Einführung
Wenn Sie an Kryptowährung denken, kommen Ihnen wahrscheinlich die Begriffe „Blockchain“ oder „Distributed-Ledger-Technologie“ in den Sinn. Seit der Einführung von Bitcoin wurden Hunderte anderer Kryptowährungen geschaffen. Die meisten von ihnen basieren auf einer ähnlichen Netzwerkarchitektur. Ihre Datenstrukturen ermöglichen es Benutzern, Werte zu übertragen oder mit dezentralen Anwendungen zu interagieren.
In einer Blockchain wird einer wachsenden Kette von Blöcken regelmäßig ein neuer Block hinzugefügt. Jeder Block ist durch eine Art kryptografische Verbindung (genauer gesagt einen Hash) mit dem vorherigen verbunden. In jedem dieser Blöcke sind aktuelle Transaktionen enthalten, die von Benutzern gesendet wurden.
Aber zwischen der Übertragung einer Transaktion und ihrer Aufnahme in einen Block gibt es oft eine Wartezeit. Stellen Sie es sich vor wie das Warten auf einen Zug an einem Bahnhof. Je nach Größe der Waggons (Blockgröße) und der Anzahl der anderen wartenden Personen (ausstehende Transaktionen) können Sie möglicherweise nicht einmal den nächsten Zug erreichen. Oder sogar den darauffolgenden. Sie können zwischen Sekunden und Stunden warten, bis die Transaktion bestätigt wird.
Für viele ist das ein akzeptabler Kompromiss. Schließlich bietet es ein sehr hohes Maß an Sicherheit, ohne auf einen zentralen Koordinator angewiesen zu sein. Für andere hat die Blockchain-Technologie ein Verfallsdatum. Kritiker glauben, dass die Skalierbarkeitsprobleme der Blockchain-Technologie auf lange Sicht eine breite Akzeptanz verhindern werden.
Einige glauben, dass die Zukunft von Kryptowährungs-Zahlungsnetzwerken in einer völlig anderen Architektur liegt – gerichteten azyklischen Graphen (oder DAGs).
Was ist ein DAG?
Ein DAG ist eine andere Art von Datenstruktur – stellen Sie es sich wie eine Datenbank vor, die verschiedene Informationen miteinander verbindet. „Gerichteter azyklischer Graph“ ist ein belasteter Begriff, also beginnen wir damit, ihn aufzuschlüsseln.
Ein gerichteter azyklischer Graph.
Konzeptionell sehen DAGs ungefähr so aus wie oben. Sie bestehen aus Eckpunkten (den Kugeln) und Kanten (den Linien, die sie verbinden). Sie sind gerichtet, weil sie in eine Richtung verlaufen (Sie können dies durch die Pfeile verdeutlichen). Sie sind azyklisch (d. h. nicht zyklisch), weil die Eckpunkte nicht auf sich selbst zurückführen – wenn Sie an einem Punkt beginnen und dem Diagramm folgen, können Sie nicht zu demselben Punkt zurückkehren. Dies wird in Kürze klarer.
Solche Datenstrukturen werden im Allgemeinen zum Modellieren von Daten verwendet. In wissenschaftlichen oder medizinischen Bereichen können Sie sich auf einen DAG verlassen, um die Beziehung zwischen Variablen zu beobachten und zu bestimmen, wie sie sich gegenseitig beeinflussen. Sie könnten beispielsweise Dinge wie Ernährung, Schlafzyklen und körperliche Symptome heranziehen, um Verbindungen zwischen ihnen herzustellen und festzustellen, wie sie sich auf einen Patienten auswirken.
Für unsere Zwecke interessiert uns mehr, wie sie dazu beitragen können, in einem verteilten Kryptowährungsnetzwerk einen Konsens zu erzielen.
Wie funktioniert ein DAG?
In einer DAG-basierten Kryptowährung stellt jeder Knoten in der Struktur eine Transaktion dar. Es gibt hier weder das Konzept von Blöcken, noch ist Mining erforderlich, um die Datenbank zu erweitern. Anstatt Transaktionen in Blöcken zu sammeln, wird jede Transaktion auf einer anderen aufgebaut. Dennoch gibt es einen kleinen Proof-of-Work-Vorgang, der ausgeführt wird, wenn ein Knoten eine Transaktion übermittelt. Dies stellt sicher, dass das Netzwerk nicht mit Spam überflutet wird, und validiert auch vorherige Transaktionen.
Damit eine neue Transaktion hinzugefügt werden kann, muss sie auf älteren aufbauen. Angenommen, Alice erstellt eine neue Transaktion. Damit sie bestätigt wird, muss diese Transaktion auf vorherige verweisen. Ein bisschen so, wie ein Block in Bitcoin auf den vorherigen Block verweist, aber es werden mehrere Transaktionen referenziert.
In manchen Systemen wählt ein Algorithmus aus, auf welchen Transaktionen (oder „Tipps“) eine neue Transaktion aufbauen muss. Tipps, die mit höherer Wahrscheinlichkeit ausgewählt werden, sind solche, die mehr akkumuliertes Gewicht haben – ein Maß dafür, wie viele Bestätigungen der Pfad zum Tipp hat.
Die Transaktionen, auf denen Alice aufbaut, sind unbestätigt. Sobald Alice jedoch auf sie verweist, werden sie bestätigt. Alices Transaktion ist nun unbestätigt, sodass jemand anderes darauf aufbauen muss, bevor sie akzeptiert wird.
Transaktionen mit einem „höheren“ Gewicht werden von Benutzern eher bestätigt, sodass das System weiter wächst. Andernfalls stünde den Benutzern nichts im Wege, kontinuierlich auf älteren Transaktionen aufzubauen.
Bei Blockchains ist der Schutz vor Doppelausgaben recht einfach. Dieselben Mittel können nicht zweimal in einem Block ausgegeben werden – Knoten können jeden Versuch leicht erkennen und lehnen jeden Block ab, der widersprüchliche Transaktionen enthält. Da es für Miner so teuer ist, Blöcke überhaupt zu produzieren, werden sie dazu angeregt, fair zu spielen.
DAGs verfügen auch über einen Mechanismus zur Vermeidung von Doppelausgaben. Er ist ähnlich, aber ohne Miner. Wenn ein Knoten ältere Transaktionen bestätigt, prüft er einen vollständigen Pfad zurück zur allerersten Transaktion des DAG, um sicherzugehen, dass der Absender über ein ausreichendes Guthaben verfügt. Es kann mehrere Pfade geben, aber nur einer muss überprüft werden.
Wenn Benutzer auf einem ungültigen Pfad aufbauen, besteht das Risiko, dass ihre eigene Transaktion ignoriert wird. Ihre Transaktion könnte legitim sein, aber da die vorherige es nicht war, wird niemand diesen bestimmten Pfad erweitern wollen.
Das erscheint zunächst unintuitiv – könnte es nicht dazu kommen, dass mehrere Zweigstellen existieren, die sich gegenseitig nicht kennen? Könnten die Leute dann nicht die gleichen Mittel für diese verschiedenen Zweigstellen ausgeben?
Das ist tatsächlich eine Möglichkeit, wird aber durch einen Auswahlalgorithmus gelöst, der Tipps mit einem höheren kumulierten Gewicht bevorzugt. Das bedeutet, dass Sie mit der Zeit einen Zweig erhalten, der viel stärker ist als der Rest. Schwächere Zweige werden aufgegeben und das Netzwerk baut auf dem schwersten Zweig weiter auf.
Wie bei Blockchains gibt es keine absolute Endgültigkeit – Sie können nie 100 % sicher sein, dass eine Transaktion nicht rückgängig gemacht wird. Es ist unglaublich unwahrscheinlich, aber Sie könnten theoretisch einen Bitcoin- oder Ethereum-Block „rückgängig machen“ und alle darin enthaltenen Transaktionen rückgängig machen. Je mehr Blöcke nach dem Block hinzugefügt werden, in dem sich Ihre Transaktion befindet, desto mehr Vertrauen können Sie in sie haben. Aus diesem Grund wird empfohlen, dass Sie sechs Bestätigungen abwarten, bevor Sie Geld ausgeben.
In einem DAG wie dem Tangle von IOTA gibt es eine Idee der Bestätigungssicherheit. Der Auswahlalgorithmus wird 100 Mal ausgeführt und Sie zählen, wie oft Ihre Transaktion in den ausgewählten Tipps direkt oder indirekt genehmigt wurde. Je höher der Prozentsatz, desto sicherer können Sie sein, dass Ihre Transaktion „abgewickelt“ bleibt.
Dies mag den Anschein erwecken, als würde dies zu einer schlechten Benutzererfahrung führen. Aber das ist nicht der Fall. Wenn Alice Bob 10 MagicDAGTokens schickt, muss sie sich keine Gedanken darüber machen, die richtigen Spitzen des Diagramms auszuwählen. Im Hintergrund könnte ihre Wallet Folgendes tun:
Wählen Sie wichtige Tipps aus (denken Sie daran, dass dies diejenigen mit den meisten Bestätigungen sind).
Verfolgen Sie die vorherigen Transaktionen, um sicherzustellen, dass das Trinkgeld ein ausreichendes Guthaben zum Ausgeben aufweist.
Sobald sie zufrieden sind, fügen sie ihre Transaktion zum DAG hinzu und bestätigen damit die Transaktionen, auf denen sie basieren.
Für Alice sieht das wie der normale Arbeitsablauf bei Kryptowährungen aus. Sie gibt Bobs Adresse und den Betrag ein, den sie ausgeben möchte, und drückt dann auf Senden. Die obige Liste ist der Proof of Work, den jeder Teilnehmer beim Erstellen einer Transaktion ausführt.
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Vor- und Nachteile gerichteter azyklischer Graphen
Vorteile von DAGs
Geschwindigkeit
Ohne Einschränkungen durch Blockzeiten kann jeder seine Transaktionen jederzeit senden und verarbeiten lassen. Es gibt keine Begrenzung für die Anzahl der Transaktionen, die Benutzer übermitteln, vorausgesetzt, sie bestätigen dabei ältere Transaktionen.
Kein Bergbau
DAGs verwenden keine PoW-Konsensalgorithmen in der gewohnten Weise. Ihr CO2-Fußabdruck beträgt daher nur einen Bruchteil des von Kryptowährungen, die auf Mining angewiesen sind, um ihr Blockchain-Netzwerk zu sichern.
Keine Transaktionsgebühren
Da es keine Miner gibt, müssen Benutzer für die Übertragung ihrer Transaktionen keine Gebühren zahlen. Allerdings verlangen einige, dass eine geringe Gebühr an spezielle Arten von Knoten gezahlt wird. Niedrige Gebühren (oder besser noch gar keine Gebühren) sind für Mikrozahlungen verlockend, da ihr Zweck durch erhebliche Netzwerkgebühren zunichte gemacht wird.
Keine Skalierbarkeitsprobleme
Da sie nicht durch Blockzeiten eingeschränkt sind, können DAGs viel mehr Transaktionen pro Sekunde verarbeiten als herkömmliche Blockchain-Netzwerke. Viele Befürworter glauben, dass sie dadurch in Anwendungsfällen des Internets der Dinge (IoT), in denen alle Arten von Maschinen miteinander interagieren, wertvoll werden.
Nachteile von DAGs
Nicht völlig dezentralisiert
Protokolle, die auf DAGs basieren, weisen verschiedene Elemente der Zentralisierung auf. Für einige ist es angeblich eine kurzfristige Lösung, um das Netzwerk hochzufahren, aber es bleibt abzuwarten, ob DAGs ohne die Einmischung Dritter erfolgreich sein können. Andernfalls sind sie anfällig für Angriffsmethoden, die ihre Netzwerke letztendlich lahmlegen könnten.
Nicht im großen Maßstab getestet
Obwohl es DAG-basierte Kryptowährungen schon seit einigen Jahren gibt, haben sie noch einen langen Weg vor sich, bis sie weit verbreitet sind. Daher ist es schwierig vorherzusagen, welche Anreize Benutzer in Zukunft haben könnten, das System auszunutzen.
Abschließende Gedanken
Gerichtete azyklische Graphen sind sicherlich eine interessante Technologie zum Aufbau von Kryptowährungsnetzwerken. Bisher gibt es relativ wenige Projekte, die diese Datenstruktur verwenden, und sie müssen sich noch vollständig weiterentwickeln.
Wenn sie ihr Potenzial jedoch voll ausschöpfen können, könnten sie massiv skalierbare Ökosysteme antreiben. Die DAG-Technologie bietet unzählige Anwendungsfälle in Bereichen, in denen ein hoher Durchsatz und keine Gebühren erforderlich sind, wie etwa im Internet der Dinge (IoT) und bei Mikrozahlungen.
