Das Proof-of-Stake-Protokoll von Cardano soll zu einer beispiellosen Dezentralisierung führen, aber die Mechanismen, die es antreiben, sind vielen immer noch ein Rätsel. Cardanos Chefwissenschaftler Professor Aggelos Kiayias tauchte tief in Ouroboros ein und erläuterte die Prinzipien, auf denen das ehrgeizige Protokoll basiert.

Das Problem des Aufbaus dezentraler Systeme

Beharrlichkeit und Lebendigkeit – das sind die Kennzeichen erfolgreicher verteilter Hauptbuchsysteme, so Professor Aggelos Kiayias, Chefwissenschaftler bei Cardano. Es scheint jedoch, dass Systeme, die auf den einfachsten Prämissen basieren, am schwierigsten zu liefern sind.

Kiayias Taube tief in die Probleme der dezentralen Systeme eintauchen und einen detaillierten Überblick darüber geben, wie Cardanos Ouroboros es geschafft hat, diese Probleme zu lösen.

Die Beharrlichkeit und Lebendigkeit, die er erwähnte, ist ein Versprechen einer konsistenten Sicht auf alle Teilnehmer eines Systems und eine Garantie für die Reaktionsfähigkeit auf den kontinuierlichen Fluss von Ereignissen, die sich aus ihren Handlungen ergeben. Dies ist in einem zentralisierten System recht einfach und leicht zu erreichen, gibt dem System jedoch einen einzigen Fehlerpunkt und macht es anfällig für Angriffe.

Das Entwerfen eines robusten dezentralen Systems ist eine viel komplexere Aufgabe, da hierfür Modelle entwickelt werden müssen, die systematisch alle unterschiedlichen Bedrohungen des Systems abdecken und nachweisen, dass sowohl die Persistenz als auch die Lebendigkeit jederzeit gewahrt bleiben.

Daher wird ein gut konzipiertes dezentrales System auch dann weiter funktionieren, wenn einige der Parteien vom ordnungsgemäßen Betrieb abweichen. Das System sollte so ausgelegt sein, dass es noch größere Abweichungen in seinem Betrieb bewältigen kann, ohne zu viel Schaden zu erleiden.

Ein zuverlässiges dezentrales System würde formale Garantien gegen verschiedene Arten von Ausfall- und Angriffsmodellen kombinieren, wobei die größte und wichtigste Fehlerklasse die byzantinischen Modelle sind.

Byzantinische Modelle garantieren, dass die Beständigkeit und Lebensdauer des Systems auch dann erhalten bleibt, wenn ein großer Teil der Teilnehmer des Netzwerks willkürlich von den Netzwerkregeln abweicht. Die zweite, aber ebenso wichtige Klasse sind Modelle der Rationalität, bei denen davon ausgegangen wird, dass alle Teilnehmer des Netzwerks rationale Nutzenmaximierer sind, weshalb sich die Eigenschaften des Systems aus ihrem Streben nach Eigennutz ergeben sollten.

Analyse von Ouroboros anhand von zwei Verhaltensweisen

Laut Kiayias ist das, was Ouroboros als Protokoll einzigartig macht, die Tatsache, dass es verschiedene Designelemente kombiniert, die sowohl das oben beschriebene byzantinische als auch das rationale Verhalten berücksichtigen.

Ouroboros verwendet nämlich den Einsatz als primäre Ressource, um die Hebelwirkung zu identifizieren, die die Teilnehmer im System haben. Das Abstecken ist nicht nur resistent gegen Angriffe, die in Proof-of-Work-Protokollen wie dem 51-Prozent-Angriff enthalten sind, sondern macht Ouroboros auch umweltfreundlicher, da für die Ausführung nur minimale physische Ressourcen erforderlich sind.

Ouroboros garantiert auch die dynamische Verfügbarkeit, die ein Proof-of-Work-System niemals bieten könnte – Kiayias sagte, dass das Protokoll auch dann weiter funktioniert, wenn eine willkürlich große Anzahl von Teilnehmern beschließt, das Hauptbuch nicht abzustecken und zu führen.

“Von den aktiven Teilnehmern muss kaum mehr als die Hälfte das Protokoll befolgen – der Rest kann willkürlich abweichen”, schrieb er im Blogbeitrag.

Tatsächlich könnte Ouroboros sogar Spitzen über der 50-Prozent-Schwelle tolerieren, solange sie nicht zu lange anhalten. Diese Flexibilität ermöglicht es Ouroboros, widerstandsfähiger und anpassungsfähiger zu sein als die klassischen byzantinischen Fehlertoleranzprotokolle und deren Modell- Anpassungen. Diese Protokolle müssen eine relativ sichere Vorhersage über die Teilnahme haben, die sie vom Netzwerk erwarten, um funktionieren zu können. Jede Abweichung kann leicht dazu führen, dass sie nicht mehr funktionieren.

Eine andere Sache, die Ouroboros von anderen PoS-Protokollen unterscheidet, ist seine Vertrauenswürdigkeit. Kiayias erklärte, dass für den Beitritt und die Teilnahme am Protokoll keine spezielle gemeinsam genutzte Ressource wie ein Prüfpunkt verfügbar sein muss. Wenn für die Teilnahme am Protokoll nur der öffentliche Genesis-Block der Kette und der Zugriff auf das Netzwerk erforderlich sind, wird der Fehlerpunkt beseitigt, bei dem es sich um eine vertrauenswürdige gemeinsam genutzte Ressource handelt.

Unabhängig davon, wie fortschrittlich diese Funktionen sind, ist mehr als ein gut gestaltetes Netzwerk erforderlich, um Benutzer anzulocken. Dies ist etwas, für das IOHK viel Zeit und Mühe aufgewendet hat, um Shelley, Cardanos Proof-of-Stake-Ära, zu entwerfen. Cardano wusste, dass eine gut geölte Maschine im Wesentlichen wertlos ist, ohne dass jemand sie fährt, und führte einen ziemlich fortschrittlichen Belohnungsmechanismus ein.

Während Auszahlungen für diejenigen, die ihre Münzen im Netzwerk einsetzen, nichts Neues sind, hat Ouroboros einen Mechanismus zur Aufteilung der Belohnungen integriert, der die Netzwerkteilnehmer dazu anregt, sich in operativen Knoten zu organisieren. Diese Knoten, die den meisten als Stake Pools bekannt sind, bieten eine Servicequalität, unabhängig davon, wie der Einsatz auf die Benutzerpopulation verteilt wird, sagte Kiayias:

“Auf diese Weise tragen alle Beteiligten zum Betrieb des Systems bei – sie sorgen für Robustheit und demokratische Repräsentation – und die Kosten für die Wartung des Hauptbuchs werden effizient auf die Benutzer verteilt.”

Die Förderung der Gründung von Organisationen kann jedoch versehentlich zu einer Zentralisierung führen. Dies wurde bei der Entwicklung von Ouroboros nicht übersehen, das über eigene Gegenmaßnahmen verfügt, die die Zentralisierung nicht mehr anregen. Mit einer strengen Kontrolle über die Einsatzpools verhindert das Protokoll eine Situation, in der nur eine Handvoll Betreiber für die Aufrechterhaltung der Blockchain verantwortlich wären.

Ouroboros bietet mehr als man denkt

Während die Entwicklungen in Cardano in letzter Zeit blitzschnell zu verlaufen scheinen, begannen die Arbeiten an dem Protokoll in Wirklichkeit bereits 2015, als die Blockchain erstmals angekündigt wurde. Das Kratzen der Oberfläche zeigt eine fast unglaubliche Menge an Forschung, die in Ouroboros geflossen ist, was Kiayias stolz in seinem Beitrag beschrieben hat.

Er bemerkte, dass die Designelemente von Ouroboros für den durchschnittlichen Protokollbenutzer niemals selbstverständlich sein sollten. Stattdessen wurden sie in von Experten begutachteten Papieren mit einer sorgfältigen Dokumentation geliefert. Alle auf Cardano veröffentlichten Artikel, von denen es bisher mehr als 50 gibt, sind sowohl auf Konferenzen als auch in Veröffentlichungen im Bereich Kryptographie und Cybersicherheit erschienen.

In jedem dieser Artikel werden die spezifischen Arten von Modellen, die zur Analyse des Protokolls verwendet werden, explizit beschrieben und die daraus abgeleiteten Ergebnisse konkret dargelegt.

„Der Aufbau einer integrativen, fairen und belastbaren Infrastruktur für finanzielle und soziale Anwendungen auf globaler Ebene ist heute die große Herausforderung der Informationstechnologie.“

Aus diesem Grund gilt Ouroboros in der Branche als wegweisendes Protokoll. Es bietet nicht nur einzigartige Eigenschaften, die allen durch seinen Open-Source-Code zur Verfügung stehen, sondern auch eine Entwurfsmethode, die erste Prinzipien, Modellierung und Analyse hervorhebt.