Was ist ein gerichteter azyklischer Graph (DAG) und wie wird er als DLT-Alternative verwendet?

Verstehen gerichteter azyklischer Graphen in der Distributed-Ledger-Technologie

1. Ein gerichteter azyklischer Graph (DAG) ist eine mathematische Struktur, die aus Knoten und gerichteten Kanten besteht, wobei die Verbindungen zwischen Knoten eine bestimmte Richtung haben und keine Zyklen existieren. Dies bedeutet, dass ein Pfad, sobald er sich von einem Knoten zu einem anderen bewegt, nicht zu einem zuvor besuchten Knoten zurückkehren kann. Im Kontext der Distributed-Ledger-Technologie (DLT) dient DAG als alternatives Framework zu herkömmlichen Blockchain-Architekturen.

2. Im Gegensatz zu Blockchains, die Transaktionen in Blöcken gruppieren und nacheinander verketten, ermöglicht DAG, dass jede Transaktion direkt mit einer oder mehreren vorherigen Transaktionen verknüpft wird. Dadurch entfällt die Notwendigkeit für Miner, Blöcke zu validieren, was einen organischeren und skalierbareren Validierungsprozess ermöglicht. Jede neue Transaktion validiert vorherige und bildet eine netzartige Struktur anstelle einer linearen Kette.

3. Das Fehlen von Blöcken verkürzt die Bestätigungszeiten und vermeidet Engpässe im Zusammenhang mit Blockerstellungsintervallen. Transaktionen werden asynchron verarbeitet, was einen höheren Durchsatz ermöglicht. Dies macht DAG besonders attraktiv für Anwendungen, die schnelle und häufige Mikrotransaktionen erfordern, wie etwa Internet-of-Things-Netzwerke (IoT) und Maschine-zu-Maschine-Zahlungen.

4. Die Sicherheit in DAG-basierten Systemen beruht häufig auf Algorithmen, die die Bedeutung von Transaktionen anhand ihrer Position und kumulativen Validierung abwägen. Einige Implementierungen verwenden Koordinatorknoten in frühen Netzwerkphasen, um Angriffe zu verhindern. Dies führt jedoch zu einem vorübergehenden Kompromiss bei der Zentralisierung. Mit zunehmender Reife des Netzwerks können diese Koordinatoren auslaufen, um eine vollständige Dezentralisierung zu erreichen.

5. Energieeffizienz ist ein bemerkenswerter Vorteil von DAG gegenüber Proof-of-Work-Blockchains. Da es keinen kompetitiven Mining-Prozess gibt, ist der Rechenaufwand deutlich geringer. Dies steht im Einklang mit den wachsenden Umweltbedenken im Zusammenhang mit Kryptowährungsoperationen und unterstützt ein nachhaltiges Wachstum im Bereich digitaler Vermögenswerte.

Hauptunterschiede zwischen Blockchain- und DAG-Architekturen

1. In der Blockchain werden Transaktionen in Blöcken zusammengefasst, die dann durch Konsensmechanismen wie Proof of Work oder Proof of Stake zu einer Kette hinzugefügt werden. DAG-Strukturen hängen einzelne Transaktionen direkt an das Hauptbuch an, indem sie auf frühere unbestätigte Transaktionen verweisen, wodurch das Konzept der Blöcke vollständig entfällt.

2. Blockchains leiden typischerweise unter Skalierbarkeitseinschränkungen aufgrund fester Blockgrößen und -intervalle. DAG-Netzwerke skalieren von Natur aus mit der Nutzung – mehr Teilnehmer führen zu einer schnelleren Validierung, da jeder Benutzer bei der Übermittlung seiner eigenen zur Bestätigung anderer Transaktionen beiträgt.

3. Die Transaktionsgebühren in Blockchain-Netzwerken schwanken je nach Überlastung und Miner-Anreizen. Viele DAG-basierte Plattformen funktionieren ohne Gebühren und eignen sich daher ideal für Mikrozahlungen. Benutzer zahlen keine Zahlungen an Miner, da sie selbst am Validierungsprozess teilnehmen.

4. Der Konsens in der Blockchain erfordert eine globale Vereinbarung zwischen den Knoten, bevor ein Block akzeptiert wird. DAG erreicht letztendliche Konsistenz durch lokale Genehmigungen; Eine Transaktion gewinnt an Vertrauen, wenn weitere nachfolgende Transaktionen auf sie verweisen, wodurch ein probabilistisches Finalitätsmodell entsteht.

5. Durch die Verzweigung in der Blockchain entstehen zwei konkurrierende Ketten, die über längste Kettenregeln oder ähnliche Protokolle gelöst werden müssen. In der DAG können mehrere Zweige vorübergehend nebeneinander existieren und auf natürliche Weise zusammenlaufen, wenn neue Transaktionen auswählen, welche Pfade unterstützt werden sollen, wodurch das Risiko dauerhafter Spaltungen verringert wird.

Prominente DAG-basierte Kryptowährungsprojekte

1. IOTA verwendet eine DAG-Struktur namens Tangle, die speziell für IoT-Ökosysteme entwickelt wurde, in denen gebührenfreie und schnelle Daten- oder Wertübertragungen unerlässlich sind. Jede Transaktion muss zwei vorherige Transaktionen genehmigen, um eine integrierte Validierung sicherzustellen und die Netzwerkteilnahme zu fördern.

2. Hedera Hashgraph verwendet eine andere Variante der DAG in Kombination mit einem Klatschprotokoll und virtuellen Abstimmungen, um einen schnellen Konsens zu erzielen. Während es technisch gesehen auf einer DAG-Grundlage basiert, arbeitet es nach einem Permissioned-Governance-Modell mit einem Rat von Organisationen, der die Netzwerkintegrität überwacht.

3. Nano implementiert eine Block-Gitter-Architektur, bei der jedes Konto über eine eigene Blockchain verfügt und global betrachtet effektiv als DAG fungiert. Transaktionen werden durch einen Abstimmungsmechanismus zwischen repräsentativen Knoten schnell bestätigt, wodurch eine geringe Latenz und keine Gebühren gewährleistet werden.

4. Obyte (ehemals Byteball) nutzt eine DAG, um Transaktionen zu ordnen und Kausalitäten durchzusetzen, indem es intelligente Verträge und dezentrale Orakel einbezieht. Sein Konsens ergibt sich aus der Struktur selbst und stützt sich auf die Auswahl der Hauptkette, um die Transaktionspriorität zu bestimmen.

5. Das Lachesis-Protokoll von Fantom ist ein DAG-basierter Konsensmechanismus, der eine asynchrone Ereignisverarbeitung ermöglicht und darauf abzielt, das Trilemma aus Skalierbarkeit, Sicherheit und Dezentralisierung zu lösen. Es bildet das Rückgrat der Fantom Opera Chain und unterstützt EVM-kompatible dApps mit nahezu sofortiger Endgültigkeit.

Häufig gestellte Fragen

Wie funktioniert die Transaktionsfinalität in einem DAG-System? Endgültigkeit ist in DAG-Netzwerken eher probabilistisch als absolut. Je mehr Transaktionen hinzugefügt werden und auf frühere Transaktionen verweisen, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit, dass eine Transaktion rückgängig gemacht wird. Mit der Zeit werden stark referenzierte Transaktionen praktisch irreversibel und erreichen eine effektive Endgültigkeit, ohne dass eine feste Anzahl von Bestätigungen erforderlich ist, wie es bei der Blockchain der Fall ist.

Können DAG-Netzwerke Smart Contracts unterstützen? Ja, mehrere DAG-basierte Plattformen unterstützen die Smart-Contract-Funktionalität. Mit Obyte und Fantom können Entwickler beispielsweise selbstausführende Verträge bereitstellen. Diese Implementierungen unterscheiden sich vom Ethereum-Modell, bieten jedoch ähnliche Möglichkeiten zur Automatisierung von Vereinbarungen und zum Aufbau dezentraler Anwendungen.

Was verhindert doppelte Ausgaben in DAG-Architekturen? Doppelte Ausgaben werden durch Konsensregeln, die in die DAG-Traversallogik eingebettet sind, gemildert. Knoten erkennen widersprüchliche Transaktionen, indem sie die Diagrammstruktur analysieren und diejenigen mit stärkeren Validierungspfaden priorisieren. Böswillige Versuche werden verworfen, da das Netzwerk gemeinsam auf den konsistentesten Verlauf konvergiert.

Sind DAG-basierte Systeme vollständig dezentralisiert? Einige DAG-Implementierungen beginnen mit einer zentralen Koordination zum Schutz vor Angriffen in frühen Einführungsphasen. IOTA nutzte zunächst einen Koordinatorknoten, es werden jedoch weiterhin Anstrengungen unternommen, ihn zu entfernen. Andere Projekte wie Nano und Obyte arbeiten ohne zentrale Koordinatoren und erreichen die Dezentralisierung durch ihre nativen Konsensmechanismen.