DUH-IT

Konsensmechanismen

DUH-IT - Innovationstransfer für die Region Dortmund-Unna-Hamm

Ein Projekt von TU Dortmund und Fraunhofer IML gefördert durch EFRE/JTF NRW

🚀 by Decker

Konsensmechanismen – So hält die Blockchain zusammen!

Warum braucht es Konsens?

Blockchains sind dezentral – niemand ist allein verantwortlich.

Konsensmechanismen sorgen dafür, dass alle sich auf den nächsten Block einigen.

Was leisten sie?

Wählen: Wer darf den nächsten Block erstellen?

Prüfen: Ist der Block gültig?

Schützen: Verhindern Manipulation und Betrug.

🎯Ziel: Vertrauen schaffen ohne zentrale Instanz.

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Proof of Work (PoW)

Das ursprüngliche Blockchain-Konsensmodell

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  • Miner konkurrieren, um ein kryptografisches Rätsel zu lösen
  • Ziel: Einen Hash finden, der unter einem bestimmten Schwellenwert liegt

  • Dazu werden unzählige Hashes pro Sekunde berechnet (Trial & Error)
  • Der erste Miner mit gültigem Hash darf den Block anhängen

  • Sicherheit entsteht durch hohen Rechenaufwand („Work“)
  • Je mehr Miner teilnehmen, desto höher die Netzwerksicherheit

Proof of Work (PoW)

  1. Transaktionen werden im Netzwerk gesammelt
  2. Miner bilden daraus einen Blockkandidaten
  3. Sie variieren die Nonce, bis der Hash gültig ist
  4. Der erste gültige Miner sendet den Block ins Netzwerk
  5. Andere Knoten verifizieren den Block
  6. Miner erhält Belohnung und Transaktionsgebühren
  7. Der Block wird der Blockchain hinzugefügt
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Was passiert wenn zwei Miner gleichzeitig gültige Blöcke finden?

Falls zwei Miner gleichzeitig gültige Blöcke finden, entsteht kurzzeitig ein Fork, der später vom Netzwerk aufgelöst wird.

Stärken und Schwächen von Proof of Work (PoW)

Stärken

  • Sicherheit: Sehr hohe Manipulationssicherheit durch massiven Energie- und Rechenaufwand

  • Bewährtes System: Seit Jahren zuverlässig bei Bitcoin und anderen etablierten Blockchains

  • Dezentralität: Grundsätzlich offen für alle Miner weltweit

  • Transparenz: Einfach nachvollziehbarer und überprüfbarer Konsensmechanismus

Schwächen

  • Energieverbrauch: Extrem hoher Strombedarf durch Mining

  • Machtkonzentration: Große Mining-Pools kontrollieren zunehmend die Rechenleistung

  • 51 %-Attacke: Möglich, wenn ein Akteur oder Pool die Mehrheit der Hashrate besitzt

  • Skalierbarkeit: Langsame Transaktionsverarbeitung und hohe Kosten

Quizfragen

Welche Aussage beschreibt den Proof of Work (PoW)-Mechanismus korrekt?

  • PoW basiert auf der Identität und Reputation der Validatoren.
  • Der erste Miner, der das Rätsel löst, erhält eine Krypto-Belohnung.
  • PoW garantiert sofortige Transaktionsbestätigung.
  • PoW wird in zentralisierten Netzwerken eingesetzt.

Proof of Stake (PoS)

Energieeffizienter Konsens durch Staking

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  • Statt Minern exisitieren Validatoren

  • Auswahl erfolgt anhand des Einsatzes (Stake) an Coins

  • Kombination aus Zufall & Stake-Höhe bestimmt, wer validiert

  • Kein energieintensives Hashing nötig

  • Sicherheit basiert auf finanzieller Haftung → wer betrügt, verliert seinen Stake

  • Ziel: Schnellerer, energieeffizienter Konsens

Proof of Stake (PoS)

  1. Teilnehmer setzen Token als Stake ein
  2. Algorithmus wählt Validatoren zufällig
    →je höher der Stake eines Validatoren, desto wahrscheinlicher wird er gewählt
  3. Validator prüft Transaktionen
  4. Neuer Block wird erzeugt
  5. Andere Validatoren bestätigen den Block
  6. Erfolgreicher Validator nimmt eine Transaktionsgebühr

  • Fehlverhalten führt zu Stake-Verlust
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Stärken und Schwächen von Proof of Stake (PoS)

Stärken

  • Energieeffizienz: Kein Mining → deutlich geringerer Energieverbrauch

  • Skalierbarkeit: Schnellere Blockerstellung und höhere Transaktionsraten

  • Zugang: Keine teure Hardware nötig, geringere Einstiegshürden

  • Wirtschaftliche Sicherheit: Angreifer riskieren ihren eigenen Stake

Schwächen

  • Zentralisierung: Groß-Staker können durch hohe Einlagen überproportionalen Einfluss gewinnen

  • Vermögenskonzentration: „Die Reichen werden reicher“ – Macht verfestigt sich bei Großinvestoren

  • Nothing-at-Stake-Problem: Validatoren könnten mehrere Ketten gleichzeitig unterstützen

  • Erfahrungswert: Weniger langjährig erprobt als PoW

Quizfragen

Welche Aussage beschreibt den Proof of Stake (PoS)-Mechanismus korrekt?

  • PoS benötigt hohe Rechenleistung wie PoW.
  • Es gibt feste Blockbelohnungen unabhängig von Gebühren.
  • PoS nutzt ausschließlich die Identität von Validatoren zur Auswahl.
  • Validatoren werden nach gestaktem Betrag zufällig ausgewählt.

Vergleich von Proof of Work und Proof of Stake

Typ Energiebedarf Skalierung Dezentral. Sicherheit Risiken
PoW Sehr hoch durch Mining Begrenzt durch Blockzeit & Blockgröße Abhängig von Rechenleistung, Bildung großer Pools Sehr hoch, Angriffe teuer 51%-Attacken, Machtkonzentration
PoS Gering, kein Mining nötig Höher dank schnellerer Validierung Abhängig von Zahl und Anteil der Staker Hoch, ökonomische Strafen sichern System Zentralisierung bei Groß-Stakern

Die beiden vorgestellten Konsensmechanismen PoW und PoS sind die wichtigsten und am weitesten verbreiteten Verfahren.

Daneben existieren jedoch viele weitere Mechanismen, von denen im Folgenden drei exemplarisch vorgestellt werden.

Delegated Proof of Stake (DPoS)

eine Erweiterung des PoS

  • Delegation: Tokenhalter wählen eine kleine Gruppe von Delegierten zur Blockvalidierung
  • Effizienz: Wenige Validatoren → schnellere Blöcke und Transaktionen
  • Governance: Delegierte können abgewählt/ersetzt werden → Community-Kontrolle
  • Stake-basiert: Einfluss der Wähler hängt von gestakten Coins ab

Proof of Authority (PoA)

  • Konsensmechanismus mit vertrauenswürdigen Validatoren
  • Auswahl basiert auf Identität und Reputation

→Validatoren bekannt und vertrauenswürdig, Auswahl basiert auf Ruf statt Coin-Stake

  • Validatoren werden von zentralem Gremium/Konsortium bestimmt
  • Häufig in privaten/konsortialen Blockchains
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Proof of Activity (PoAc)

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  • Hybrid-Konsens: Kombination aus PoW und PoS
  • Miner erzeugen zunächst einen leeren PoW-Block
  • Stake-Miner werden zufällig ausgewählt, fügen Transaktionen hinzu und signieren den Block
  • Belohnung wird zwischen PoW-Miner und PoS-Validatoren geteilt

Vergleich der Konsensmechanismen

Konsensmechanismus Energieeffizienz Skalierbarkeit Dezentralisierung Sicherheit
Proof of Work – – + ++
Proof of Stake ++ ++ + +
Delegated Proof of Stake ++ ++ – +
Proof of Authority ++ + – –
Proof of Activity – + + +

Quellen

Michniewicz, Malgorzata, 2025; Consensus Mechanisms in Blockchain Networks

Coinbase Learn – Nachweis der Arbeit vs. Nachweis des Einsatzes: Was ist der Unterschied?

Ethereum.org – Konsensmechanismen erklärt

Bildquellen

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Blockchain in der Logistik: Innovationstransfer für die Modellregion „Dortmund-Unna-Hamm“

Die Erstellung dieser Inhalte wurde durch das Forschungsprojekt DUH-IT gefördert.

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