Konsensmechanismus

1. Begriff: Ein Konsensmechanismus (engl.: consenus mechanism oder consensus protocol) bezeichnet einen Algorithmus, der eine Einigung über den Status eines Netzwerkes zwischen seinen Teilnehmern erzielt. Konsensmechanismen werden in verteilten Systemen, wie z.B. Distributed Ledgers, eingesetzt um sicherzustellen, dass alle Teilnehmer eine identische Kopie der verteilten Datenbank besitzen.

2. Ausprägungen: Konsensmechanismen können über verschiedene Wege eine Einigung herbeiführen. Die drei häufigsten Ausprägungen sind derzeit Proof-of-Work, Proof-of-Stake und PBFT-Verfahren. Das Proof-of-Work-Konzept wird von der Bitcoin-Blockchain verwendet. Um neue Blöcke mit Einträgen an die Bitcoin-Blockchain anzuhängen, muss ein Teilnehmer eine Rechenaufgabe über das Versuch-und-Irrtum-Prinzip lösen. Hat der Teilnehmer als Erster eine Lösung gefunden, verteilt er die Lösung der Aufgabe sowie die Einträge des Blocks an das Netzwerk, sodass andere Teilnehmer auf diesem Block aufbauen und einen weiteren Block mit neuen Einträgen anhängen können. Der Arbeitsnachweis (Proof-of-work), den der Teilnehmer erbracht hat ist sehr rechen- und zeitintensiv. Die Validierung für andere Teilnehmer im Nachgang kann dagegen äußerst schnell und unkompliziert erfolgen, sodass unter den Teilnehmern kein gegenseitiges Vertrauen notwendig ist. Um den hohen Energieaufwand für die Berechnung zu minimieren, verwenden Proof-of-Stake-Mechanismen nur sehr einfache Rechenaufgaben. Es wird angenommen, dass Teilnehmer durch ihr Eigentum an dem im Netzwerk übertragenen Werten (Stake) einen Anreiz besitzen, das System stabil zu halten und das Netzwerk nicht zu manipulieren. Validierende Teilnehmer müssen daher neben dem Lösen einer Rechenaufgabe beweisen, dass sie bereits einen Anteil an den im Netzwerk gehandelten Werten besitzen, indem sie z.B. bei jeder Generierung eines neuen Blocks eine geringfüge Zahlung an sich selbst senden. Um zusätzliche Sicherheit im Netzwerk zu schaffen, werden die validierenden Teilnehmer für jeden neuen Block per Zufallsprinzip ermittelt. Alternativ zu Proof-of-work und Proof-of-stake werden auch verschiedene Abwandlungen des Practical Byzantine Fault Tolerance-Verfahrens (PBFT) als Konsensmechanismus verwendet. Diese Algorithmen wurden ursprünglich entwickelt, um auch unter der Bedingung, dass einige Signale in einem Netzwerk manipuliert sind, das Netzwerk korrekt arbeiten zu lassen. Konsens wird dabei erreicht, indem mehrere validierende Teilnehmer über einen Status des Netzwerkes abstimmen. Ein Konsens wird jedoch nur unter der Bedingung erzielt, dass mehr als dreimal so viele validierende Teilnehmer in einem Netzwerk korrekt arbeiten wie manipulierte Signale existieren (n>3f).

3. Sicherheit: Konsensmechanismen bilden einen einheitlichen Zustand im Netzwerk korrekt ab, solange eine Einigung unter den Teilnehmern im Netzwerk erfolgt. Wird eine Mehrheit der Teilnehmer manipuliert, kann es vorkommen, dass das ganze Netzwerk nicht korrekt arbeitet. Konsensmechanismen bieten im Vergleich zu zentral organisierten Systemen nur eine relative Sicherheit, was den finalen Zustand der Datenbank betrifft.