Ein Verständnis von gerichteten azyklischen Graphen (DAGs) in Distributed Ledgers

Ein gerichteter azyklischer Graph (Directed Acyclic Graph, DAG) ist eine mathematische und computergestützte Datenstruktur, die durch eine Menge von Vertices (oder Knoten) und Kanten charakterisiert ist. Jede Kante hat eine Richtung, und es ist unmöglich, an einem beliebigen Knoten zu beginnen und einer Folge von gerichteten Kanten so zu folgen, dass man schließlich zum selben Knoten zurückkehrt. Einfacher ausgedrückt: Es gibt keine zyklischen Pfade. Stellen Sie sich ein Flussdiagramm vor, in dem sich die Pfeile nur vorwärts bewegen und niemals eine Schleife zurück zu einem vorherigen Schritt bilden. Jeder Knoten in einem DAG repräsentiert typischerweise ein Ereignis oder ein Datenelement, und die gerichteten Kanten stellen eine Beziehung oder Abhängigkeit zwischen diesen Ereignissen dar, was gewöhnlich bedeutet, dass ein Ereignis vor einem anderen stattgefunden hat oder eine Transaktion auf eine andere verweist.

Bei der Anwendung auf die Distributed-Ledger-Technologie (DLT) bieten DAGs einen neuartigen Ansatz zur Strukturierung und Validierung von Transaktionen, der erheblich von der linearen, blockbasierten Architektur traditioneller Blockchains abweicht. Anstatt dass Transaktionen in Blöcken gruppiert und dann nacheinander einer einzelnen Kette hinzugefügt werden, bilden in einem DAG-basierten Ledger oft einzelne Transaktionen oder kleine Gruppen von Transaktionen die „Knoten“ des Graphen. Diese Transaktionen referenzieren und validieren direkt vorherige Transaktionen. Diese vernetzte, nicht-lineare Struktur ist das Hauptmerkmal, das DAGs als Alternative zur Blockchain-Technologie auszeichnet. Die azyklische Natur ist entscheidend für die Aufrechterhaltung einer kohärenten und irreversiblen Abfolge von Ereignissen, um sicherzustellen, dass Transaktionen nicht durch die Bildung einer Schleife umgeschrieben oder doppelt ausgegeben (Double-Spending) werden können.

Warum DAGs für die Distributed-Ledger-Technologie relevant sind

Die Kerninnovation der Blockchain-Technologie liegt in ihrer Fähigkeit, ein sicheres, unveränderliches und dezentrales Hauptbuch zu erstellen, ohne auf eine zentrale Autorität angewiesen zu sein. Als jedoch die Popularität und Nutzung von Kryptowährungen zunahm, wurden bestimmte Einschränkungen des ursprünglichen Blockchain-Designs deutlich. Diese Einschränkungen betreffen oft die Skalierbarkeit, die Transaktionsgeschwindigkeit und die Kosten. DAGs entwickelten sich zu einer vielversprechenden Alternative mit dem Ziel, diese Herausforderungen zu bewältigen, indem sie die grundlegende Datenstruktur, auf der Distributed Ledgers aufbauen, neu konzipieren.

Die inhärente Struktur eines DAG ermöglicht ein anderes Paradigma der Transaktionsverarbeitung. Während eine Blockchain Transaktionen in Chargen (Blöcken) verarbeitet und diese nacheinander hinzufügt, kann ein DAG Transaktionen theoretisch parallel verarbeiten, was einen potenziell viel höheren Durchsatz ermöglicht. Dieser architektonische Wandel könnte es DLTs ermöglichen, ein deutlich größeres Volumen an Transaktionen pro Sekunde (TPS) im Vergleich zu vielen bestehenden Blockchain-Netzwerken zu bewältigen. Dies ebnet den Weg für eine breitere Akzeptanz in Anwendungsfällen, die hohe Transaktionsraten erfordern, wie etwa Mikrotransaktionen oder Anwendungen im Internet der Dinge (IoT).

Hauptmerkmale von DAGs

  • Gerichtet (Directed): Jede Verbindung (Kante) zwischen Knoten hat eine spezifische Richtung, die einen Fluss oder eine Abhängigkeit anzeigt – oft von einer älteren Transaktion zu einer neueren oder von einer validierenden zu einer validierten Transaktion.
  • Azyklisch (Acyclic): Innerhalb des Graphen gibt es keine Schleifen oder Zyklen. Dies ist fundamental, um die Integrität und Reihenfolge der Transaktionen zu gewährleisten. Es verhindert Situationen, in denen eine Transaktion auf sich selbst oder eine nachfolgende Transaktion verweisen könnte, was die Finalität untergraben und Schwachstellen einführen würde.
  • Graph: Die Struktur ist eine Sammlung von Knoten (die einzelne Transaktionen oder Ereignisse darstellen), die durch Kanten (die Beziehungen oder Validierungen darstellen) miteinander verbunden sind. Dadurch entsteht ein komplexes, verflochtenes Netzwerk anstelle einer einfachen linearen Kette.

Der Blockchain-Flaschenhals: Warum Alternativen entstanden sind

Um das Wertversprechen von DAGs zu verstehen, ist es wichtig, die Einschränkungen zu kennen, die die traditionelle Blockchain-Architektur insbesondere in Szenarien mit hoher Nachfrage mit sich bringen kann.

Kurze Zusammenfassung der Blockchain-Struktur

Eine Blockchain ist ein verteiltes, unveränderliches Hauptbuch, das aus einer wachsenden Liste von Datensätzen, den sogenannten Blöcken, besteht, die kryptografisch miteinander verknüpft sind. Jeder Block enthält in der Regel einen Zeitstempel, Transaktionsdaten und einen kryptografischen Hash des vorherigen Blocks. Dadurch entsteht eine lineare, manipulationssichere Kette, bei der die Integrität vergangener Blöcke die Integrität des gesamten Ledgers gewährleistet. Konsensmechanismen wie Proof of Work (PoW) oder Proof of Stake (PoS) werden eingesetzt, um neue Blöcke zu validieren und die Sicherheit sowie Dezentralisierung des Netzwerks aufrechtzuerhalten.

Einschränkungen traditioneller Blockchains

Obwohl sie revolutionär sind, führen die Designprinzipien vieler früher Blockchains, insbesondere derer, die PoW nutzen, zu gewissen inhärenten Einschränkungen:

  1. Skalierbarkeit (Transaktionen pro Sekunde - TPS): Blockchains verarbeiten Transaktionen in sequenziellen Chargen. Die Geschwindigkeit, mit der neue Blöcke gemined und der Kette hinzugefügt werden können, begrenzt zusammen mit der fixen Größe jedes Blocks die Gesamtzahl der Transaktionen, die das Netzwerk pro Sekunde verarbeiten kann. Zum Beispiel verarbeitet Bitcoin typischerweise etwa 7 TPS und Ethereum etwa 15–30 TPS (vor den Ethereum 2.0-Upgrades), was weit unter den Anforderungen globaler Zahlungssysteme wie Visa liegt (die durchschnittlich Tausende von TPS verarbeiten).
  2. Transaktionsgebühren: Um Miner oder Validatoren zu motivieren, Transaktionen zu verarbeiten, müssen Nutzer oft Gebühren zahlen. In Zeiten hoher Netzwerküberlastung können diese Gebühren dramatisch ansteigen, was kleine Transaktionen unwirtschaftlich macht und die Nutzererfahrung beeinträchtigt.
  3. Latenz (Bestätigungszeiten): Damit eine Transaktion auf einer Blockchain als „final“ gilt, müssen oft mehrere nachfolgende Blöcke auf den Block, der die Transaktion enthält, aufgesetzt werden. Dies kann je nach Blockchain und erforderlichem Sicherheitsniveau Minuten bis Stunden dauern, was sie für Sofortzahlungen ungeeignet macht.
  4. Energieverbrauch (PoW): PoW-basierte Blockchains wie Bitcoin benötigen enorme Mengen an Rechenleistung, um das Netzwerk zu sichern. Dieser energieintensive Prozess hat erhebliche Umweltbedenken hervorgerufen und die Forschung nach energieeffizienteren Alternativen vorangetrieben.
  5. Front-Running und Miner Extractable Value (MEV): In einigen Blockchain-Designs können Miner oder Validatoren Transaktionen innerhalb eines Blocks strategisch anordnen, um sich einen Vorteil zu verschaffen, was zu Problemen wie Front-Running im dezentralen Finanzwesen (DeFi) führt.

Diese Einschränkungen befeuerten die Suche nach alternativen Distributed-Ledger-Architekturen, die den „Blockchain-Flaschenhals“ überwinden und eine höhere Effizienz bieten könnten, ohne Kompromisse bei Dezentralisierung und Sicherheit einzugehen. DAGs erwiesen sich bei diesem Bestreben als einer der vielversprechendsten Kandidaten.

Wie sich DAGs von der Blockchain unterscheiden: Ein fundamentaler architektonischer Wandel

Der Unterschied zwischen DAGs und Blockchains ist nicht nur oberflächlich; er stellt eine grundlegende Divergenz in der Art und Weise dar, wie Distributed Ledgers strukturiert, gepflegt und wie Konsens erzielt wird.

Struktur

  • Blockchain: Stellen Sie sich einen Zug mit Waggons (Blöcken) vor, die in einer einzigen, geraden Linie verbunden sind. Jeder Waggon hat eine feste Kapazität für Passagiere (Transaktionen) und muss der Reihe nach angehängt werden. Wenn ein Waggon voll ist, warten Sie auf den nächsten.
  • DAG: Stellen Sie sich ein riesiges, vernetztes System aus einzelnen Punkten (Transaktionen) vor. Jeder neue Punkt kann mit mehreren vorherigen Punkten verbunden werden, wie einzelne Autos, die auf einer Autobahn fahren, wobei jedes Auto einige Autos bestätigt, die vor ihm gefahren sind. Es gibt nicht eine einzige „Hauptstraße“, sondern viele Pfade, die ein Netz bilden.

Konsensmechanismus

Die Art und Weise, wie ein Distributed Ledger eine Einigung über die Gültigkeit und Reihenfolge von Transaktionen erzielt, ist sein Konsensmechanismus.

  • Blockchain:
    • Miner/Validatoren: Bei PoW konkurrieren Miner darum, ein kryptografisches Rätsel zu lösen, um einen neuen Block zu erstellen. Bei PoS werden Validatoren basierend auf ihren hinterlegten Kryptowährungen ausgewählt.
    • Sequenzielle Bestätigung: Transaktionen werden in einem Block gebündelt. Sobald ein Block erstellt und übertragen wurde, verifizieren andere Knoten ihn und fügen ihn ihrer Kopie der Kette hinzu. Dieser Prozess ist von Natur aus sequenziell.
    • Globaler Status: Alle Knoten führen eine nahezu identische Kopie des gesamten Ledgers, die Block für Block aktualisiert wird.
  • DAG:
    • Eigenvalidierung/Lokaler Konsens: Viele DAG-basierte Systeme haben keine traditionellen Miner oder Validatoren im Sinne der Blockchain. Stattdessen ist es bei der Einreichung einer neuen Transaktion oft erforderlich, eine oder mehrere vorherige, unbestätigte Transaktionen zu „genehmigen“ oder zu „validieren“. Dadurch trägt die neue Transaktion zur Sicherheit und Bestätigung des Netzwerks bei.
    • Parallele Verarbeitung: Da Transaktionen unabhängig auf vorherige verweisen können, ohne darauf zu warten, dass ein Block gefüllt oder gemined wird, können mehrere Transaktionen gleichzeitig verarbeitet und dem Graphen hinzugefügt werden.
    • Verteiltes „Gewicht“: Das „Gewicht“ oder die „Sicherheit“ einer Transaktion nimmt typischerweise zu, je mehr nachfolgende Transaktionen sie genehmigen. Eine Transaktion wird unveränderlicher und bestätigter, je mehr Referenzen sie von neueren Transaktionen erhält, die auf ihr aufbauen. Beispiele hierfür sind:
      • IOTAs Tangle: Jede neue Transaktion validiert zwei vorherige unbestätigte Transaktionen und baut so ein Netz auf.
      • Nanos Block-Lattice: Jedes Konto hat seine eigene Transaktionskette (ein „Block-Lattice“). Das Senden von Transaktionen beinhaltet das Senden an die Kette eines anderen Kontos, was vorherige Transaktionen bestätigt.
      • Constellations Hypergraph: Dies zielt darauf ab, ein „Netzwerk von Netzwerken“ zu sein, das einen mehrschichtigen DAG verwendet, um verschiedene Datentypen und Transaktionslasten zu bewältigen.

Skalierbarkeit

  • Blockchain: Skalierbarkeit ist aufgrund fester Blockzeiten und Blockgrößen oft ein Engpass. Eine zu starke Erhöhung dieser Parameter kann zur Zentralisierung führen, da weniger Knoten die größeren Datenmengen verwalten können.
  • DAG: Viele DAG-Designs bieten von Natur aus eine größere Skalierbarkeit. Je mehr Transaktionen an das Netzwerk gesendet werden, desto mehr „Arbeit“ (Validierungen) wird geleistet, was theoretisch zu schnelleren Bestätigungszeiten und einem höheren Transaktionsdurchsatz führen kann. Dies wird oft als „Skalierbarkeit durch Parallelität“ oder „je mehr Aktivität, desto schneller wird es“ bezeichnet.

Transaktionsgebühren

  • Blockchain: Die meisten traditionellen Blockchains sind auf Transaktionsgebühren angewiesen, um Netzwerkteilnehmer (Miner/Validatoren) zu motivieren und Spam zu verhindern.
  • DAG: Ein bedeutender Vorteil, der von vielen DAG-Projekten angepriesen wird, ist der Wegfall von Transaktionsgebühren. Da die Transaktionsvalidierung oft eine eingebaute Voraussetzung für das Einreichen einer neuen Transaktion ist (z. B. durch das Validieren vorheriger), ist keine externe Anreizzahlung erforderlich. Dies macht DAGs besonders attraktiv für Mikrotransaktionen und Machine-to-Machine-Zahlungen.

Bestätigungszeiten

  • Blockchain: Können je nach Anzahl der erforderlichen Bestätigungen für eine robuste Finalität von einigen Minuten bis zu einer Stunde reichen.
  • DAG: Potenziell viel schneller. Transaktionen können in Sekunden oder sogar Bruchteilen von Sekunden ein ausreichendes Maß an Bestätigung erreichen (genügend nachfolgende Transaktionen, die auf sie verweisen), abhängig von der Netzwerkaktivität und der spezifischen DAG-Implementierung.

Kernkonzepte und Mechanismen in DAG-basierten Systemen

Die einzigartige Architektur von DAGs erfordert andere Ansätze für grundlegende DLT-Herausforderungen, insbesondere in Bezug auf Transaktionsvalidierung, Unveränderlichkeit und Sicherheit.

Transaktionsvalidierung

In vielen DAG-basierten Systemen verlagert sich die Verantwortung für die Validierung von Transaktionen von einer speziellen Gruppe von Minern/Validatoren auf die Nutzer selbst. Wenn ein Nutzer eine neue Transaktion ausgeben möchte, muss er oft:

  1. Tips auswählen: Identifizierung einer oder mehrerer unbestätigter Transaktionen (oft als „Tips“ bezeichnet) am Rand des Graphen, die die neue Transaktion genehmigen wird. Dieser Auswahlprozess kann Algorithmen beinhalten, die darauf ausgelegt sind, Tips zu wählen, die den Gesamtfortschritt und die Sicherheit des Netzwerks maximieren.
  2. Proof of Work (oder Ähnliches) leisten: Um Spam zu verhindern und ein Mindestmaß an Rechenaufwand zu gewährleisten, muss der Nutzer möglicherweise einen kleinen, lokalen Proof of Work oder eine andere ressourcenintensive Aufgabe ausführen, die spezifisch für seine Transaktion ist. Dies ist in der Regel viel leichter als ein netzwerkweiter PoW bei Blockchains.
  3. Anhängen und Übertragen: Die neue Transaktion, die auf die genehmigten Tips verweist, wird dann an den Graphen angehängt und an das Netzwerk gesendet. Knoten, die sie empfangen, verifizieren den PoW und die Gültigkeit der referenzierten Tips.

Je mehr Transaktionen hinzugefügt werden, die auf ältere verweisen, desto mehr nehmen die „Tiefe“ und das „Gewicht“ einer Transaktion zu, was ihre wachsende Bestätigung und Sicherheit signalisiert.

Erzielen von Unveränderlichkeit

Unveränderlichkeit (Immutabilität) wird in einem DAG nicht dadurch erreicht, dass man Teil einer einzelnen, kryptografisch verknüpften Kette von Blöcken ist, sondern dadurch, dass man durch eine Vielzahl nachfolgender Transaktionen, die darauf verweisen, tief in den Graphen eingebettet wird.

  • Kumulatives Gewicht: Jede Transaktion, die eine vorherige Transaktion genehmigt, fügt dieser vorherigen Transaktion „Gewicht“ hinzu. Je mehr Transaktionen indirekt oder direkt eine alte Transaktion genehmigen, desto mehr „Gewicht“ sammelt sie an. Eine Transaktion mit ausreichendem kumulativem Gewicht gilt als bestätigt und praktisch unveränderlich, da es einen immensen Rechenaufwand erfordern würde, alle darauf aufgebauten Transaktionen rückgängig zu machen.
  • Abwesenheit von Forks: Im Gegensatz zu Blockchains, in denen Forks (temporäre Aufspaltungen der Kette) auftreten können, sind die meisten DAGs so konzipiert, dass sie zu einem einzigen, konsistenten Ledger-Status konvergieren. Der Konsensalgorithmus stellt in der Regel sicher, dass konkurrierende Transaktionen nicht beide eine signifikante Bestätigung erreichen können.

Sicherheitsüberlegungen

Obwohl sie Skalierbarkeit bieten, führen DAGs neue Sicherheitsherausforderungen ein, die ein sorgfältiges Design erfordern:

  • Prävention von Double-Spending: Das Hauptanliegen jedes Distributed Ledgers ist es, zu verhindern, dass ein Nutzer dieselben Mittel zweimal ausgibt. In DAGs wird dies typischerweise gelöst durch:
    • Tip-Selection-Algorithmen: Entwickelt, um sicherzustellen, dass neue Transaktionen immer auf gültigen, nicht widersprüchlichen Teilen des Graphen aufbauen.
    • Lösung von Transaktionskonflikten: Wenn zwei widersprüchliche Transaktionen ausgegeben werden, muss das Netzwerk über einen Mechanismus verfügen, um eine davon zu identifizieren und schließlich zu verwerfen, indem meist diejenige bevorzugt wird, die mehr kumulatives Gewicht oder Genehmigungen ansammelt.
    • Knotenbeobachtung: Jeder Knoten im Netzwerk ist dafür verantwortlich, nur gültige Transaktionen zu beobachten und weiterzuleiten und alle erkannten widersprüchlichen Transaktionen zu verwerfen.
  • Sybil-Angriffe: Bei einem Sybil-Angriff erstellt eine einzelne Entität mehrere gefälschte Identitäten, um unverhältnismäßigen Einfluss auf das Netzwerk zu gewinnen. In Systemen, in denen die Transaktionsvalidierung durch Nutzer erfolgt, könnte ein Sybil-Angreifer potenziell viele Transaktionen generieren, um die Bestätigung zu beeinflussen oder Double-Spends zu orchestrieren. DAG-Designs enthalten oft Maßnahmen wie lokalen PoW oder Reputationssysteme, um dies abzumildern.
  • Angriffsvektoren (z. B. Äquivalent zum 51%-Angriff): Obwohl es sich nicht um einen traditionellen „51%-Angriff“ auf eine einzelne Kette handelt, könnte ein mächtiger Angreifer in einem DAG potenziell einen erheblichen Teil der Transaktionsausgabe des Netzwerks kontrollieren. Dies würde ihm erlauben:
    • Double-Spends zu orchestrieren: Indem er eine widersprüchliche Transaktion ausgibt und dann schnell mehr „Gewicht“ darauf aufbaut als auf der legitimen Transaktion.
    • Transaktionen zu zensieren: Indem er sich weigert, bestimmte legitime Transaktionen zu genehmigen. Diese Angriffe werden in der Regel durch das Design robuster Tip-Selection-Algorithmen und durch die Sicherstellung, dass die Kosten für die Erzeugung böswilliger Transaktionen den potenziellen Gewinn übersteigen, abgemildert.

Bedenken hinsichtlich der Zentralisierung

Einige frühe DAG-Implementierungen sahen sich Kritik hinsichtlich Aspekten der Zentralisierung ausgesetzt, die oft eingeführt wurden, um das Netzwerk in der Anfangsphase zu starten (Bootstrapping) oder die Sicherheit zu erhöhen. Zum Beispiel könnten einige Systeme einen „Koordinator“ oder einen spezifischen Satz vertrauenswürdiger Knoten verwenden, um zusätzliche Sicherheit zu bieten oder eine ordnungsgemäße Tip-Auswahl zu gewährleisten, insbesondere wenn die Netzwerkaktivität gering ist. Das Ziel dieser Projekte ist es im Allgemeinen, im Laufe der Zeit mit wachsendem und reifendem Netzwerk zu dezentralisieren.

Vor- und Nachteile von DAG-Architekturen

DAG-basierte Distributed Ledgers stellen eine überzeugende Alternative zu traditionellen Blockchains dar und bringen spezifische Vor- und Nachteile mit sich.

Vorteile

  1. Hohe Skalierbarkeit: Dies ist wohl der bedeutendste Vorteil. Durch die parallele Verarbeitung von Transaktionen können DAGs theoretisch ein viel höheres Volumen an Transaktionen pro Sekunde bewältigen. Wenn mehr Teilnehmer beitreten und Transaktionen ausgeben, kann die Kapazität und Geschwindigkeit des Netzwerks tatsächlich zunehmen – im Gegensatz zu Blockchains, wo steigende Nachfrage oft zu Überlastung führt.
  2. Niedrige oder keine Transaktionsgebühren: Viele DAG-Implementierungen sind so konzipiert, dass sie gebührenfrei sind. Da Nutzer oft vorherige Transaktionen als Teil ihrer eigenen Einreichung validieren, müssen keine externen Miner oder Validatoren bezahlt werden. Dies macht DAGs ideal für Mikrotransaktionen und Machine-to-Machine-Zahlungen, die für IoT-Ökosysteme entscheidend sind.
  3. Schnelle Transaktionsfinalität: Ohne auf das Mining von Blöcken oder auf mehrere Blockbestätigungen warten zu müssen, können Transaktionen auf DAGs in Sekundenschnelle oder bei kleineren Transaktionen sogar sofort ein hohes Maß an Bestätigung (ausreichendes kumulatives Gewicht) erreichen.
  4. Energieeffizienz: Die meisten DAG-basierten Systeme verlassen sich nicht auf energieintensives Proof-of-Work-Mining, um das gesamte Netzwerk zu sichern. Die für eine Transaktion erforderliche „Arbeit“ ist oft ein kleiner, lokaler PoW, was DAGs deutlich umweltfreundlicher macht als PoW-Blockchains.
  5. Potenzial für Mikrotransaktionen und IoT-Anwendungen: Die Kombination aus hoher Skalierbarkeit, Null-Gebühren und schneller Finalität macht DAGs besonders geeignet für Zahlungen und Datenaustausch zwischen zahlreichen Geräten im Internet der Dinge sowie für sehr kleine, häufige Transaktionen.

Nachteile

  1. Reife und Praxistest: Die DAG-Technologie im DLT-Bereich ist im Vergleich zur Blockchain noch relativ jung. Obwohl sie theoretisch vielversprechend sind, befinden sich viele DAG-Projekte noch in einem frühen Stadium, und ihre Sicherheits- und Skalierbarkeitsversprechen sind unter extremen Bedingungen über längere Zeiträume weniger „erprobt“.
  2. Komplexität der Sicherheit: Der Entwurf robuster und wahrhaft dezentraler Konsensmechanismen für DAGs ist eine komplexe Herausforderung. Den Schutz gegen Double-Spending, Sybil-Angriffe und andere Schwachstellen zu gewährleisten, ohne auf traditionelle Blockchain-Methoden zurückzugreifen, erfordert innovative und oft komplizierte kryptografische und algorithmische Lösungen.
  3. Dezentralisierungsspektrum: Einige frühe DAG-Implementierungen wurden wegen ihres Grades an Dezentralisierung kritisiert, insbesondere wenn sie in ihrer Anfangsphase auf Komponenten wie Koordinatoren angewiesen sind, um die Sicherheit aufrechtzuerhalten oder die Tip-Auswahl zu steuern. Obwohl viele eine vollständige Dezentralisierung anstreben, kann dies ein schrittweiser Prozess sein.
  4. Netzwerk-Bootstrapping: Eine zentrale Herausforderung für DAGs, die auf nutzervalidierten Transaktionen basieren, ist das Bootstrapping eines neuen Netzwerks. Wenn nicht genügend aktive Transaktionen vorhanden sind, kann der Bestätigungsprozess langsam sein, was das Netzwerk weniger sicher macht. Ein gewisses Maß an Netzwerkaktivität ist oft für eine optimale Leistung erforderlich.
  5. Verständnis und Akzeptanz: Das konzeptionelle Modell eines DAG ist für allgemeine Nutzer oft schwieriger zu erfassen als das lineare Blockchain-Modell. Dies kann das breitere Verständnis und die Akzeptanz beeinflussen.

Reale Anwendungen und namhafte Beispiele für DAGs in Krypto

Mehrere Projekte haben sich an die Implementierung von DAG-Architekturen gewagt, jedes mit einem etwas anderen Ansatz und Ziel-Anwendungsfall.

Constellation (DAG)

Constellation ist ein Kryptowährungsprojekt, das „DAG“ explizit als Teil seines Tickersymbols verwendet und damit seine grundlegende Architektur hervorhebt. Es zielt darauf ab, die Skalierbarkeitsprobleme traditioneller Blockchains zu lösen, insbesondere für die Verarbeitung von Big Data und die Erleichterung der Interoperabilität zwischen verschiedenen Datenquellen.

Constellation nutzt eine einzigartige mehrschichtige DAG-Architektur namens Hypergraph. Der Hypergraph ist als Netzwerk von miteinander verbundenen DAGs konzipiert, was die Erstellung verschiedener „State Channels“ oder Sub-DAGs ermöglicht, die unterschiedliche Datentypen und Transaktionen parallel verarbeiten können. Dies erlaubt es Constellation, komplexe Datenberechnungen und mikroserviceorientierte Architekturen mit hohem Durchsatz und geringer Latenz zu bewältigen. Es richtet sich an Unternehmenslösungen, sicheren Datenaustausch und die effiziente Validierung massiver Datensätze, die für Branchen wie Luft- und Raumfahrt, Gesundheitswesen und Lieferkettenmanagement kritisch sind.

IOTA

IOTA ist einer der Pioniere bei der Popularisierung der DAG-Technologie für Distributed Ledgers, speziell mit seiner „Tangle“-Architektur. Der Tangle ist ein DAG, bei dem jede neue Transaktion direkt zwei vorherige, unbestätigte Transaktionen genehmigt. Auf diese Weise tragen Nutzer, die Transaktionen einreichen, zur Sicherheit und zum Bestätigungsprozess des Netzwerks bei, ohne dass Miner oder Transaktionsgebühren erforderlich sind. Der Hauptfokus von IOTA liegt auf dem Internet der Dinge (IoT), der Machine-to-Machine-Kommunikation und der „Maschinenökonomie“, in der Geräte sicher Daten und Werte untereinander austauschen können. Sein gebührenfreies, skalierbares Design ist besonders attraktiv für die Milliarden winziger Transaktionen, die in einer IoT-Zukunft erwartet werden.

Nano

Nano ist ein weiteres prominentes DAG-basiertes Kryptowährungsprojekt, das sich auf schnelle, gebührenfreie und skalierbare Zahlungen konzentriert. Seine Architektur, bekannt als Block-Lattice, weist jedem Konto seine eigene individuelle Blockchain zu. Wenn ein Nutzer Geld sendet, erstellt er einen „Sende-Block“ in seiner eigenen Kette, und der Empfänger erstellt einen entsprechenden „Empfangs-Block“ in seiner Kette. Dieser einzigartige Ansatz ermöglicht es, Transaktionen fast sofort zu verarbeiten, da kein globaler Blockbestätigungsprozess abgewartet werden muss. Nano betont Einfachheit und Effizienz mit dem Ziel, eine praktikable Alternative für alltägliche digitale Zahlungen zu sein.

Andere aufstrebende Projekte

Während IOTA, Nano und Constellation bekannte Beispiele sind, erforschen verschiedene andere Projekte und Forschungsinitiativen DAG-Strukturen oder hybride DAG-Blockchain-Modelle, um spezifische Branchenherausforderungen zu lösen. Dazu gehören Projekte, die sich auf die Rückverfolgbarkeit von Lieferketten, dezentrale Identität und Hochleistungsrechnen konzentrieren und dabei das einzigartige Skalierbarkeits- und Effizienzpotenzial von DAGs nutzen.

Die Zukunft von DAGs in der DLT-Landschaft

Das Aufkommen von gerichteten azyklischen Graphen stellt einen bedeutenden evolutionären Schritt im Bereich der Distributed-Ledger-Technologie dar. Sie sind nicht nur eine kleine Anpassung bestehender Blockchain-Paradigmen, sondern vielmehr eine grundlegende Neukonzeption dessen, wie dezentrale Netzwerke Daten strukturieren und Konsens erzielen können.

Ersatz oder komplementäre Technologie?

Die Frage, ob DAGs Blockchains ersetzen werden, ist komplex. Es ist wahrscheinlicher, dass sie als komplementäre Technologie dienen werden, wobei jede Architektur in unterschiedlichen Anwendungsfällen glänzt:

  • Blockchains könnten weiterhin für Anwendungen bevorzugt werden, die extrem hohe Sicherheit, Einfachheit der Struktur und vorhersehbare Transaktionsfinalität erfordern, insbesondere dort, wo das Transaktionsvolumen nicht das primäre Anliegen ist (z. B. Speicherung hochwertiger Vermögenswerte, Kernprotokolle im DeFi-Bereich).
  • DAGs sind prädestiniert dafür, Szenarien zu dominieren, die immense Skalierbarkeit, sofortige Transaktionen, Null-Gebühren und die effiziente Handhabung von Mikrotransaktionen oder hochfrequenten Datenströmen erfordern, insbesondere in Sektoren wie IoT, Big-Data-Analyse und potenziell sogar Mikrozahlungen.

Es ist auch plausibel, dass Hybridlösungen zunehmend verbreitet sein werden, die die Stärken beider Architekturen kombinieren. Beispielsweise könnte eine Blockchain als sichere Basisschicht für die allgemeine Netzwerkkoordination oder Streitbeilegung fungieren, während ein DAG den Großteil des Transaktionsdurchsatzes für spezifische Anwendungen bewältigt.

Laufende Forschung und Entwicklung

Das Feld der DAG-basierten DLT ist noch relativ jung und ein Zentrum für laufende Forschung und Entwicklung. Ingenieure und Kryptografen arbeiten kontinuierlich an:

  • Verbesserung der Konsensalgorithmen: Entwicklung robusterer, dezentralerer und nachweislich sichererer Konsensmechanismen für DAGs.
  • Erhöhung der Angriffsresistenz: Stärkung von DAGs gegen verschiedene Formen böswilliger Angriffe, insbesondere da die Netzwerkaktivität und der darauf gespeicherte Wert zunehmen.
  • Skalierbarkeitsoptimierung: Die Grenzen des Transaktionsdurchsatzes und der Latenz noch weiter verschieben.
  • Interoperabilität: Untersuchung, wie DAGs nahtlos mit anderen DAGs und traditionellen Blockchains interagieren können.

Das Streben nach skalierbareren, effizienteren und umweltfreundlicheren Distributed Ledgers stellt sicher, dass DAGs weiterhin ein wichtiger Innovationsbereich bleiben werden. Mit zunehmender Reife dieser Technologien und deren verstärkter realer Anwendung haben sie das Potenzial, eine neue Generation dezentraler Anwendungen und Dienste freizusetzen, die zuvor aufgrund traditioneller Blockchain-Beschränkungen nicht realisierbar waren. Die Entwicklung hin zu immer effizienteren und vielseitigeren Distributed Ledgers ist eine spannende Reise, und DAGs sind zweifellos ein entscheidender Teil ihrer Zukunft.