Kryptoknoten: Was versteht man darunter und wie funktionieren sie?

Von Mohammad Musharraf

Kryptoknoten sind die unbesungenen Helden der Blockchain: Nur ihretwegen sind dezentrale Netzwerke überhaupt möglich. Ihre Aufgabe ist ganz einfach: Sie bieten Möglichkeiten, Transaktionen vorzuschlagen, zu genehmigen und zu bearbeiten, ohne dass es notwendig wäre, eine zentrale Instanz einzubinden.

Ohne Knoten könnte man die Blockchain nicht für alle möglichen dezentralen Zwecke nutzen – seien es DAOs oder auch nur der Transfer digitaler Vermögenswerte zwischen gleichrangigen Nutzern. Im Wesentlichen stellen die Knoten sicher, dass Transaktionen stets korrekt und effektiv verarbeitet werden. Da die Blockchain unveränderlich ist – bzw. es zumindest extrem schwierig ist, eine Blockchain-Transaktion zu verändern oder zu manipulieren –, ist es wichtig, alles auf Anhieb richtig zu machen. Damit steht und fällt die Sicherheit des gesamten Netzwerks!

Allerdings hat niemand behauptet, dass es eine simple Angelegenheit sei, Tausende von Computern zu einer Einigung zu bewegen. Jede Transaktion korrekt durchzuführen und sich dabei auf ein Netzwerk aus Fremden zu verlassen, geht mit diversen Herausforderungen einher. Einzelne Blockchains gehen können daher leicht unterschiedlich mit den Kryptoknoten umgehen. Jedes Netzwerk setzt unterschiedliche Anreize (und Sanktionen) für Aktionen im Netzwerk oder sogar Verfahren zur Genehmigung von Transaktionen. Das alles hat Auswirkungen darauf, wie die Knoten operieren, wie viele Knoten ein Netzwerk umfasst, und sogar darauf, welche unterschiedlichen Knotentypen das sind.

In diesem Artikel beschäftigen wir uns daher mit den Kryptoknoten: Wir erläutern ihre Aufgaben, stellen die verschiedenen Arten vor und erklären den Unterschied zwischen Minern und Knoten.

Beginnen wir mit den Grundlagen. Was genau sind Kryptoknoten eigentlich?

Was ist ein Kryptoknoten?

Ein Kryptoknoten ist ein einzelner Computer, der Teil eines Blockchain-Netzwerks ist und mit diesem interagieren kann. Bei den meisten Blockchains ist jeder Knoten ein einzelner, separater Computer, auf dem alle Informationen der Blockchain gespeichert sind. Man spricht hierbei auch von einem „verteilten Kontobuch“. Da jeder Knoten eine Kopie derselben Informationen enthält, können sich die Knoten gegenseitig überprüfen.

Das gestattet es den Knoten, neue Transaktionen zu überprüfen, aufzuzeichnen und an das Netzwerk zu übermitteln, ohne dass die Hilfe einer zentralen Instanz erforderlich wäre.

Je mehr Kryptoknoten man hat, desto schwieriger wird es, das Gesamtsystem zu hintergehen. Denn um eine Blockchain zu manipulieren, muss ein Betrüger in den meisten Fällen mehr als 51 % der Knoten kontrollieren. Im Fall beliebter Netzwerke ist das allein schon wegen der schieren Anzahl von Knoten, die man unter seine Kontrolle bringen müsste, praktisch unmöglich.

Wofür ist ein Kryptoknoten gut?

Kryptoknoten speichern zunächst einmal die Daten, die für den Betrieb einer Blockchain notwendig sind. Dies kann das gesamte verteilte Kontobuch und alle seine Transaktionen umfassen. Die andere wichtige Aufgabe der Kryptoknoten ist die Kommunikation untereinander. Diese ist wichtig, damit die Knoten im Konsens bleiben, d. h. sichergestellt ist, dass jeder Knoten über die gleiche Kopie der Chain verfügt. Das ist im Wesentlichen die Methode, mit der die Knoten synchronisiert werden, damit die Blockchain für alle Teilnehmer identisch ist.

Darüber hinaus haben einige Kryptoknoten noch andere Aufgaben, wie z. B. die Verifizierung von Blockchain-Transaktionen und die Zurückweisung von Transaktionen, die nicht den Vorgaben entsprechen. Außerdem können sie jedem Knoten, der dem Netzwerk neu beitreten möchte, eine Kopie der Blockchain anbieten.

Es ist die Kombination dieser Fähigkeiten, die es den Kryptoknoten ermöglicht, Transaktionen ohne zentrale Instanz zu verifizieren und aufzuzeichnen. Öffentliche Blockchains funktionieren nicht wie das traditionelle Finanzwesen, sondern setzen auf die Macht des Kollektivs: Menschen auf der ganzen Welt, die Knotenpunkte betreiben.

Kryptoknoten, Miner und Validatoren: Wer macht was?

In der Kryptowelt werden die Begriffe „Knoten“ und „Miner“ sehr oft synonym verwendet, bedeuten jedoch nicht dasselbe. Daher wollen wir die Verwirrung an dieser Stelle auflösen:

Ein Miner ist ein dediziertes Computersystem, das neue Transaktionsblöcke zur Blockchain hinzufügen kann. Um neue Coins zu schürfen oder Transaktionen zu validieren, muss der Miner ein Rätsel lösen: eine komplexe mathematische Berechnung, die eine beträchtliche Menge an Energie benötigt. Dieser Mechanismus des Krypto-Minings sorgt für die Sicherheit einer Proof-of-Work-Blockchain. Das Bitcoin-Mining ist einfach zu teuer, als dass man versucht sein könnte, das System zu täuschen.

Nun zu dem Punkt, der für manche verwirrend sein kann: Jeder Miner ist auch ein Knoten. Aber nicht jeder Knoten ist auch ein Miner. So kann zum Beispiel jeder Nutzer einen Kryptoknoten betreiben, um den Bitcoin-Konsens zu unterstützen, ohne selbst eine einzige Coin zu schürfen. Darüber hinaus gibt es auch Unterschiede zwischen den verschiedenen Netzwerktypen.

In Proof-of-Stake-Netzwerken zum Beispiel werden die Knoten von Validatoren und nicht von Minern betrieben. Aber auch in Proof-of-Stake-Netzwerken kannst du deinen eigenen Knoten einrichten, ohne Transaktionen zu validieren. Daher sind auch Knoten und Validatoren nicht dasselbe.

Arten von Kryptoknoten

Es gibt im Wesentlichen zwei Arten von Knoten: Vollknoten (Full Nodes) und leichte Knoten (Light Nodes). Beide Arten existieren aus unterschiedlichen Gründen und haben unterschiedliche Fähigkeiten.

Full Node

Einfach ausgedrückt, speichert ein Full Node eine vollständige Kopie des digitalen Kontobuchs des Netzwerks. Solche Kryptoknoten bilden die Grundlage der meisten Blockchains: Sie speichern den Verlauf der Chain und kommunizieren mit anderen Full Nodes. Ferner sind das die Knoten, die dafür zuständig sind, neuen Knoten eine Kopie der Chain bereitzustellen: Sie bilden das Rückgrat eines Netzwerks, weshalb die meisten Blockchains solche Knoten umfassen.

Miner-Knoten

Miner-Knoten sind die Teilnehmer, die dafür verantwortlich sind, Transaktionen zu verifizieren und sie der Blockchain nach dem Proof-of-Work-Prinzip hinzuzufügen. Das Mining erfordert eine Menge Rechenleistung, um komplexe Rätsel zu lösen. Als Gegenleistung für ihre Arbeit erhalten die Miner Vergütungen in Kryptowährung.

Validatorknoten

Validatorknoten ähneln den Miner-Knoten, denn auch sie validieren Transaktionen und erstellen Blöcke. Allerdings tun sie das in einem Proof-of-Stake-Netzwerk. Sie müssen jedoch keine komplexen Rechenaufgaben lösen, sondern werden in Abhängigkeit von der Höhe der Vermögenswerte ausgewählt, die sie im System binden. Aber auch sie erhalten – wie Miner – Prämien für das Erstellen von Blöcken.

Light Nodes

SPV-Clients, die auch „Light Nodes“ heißen, verhalten sich etwas anders. Erstens speichern diese Knoten anders als ihre schwergewichtigen Gegenstücke nicht die gesamte Blockchain. Sie laden lediglich „Block-Header“ herunter. Wenn wir nicht zu technisch werden wollen, dann kann man das so ausdrücken, dass sie nicht so viel Speicherkapazität benötigen. Die einzige Aufgabe dieser Kryptoknoten besteht nämlich darin, Transaktionen in der Blockchain per vereinfachter Zahlungsverifizierung (Simplified Payment Verification, SPV) zu verifizieren. Man muss wissen, dass nicht alle Blockchains solche Knoten verwenden. Sie sind vor allem in Blockchains beliebt, die einen begrenzten Speicherplatz pro Block haben, wie z. B. Bitcoin.

Wie funktionieren Kryptoknoten?

Auch wenn sich Kryptoknoten in verschiedenen Blockchains geringfügig unterscheiden können, wollen wir uns die Funktionsweise und die Aufgaben solcher Knoten einmal ganz allgemein ansehen.

Kryptoknoten verteilen die signierte Transaktion

Wenn du eine Transaktion signierst, werden die Details an eine Reihe von Knoten gesendet. Die erste Knotengruppe gibt die Information an die übrigen Knoten weiter, von wo aus sie wiederum an die nächste Knotenebene übermittelt wird. Das tun sie so lange, bis die Transaktion in einen Block eingefügt oder verworfen wird.

Knoten verifizieren dann Transaktionen im Mempool

Da die Transaktion verteilt wird, gelangt sie auf jedem Knoten in einen Mempool. Zu Beginn wird sie in die Warteschlange eingereiht. Dort vorhandene Transaktionen müssen jedoch von den Knoten validiert werden. Sobald die Mehrheit der Knoten die Transaktion validiert hat, wechselt sie in den Status „Ausstehend“. Das bedeutet, dass die Transaktion in die Chain aufgenommen werden kann. Umgekehrt wird eine Transaktion verworfen, wenn die Mehrheit der Knoten zu dem Schluss kommt, dass sie ungültig ist.

Knoten hängen Transaktionen an Blöcke an und senden sie an das Netzwerk

Sobald die Transaktion in den Status „Ausstehend“ wechselt, können Miner- oder Validatorknoten den Block zum Netzwerk hinzufügen. Sobald ein Miner oder Validator den Block gewinnt und ihn zur Chain hinzufügt, wird die Transaktion unveränderbar. Zur Erläuterung: Für jede Änderung der Transaktion wäre die Zustimmung der Mehrheit der Knoten erforderlich – und bei bekannteren Blockchains können das durchaus mehrere Tausend sein. Dieser einfache Mechanismus gewährleistet die Sicherheit der Chain.

Knoten bieten Anreize (und auch Abschreckungsmöglichkeiten), um Wohlverhalten zu gewährleisten

An dieser Stelle ist es wichtig zu erwähnen, dass einige Knoten für das Hinzufügen von Blöcken zum Netzwerk verantwortlich sind, was ihnen in der Regel Belohnungen in Kryptowährung einbringt.

Bei einer Proof-of-Work-Blockchain wie Bitcoin erfordert das eine enorme Rechenleistung, um ein komplexes kryptografisches Rätsel zu lösen. Das bedeutet, dass Miner einen Anreiz haben, gültige Blöcke zu Chain hinzuzufügen; sie werden aber gleichzeitig davon abgehalten, sich unlauter zu verhalten, da sich die Energiekosten für das Mining ohne die Blockbelohnungen nicht lohnen würden.

Bei einer Proof-of-Stake-Blockchain erhalten die teilnehmenden Knoten ebenfalls Blockprämien, aber zur Abschreckung von unerwünschtem Verhalten nutzen diese Chains eine andere Methode. Das funktioniert so: Validatoren müssen einen beträchtlichen Teil ihrer Vermögenswerte als Sicherheit hinterlegen. Wenn sie sich anschließend rechtschaffen verhalten, erhalten sie zusätzliche Belohnungen. Benehmen sie sich hingegen nicht wie gewünscht, dann wird die hinterlegte Sicherheit – auch „Stake“ genannt – deutlich gekürzt. Dieses Vorgehen nennt man „Slashing“. So wird sichergestellt, dass sich die Knoten auch ohne laufende Energiekosten und teure Ausrüstung wie gewünscht verhalten.

Kryptoknoten: Warum sind sie so wichtig?

Kryptoknoten sind ein wesentliches Sicherheitsmerkmal von Blockchain-Systemen. Wenn du versuchst, Aufgaben dezentral auszuführen, ist die einzige Option ein Peer-to-Peer-System. Und die einzige Möglichkeit, ein solches System effektiv zu verwalten, ist ein Blockchain-Netzwerk. Knoten ermöglichen es Blockchains, Transaktionen auf faire Weise zu validieren, ohne dass hierzu eine zentrale Instanz eingebunden werden müsste.

Hinzu kommt: Je mehr Teilnehmer Knoten betreiben, desto schwieriger ist es für kriminelle Akteure, sich abzusprechen oder die Kontrolle über das Netzwerk zu übernehmen. So ist dafür gesorgt, dass sich Nutzer und Miner an die Regeln halten: Beide Funktionen machen das Netzwerk dezentraler und sicherer.

Kurz gesagt: Egal, was du in einem Netzwerk tust, früher oder später wirst du auf Knoten stoßen. Vielleicht möchtest du ja sogar selbst einen Kryptoknoten betreiben! Egal, ob du einen Full Node oder womöglich einen Miner- oder Validatorknoten betreiben möchtest: Es gibt immer eine Möglichkeit. Du kannst sogar direkt über Ledger Live einen Validator-Knoten finanzieren.

Knoten sind die Grundlage von Blockchain-Systemen – ohne sie gäbe es keinen Blockchain-Speicher. Gemeinsam bilden die Knoten die gesamte Infrastruktur eines Blockchain-Netzwerks, und genau deswegen ist es so wichtig, sie richtig zu verstehen.

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