Hybrid PoW/PoS Konsensus erklärt
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Hybrid PoW/PoS Konsensus erklärt

Hybrid PoW/PoS Konsensus erklärt

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Veröffentlicht Mar 25, 2019Aktualisiert Aug 7, 2023
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Autor: Richard Red, Decred Contributor.
Der Konsensusmechanismus einer Blockchain dient dazu, sicherzustellen, dass sich die Teilnehmer √ľber den aktuellen Zustand der Blockchain einigen. Der Konsenussmechanismus bestimmt, wer in der Lage ist, neue Transaktionsbl√∂cke hinzuzuf√ľgen, 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) k√∂nnen nur von Minern erweitert werden, die Hardware einsetzen, das effizient die Antwort auf ein mathematisches Problem err√§t. Jedes Mal, wenn ein Miner eine g√ľltige Sch√§tzung macht, kann er einen Block erstellen, den das Netzwerk akzeptiert. W√§hrend Miner sich f√ľr eine beliebige Kette entscheiden k√∂nnen, akzeptiert das Netzwerk nur die Kette mit dem gr√∂√üten angesammelten Proof of Work (d.h. die meisten Hashes oder Vermutungen) als die legitime Kette. Das bedeutet, dass die Miner Anreize erhalten, an der l√§ngsten Kette zu minen, und wenn sie einen g√ľltigen neuen Block sehen, werden sie versuchen, die L√∂sung zu finden, die es ihnen erm√∂glicht, auf diesem neuen Block aufzubauen.

Die Schwierigkeit beim Umschreiben der Blockchain besteht darin, dass sie als Ledger f√ľr Finanztransaktionen fungieren kann. Wenn eine Transaktion in einem Block erscheint, der Coins an ein Wallet sendet, und mehrere Bl√∂cke auf diesem Block erstellt wurden (Best√§tigungen), wird es unwahrscheinlich, dass der Block (und die Transaktion) neu geschrieben werden.

Wenn eine Instanz gen√ľgend Hashing-Power kontrolliert, um die "ehrliche Kette" zu √ľbertreffen, 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 f√ľr diese Art von Angriff, auch bekannt als 51% Angriff:

Der Angreifer gibt in Block X aus, indem er an eine B√∂rse sendet, und beginnt dann eine parallele Kette privat zu minen (Bl√∂cke werden nicht an das Netzwerk √ľbertragen). Sobald die erforderliche Anzahl von Best√§tigungen get√§tigt ist, tauscht der Angreifer die Coins gegen etwas anderes und zieht diese von der B√∂rse zur√ľck. Wenn die Auszahlung abgeschlossen ist, gibt er die parallele Kette frei, und wenn er mehr PoW (Bl√∂cke) als die urspr√ľngliche Kette hat, akzeptiert das Netzwerk sie als legitime Kette und die Version der Geschichte, die durch die urspr√ľngliche Kette repr√§sentiert wird (einschlie√ülich 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 Kryptow√§hrungen direkt Bl√∂cke hinzuf√ľgen k√∂nnen, erhalten sie dadurch eine starke Rolle bei der Governance. Damit eine √Ąnderung der Konsensusregeln des Netzwerks angenommen werden kann, muss es die Unterst√ľtzung einer Mehrheit der Hash-Power haben. "Soft Forks" erfordern gen√ľgend Miner, um einen neuen Regelsatz zu erkennen, so dass Benutzer Transaktionen durchf√ľhren und erwarten k√∂nnen, dass ihre Transaktionen ordnungsgem√§√ü verarbeitet und in Bl√∂cke aufgenommen werden. "Hard Forks" w√ľrde das Netzwerk in zwei Komponenten aufteilen, und durch die allgemein akzeptierte Regel "Die Kette mit den meisten PoWs ist die richtige Kette" w√ľrden 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 Bl√∂cke hinzuf√ľgen und den aktuellen Zustand der Blockchain √ľberpr√ľfen darf. Anstatt dass Miner mit einem Proof of Work um die L√∂sung eines Problems wetteifern, wird der n√§chste 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 gr√∂√üten Beteiligung verantwortungsvolle Entscheidungen f√ľr die Gesamtheit des Netzwerks treffen werden.
Der Proof of Stake Konsensus macht das energieintensive Mining √ľberfl√ľssig, 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 zus√§tzlichen Kette zu minen, und sie k√∂nnen Belohnungen auf beiden Ketten sammeln. Dies ist ein Problem f√ľr das Netzwerk, denn es soll nur eine Kette geben, und die Einigung √ľber den Zustand dieser einzelnen Kette ist der Zweck des Konsensusmechanismus.

Proof of Stake hat ein zus√§tzliches Problem bei der Verteilung der Token. PoW-Miner haben erhebliche Kosten (Hardware, Strom) und m√ľssen 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 Verf√ľgung, 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 f√ľr die Wartung des Netzwerks erhalten. Gro√üe Halter, die sich am Proof of Stake beteiligen, neigen dazu, ihren Anteil an den zirkulierenden Coins zu erh√∂hen, da sie Blockbelohnungen und Transaktionsgeb√ľhren 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 m√∂glich 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 √§hnliche Rolle wie bei Bitcoin spielt, und eine zus√§tzliche Rolle f√ľr spezielle Knoten. Es ist typischerweise erforderlich, dass diese speziellen Knoten einen bestimmten Betrag der W√§hrung als Sicherheit halten, um nachzuweisen, dass sie im besten Interesse des Netzwerks handeln k√∂nnen, was √§hnlich der Logik f√ľr 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 ber√ľcksichtigen, 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 k√∂nnen, m√ľssen die Inhaber ihren DCR zeitlich sperren, um "Tickets" zu kaufen. Der Preis f√ľr ein einzelnes Ticket wird durch einen markt√§hnlichen 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 pseudozuf√§llig zur Abstimmung aufgerufen wird oder nach etwa 142 Tagen abl√§uft. Dies f√ľhrt zu Opportunit√§tskosten f√ľr PoS, um sicherzustellen, dass PoS-W√§hler Haut im Spiel haben und im besten Interesse des Netzwerks handeln.

PoS-Teilnehmer (auch als W√§hler oder Stakeholder bezeichnet) haben drei verschiedene Rollen zu spielen: Blockabstimmung, Abstimmung √ľber √Ąnderungen 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-W√§hler am unmittelbarsten an der Aufrechterhaltung des Konsenses beteiligen.


Abstimmung √ľber Bl√∂cke

Wenn ein PoW-Miner einen g√ľltigen Block findet, sendet er ihn in das Netzwerk, aber damit dieser Block als g√ľltig angesehen werden kann, muss er Stimmen von mindestens 3 von 5 zuf√§llig ausgew√§hlten Tickets enthalten. PoS-W√§hler 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, erh√§lt sein Besitzer eine Belohnung.
Wenn Tickets aufgerufen werden, stimmen sie √ľber die Annahme oder Ablehnung der regul√§ren Transaktionen des vorherigen Blocks ab. Knoten im Netzwerk erkennen einen neuen Block erst dann als g√ľltig, wenn er mindestens 3 Stimmen enth√§lt. Wenn eine Mehrheit der zur Abstimmung aufgerufenen Tickets die Transaktionen des vorherigen Blocks ablehnt, werden sie an den Mempool zur√ľckgegeben. Diese regelm√§√üigen Transaktionen beinhalten die Belohnung des PoW-Miners, nicht aber die Belohnung der PoS-W√§hler.¬†

Daher haben die PoS-W√§hler die Macht, den Minern Belohnungen zu entziehen, ohne ihre eigenen Belohnungen zu beeintr√§chtigen. Dies schr√§nkt die Befugnis der PoW-Miner ein, gegen √Ąnderungen der Konsensusregeln des Netzwerks, die von den Beteiligten abgestimmt werden, ein Veto einzulegen. Tats√§chlich k√∂nnen PoS-W√§hler jede Art von Miner-Verhalten ablehnen, das ihnen missf√§llt, indem sie eine Politik des "Nein" w√§hlen, wenn b√∂sartiges oder ineffizientes Verhalten festgestellt wird - und so verhindern, dass schlechte PoW-Miner Transaktionen schreiben und Belohnungen erhalten.

Diese PoS-Verifizierungsschicht erh√∂ht die Sicherheit und Widerstandsf√§higkeit des Netzwerks gegen Mehrheitsangriffe erheblich. Die g√§ngige Methode zur Durchf√ľhrung 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 Bl√∂cke die Eingabe von zuf√§llig ausgew√§hlten Tickets erfordern, um als g√ľltig angesehen zu werden, und von PoW-Minern erst nach Erhalt dieser Eingabe aBgebaut werden k√∂nnen, ist es f√ľr PoW-Miner nicht m√∂glich, im Geheimen zu minen, es sei denn, sie kontrollieren auch einen wesentlichen Teil der Live-Tickets (siehe diese Artikel).¬†

Das hybrid PoW/PoS-Design erh√∂ht die Kosten f√ľr den Angriff auf das Netzwerk erheblich, da es zwei verschiedene Systeme gibt, die von einem Angreifer umgangen werden m√ľssen. Insbesondere die PoS-Komponente ist so konfiguriert, dass Tickets nur sehr langsam erworben werden k√∂nnen. In jedem Block/Intervall kann eine begrenzte Anzahl von Tickets gekauft werden, und der Kauf der maximalen Anzahl f√ľhrt zu einer starken Preiserh√∂hung. Zus√§tzlich, 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 √ľber jeden Block von zuf√§llig ausgew√§hlten Interessengruppen abgestimmt wird, bedeutet, dass die Blockchain mit allen Teilnehmern geteilt werden muss, w√§hrend sie abgebaut wird, was die Sicherheit des Netzwerks erh√∂ht. Das Hybridsystem von Decred wurde entwickelt, um den Interessengruppen auch die Macht √ľber die PoW-Miner zu geben.


Abstimmung √ľber die √Ąnderung des Konsensusverh√§ltnisses

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 √Ąnderung der Konsensusregeln des Netzwerks erst nach einem Abstimmungsprozess umgesetzt werden kann. √Ąnderungen k√∂nnen nur vorgenommen werden, wenn sie von mindestens 75% der Stimmzettel genehmigt werden. Dieser Prozess beginnt, sobald ein bestimmter Anteil der Miner (95%) und W√§hler (75%) eine aktualisierte Software mit latenten √Ąnderungen der Regeln betreibt. Wenn der Vorschlag nach einer 4-w√∂chigen 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 Regel√§nderung einen Monat sp√§ter wirksam.



Projektmanagement: Politeia

Die Blockbelohnungen von Decred werden zwischen PoW-Minern (60%), PoS-W√§hlern (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, dar√ľber abzustimmen, wie diese Mittel ausgegeben werden sollen, welche Funktionen hinzugef√ľgt werden sollen, und die Politik √ľber die Politeia Plattform festzulegen.


Schlussworte

Da die PoS-W√§hler 30% der Blockpr√§mie erhalten, k√∂nnen sie ihren relativen Anteil an der zirkulierenden DCR nicht durch einfaches Staken halten. Die Mehrheit der neu gepr√§gten DCR geht an PoW-Miner im Austausch f√ľr die Rolle, die sie bei der Sicherung des Netzwerks und der Minderung des "nichts auf dem Spiel stehenden" Problems reiner PoS-Systeme spielen. Miner m√ľssten typischerweise einen betr√§chtlichen Teil der Belohnungen verkaufen, die sie erhalten, um ihre Betriebskosten zu decken, und sicherstellen, dass ein faires Angebot an DCR auf dem Markt verf√ľgbar ist.

Decreds Blockchain pr√§sentiert eine einzigartige Architektur und ist eines der bemerkenswertesten Beispiele f√ľr ein hybrides PoW/PoS-System. So wie Projekte mit PoS-Konsensus eine allgemeine Gruppierung mit erheblichen Unterschieden innerhalb derer sind, werden auch zuk√ľnftige Projekte, die hybride PoW/PoS-Ans√§tze einsetzen, einzigartig sein und nicht unbedingt dem Decred Rahmen folgen.

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