Hybrid PoW/PoS Konsensus erklärt

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Hybrid PoW/PoS Konsensus erklärt
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Autor: Richard Red, Decred Contributor.

Der Konsensusmechanismus einer Blockchain dient dazu, sicherzustellen, dass sich die Teilnehmer über den aktuellen Zustand der Blockchain einigen. Der Konsenussmechanismus bestimmt, wer in der Lage ist, neue Transaktionsblöcke hinzuzufügen, und eines seiner Hauptziele ist es, sicherzustellen, dass die Kette nicht neu geschrieben wird.


Proof of Work Konsensus

Blockchains mit reinem Proof of Work Konsensus (wie Bitcoin) können nur von Minern erweitert werden, die Hardware einsetzen, das effizient die Antwort auf ein mathematisches Problem errät. Jedes Mal, wenn ein Miner eine gültige Schätzung macht, kann er einen Block erstellen, den das Netzwerk akzeptiert. Während Miner sich für eine beliebige Kette entscheiden können, akzeptiert das Netzwerk nur die Kette mit dem größten angesammelten Proof of Work (d.h. die meisten Hashes oder Vermutungen) als die legitime Kette. Das bedeutet, dass die Miner Anreize erhalten, an der längsten Kette zu minen, und wenn sie einen gültigen neuen Block sehen, werden sie versuchen, die Lösung zu finden, die es ihnen ermöglicht, auf diesem neuen Block aufzubauen.

Die Schwierigkeit beim Umschreiben der Blockchain besteht darin, dass sie als Ledger für Finanztransaktionen fungieren kann. Wenn eine Transaktion in einem Block erscheint, der Coins an ein Wallet sendet, und mehrere Blöcke auf diesem Block erstellt wurden (Bestätigungen), wird es unwahrscheinlich, dass der Block (und die Transaktion) neu geschrieben werden.

Wenn eine Instanz genügend Hashing-Power kontrolliert, um die "ehrliche Kette" zu übertreffen, kann sie die Blockchain neu schreiben (oder reorganisieren), indem sie auf einem "alten" Block statt auf dem neuesten Block aufbaut. Hier ist ein vereinfachtes Beispiel für diese Art von Angriff, auch bekannt als 51% Angriff:

Der Angreifer gibt in Block X aus, indem er an eine Börse sendet, und beginnt dann eine parallele Kette privat zu minen (Blöcke werden nicht an das Netzwerk übertragen). Sobald die erforderliche Anzahl von Bestätigungen getätigt ist, tauscht der Angreifer die Coins gegen etwas anderes und zieht diese von der Börse zurück. Wenn die Auszahlung abgeschlossen ist, gibt er die parallele Kette frei, und wenn er mehr PoW (Blöcke) als die ursprüngliche Kette hat, akzeptiert das Netzwerk sie als legitime Kette und die Version der Geschichte, die durch die ursprüngliche Kette repräsentiert wird (einschließlich der Einzahlung des Angreifers), verschwindet. Der Angreifer ist dann frei, diese Coins erneut auszugeben.

Da Miner die einzigen Einheiten sind, die der Kette in reinen PoW Kryptowährungen direkt Blöcke hinzufügen können, erhalten sie dadurch eine starke Rolle bei der Governance. Damit eine Änderung der Konsensusregeln des Netzwerks angenommen werden kann, muss es die Unterstützung einer Mehrheit der Hash-Power haben. "Soft Forks" erfordern genügend Miner, um einen neuen Regelsatz zu erkennen, so dass Benutzer Transaktionen durchführen und erwarten können, dass ihre Transaktionen ordnungsgemäß verarbeitet und in Blöcke aufgenommen werden. "Hard Forks" würde das Netzwerk in zwei Komponenten aufteilen, und durch die allgemein akzeptierte Regel "Die Kette mit den meisten PoWs ist die richtige Kette" würden die Miner entscheiden, welche als legitim akzeptiert wird.


Proof of Stake Konsensus

Der Proof of Stake Konsensus ist eine alternative Methode, um zu entscheiden, wer neue Blöcke hinzufügen und den aktuellen Zustand der Blockchain überprüfen darf. Anstatt dass Miner mit einem Proof of Work um die Lösung eines Problems wetteifern, wird der nächste Blockproduzent durch ein Verfahren bestimmt, das auf der Anzahl der Coins, die in einen Wallet gehalten werden, basiert. Dieser Prozess vertraut darauf, dass diejenigen mit der größten Beteiligung verantwortungsvolle Entscheidungen für die Gesamtheit des Netzwerks treffen werden.

Der Proof of Stake Konsensus macht das energieintensive Mining überflüssig, aber das Fehlen erheblicher Energieausgaben schafft ein weiteres Problem, das manchmal als "nichts auf dem Spiel" bezeichnet wird. Im Falle einer geforketen Kette werden PoS Forger ("forging" wird in der Regel anstelle von "mining" verwendet) dazu angehalten, auf beiden Ketten zu minen, weil es sie sehr wenig kostet auf einer zusätzlichen Kette zu minen, und sie können Belohnungen auf beiden Ketten sammeln. Dies ist ein Problem für das Netzwerk, denn es soll nur eine Kette geben, und die Einigung über den Zustand dieser einzelnen Kette ist der Zweck des Konsensusmechanismus.

Proof of Stake hat ein zusätzliches Problem bei der Verteilung der Token. PoW-Miner haben erhebliche Kosten (Hardware, Strom) und müssen in der Regel einen erheblichen Teil ihrer abgebauten Coins verkaufen, um diese Kosten zu decken. Infolgedessen stehen viele geminte Coins zum Kauf auf dem Markt zur Verfügung, anstatt von Minern gehortet zu werden. Proof of Stake Forger haben sehr niedrige Betriebskosten, also haben sie nicht den gleichen Druck, die Coins zu verkaufen, die sie für die Wartung des Netzwerks erhalten. Große Halter, die sich am Proof of Stake beteiligen, neigen dazu, ihren Anteil an den zirkulierenden Coins zu erhöhen, da sie Blockbelohnungen und Transaktionsgebühren von den Nutzern des Netzwerks sammeln. Dies wurde mit Feudalismus verglichen, bei dem das Netzwerk effektiv im Besitz und unter der Leitung von Besitzern von Coins ist und die Nutzer Mieten an sie zahlen, um es zu nutzen. In der Regel gibt es eine gewisse Grenze, unterhalb derer es nicht möglich ist, direkt am Proof of Stake teilzunehmen.


Hybrid PoW/PoS

Ziel des hybrid Proof of Work und Proof of Stake ist es, die Vorteile der jeweiligen Ansätze zu erfassen und diese zum Ausgleich der gegenseitigen Schwächen zu nutzen. Decred gehört zu den wenigen Kryptowährungen, die sowohl PoW als auch PoS in erkennbarer Form nutzen und zu einem Multifaktor- oder Hybrid-Konsensusmechanismus verschmelzen.

"Masternode-Coins" sind in gewisser Weise auch Hybride, da sie eine erkennbare Proof of Work-Komponente haben, die eine ähnliche Rolle wie bei Bitcoin spielt, und eine zusätzliche Rolle für spezielle Knoten. Es ist typischerweise erforderlich, dass diese speziellen Knoten einen bestimmten Betrag der Währung als Sicherheit halten, um nachzuweisen, dass sie im besten Interesse des Netzwerks handeln können, was ähnlich der Logik für Proof of Stake ist. Dash ist der originale Masternode-Coin und bezeichnet dieses Modell als Proof of Service. Dieser Artikel konzentriert sich auf Hybride mit einer Proof of Stake-Komponente und wird nicht die Reihe von Coins berücksichtigen, die Masternodes oder Proof of Service nachahmen.

Die PoW-Komponente von Decred funktioniert ähnlich wie andere PoW-basierte Projekte und verwendet die Blake-256-Hash-Funktion. Die PoS-Komponente von Decred und die Art und Weise, wie sie in die Kette eingewebt ist, ist einzigartig und einer weiteren Erklärung wert.

Um am Decred's Proof of Stake teilnehmen zu können, müssen die Inhaber ihren DCR zeitlich sperren, um "Tickets" zu kaufen. Der Preis für ein einzelnes Ticket wird durch einen marktähnlichen Mechanismus festgelegt, bei dem das System auf eine bestimmte Anzahl von Live-Tickets (40.960) abzielt - wenn es mehr als die Zielnummer gibt, steigt der Preis, wenn es weniger gibt, sinkt er. Wenn jemand ein Ticket kauft, wird das von ihm verwendete DCR gesperrt (d.h. er kann es nicht ausgeben), bis sein Ticket pseudozufällig zur Abstimmung aufgerufen wird oder nach etwa 142 Tagen abläuft. Dies führt zu Opportunitätskosten für PoS, um sicherzustellen, dass PoS-Wähler Haut im Spiel haben und im besten Interesse des Netzwerks handeln.

PoS-Teilnehmer (auch als Wähler oder Stakeholder bezeichnet) haben drei verschiedene Rollen zu spielen: Blockabstimmung, Abstimmung über Änderungen der Konsensusregeln und Abstimmung auf Projektebene unter Verwendung des Politeia Proposal Systems. Die erste davon, die "Blockabstimmung", ist die Art und Weise, wie sich die PoS-Wähler am unmittelbarsten an der Aufrechterhaltung des Konsenses beteiligen.


Abstimmung über Blöcke

Wenn ein PoW-Miner einen gültigen Block findet, sendet er ihn in das Netzwerk, aber damit dieser Block als gültig angesehen werden kann, muss er Stimmen von mindestens 3 von 5 zufällig ausgewählten Tickets enthalten. PoS-Wähler halten die Wallets offen und sind bereit, mit Stimmen zu antworten, wenn ihre Tickets aufgerufen werden (oder sie beauftragen Voting Service Provider, dies in ihrem Namen zu tun). Wenn ein PoS-Ticket zur Abstimmung aufgerufen wird und antwortet, erhält sein Besitzer eine Belohnung.

Wenn Tickets aufgerufen werden, stimmen sie über die Annahme oder Ablehnung der regulären Transaktionen des vorherigen Blocks ab. Knoten im Netzwerk erkennen einen neuen Block erst dann als gültig, wenn er mindestens 3 Stimmen enthält. Wenn eine Mehrheit der zur Abstimmung aufgerufenen Tickets die Transaktionen des vorherigen Blocks ablehnt, werden sie an den Mempool zurückgegeben. Diese regelmäßigen Transaktionen beinhalten die Belohnung des PoW-Miners, nicht aber die Belohnung der PoS-Wähler. 

Daher haben die PoS-Wähler die Macht, den Minern Belohnungen zu entziehen, ohne ihre eigenen Belohnungen zu beeinträchtigen. Dies schränkt die Befugnis der PoW-Miner ein, gegen Änderungen der Konsensusregeln des Netzwerks, die von den Beteiligten abgestimmt werden, ein Veto einzulegen. Tatsächlich können PoS-Wähler jede Art von Miner-Verhalten ablehnen, das ihnen missfällt, indem sie eine Politik des "Nein" wählen, wenn bösartiges oder ineffizientes Verhalten festgestellt wird - und so verhindern, dass schlechte PoW-Miner Transaktionen schreiben und Belohnungen erhalten.

Diese PoS-Verifizierungsschicht erhöht die Sicherheit und Widerstandsfähigkeit des Netzwerks gegen Mehrheitsangriffe erheblich. Die gängige Methode zur Durchführung eines mehrheitlichen Doppelausgabe-Angriffs besteht darin, die Blockchain neu zu schreiben, indem man heimlich eine alternative Kette abbaut, sie dann nach einer bestimmten Zeit freigibt und die Nichtigkeit von Transaktionen in der "alten" Kette nutzt (d.h. ihre Eingaben doppelt ausgibt). Da deklarierte Blöcke die Eingabe von zufällig ausgewählten Tickets erfordern, um als gültig angesehen zu werden, und von PoW-Minern erst nach Erhalt dieser Eingabe aBgebaut werden können, ist es für PoW-Miner nicht möglich, im Geheimen zu minen, es sei denn, sie kontrollieren auch einen wesentlichen Teil der Live-Tickets (siehe diese Artikel). 

Das hybrid PoW/PoS-Design erhöht die Kosten für den Angriff auf das Netzwerk erheblich, da es zwei verschiedene Systeme gibt, die von einem Angreifer umgangen werden müssen. Insbesondere die PoS-Komponente ist so konfiguriert, dass Tickets nur sehr langsam erworben werden können. In jedem Block/Intervall kann eine begrenzte Anzahl von Tickets gekauft werden, und der Kauf der maximalen Anzahl führt zu einer starken Preiserhöhung. Zusätzlich, sobald diese Tickets gekauft wurden, werden die Gelder, mit denen sie gekauft wurden, zeitlich begrenzt, so dass ein Angreifer dem Risiko einer Wertminderung seiner gesperrten Coins ausgesetzt ist, die durch einen Angriff verursacht wurde.

Die Anforderung, dass über jeden Block von zufällig ausgewählten Interessengruppen abgestimmt wird, bedeutet, dass die Blockchain mit allen Teilnehmern geteilt werden muss, während sie abgebaut wird, was die Sicherheit des Netzwerks erhöht. Das Hybridsystem von Decred wurde entwickelt, um den Interessengruppen auch die Macht über die PoW-Miner zu geben.


Abstimmung über die Änderung des Konsensusverhältnisses

Decred beschloss zu Beginn, die PoS-Stakeholder zur dominanten Entscheidungsmacht in der Governance der Blockchain zu machen. In die Konsensusregeln ist ein Upgrade-Ratifizierungsverfahren integriert, durch das jede Änderung der Konsensusregeln des Netzwerks erst nach einem Abstimmungsprozess umgesetzt werden kann. Änderungen können nur vorgenommen werden, wenn sie von mindestens 75% der Stimmzettel genehmigt werden. Dieser Prozess beginnt, sobald ein bestimmter Anteil der Miner (95%) und Wähler (75%) eine aktualisierte Software mit latenten Änderungen der Regeln betreibt. Wenn der Vorschlag nach einer 4-wöchigen Abstimmungsphase 75% Zustimmung findet, wird er akzeptiert, andernfalls wird er abgelehnt, und wenn er keine der beiden Mehrheiten hat, beginnt eine erneute Abstimmung. Wird ein Vorschlag angenommen, wird die Regeländerung einen Monat später wirksam.


Hybrid PoW/PoS Konsensus erklärt


Projektmanagement: Politeia

Die Blockbelohnungen von Decred werden zwischen PoW-Minern (60%), PoS-Wählern (30%) und einem Schatzamt (10%) aufgeteilt, um die Entwicklung von Open-Source-Software zu finanzieren, die den Zielen des Projekts dient. Die Ticketinhaber haben die Hoheitsgewalt, darüber abzustimmen, wie diese Mittel ausgegeben werden sollen, welche Funktionen hinzugefügt werden sollen, und die Politik über die Politeia Plattform festzulegen.


Schlussworte

Da die PoS-Wähler 30% der Blockprämie erhalten, können sie ihren relativen Anteil an der zirkulierenden DCR nicht durch einfaches Staken halten. Die Mehrheit der neu geprägten DCR geht an PoW-Miner im Austausch für die Rolle, die sie bei der Sicherung des Netzwerks und der Minderung des "nichts auf dem Spiel stehenden" Problems reiner PoS-Systeme spielen. Miner müssten typischerweise einen beträchtlichen Teil der Belohnungen verkaufen, die sie erhalten, um ihre Betriebskosten zu decken, und sicherstellen, dass ein faires Angebot an DCR auf dem Markt verfügbar ist.

Decreds Blockchain präsentiert eine einzigartige Architektur und ist eines der bemerkenswertesten Beispiele für ein hybrides PoW/PoS-System. So wie Projekte mit PoS-Konsensus eine allgemeine Gruppierung mit erheblichen Unterschieden innerhalb derer sind, werden auch zukünftige Projekte, die hybride PoW/PoS-Ansätze einsetzen, einzigartig sein und nicht unbedingt dem Decred Rahmen folgen.

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