Protokoll der Pflicht: Das Verständnis des Blockchain-Protokolls

Dort, wo es Systeme gibt, gibt es Protokolle

Die Blockchain-Technologie entstand als bahnbrechende Lösung, die die Menschen nicht wussten, dass sie für Probleme brauchten, von denen sie nicht wussten, dass sie sie hatten. Damit kamen eine Vielzahl von Begriffen und Konzepten, die bis heute nicht erklärt wurden. Einer dieser Begriffe ist das Blockchain-Protokoll – ein Begriff, der oft synonym mit Blockchain-Netzwerken verwendet wird, obwohl es nicht genau dasselbe ist.

In diesem Beitrag werden wir das Konzept eines Blockchain-Protokolls, seine Unterschiede zur Blockchain per se sowie einige seiner wichtigsten Funktionsweisen und Anwendungen erläutern.

Was ist ein Blockchain-Netzwerk?

Eine Blockchain ist die Basis aller Dinge im Krypto-Bereich. Es ist ein dezentrales Netzwerk, das schnelle, erlaubnislose, anonyme und sichere Transaktionen mit einer Peer-to-Peer-Digitalwährung weltweit ermöglicht. Das Netzwerk dient als verteilte Datenbank: Alle jemals durchgeführten Transaktionen auf der Blockchain sind offen, anonym, in Blöcken gespeichert und können von jedem eingesehen werden.

Eine Blockchain wird von einem verteilten Netzwerk von Knoten betrieben – Computern, die weltweit betrieben werden, um das Netzwerk am Laufen zu halten. Knoten arbeiten normalerweise als Miner (in Proof-of-Work-Netzwerken wie Bitcoin) oder Staker/Delegatoren (wie in Proof-of-Stake-Netzwerken wie Ethereum oder Cardano). Für ihre Bemühungen erhalten Miner und Staker einen Anteil an den Transaktionsgebühren, die sie überprüfen helfen.

Miner in Proof-of-Work-Netzwerken sind damit beauftragt, den Hash – einen eindeutigen kryptografischen Identifikator – des nächsten Blocks von Transaktionen zu entschlüsseln. Dazu verwenden sie ihre Rechenleistung und konkurrieren im Wesentlichen in der Berechnungsgeschwindigkeit. In Proof-of-Stake-Netzwerken wird dies nicht durch Berechnung, sondern durch das Halten einer großen Menge an der nativen Währung des Netzwerks erledigt und somit haben sie ein Mitspracherecht darüber, welche Blöcke als nächstes genehmigt werden sollen.

Die Blockchain per se wurde von Bitcoin pioniert, ebenso wie BTC, die erste Kryptowährung überhaupt. Konzipiert wurde sie von der unbekannten Entität namens Satoshi Nakamoto, und die Bitcoin-Blockchain wurde eher symbolisch von einer dezentralen Gruppe von Enthusiasten zum Leben erweckt.

Die Bitcoin-Kryptowährung dient als Treibstoff für das Netzwerk, da Benutzer einen Teil ihrer Transaktionen als Überweisungsgebühr bezahlen.

Die Ethereum-Blockchain wurde auf Bitcoin aufgebaut und erweiterte das Arsenal der Blockchain um Smart Contracts. Smart Contracts sind vorprogrammierte Algorithmen, die sich selbst ausführen, wenn eine bestimmte Bedingung erfüllt ist. Zum Beispiel: Sende 200 ETH an die Adresse (X), sobald die NFT-Token-Nummer (XYZ) von dieser Adresse empfangen wird.

Smart Contracts ermöglichen eine beispiellose Flexibilität bei der Bereitstellung von Blockchain-Anwendungen und sind im Wesentlichen das Grundgerüst aller heutigen DeFi. Von der Ethereum-Netzwerk initiiert, erlangten Smart Contracts an Bekanntheit und wurden von den meisten bekannten Blockchain-Protokollen implementiert.

Nun, da wir festgelegt haben, was ein Blockchain-Netzwerk ist, lassen Sie uns herausfinden, was ein Blockchain-Protokoll ist.

Ein Blockchain-Protokoll sind im Wesentlichen die Regeln, die festlegen, wie das Blockchain-Netzwerk funktioniert. Es ist NICHT das Blockchain-Netzwerk an sich, sondern vielmehr eine Reihe von Regeln, die in all seine Abläufe integriert sind. Es definiert, wann, wie und in welchem ​​Umfang verschiedene Elemente des Netzwerks bestimmte Dinge tun können oder nicht dürfen.

Das Rückgrat jeder Blockchain ist das Set von Protokollen, das jede ihrer Bewegungen regelt. Diese Protokolle sind die Säulen, die die Sicherheit, Konnektivität und Konsensverfahren des Netzwerks aufrechterhalten und sicherstellen, dass alles wie am Schnürchen läuft. Ohne zentrale Autorität, die Transaktionen überwacht, sind diese Protokolle die Schlüsselakteure bei der Aufrechterhaltung einer vertrauenswürdigen Buchführungskopie und der Überprüfung von Transaktionen durch ein Konsensverfahren. Sobald validiert, werden sie in unveränderlichen Blöcken aufgezeichnet.

Wichtige Protokolle um uns herum

Wo es Systeme gibt, gibt es Protokolle. Ein Protokoll ist eine grundlegende Code-Schicht, die etwas darüber informiert, wie es funktionieren soll. Natürlich sind Protokolle nicht auf Kryptowährungen beschränkt. Sie sind grundlegend für die Funktionsweise des Internets und regeln die Übertragung von Daten von einem Computer zum anderen.

Viele Dinge, die wir heute als selbstverständlich hinnehmen, wurden durch Netzwerkprotokolle ermöglicht und geregelt. Die wichtigsten darunter sind das TCP/IP: Transmission Control Protocol/Internet Protocol, das zur Verbindung von Geräten über das Web verwendet wird, und HTTP/HTTPS: Hypertext Transfer Protocol (HTTP), das zur Übertragung von Daten zwischen Webservern und Clients verwendet wird.

Was Blockchain-Protokolle anders macht?

Allerdings gibt es einen Unterschied, wenn es um Blockchain-Protokolle geht. Es wird interessanter und komplexer als bei herkömmlicher Datenübertragung. Ein Blockchain-Netzwerk ist ein verteiltes Rahmenwerk von Entscheidungsorganen, von denen jedes mehr zu tun hat, als nur den Algorithmen zu folgen. Dies impliziert, dass die Regeln von allen Knoten des Netzwerks vereinbart, befolgt und überprüft werden müssen.

Netzwerkprotokoll

Das Netzwerkprotokoll legt die Regeln fest, nach denen die Knoten des Netzwerks miteinander kommunizieren können (und nicht können). Dazu gehört, wie Knoten sich gegenseitig entdecken und erkennen, Informationen über Blöcke, Transaktionen und andere alltägliche Dinge austauschen. Es enthält die Syntax, die definiert, wie die Knoten die Nachrichten der anderen entschlüsseln sollen.

Konsensprotokoll

Das Konsensprotokoll beschreibt, wie Knoten sich darauf einigen, welche Transaktionen als gültig oder ungültig anzusehen sind. Wie du wahrscheinlich weißt, speichert jeder Knoten eine vollständige Kopie des gesamten Netzwerks auf seinen Festplatten. Die Kopie umfasst jede einzelne Datenbit, das jemals im Netzwerk registriert wurde. Jede Kopie wird in Echtzeit aktualisiert, wenn neue Blöcke geschmiedet und neue Transaktionen validiert werden.

Daher sendet ein Knoten, wenn er einen neuen Block zur Hinzufügung zum Netzwerk einreicht, nicht nur den einen Block aus – er reicht tatsächlich seine gesamte Kopie der Blockchain bis zu diesem Zeitpunkt ein. Und es ist die Aufgabe jedes einzelnen Knotens im Netzwerk, jede einzelne Kopie des Netzwerks zu scannen, zu bewerten und zu validieren oder ungültig zu machen, die von allen anderen Knoten eingereicht wird. In Proof-of-Work-Netzwerken wie Bitcoin wird nur die längste Kette von Blöcken validiert, was bedeutet, dass die meisten Knoten ihre Gültigkeit bestätigen. Wie du dir vorstellen kannst, ist das eine enorme Arbeit und erfordert eine ebenso große Rechenleistung.

In einem Proof-of-Stake-Netzwerk werden die Validator:innen zufällig aus den Knoten ausgewählt, die große Mengen der nativen Münzen des Netzwerks in ihren Geldbörsen halten. Einige mögen diesen Ansatz mit einem kapitalistischen Monopol gleichsetzen, aber die Aussicht auf eine Monopolisierung des Netzwerks wurde präventiv angegangen. Dies umfasst die Begrenzung der Menge, die jeder Knoten setzen darf, die Anzahl der Transaktionen, die er überprüfen darf, die Häufigkeit dieser Überprüfungen usw. Wie dem auch sei, die Grenzen und Einschränkungen sind alle im Protokoll festgelegt.

Zustandsübergangsfunktion

Hier wird es wirklich technisch.

Der Zustand ist im Wesentlichen das, was das Netzwerk zu einem bestimmten Zeitpunkt für den Fall hält. Die aktuellen „Standorte“, Beziehungen zwischen und Bewegungen von allen Knoten, Transaktionen und Blöcken – all das macht den Zustand des Netzwerks aus.

Der Zustand des Netzwerks ändert sich im Laufe der Zeit, ebenso wie die Menge und das Gleichgewicht der Elemente darin. Der Zustandsübergang muss auf eine bestimmte Weise erfasst werden, und das Netzwerkprotokoll kümmert sich auch darum. Wenn Knoten in das Netzwerk eintreten und es verlassen, Informationen austauschen und die Struktur der Blockchain verändern, entstehen neue Möglichkeiten sowie neue Komplikationen.

Der Zustand umfasst alles, was das Netzwerk zu einem bestimmten Zeitpunkt tun kann und nicht tun kann. Wenn Bedingungen A und B erfüllt sind, dann kann das Netzwerk nur X und Y tun. Wenn der Zustand durch Bedingungen C und D definiert ist, dann sind die einzigen möglichen Aktionen W und Z. Diese Verschiebung in der Logik ist entscheidend für den Betrieb des Netzwerks.

Jeder oben beschriebene Teil dient als ein Stück eines dreiteiligen Puzzles namens Verified State. Wenn Informationen über Transaktionen in das Netzwerkprotokoll gelangen, werden sie dort validiert oder verworfen. Wenn sie verifiziert werden, gelangen sie dann zu den Konsensprotokollen, die als Torwächter dienen. Sie lassen Daten nur in den Zustand des Netzwerks eintreten, wenn die Daten mit denen anderer Knoten übereinstimmen.

Wenn die Daten akzeptiert werden, werden sie dann in die Zustandsübergangsfunktion weitergeleitet, wo sie dann zum neuen verifizierten Zustand des Netzwerks werden. Der verifizierte Zustand ist die praktische Grenze, die definiert, was tatsächlich ‚passiert‘, nachdem der Block zur Kette hinzugefügt wurde. Dies kann das Ändern des Kontostands einer bestimmten Geldbörse oder das Starten eines Smart Contracts umfassen.

Kann ein Knoten vom Protokoll abweichen?

Kann ein Knoten das Protokoll missachten, und wenn ja, was passiert dann? Wie bereits erwähnt, erfordert die Validierung von Blöcken, dass alle Knoten alle Daten überprüfen, die von allen anderen Knoten online eingereicht werden. Dazu muss das Blockchain-Protokoll genau befolgt werden. Wenn ein Knoten nicht gehorcht – dann wird er einfach nicht in der Lage sein, mit anderen Knoten zusammenzuarbeiten und daher auch keine Belohnungen erhalten können. Dies bedeutet, dass es in einer Blockchain keinen Raum für Meinungsverschiedenheiten gibt und ihr Zustand im Wesentlichen totalitär ist.

Manchmal wird jedoch eine Blockchain zwangsweise oder absichtlich in zwei Teile gespalten, was als Fork bezeichnet wird. Eine Forking geschieht genau dann, wenn einige Knoten Daten einreichen, die im Widerspruch zu denen des Rests des verteilten Ledgers stehen.

Unter normalen Betriebsbedingungen wird das Netzwerk nicht versuchen, die Gründe für fehlerhafte Daten herauszufinden – es wird einfach den Knoten vom Rest des Netzwerks abschneiden und ihn im Stich lassen. Somit werden potenziell bösartige Knoten daran gehindert, das Netzwerk zu beeinträchtigen. Es ist möglich, dass die Mehrheit aller ‚falschen‘ Kopien jeder Blockchain irgendwo aufbewahrt werden, während wir sprechen.

Dennoch können Forks auch positiv sein. Ein Blockchain-Netzwerk kann seinen aktuellen Zustand nicht einfach ‚aktualisieren‘. Jeder neue verifizierte Zustand ist eine vollständig neue Kopie des Netzwerks.

Du hast vielleicht gehört, dass jede bedeutende Aktualisierung einer Blockchain als Fork bezeichnet wird. Wenn also Blockchains aktualisiert werden müssen, verzweigen Entwickler sie absichtlich in eine neue Kopie. Die Version vor dem Update wird als Legacy erhalten, während die neu geforkte Version zur primären Version wird.

Verständnis des Bitcoin-Protokolls

Lassen Sie uns etwas genauer betrachten, welche Aspekte ein Blockchain-Protokoll regelt. Als Beispiel betrachten wir das Bitcoin-Netzwerk.

Bitcoins werden nicht physisch wie Goldklumpen ausgetauscht. Wenn du BTC sendest oder empfängst, erhältst oder gibst du eigentlich keine Bitcoins. Stattdessen generiert jede Transaktion eine digitale Signatur. Diese Signatur enthält einen Hash – die eindeutige kryptografische Kennung der vorherigen Transaktion – und den öffentlichen Schlüssel des Empfängers. Folglich wird jede Transaktion durch kryptografische Beweise gesichert, die nicht manipuliert oder gefälscht werden können.

Die Hauptbedenken von Käufern und Verkäufern online sind, dass sie irgendwann ausgenutzt werden könnten und Opfer von Finanzbetrug werden könnten. Dies kann in Form von Phishing oder offensichtlich gefälschten Transaktionen geschehen. Es gibt auch das Problem des doppelten Ausgaben und einfachen Manipulationen des Systems zur Suche nach unfairen Gewinnen. Da eine Blockchain nicht von einer zentralen Einheit regiert wird, liegen alle Sicherheitsbedenken hinsichtlich der Transaktion ausschließlich in den Händen des Protokolls.

Bitcoin-Entwickler haben diese Bedenken angesprochen und Mechanismen wie digitale Signaturen und kryptografischen Nachweis eingeführt, um sie zu mildern. Das Bitcoin-Protokoll erlaubt daher nur die Validierung von Blöcken, die einen kryptografischen Nachweis haben, der dem in anderen Knoten vorhandenen entspricht.

Zeitstempel-Server und Proof-of-Work-System

Das doppelte Ausgeben ist ein massives Problem in der Blockchain. Es handelt sich um ein Szenario, in dem ein Benutzer versucht, dieselbe digitale Währung zweimal auszugeben. Dies kann aufgrund der digitalen Natur der Währung passieren, was es potenziell einfacher macht, die Währung ohne Entdeckung zu replizieren oder zu kopieren.

Angenommen, ein Benutzer hat 1 BTC und versucht, sie zweimal auszugeben, indem er sie an zwei verschiedene Adressen sendet. In einem traditionellen Zahlungssystem würde das System den Versuch des doppelten Ausgebens erkennen und die Transaktion ablehnen. In einem dezentralen Blockchain-Netzwerk wird dies jedoch durch das Proof-of-Work-System und den Konsensalgorithmus verhindert, der sicherstellt, dass jede Transaktion gültig ist und nicht bereits ausgegeben wurde.

Um dies zu gewährleisten, hat das Bitcoin-Protokoll einen Zeitstempelserver implementiert, der jedem Hash einer Transaktion ein eindeutiges Zeitetikett zuweist. Das Proof-of-Work-System protokolliert jeden Zeitstempel und lehnt Transaktionen mit einem Hash ab, der bereits im System registriert ist.

Jeder neue Block, der in einem Bitcoin-Netzwerk geschmiedet wird, hat einen Proof-of-Work daran befestigt. Der Proof wird auch Nonce oder „Number Only Generated Once“ genannt. Er dient als kryptografischer Nachweis, dass ein Miner Rechenleistung aufgewendet hat, um den Block zu überprüfen, und dabei erfolgreich war.

Es gibt jedoch auch fehlerhafte Blöcke, die Daten enthalten, die den von anderen Knoten geförderten Daten widersprechen. Falls ein fehlerhafter Block erkannt wird, wird er entfernt und weiter auf Inkonsistenzen überprüft. Wenn er als gültig erachtet wird, wird der Block wie gewohnt dem Netzwerk hinzugefügt. Andernfalls wird er verworfen.

Bisherige Protokollgrößen

Jedoch folgt jedes große Netzwerk seinem eigenen Protokoll, das speziell für seinen Konsensmechanismus entwickelt wurde. Das Bitcoin-Netzwerk arbeitet mit dem Bitcoin-Protokoll, Ethereum mit dem Ethereum-Protokoll usw.

Hier sind die bedeutendsten Blockchain-Protokolle bis heute:

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