Was ist ein gerichteter azyklischer Graph (DAG) als DLT?

Verstehen gerichteter azyklischer Graphen in der Distributed-Ledger-Technologie

1. Ein gerichteter azyklischer Graph (DAG) ist eine Datenstruktur, die in der Distributed-Ledger-Technologie (DLT) verwendet wird und sich grundlegend von herkömmlichen Blockchain-Architekturen unterscheidet. Anstatt Transaktionen in sequentiell verketteten Blöcken zu organisieren, ermöglichen DAG-Strukturen die direkte Verknüpfung jeder Transaktion mit einer oder mehreren vorherigen Transaktionen. Dadurch entsteht eine netzartige Struktur, in der Informationen in eine Richtung fließen, ohne Zyklen zu bilden.

2. In einem DAG-basierten DLT-System muss jede neue Transaktion eine oder mehrere vorherige unbestätigte Transaktionen validieren, bevor sie dem Netzwerk hinzugefügt wird. Dieser Mechanismus macht Miner und Blockbestätigungen überflüssig, wodurch die Latenz erheblich reduziert und ein hoher Durchsatz ermöglicht wird. Das Fehlen von Blöcken ermöglicht eine asynchrone Transaktionsverarbeitung, wodurch das Netzwerk mit zunehmender Beteiligung skalierbar wird.

3. Im Gegensatz zu Blockchain-Systemen, bei denen es aufgrund von Blockgrößenbeschränkungen und Mining-Intervallen häufig zu Engpässen kommt, unterstützen DAG-Netzwerke von Natur aus die parallele Transaktionsvalidierung. Jeder Knoten trägt zum Konsens bei, indem er frühere Transaktionen genehmigt und so die Arbeitslast über das Netzwerk verteilt. Dies führt zu schnelleren Bestätigungszeiten und einem geringeren Energieverbrauch im Vergleich zu Proof-of-Work-Blockchains.

4. Die Sicherheit in DAG-basierten Systemen beruht auf kumulativer Gewichtung und Pfadvalidierung und nicht auf Regeln der längsten Kette. Transaktionen gewinnen an Vertrauen, da sie von nachfolgenden Einträgen referenziert werden, wodurch Ebenen der indirekten Verifizierung entstehen. Einige Implementierungen verwenden in frühen Phasen Koordinatorknoten, um Angriffe zu verhindern. Das Ziel besteht jedoch normalerweise darin, im Laufe der Zeit eine vollständige Dezentralisierung zu erreichen.

5. Beispiele für DAG-basierte Kryptowährungen sind IOTA, das eine Struktur namens Tangle verwendet, und Nano, das ein Block-Gitter-Modell verwendet, bei dem jedes Konto über eine eigene Blockchain verfügt. Diese Systeme zielen darauf ab, gebührenfreie Mikrotransaktionen und sofortige Abrechnungen bereitzustellen und zielen auf Anwendungen im IoT und in Echtzeit-Zahlungsökosystemen ab.

Vorteile von DAG gegenüber herkömmlichen Blockchains

1. Einer der größten Vorteile von DAG ist seine Skalierbarkeit. Je mehr Benutzer dem Netzwerk beitreten und Transaktionen einreichen, desto schneller wird der Validierungsprozess, da jede neue Transaktion ältere bestätigt. Dies steht im Gegensatz zu Blockchains, wo eine erhöhte Nutzung häufig zu Überlastungen und höheren Gebühren führt.

2. In DAG-Systemen fallen in der Regel keine Transaktionsgebühren an. Da es keine Miner gibt, die Anreize bieten könnten, müssen Benutzer nicht für Rechenressourcen bezahlen. Dies macht DAG ideal für Mikrozahlungen und Maschine-zu-Maschine-Ökonomien, in denen häufig Überweisungen mit geringem Betrag erfolgen.

3. Energieeffizienz ist ein weiterer großer Vorteil. Ohne die Notwendigkeit von Proof-of-Work-Mining- oder Absteckmechanismen verbrauchen DAG-Netzwerke nur minimalen Strom. Knoten führen nur einfache Berechnungen durch, um Vorgänger zu genehmigen, wodurch die Umweltbelastung drastisch reduziert wird.

4. In gut gestalteten DAG-Protokollen wird die Endgültigkeit schnell erreicht. Sobald eine Transaktion auf mehreren Wegen genügend Genehmigungen erhält, wird sie innerhalb von Sekunden unveränderlich. Diese nahezu sofortige Abwicklung verbessert das Benutzererlebnis und unterstützt zeitkritische Anwendungen wie Massenzahlungen oder Lieferkettenverfolgung.

5. Der dezentrale Konsens entsteht organisch mit zunehmender Beteiligung. Jeder Teilnehmer fungiert sowohl als Absender als auch als Validator und stärkt so die Netzwerkintegrität, ohne auf zentralisierte Behörden oder spezielle Hardware angewiesen zu sein.

Herausforderungen und Einschränkungen DAG-basierter Systeme

1. Das Erreichen von Sicherheit ohne Koordinatoren bleibt in Zeiten geringer Aktivität eine Herausforderung. Ein geringes Transaktionsvolumen kann das Netzwerk anfällig für Spam- oder Double-Spend-Angriffe machen und vorübergehende Zentralisierungsmaßnahmen erfordern, bis die Aktivität eine kritische Masse erreicht.

2. Es kann zu verwaisten Transaktionen kommen, wenn Teile des Netzwerks ohne ausreichende Synchronisierung unabhängig voneinander arbeiten. Diese unbestätigten Einträge erfordern zusätzliche Mechanismen, um sie wieder in das Hauptnetz validierter Daten zu integrieren.

3. Komplexität bei der Konfliktlösung entsteht, wenn widersprüchliche Transaktionen gleichzeitig in das System gelangen. Die Lösung solcher Streitigkeiten erfordert hochentwickelte Algorithmen, die das Transaktionsgewicht, die Ankunftszeit und die Genehmigungspfade bewerten, um die Legitimität festzustellen.

4. Aufgrund der Unkenntnis von Nicht-Blockchain-Architekturen bestehen Einführungshürden. Für Entwickler und Unternehmen, die an Ethereum- oder Bitcoin-Modelle gewöhnt sind, ist die DAG-Logik möglicherweise schwerer zu verstehen, was die Integration in die bestehende Finanzinfrastruktur verlangsamt.

5. Die eingeschränkte Smart-Contract-Funktionalität schränkt die Programmierbarkeit vieler DAG-Plattformen ein. Obwohl Fortschritte erzielt werden, bleibt die Unterstützung komplexer dezentraler Anwendungen im Vergleich zu Blockchains auf Basis virtueller Maschinen technisch eine Herausforderung.

Häufig gestellte Fragen

Wie funktioniert Konsens in einem DAG-Netzwerk? Der Konsens in der DAG wird durch die direkte Validierung früherer Transaktionen erreicht. Wenn ein Benutzer eine neue Transaktion übermittelt, muss er mindestens eine vorherige unbestätigte Transaktion überprüfen. Im Laufe der Zeit sammeln allgemein akzeptierte Transaktionen mehr Genehmigungen an und stellen so ihre Gültigkeit im gesamten Netzwerk fest.

Kann DAG Smart Contracts unterstützen? Einige DAG-basierte Plattformen entwickeln Smart-Contract-Funktionen, die Implementierung ist jedoch komplexer als bei herkömmlichen Blockchains. Aktuelle Lösungen konzentrieren sich eher auf einfache Automatisierung und bedingte Übertragungen als auf vollständige Turing-vollständige Ausführungsumgebungen.

Ist DAG wirklich dezentralisiert? Der Grad der Dezentralisierung hängt von der konkreten Umsetzung ab. DAG-Netzwerke im Frühstadium verlassen sich manchmal auf Koordinatorknoten, um sich vor Angriffen zu schützen. Ausgereifte Netzwerke zielen darauf ab, diese Koordinatoren zu entfernen und einen vollständig dezentralen Betrieb zu ermöglichen, sobald das Transaktionsvolumen natürliche Sicherheit gewährleistet.

Was verhindert doppelte Ausgaben in einem DAG-System? Doppelte Ausgaben werden durch den Genehmigungsmechanismus und die kumulative Gewichtung abgemildert. Wenn zwei widersprüchliche Transaktionen übermittelt werden, wird nur diejenige als gültig betrachtet, die weitere nachfolgende Validierungen erhält. Knoten befolgen strengste Sub-DAG-Regeln, um eine Einigung über den legitimen Transaktionsverlauf sicherzustellen.