a16z definiert „starke Kettenqualität“: Mit 3 % Staking kann jeder Block 3 % Platz garantieren, virtuelle Fahrspuren gestalten die Fairness der Blockchain neu.

a16z Forschungsteam hat das Konzept der „Strong Chain Quality“ (SCQ) vorgestellt, das die traditionelle Chain Quality (CQ) von einem zeitlichen Durchschnitt auf eine feine Verteilung innerhalb jedes Blocks erweitert: Wer 3% an Staking besitzt, erhält eine Garantie von 3% des Blockraums in jedem Block. Dieser Artikel wurde von CoinDesk übersetzt und bearbeitet und basiert auf dem a16z Crypto Forschungsbericht.
(Vorgeschichte: Bitcoin erlebt seltene zwei Block-Reorganisationen: Foundry USA schürft 7 Blöcke und besiegt AntPool, Bedenken hinsichtlich der Zentralisierung der Mining-Pools treten auf)
(Hintergrund: Vitalik positioniert Ethereum neu als „Schutztechnologie“, drei Mechanismen lassen die On-Chain-Zensur in die Geschichte eingehen)

Inhaltsverzeichnis

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• Von CQ zu SCQ: Grundlegender Wandel der Granularität
• Virtuelle Fahrspuren: Ökonomische Abstraktionsebene der SCQ
• Theoretische Verbindung zwischen SCQ und Zensurresistenz
• Wie man SCQ in der Praxis erhält
• Außerhalb von SCQ: Offenes Problem der Transaktionsreihenfolge

Die zentralen Sicherheitsattribute von Blockchain-Protokollen werden traditionell durch „Chain Quality“ (CQ) gemessen: Ein Knotenbündnis, das X% des gesamten Netzwerks an Staking besitzt, sollte mit einer Wahrscheinlichkeit von X% der Blockproduzent jedes Blocks werden. Dieses Attribut war in den frühen Blockchains mit niedriger Durchsatzrate ausreichend: Wenn die Transaktionskapazität jedes Blocks begrenzt ist, entspricht es fast dem, wer die Kontrolle über den gesamten Inhalt dieses Blocks hat.

Mit der erheblichen Steigerung der Durchsatzrate moderner Blockchains, die Hunderte bis Tausende von Transaktionen pro Block aufnehmen können, ist die Granularität der traditionellen CQ nicht mehr ausreichend, um die Fairness der Verteilung des Blockraums (blockspace) zu beschreiben. Daher hat das a16z Forschungsteam das präzisere Konzept der „Strong Chain Quality“ (SCQ) entwickelt, das den Schutzbereich von „zeitlichem Durchschnitt der Blockproduzenten“ auf „Anteil des Blockraums innerhalb jedes Blocks“ erweitert.

Von CQ zu SCQ: Grundlegender Wandel der Granularität

Traditionelle verteilte Berechnungen teilen die Teilnehmer in ehrliche und böswillige Akteure ein, wobei ehrliches Verhalten als Teil der Modellannahme betrachtet wird, ohne dass zusätzliche Anreize erforderlich sind. In der Kryptowährungsökonomie werden jedoch alle Teilnehmer als rationale Akteure mit unbekannten Nutzenfunktionen betrachtet, und das Ziel des Protokolldesigns besteht darin, das Verhalten zur Gewinnmaximierung mit dem Erfolg des Protokolls in Einklang zu bringen.

In diesem Rahmen wird die traditionelle CQ formal definiert als: Ein Bündnis, das X% des gesamten Netzwerks an Staking besitzt, wird nach der global stabilen Zeit (GST) mit einer Wahrscheinlichkeit von X% der Blockproduzent jedes in die Blockchain eingehenden Blocks. Abweichungen von diesem Attribut könnten es bestimmten Bündnissen ermöglichen, übermäßige Belohnungen zu akkumulieren, was die Anreizstruktur für ehrliches Verhalten untergraben und die Sicherheit des Protokolls gefährden könnte.

SCQ geht diesen Schutz einen Schritt weiter: Ein Bündnis, das X% des gesamten Netzwerks an Staking besitzt, kann nach der GST X% des Blockraums in jedem Block kontrollieren. Der entscheidende Unterschied liegt in den vier Worten „in jedem Block“ – es handelt sich nicht mehr um einen zeitlichen Durchschnitt, sondern um eine präzise Verteilung pro Block.

Virtuelle Fahrspuren: Ökonomische Abstraktionsebene der SCQ

SCQ impliziert die Entstehung des abstrakten Konzepts der „virtuellen Fahrspuren“ (virtual lanes): Jeder Staking-Knoten hat in jedem Block tatsächlich einen eigenen Kanal mit einem festen Anteil an Blockraums.

Aus wirtschaftlicher Sicht entspricht das Halten einer virtuellen Fahrspur dem Halten eines produktiven Vermögenswerts – diese Fahrspur kann Einnahmen aus Transaktionsgebühren und MEV-Erträgen generieren. Externe Akteure, die diese Fahrspuren erwerben und aufrechterhalten möchten, müssen kontinuierlich Staking akkumulieren, was eine nachhaltige Nachfrage nach den zugrunde liegenden L1-Token schafft. Je höher der wirtschaftliche Wert, den die Fahrspur generieren kann, desto stärker wird der Anreiz zum Staking, und die Fähigkeit der L1-Staking-Token, Wert zu erfassen, steigt entsprechend.

Dieses abstrakte Rahmenwerk bringt auch stärkere Garantien für Zensurresistenz mit sich, die sich in den Gültigkeitseigenschaften (validity property) des SCQ-Protokolls widerspiegeln. Es ist wichtig zu beachten, dass SCQ nicht erfordert, dass alle ehrlichen Transaktionen zwangsläufig einbezogen werden – in der realen Situation, in der die Nachfrage nach Blockraum das Angebot übersteigt, ist eine idealisierte vollständige Zensurresistenz nicht möglich. Das Design von SCQ zielt darauf ab, jedem Staking-Knoten innerhalb begrenzter Kapazitätsrestriktionen ein sicheres Budget für die Einbeziehung von Transaktionen zu geben.

Theoretische Verbindung zwischen SCQ und Zensurresistenz

Jüngste Forschungen haben die Bedeutung von „sofortiger Zensurresistenz“ betont – die Eingaben ehrlicher Akteure sollten sofort (und nicht erst schließlich) einbezogen werden. SCQ kann als Erweiterung dieses Attributs unter festen Blockkapazitätsbeschränkungen betrachtet werden.

Basierend auf bestehenden PBFT-Stil-Konsensprotokollen wurde das MCP-Protokoll (Multi-proposer Consensus Protocol) als zusätzliches Modul vorgeschlagen, um Zensurresistenz zu gewährleisten. MCP erfüllt gleichzeitig die SCQ-Eigenschaften, indem es den Blockraum der Blockproduzenten proportional nach Staking-Anteilen verteilt (siehe Abschnitt 5.3 des MCP-Papiers). Bestehende DAG-Architektur-BFT-Protokolle bieten einen Implementierungsweg für einen multiplen Mempool, der ebenfalls ein gewisses Maß an Zensurresistenz bieten kann.

Jedoch erreichen die Standardimplementierungen dieser Protokolle nicht strikt SCQ, da der Führer (leader) immer noch selektiv die Verarbeitung bestimmter Transaktionsuntergruppen verzögern kann. Eine Feinabstimmung dieser Protokolle könnte sie dazu bringen, wieder den SCQ-Anforderungen zu entsprechen. Mechanismen zur erzwungenen Transaktionsaufnahme (forced transaction inclusion) sind ebenfalls ein Forschungsfeld, wobei EIP-7805 ein konkreter Vorschlag innerhalb des Ethereum-Ökosystems ist.

MCP zeigt zudem, wie stärkere Datenschutzmerkmale erlangt werden können: Staking-Inhaber können „virtuelle private Fahrspuren“ einrichten, deren Inhalte nur veröffentlicht werden, wenn der gesamte Block offengelegt wird. Dieses Merkmal wird in künftigen Forschungen weiter untersucht werden.

Wie man SCQ in der Praxis erhält

Auf der Grundlage bestehender ansichtsbasierten (view-based) BFT-Protokolle ist es ausreichend, zwei Kommunikationsrunden und zwei kleine Anpassungen vorzunehmen, um nach der GST SCQ-Garantien zu erreichen. Der Protokollentwurf ist wie folgt:

Erste Runde: Jeder Teilnehmer sendet seine zertifizierten Eingaben (certified input) an alle Parteien.

Zweite Runde: Nach Erhalt der zertifizierten Eingaben des Teilnehmers i wird i in seine eigene Eintragungsliste (inclusion list) aufgenommen. Jeder Teilnehmer sendet dann die Eintragungsliste an den Führer, was im Wesentlichen das Versprechen darstellt, nur Blöcke zu akzeptieren, die alle Eingaben aus der Eintragungsliste enthalten.

BFT-Vorschlagsphase: Der Führer nimmt nach Erhalt dieser Nachrichten die Vereinigung aller Eintragungsliste in den Block auf.

BFT-Abstimmungsphase: Teilnehmer stimmen nur über Blöcke ab, die alle Eingaben aus ihrer Eintragungsliste enthalten.

Dieser Protokollentwurf kann in ein vollständiges Protokoll umgewandelt werden, das nach der GST SCQ erfüllt, Zensurresistenz bietet und unter ehrlichen Führern die Lebendigkeit (liveness) aufrechterhält. Um auch vor der GST SCQ zu erreichen, muss jede Runde auf eine ausreichende Anzahl von Knotenwerten oder Listen warten, um eine gesetzliche Mehrheit (quorum) zu bilden. Jüngste Forschungen haben gezeigt, dass SCQ und Zensurresistenz zwei zusätzliche Kommunikationsrunden über die Abstimmungsrunden der regulären BFT-Protokolle erfordern, was mit dem Design des oben genannten Protokollentwurfs übereinstimmt.

Außerhalb von SCQ: Offenes Problem der Transaktionsreihenfolge

Es ist erwähnenswert, dass SCQ den Anteil des Blockraums, den jedes Bündnis kontrollieren kann, festlegt, jedoch nicht die Reihenfolge der Transaktionsausführung innerhalb des Blockraums vollständig regelt. SCQ kann als: Reservierung von Raum für jeden Staking-Knoten in der Menge verstanden werden, jedoch ohne Garantie für die Reihenfolge der Transaktionen innerhalb der Menge.

Dies eröffnet reichhaltige Forschungsräume für das Design von Transaktionsreihenfolgenmechanismen, um die Fairness und Effizienz des Blockchain-Ökosystems weiter zu verbessern. Ein vielversprechender Ansatz wäre, Transaktionen nach Prioritätsgebühren (priority fees) zu sortieren. Neben bestehenden Herausforderungen wie dem Selfish Mining Problem (in der entsprechenden Literatur als Ideal CQ bezeichnet), dem Tail Forking Resistance von Monad und dem CQ-Problem des Ethereum LMD GHOST-Protokolls (das häufig als „Reorganisation“ bezeichnet wird) eröffnet die Einführung von SCQ neue Forschungsdimensionen für das Design von Blockchain-Protokollen. Die Details der Sortiermechanismen werden in zukünftigen Artikeln weiter untersucht.