von Transaktionen zu erraten. Derzeit verbraucht das Bitcoin-Netzwerk dreimal weniger Energie als das herkömmliche Geldsystem. Wenn wir uns jedoch vorstellen, dass Bitcoin eine Massenakzeptanz erhält, wird der Energieverbrauch drastisch steigen. Auf jeden Fall ersetzt Bitcoin nicht die traditionellen Banken, so dass der Verbrauch dank Bitcoin steigt.
Das andere Problem ist, dass Personen, die ihre CPU-, GPU- oder ASIC-Geräte für das Mining verwenden, zu wenig Chancen haben, einen neuen Block zu finden und eine Belohnung zu erhalten, da sie mit den Mining-Pools konkurrieren müssen, in denen Dutzende von Tausenden von Geräten abgebaut werden. Etwa die Hälfte des Bergbaus findet in der relativ kleinen Gruppe von Bergbaubecken statt. Es besteht das Risiko, dass die Eigentümer dieser Pools dies tun, wenn sie sich dazu entschließen, die Bitcoin-Blockchain mit ihrer Hashing-Kraft zu vereinen und zu regieren. Eine Behörde mit über 50% der Hashing-Leistung kann die Blockchain tatsächlich steuern. Solche Eingriffe werden als 51% -Angriff bezeichnet.
Eine weitere bemerkenswerte Tatsache ist, dass 70% der Hashing-Energie aus China kommt, weil dieses Land billigen Strom hat. Dies verschafft diesem Land einen Vorteil beim Bitcoin-Abbau und verringert den Grad der Dezentralisierung.
Fazit
Proof of Work schafft es tatsächlich, das Netzwerk vor schlechten Akteuren zu schützen, obwohl die Kosten dieses Konsensalgorithmus uns über die anderen Möglichkeiten nachdenken lassen, Transaktionen zu validieren und das Netzwerk korrekt und reibungslos funktionieren zu lassen. Kein Wunder, dass bereits mehrere andere Konsensalgorithmen auf verschiedene Blockchain-Projekte angewendet werden. Der am meisten hervorgehobene Konkurrent von PoW ist Proof of Stake.