Wie ist der Zustand einer Blockchain und wie verändert ihn jeder neue Block?

Den Blockchain-Status verstehen

1. Der Status einer Blockchain bezieht sich auf die aktuelle Momentaufnahme aller Daten, die zu einem bestimmten Zeitpunkt im Netzwerk gespeichert sind. Dazu gehören Kontostände, Smart-Contract-Code und -Speicherung, Transaktionshistorien und alle anderen vom System verwalteten Informationen.

2. In Systemen wie Ethereum wird der Zustand nicht direkt in Blöcken gespeichert. Stattdessen wird es über eine Struktur namens Merkle Patricia Trie verwaltet, die eine effiziente und sichere Überprüfung der Daten ermöglicht. Jeder Knoten im Netzwerk verwaltet eine lokale Kopie dieses Zustands.

3. Der Zustand ist dynamisch und entwickelt sich mit jedem neuen Block, der der Kette hinzugefügt wird. Es spiegelt das kumulative Ergebnis aller bis zu diesem Zeitpunkt ausgeführten Transaktionen wider und gewährleistet so Konsistenz und Integrität über alle dezentralen Teilnehmer hinweg.

4. Im Gegensatz zur Blockchain selbst, die nur angehängt werden kann, kann der Status aktualisiert werden. Diese Aktualisierungen werden jedoch streng durch Konsensregeln bestimmt und erfolgen nur, wenn Transaktionen validiert und in einen neuen Block aufgenommen werden.

5. Der Staat ermöglicht eine vertrauenslose Interaktion, da jeder Teilnehmer das Ergebnis von Transaktionen unabhängig überprüfen kann, ohne auf eine zentrale Autorität angewiesen zu sein.

Wie neue Blöcke den Zustand verändern

1. Wenn ein neuer Block abgebaut oder vorgeschlagen wird, enthält er eine Liste von Transaktionen, die gemäß dem Konsensmechanismus des Netzwerks validiert wurden. Diese Transaktionen können die Übertragung von Kryptowährungen, die Ausführung intelligenter Verträge oder Änderungen an dezentralen Anwendungsdaten umfassen.

2. Knoten verarbeiten jede Transaktion nacheinander und wenden ihre Auswirkungen auf den aktuellen Status an. Wenn Alice beispielsweise 5 ETH an Bob sendet, zieht das System 5 ETH von Alices Guthaben ab und addiert es zu Bobs Guthaben.

3. Intelligente Vertragsinteraktionen lösen komplexere Zustandsänderungen aus. Durch den Aufruf einer Funktion können Variablen aktualisiert, Ereignisse ausgegeben oder Token übertragen werden. All dies verändert den internen Speicher des Vertrags und wirkt sich möglicherweise auf andere Konten aus.

4. Sobald alle Transaktionen im Block ausgeführt sind, wird der Endzustand gehasht und im Block-Header als „Zustandswurzel“ gespeichert. Diese kryptografische Verpflichtung stellt sicher, dass sich alle Knoten auf das gleiche Ergebnis einigen.

5. Jede Diskrepanz im berechneten Zustandsstamm macht den Block ungültig und verhindert so, dass böswillige Akteure unbefugte Änderungen vornehmen.

Die Rolle des Konsenses bei Staatsübergängen

1. Konsensalgorithmen wie Proof of Work oder Proof of Stake stellen sicher, dass sich alle Knoten darüber einig sind, welcher Block Teil der kanonischen Kette wird. Eine Einigung über den Block impliziert eine Einigung über den resultierenden Zustandsübergang.

2. Obwohl jeder Knoten Transaktionen unabhängig ausführt, müssen sie aufgrund der deterministischen Ausführung zu identischen Ergebnissen kommen. Diese Eigenschaft ist für die Aufrechterhaltung eines einheitlichen Zustands im gesamten Netzwerk unerlässlich.

3. Forks können vorübergehend konkurrierende Zustände schaffen. Wenn zwei Blöcke nahezu gleichzeitig produziert werden, können verschiedene Teile des Netzwerks unterschiedliche Versionen akzeptieren. Die Konsensregel – wie die längste Kette oder das größte Gewicht – löst diese Divergenz letztendlich auf.

4. Sobald ein Block ausreichend unter den nachfolgenden Blöcken vergraben ist, gelten die zugehörigen Zustandsänderungen als abgeschlossen. Sie umzukehren würde eine unvorstellbare Menge an Rechenleistung oder Einsatz erfordern.

5. Zustandsübergänge werden somit nicht nur kryptografisch, sondern auch wirtschaftlich abgesichert, da Angreifern hohe Kosten entstehen, wenn sie den Konsens stören.

Häufig gestellte Fragen

Was passiert, wenn zwei Knoten unterschiedliche Zustandswurzeln berechnen? Wenn zwei ehrliche Knoten nach der Verarbeitung desselben Blocks unterschiedliche Zustandswurzeln berechnen, deutet dies auf einen Fehler in der Software oder ein nicht deterministisches Verhalten bei der Transaktionsausführung hin. Solche Diskrepanzen führen zu Kettenspaltungen, bei denen Knoten die Blöcke des anderen ablehnen. Die Community muss das Problem schnell identifizieren und beheben, um den Konsens wiederherzustellen.

Kann der Blockchain-Status zurückgesetzt werden? Technisch gesehen kann es bei einer Reorganisation zu einem Rollback kommen, insbesondere bei Chain Forks oder Angriffen. Wenn eine längere oder schwerere Kette entsteht, wechseln die Knoten zu dieser, verwerfen die vorherigen Blöcke und machen ihre Zustandsänderungen rückgängig. Allerdings sind tiefgreifende Rollbacks äußerst selten und kostspielig, insbesondere in gut gesicherten Netzwerken.

Wie wird der Zustand außerhalb der Kette gespeichert? Knoten speichern den Status lokal in Datenbanken, die für schnelle Suchvorgänge und Aktualisierungen optimiert sind. Während die Blockchain aufzeichnet, was sich geändert hat, wird der aktuelle Status selbst aus der Verarbeitung dieser Datensätze abgeleitet. Einige Layer-2-Lösungen und Indexierungsdienste verwalten zu Abfragezwecken auch externe Ansichten des Zustands.

Warum ist nicht in jedem Block der vollständige Zustand enthalten? Das Einbeziehen des gesamten Staates in jeden Block würde die Blöcke übermäßig groß und ineffizient machen. Stattdessen ist nur die Statuswurzel – ein Hash fester Größe – enthalten. Dies ermöglicht es leichtgewichtigen Clients, Statusänderungen zu überprüfen, ohne alle Daten zu speichern, was die Skalierbarkeit und Zugänglichkeit verbessert.