Protocol of Duty: Das Blockchain-Protokoll verstehen

Wo es Systeme gibt, gibt es auch Protokolle

Die Blockchain-Technologie wurde zu einer bahnbrechenden Lösung für Probleme, von denen die Menschen nicht wussten, dass sie sie brauchen. Mit ihm kam eine Fülle von Begriffen und Konzepten, die bis heute unerklärt geblieben sind. Ein solcher Begriff ist Blockchain-Protokoll - ein Begriff, der oft austauschbar 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 an sich sowie einige seiner wichtigsten Funktionsweisen und Anwendungen erläutern.

Was ist ein Blockchain-Netzwerk?

Eine Blockchain ist die Basis für alles, was mit Krypto zu tun hat. Es ist ein dezentrales Netzwerk, das schnelle, erlaubnisfreie, anonyme und sichere Transaktionen mit einem digitalen Peer-to-Peer-Asset auf der ganzen Welt ermöglicht. Das Netzwerk dient als verteilte Datenbank: Alle Transaktionen, die jemals auf der Blockchain durchgeführt wurden, sind offen, anonym, in Blöcken gespeichert und können von jedem eingesehen werden.

Eine Blockchain wird durch ein verteiltes Netzwerk von Knotenpunkten (Nodes) betrieben - Computer, die das Netzwerk weltweit am Laufen halten. Nodes arbeiten in der Regel als Miner (in Proof of Work-Netzwerken wie Bitcoin) oder Staker/Delegator (wie in Proof of Stake-Netzwerken wie Ethereum oder Cardano). Für ihre Bemühungen erhalten die Miner und Staker einen Anteil an den Transaktionsgebühren, die sie bei der Verifizierung helfen.

Miner in Proof-of-Work-Netzwerken haben die Aufgabe, den Hash - eine eindeutige kryptografische Kennung - des nächsten Transaktionsblocks zu entschlüsseln. Dafür nutzen sie rohe Rechenleistung und konkurrieren im Wesentlichen in der Rechengeschwindigkeit. In Proof-of-Stake-Netzwerken erfolgt dies nicht durch Berechnungen, sondern durch den Besitz einer großen Menge der netzwerkeigenen Währung und damit durch ein Mitspracherecht, welche Blöcke als nächstes genehmigt werden sollen.

Blockchain wurde von Bitcoin eingeführt, ebenso wie BTC, die erste Kryptowährung, die es gab. Die Bitcoin-Blockchain wurde von dem unbekannten Satoshi Nakamoto erdacht und von einer dezentralen Gruppe von Enthusiasten symbolisch ins Leben gerufen.

Die Kryptowährung Bitcoin dient als Treibstoff für das Netzwerk, da die Nutzer einen Teil ihrer Transaktionen als Transfergebühr bezahlen.

Die Ethereum-Blockchain baut auf Bitcoin auf und erweitert das Arsenal der Blockchain um intelligente Verträge. Smart Contracts sind vorcodierte Algorithmen, die sich selbst ausführen, wenn eine bestimmte Reihe von Bedingungen erfüllt ist. Senden Sie zum Beispiel 200 ETH an die Adresse (X), sobald die NFT-Token-Nummer (XYZ) von dieser Adresse empfangen wird.

Intelligente Verträge ermöglichen eine beispiellose Flexibilität bei der Bereitstellung von Blockchain-Anwendungen und sind im Wesentlichen die Grundlage für alle heutigen DeFi. Das Ethereum-Netzwerk leistete Pionierarbeit, und die meisten der heute bekannten Blockchain-Protokolle haben Smart Contracts übernommen und implementiert.

Nachdem wir nun festgestellt haben, was ein Blockchain-Netzwerk ist, sollten wir herausfinden, was ein Blockchain-Protokoll ist.

Ein Blockchain-Protokoll ist im Wesentlichen die Regeln, nach denen das Blockchain-Netzwerk funktioniert. Es handelt sich NICHT um das Blockchain-Netzwerk an sich, sondern um eine Reihe von Regeln, die in alle seine Funktionen integriert sind. Er legt fest, wann, wie und in welchem Umfang verschiedene Elemente des Netzwerks bestimmte Dinge tun oder nicht tun können.

Das Rückgrat jeder Blockchain ist die Reihe von Protokollen, die jede ihrer Bewegungen steuern. Diese Protokolle sind die Säulen, die die Sicherheit, die Konnektivität und die Konsensverfahren des Netzwerks aufrechterhalten und sicherstellen, dass alles wie am Schnürchen läuft. Da es keine zentrale Behörde gibt, die die Transaktionen überwacht, sind diese Protokolle die Hauptakteure bei der Verwaltung einer vertrauenswürdigen Ledger-Kopie und der Verifizierung von Transaktionen durch eine Konsensmethode. Sobald sie validiert sind, werden sie in unveränderlichen Blöcken gespeichert.

Wichtige Protokolle um uns herum

Wo es Systeme gibt, gibt es auch Protokolle. Ein Protokoll ist eine grundlegende Codeschicht, die einer Sache sagt, wie sie funktionieren soll. Natürlich gibt es Protokolle nicht nur für Kryptowährungen. Sie sind grundlegend für die Funktionsweise des Internets und regeln die Übertragung von Daten von einem Computer zum anderen.

Viele Dinge, die wir heute für selbstverständlich halten, wurden durch Netzwerkprotokolle ermöglicht und gesteuert. Zu den bekanntesten gehören TCP/IP: Transmission Control Protocol/Internet Protocol, das zur Verbindung von Geräten über das Internet verwendet wird, und HTTP/HTTPS: Hypertext Transfer Protocol (HTTP), das zur Datenübertragung zwischen Webservern und Clients verwendet wird.

Was macht die Blockchain-Protokolle anders?

Es gibt jedoch einen Unterschied, wenn es um Blockchain-Protokolle geht. Es wird interessanter und komplexer als die herkömmliche Datenübertragung. Ein Blockchain-Netzwerk ist ein verteilter Rahmen von Entscheidungsorganismen, von denen jeder einzelne mehr zu tun hat, als nur den Algorithmen zu folgen. Dies bedeutet, dass die Regeln von allen Knotenpunkten des Netzwerks vereinbart, eingehalten und überprüft werden müssen.

Vernetzungsprotokoll

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

Konsens-Protokoll

Das Konsensprotokoll beschreibt, wie sich die Knoten darauf einigen, welche Transaktionen als gültig oder ungültig zu betrachten sind. Wie Sie wahrscheinlich wissen, speichert jeder Knoten eine vollständige Kopie des gesamten Netzwerks auf seinen Festplatten. Die Kopie enthält jedes einzelne Bit an Daten, das jemals im Netzwerk registriert wurde. Jede Kopie wird in Echtzeit aktualisiert, wenn neue Blöcke gefälscht und neue Transaktionen validiert werden.

Wenn also ein Knoten einen neuen Block zum Netzwerk hinzufügt, sendet er nicht nur diesen einen Block, sondern seine gesamte bisherige Kopie der Blockchain. Und es ist die Aufgabe jedes einzelnen Knotens im Netzwerk, jede einzelne Kopie des Netzwerks, die von allen anderen Knoten eingereicht wurde, zu scannen, zu bewerten und zu (in)validieren. In Proof-of-Work-Netzwerken wie Bitcoin wird nur die längste Kette von Blöcken validiert, was bedeutet, dass die meisten Knoten über ihre Gültigkeit einig sind. Wie Sie sich vorstellen können, ist das verdammt viel Arbeit und erfordert ungefähr genauso viel Rechenleistung.

In einem Proof-of-Stake-Netzwerk werden die Validierer von den Netzwerken nach dem Zufallsprinzip aus den Knoten ausgewählt, die große Mengen der netzwerkeigenen Münzen in ihren Wallets halten. Manche mögen diesen Ansatz mit einem kapitalistischen Monopol gleichsetzen, aber die Aussicht auf eine Monopolisierung des Netzwerks wurde präventiv angegangen. Dazu gehört die Begrenzung des Betrags, den jeder Knoten setzen darf, die Anzahl der Transaktionen, die er verifizieren darf, die Häufigkeit dieser Verifizierungen, usw. Wie dem auch sei, die Grenzen und Einschränkungen sind alle im Protokoll festgelegt.

Zustandsübergangsfunktion

Hier wird es richtig technisch.

Der Zustand ist im Wesentlichen das, was das Netzwerk zu einem bestimmten Zeitpunkt ‚denkt‘. 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 innerhalb des Netzwerks. Zustandsübergänge müssen auf eine bestimmte Art und Weise registriert werden, und auch dafür sorgt das Netzwerkprotokoll. Wenn Knoten das Netzwerk betreten und verlassen, Informationen austauschen und die Struktur der Blockchain verändern, entstehen neue Möglichkeiten, aber auch neue Komplikationen.

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

Jeder der oben beschriebenen Teile dient als Teil eines dreifachen Puzzles, das wir den Verified State nennen. Wenn Informationen über Transaktionen in das Networking-Protokoll eingehen, werden sie dort geprüft oder verworfen. Wenn es verifiziert ist, geht es weiter zu den Konsensprotokollen, die als Gatekeeper dienen. Es erlaubt die Eingabe von Daten in den Status des Netzwerks, wenn die Daten mit denen anderer Knoten übereinstimmen.

Wenn die Daten akzeptiert werden, werden sie an die Funktion Zustandsübergang weitergeleitet, wo sie dann zum neuen verifizierten Zustand des Netzwerks werden. Der Verified State ist die praktische Grenze, die definiert, was tatsächlich "passiert", nachdem der Block zur Kette hinzugefügt wurde. Dazu kann es gehören, das Guthaben einer bestimmten Wallet zu ändern oder einen Smart Contract zu starten.

Kann ein Knoten von dem 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 übermittelt wurden. Dazu muss das Blockchain-Protokoll buchstabengetreu befolgt werden. Wenn ein Knoten nicht gehorcht, ist er nicht in der Lage, mit anderen Knoten zu kooperieren und kann daher nicht von den Vorteilen profitieren. Das bedeutet, dass es in einer Blockchain keinen Raum für Meinungsverschiedenheiten gibt, was den Staat im Grunde totalitär macht.

Manchmal wird eine Blockchain jedoch gewaltsam oder absichtlich in zwei Teile geteilt, was als Fork bezeichnet wird. Forking geschieht genau deshalb, weil einige Knoten Daten übermitteln, die mit denen des restlichen verteilten Ledgers in Konflikt stehen.

Unter normalen Arbeitsbedingungen macht sich das Netzwerk nicht die Mühe, herauszufinden, warum die Daten fehlerhaft sind - es schneidet den Knoten einfach vom Rest des Netzwerks ab und lässt ihn auf dem Trockenen sitzen. Auf diese Weise werden potenziell bösartige Knoten daran gehindert, das Netzwerk zu beeinträchtigen. Es ist möglich, dass die Mehrheit aller "falschen" Kopien jeder Blockchain immer noch irgendwo aufbewahrt wird, während wir sprechen.

Gabeln können aber auch eine gute Sache sein. Ein Blockchain-Netzwerk kann seinen aktuellen Zustand nicht einfach "aktualisieren". Jeder neue verifizierte Status ist eine völlig neue Kopie des Netzwerks.

Sie haben vielleicht schon gehört, dass jedes größere Blockchain-Update als Fork bezeichnet wird. Wenn Blockchains also aktualisiert werden müssen, werden sie von ihren Entwicklern absichtlich in eine neue Kopie umgewandelt. Die Version vor dem Update wird als Legacy beibehalten, während die neu geforkete Version die eigentliche Version wird.

Das Bitcoin-Protokoll verstehen

Lassen Sie uns ein wenig tiefer in die Dinge eintauchen, die ein Blockchain-Protokoll regelt. Nehmen wir als Beispiel das Bitcoin-Netzwerk.

Bitcoins werden nicht wie Goldklumpen herumgereicht. Wann immer Sie BTC senden und empfangen, "bekommen" oder "geben" Sie keine Bitcoins. Was wirklich passiert, ist, dass jede neue Transaktion eine digitale Signatur registriert. Die Signatur enthält einen Hash - die eindeutige kryptografische ID der vorherigen Transaktion - und den öffentlichen Schlüssel des Empfängers. So ist jede Transaktion durch einen kryptographischen Beweis gesichert, der nicht verändert oder gefälscht werden kann.

Die größte Sorge von Käufern und Verkäufern im Internet ist, dass sie irgendwann einmal ausgenutzt werden und einem Finanzbetrug zum Opfer fallen könnten. Dies kann in Form von Phishing oder gefälschten Transaktionen geschehen. Es gibt auch das Problem der doppelten Ausgaben sowie die bloße Manipulation des Systems auf der Suche nach unlauteren Gewinnen. Da eine Blockchain nicht von einer zentralen Instanz verwaltet wird, liegt die Sicherheit aller Transaktionen vollständig auf den Schultern des Protokolls.

Die Bitcoin-Entwickler haben diese Bedenken aufgegriffen und Mechanismen wie digitale Signaturen und kryptografische Beweise eingeführt, um sie zu entkräften. Das Bitcoin-Protokoll erlaubt also nur die Validierung von Blöcken, die einen kryptographischen Beweis haben, der mit dem anderer Knotenpunkte übereinstimmt.

Zeitstempel-Server und Proof-of-Work-System

Doppelte Ausgaben sind ein großes 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 geschehen, die es möglicherweise einfacher macht, die Währung unentdeckt zu replizieren oder zu kopieren.

Angenommen, ein Nutzer hat 1 BTC und versucht, es zweimal auszugeben, indem er es an zwei verschiedene Adressen schickt. Bei einem herkömmlichen Zahlungssystem würde das System den Versuch einer doppelten Ausgabe 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 und nicht bereits ausgegeben ist.

Um dies zu gewährleisten, hat das Bitcoin-Protokoll einen Zeitstempel-Server implementiert, der den Hash jeder Transaktion mit einer eindeutigen Zeitangabe versieht. Das Proof-of-Work-System merkt sich jeden Zeitstempel und lehnt alle Transaktionen ab, deren Hash mit denen übereinstimmt, die bereits im System registriert sind.

Jeder neue Block, der in einem Bitcoin-Netzwerk gefälscht wird, ist mit einem Proof-of-Work verbunden. Der Beweis wird auch Nonce oder Number Only Generated Once genannt. Er dient als kryptographischer Beweis dafür, dass ein Miner eine gewisse Rechenleistung aufgewendet hat, um den Block zu verifizieren und dabei erfolgreich war.

Es gibt jedoch auch schlechte Blöcke, die Daten enthalten, die im Widerspruch zu dem stehen, was von anderen Nodes geschürft wurde. Wenn ein fehlerhafter Block entdeckt wird, wird er herausgezogen und weiter auf Unstimmigkeiten untersucht. Wenn er für gültig befunden wird, wird der Block wie üblich zum Netzwerk hinzugefügt. Wenn nicht - wird es verworfen.

Bisherige Protokoll-Biggies

Allerdings 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.

Im Folgenden finden Sie die bisher bekanntesten Blockchain-Protokolle:

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