WAISENKIND VS. ONKEL BLOCKS: DIE WICHTIGSTEN UNTERSCHIEDE

Definition von verwaisten und Onkel-Blöcken

In der komplexen Welt der Blockchain-Technologie spielen „verwaiste“ und „Onkel-Blöcke“ eine wichtige Rolle für die Datenverteilung und den Konsens in dezentralen Netzwerken. Obwohl die Begriffe manchmal synonym verwendet werden, bezeichnen sie unterschiedliche Konzepte, insbesondere im Hinblick auf verschiedene Blockchain-Protokolle wie Bitcoin und Ethereum.

Was ist ein verwaister Block?

Ein verwaister Block ist ein gültiger Block, der fast gleichzeitig mit einem anderen Block geschürft, aber letztendlich nicht in die längste Kette, die sogenannte „Hauptkette“, eines Blockchain-Netzwerks aufgenommen wurde. Dies kann passieren, wenn zwei Miner gleichzeitig einen Block lösen und dadurch eine temporäre Abspaltung (Fork) erzeugen. Das Netzwerk löst diese Abspaltung schließlich auf, indem es einen Block in die Hauptkette aufnimmt – in der Regel denjenigen, der die Basis für weitere Blöcke bildet – und den anderen ablehnt. Der abgelehnte Block wird zu einem verwaisten Block.

Wichtige Merkmale verwaister Blöcke sind:

• Sie sind hinsichtlich der Rechenleistung gültig, werden aber aus der Hauptkette entfernt.
• Sie tragen nicht zur Transaktionshistorie des Netzwerks bei.
• Sie bringen ihren Minern in Protokollen wie Bitcoin keine Blockbelohnungen ein.

Was ist ein Uncle-Block?

Ein Uncle-Block (auch „Ommer-Block“ genannt) ist ein teilweise gültiger Block, der in bestimmten Netzwerken wie Ethereum anerkannt wird. Wie verwaiste Blöcke entstehen Uncle-Blöcke, wenn zwei Blöcke fast gleichzeitig geschürft werden, aber nur einer in die Hauptkette gelangt. Im Gegensatz zu verwaisten Blöcken werden Uncle-Blöcke jedoch nicht vollständig ignoriert. In Ethereum werden Onkelblöcke von späteren Blöcken referenziert und weiterhin belohnt, wenn auch mit einer reduzierten Rate.

Bemerkenswerte Merkmale von Onkelblöcken sind:

• Es handelt sich um gültige Blöcke, die nicht für die längste Kette ausgewählt wurden, aber dennoch anerkannt werden.
• Ethereum belohnt die Miner von Onkelblöcken, um die Dezentralisierung zu fördern.
• Sie tragen teilweise zur Netzwerksicherheit und zur fairen Blockverteilung bei.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich sowohl verwaiste als auch Onkelblöcke zwar aus derselben Situation ergeben – konkurrierende Blöcke werden gleichzeitig erzeugt –, sie aber im Netzwerk unterschiedlich behandelt werden. Verwaiste Blöcke werden verworfen, während Onkelblöcke weiterhin eine Rolle im Konsensprozess spielen können.

Technische Unterschiede in Blockchain-Protokollen

Um den Unterschied zwischen verwaisten und Onkel-Blöcken besser zu verstehen, müssen wir untersuchen, wie verschiedene Blockchain-Protokolle die Blockverteilung und den Konsens handhaben, insbesondere bei Bitcoin und Ethereum. Die Protokolle definieren nicht nur, was diese Blöcke ausmacht, sondern auch, wie sie sich auf Mining-Anreize, Sicherheit und Skalierbarkeitsmechanismen auswirken.

Bitcoin und verwaiste Blöcke

In der Bitcoin-Blockchain kann es vorkommen, dass Knoten vorübergehend unterschiedliche Versionen der Blockchain empfangen und verteilen, wenn zwei Miner einen Block nahezu gleichzeitig lösen. Der Bitcoin-Konsens bestimmt mithilfe des Nakamoto-Konsens, welcher Block Teil der Hauptkette wird: Die Kette mit dem höchsten kumulierten Proof-of-Work wird als gültige Kette anerkannt. Der verworfene Block wird dann als verwaist betrachtet.

Dies hat mehrere Konsequenzen:

• Miner, die verwaiste Blöcke erzeugen, verlieren ihre Blockbelohnungen und Transaktionsgebühren.
• Dies fördert zentralisiertes Mining-Verhalten, bei dem Miner versuchen, schnell die längste Kette zu finden und darauf aufzubauen.
• Verwaiste Blöcke werden nicht im permanenten Ledger gespeichert und nicht zur Transaktionsvalidierung verwendet.

Bei Bitcoin gibt es keinen formalen Uncle-Mechanismus. Das Protokoll behandelt alle Blöcke außerhalb der Hauptkette als vollständig verwaist, ohne dass ein Wiederherstellungspfad oder eine Teilbelohnung verfügbar ist.

Ethereum und Uncle-Blöcke

Ethereum hat einen umfassenderen Mechanismus eingeführt, der veraltete Blöcke als „Uncles“ erkennt. Das GHOST-Protokoll (Greedy Heaviest Observed Subtree) ermöglicht es Ethereum, Onkel (Uncles) indirekt in seine Blockchain einzubinden:Blöcke können auf frühere, veraltete Blöcke (Uncles) verweisen, um die Fairness des Netzwerks zu gewährleisten.Die Belohnungen für Onkel (in der Regel ein Bruchteil der vollen Blockbelohnung) werden an den Miner des Onkels und den Miner, der ihn in einen zukünftigen Block einbindet, verteilt.Gemäß den Ethereum-1.0-Regeln können maximal zwei Onkel pro Block eingebunden werden.Dieses Design verbessert die Zentralisierungsresistenz von Ethereum und fördert die Beteiligung, indem es für ähnliche Mining-Versuche Teilbelohnungen vergibt. Es ermöglicht außerdem schnellere Blockzeiten (ca. 13 Sekunden im Vergleich zu Bitcoins 10 Minuten), was die Wahrscheinlichkeit von Blockkollisionen erhöht, ohne Miner so stark zu bestrafen wie Bitcoin.Mit dem Wechsel von Ethereum 2.0 zu Proof of Stake wird die Bedeutung der Onkel-Miner voraussichtlich abnehmen, sie bleiben aber ein wichtiges Merkmal des vorherigen Blockpropagationsmodells von Ethereum.

Auswirkungen auf Netzwerksicherheit und Mining

Der Umgang mit verwaisten und Onkel-Blöcken hat tiefgreifende Auswirkungen auf die Sicherheit, Effizienz und Mining-Strategien des Netzwerks. Unterschiedliche Ansätze zur Blockerkennung können das Verhalten der Miner, die Transaktionsfinalität und die Dezentralisierungsdynamik im gesamten Netzwerk beeinflussen.

Auswirkungen auf die Mining-Effizienz

Aus Sicht der Miner stellt die Erzeugung eines Blocks, der außerhalb der Hauptkette landet (entweder verwaist oder Onkel), eine Verschwendung von Ressourcen dar. Da Mining ein wettbewerbsintensiver und ressourcenintensiver Prozess ist, beeinflusst die Art und Weise, wie eine Blockchain veraltete Blöcke belohnt oder ignoriert, die Betriebsstrategien:

• Bitcoin-Miner bevorzugen es, auf Blöcken aufzubauen, von denen sie wissen, dass sie sich in der Hauptkette befinden. Verwaiste Blöcke bieten keine Belohnung und führen unter Latenzbedingungen zu einem Wettlauf um die schnellste Veröffentlichung.Die Teilbelohnungen von Ethereum für Onkelblöcke reduzieren dieses Risiko und machen das Ökosystem attraktiver für kleinere Miner oder solche, die weiter von Netzwerkzentren entfernt sind.Dies führt zu einer Asymmetrie: Ethereum fördert durch Onkelblöcke eine breitere Beteiligung und ein ausgewogeneres Mining-Verhalten, wodurch die Konzentration der Hash-Leistung verringert und die Dezentralisierung gestärkt wird.Überlegungen zur NetzwerksicherheitDie Sicherheit in Blockchain-Netzwerken ist eng mit dem Konsensprozess verknüpft. Die Behandlung von verwaisten und Onkel-Blöcken beeinflusst Folgendes:
  • Endgültigkeit: Die Wahrscheinlichkeit, dass eine Transaktion rückgängig gemacht wird, ist in einem Netzwerk mit vielen verwaisten Blöcken höher, da Forks eine Blockreorganisation auslösen können.
  • Anreizstruktur: Die Belohnung von Onkel-Blöcken verringert die wirtschaftlichen Vorteile zentralisierter Mining-Infrastruktur und verbessert so die Fairness des Protokolls.

  Wenn Bitcoin beispielsweise einen verwaisten Block auflöst, werden alle Transaktionen dieses Blocks potenziell dem Mempool zurückgegeben und in nachfolgende Blöcke aufgenommen. Dies kann zu Transaktionsverzögerungen und in seltenen Fällen sogar zu Doppelausgaben führen.

  Im Gegensatz dazu verstärkt die Verwendung von Onkel-Blöcken bei Ethereum den Netzwerkdurchsatz und beschleunigt die Bestätigungen, ohne die Sicherheit wesentlich zu beeinträchtigen. Es reduziert außerdem den Zentralisierungsdruck und ermöglicht es Knoten mit geringerer Latenz (z. B. einzelnen Minern), am Belohnungspool teilzuhaben.

  Anpassungen in modernen Blockchain-Netzwerken

  Moderne Blockchain-Protokolle bauen auf diesen Prinzipien auf.

  Zum Beispiel:
  • Protokolle wie Ethereum Classic verwenden ebenfalls Uncle-Blöcke, unterscheiden sich aber in der Berechnung der Uncle-Belohnungen.
  • Horizen und Zilliqa haben alternative Lösungen wie Sharding und Network Splitting eingeführt, um die Anzahl verwaister Blöcke zu reduzieren.
  • Neuere Proof-of-Stake (PoS)-Netzwerke umgehen das Konzept verwaister und Uncle-Blöcke tendenziell vollständig und setzen stattdessen stärker auf Finalität durch Validator-Konsens anstatt auf Mining-Wettbewerb.

  Obwohl verwaiste und Uncle-Blöcke im Wesentlichen auf derselben technischen Einschränkung beruhen – der Blockzeitlatenz in global verteilten Netzwerken –, passt sich jede Blockchain individuell an. Die Entscheidung, ob diese Blöcke verworfen oder übernommen werden, offenbart die Kernwerte des Netzwerks: Effizienz, Fairness oder Sicherheit als Priorität.Das Verständnis dieser Mechanismen stärkt nicht nur Entwickler und Miner, sondern beeinflusst auch die Entscheidungen von Unternehmen, die Anwendungen auf Blockchain-Plattformen entwickeln, insbesondere bei der Wahl zwischen Netzwerken wie Bitcoin und Ethereum.