Welches Problem löst Polkadot?

Viele neue Blockchain-Anwendungen scheitern mittlerweile daran, dass sich nicht genug Anwenderinnen und Anwender finden, die als Miner oder in ähnlicher Funktion die Sicherheit und damit den Fortbestand der Chain sicherstellen. Die Vielzahl der auf der Technologie aufbauenden neuen Projekte sorgt dafür, dass für jedes einzelne davon nur sehr begrenzte Ressourcen zur Verfügung stehen. Dadurch werden die Systeme anfälliger für Angriffe und Übernahmen. Polkadot soll dem entgegenwirken, indem die in das System fließenden Ressourcen an neue Blockchain-Systeme gewissermaßen untervermietet werden. Gerade kleine Projekte könnten von diesem Ansatz profitieren.

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Die Polkadot-Blockchain agiert damit lediglich als sogenannte "Relay Chain". Dieser Ansatz soll nicht nur den einfachen, schnellen und ressourcenschonenden Start eines eigenen Blockchain-Systems ermöglichen: Auch die Interaktion zwischen den teilnehmenden Chains soll verbessert werden, da die geteilte Relay Chain atomare Transaktionen zwischen den Systemen deutlich vereinfacht.

Wie funktioniert Polkadot?

Der Kern von Polkadot ist die sogenannte Relay Chain. Dabei handelt es sich um die zentrale Polkadot-Blockchain: Sie verwaltet die Zustände der als Parachains bezeichneten Blockchains, die an das System angeschlossen werden. Die nativen, auf der Relay Chain genutzten Token heißen Dots.

Dots werden unter anderem dafür benötigt, neue Blockchains zu starten und an die Relay Chain zu koppeln. Darüber hinaus werden Dots für die Governance- und Konsensfindungsmodelle des Netzwerks benötigt. Initial wurden die allermeisten Dots an die Investoren eines dem Projektstart vorausgegangenen ICOs ausgezahlt. Darüber hinaus sind Dots inflationär. In der Anfangsphase des Netzwerks soll die Menge jedes Jahr um 10 % wachsen. Die auf diesem Weg entstehenden neuen Dots werden an diejenigen Nutzer ausgezahlt, die ihre Token aktiv staken und das Netzwerk als Validatoren absichern (mehr dazu im Abschnitt Staking).

Polkadot Relay Chain
Relay Chain - Quelle: polkadot.network/technology

Die Polkadot-Relay-Chain bietet nur begrenzten Platz für Parachains. Ziel ist es, während der Einführungsphase des Systems die Anzahl der neu verfügbaren Slots allmählich auf 100 anzuheben. Langfristig bestehen Pläne, sogenannte Nested Relay Chains (also verschachtelte Relay Chains) einzuführen, um eine praktisch unbegrenzte Anzahl von Blockchains auf Basis von Polkadot ausführen zu können. Die Slots auf der Relay Chain werden in einem Auktionsmodell bepreist und vermietet. Die für einen Slot gebotenen Dots werden dann für die Dauer des Kontrakts gebondet, also fest angelegt. Anders als beim Staking werden die so angelegten Dots nicht verzinst. Die in den Slots eingemieteten Blockchains erhalten die Möglichkeit, ihren State (also Zustand) in die Relay-Chain zu schreiben. Parachains mit festem Slot haben für die Dauer der Miete das Recht, in jeden Block der Relay Chain zu schreiben.

Polkadot Parachains
Parachains - Quelle: polkadot.network/technology

Neben den Parachains gibt es die sogenannten Parathreads. In Parathreads abgebildete Blockchians haben die Möglichkeit, bedarfsweise Daten in die Relay-Chain zu schreiben. Ähnlich wie bei Transaktionen in der Bitcoin-Blockchain fallen dabei abhängig von der aktuellen Systemauslastung Transaktionskosten an. Auch ist nicht garantiert, dass die Interaktion direkt mit dem nächsten Block stattfinden kann. Parathreads sind damit vor allem für kleinere Blockchain-Projekte geeignet, auf denen es nur begrenzt viel Aktivität gibt. Grundsätzlich können an die Relay Chain angedockte Blockchains zwischen Parachain- und Parathreadnutzung auch frei wechseln. Technisch ähneln die beiden Varianten einander stark. Die Entscheidung für oder gegen eine der beiden dürfte in den allermeisten Fällen vor allem aus ökonomischen Gründen fallen.

Polkadot Parathreads
Parathreads - Quelle: polkadot.network/technology

Das Relay-Chain-Modell von Polkadot bedeutet damit eine deutliche Trennung von Konsensfindung und Zustandskommunikation. Im Fall von Bitcoin sind Zustandsübertragung und Validierung zum Beispiel kaum voneinander zu unterscheiden (das Lightning-Network könnte dieses Paradigma in Zukunft allerdings etwas aufbrechen). Auch im eigentlich wesentlich dynamischeren Ethereum-Netzwerk ist die Trennung nicht gegeben. Die Polkadot-Relay-Chain bietet, anders als die Ethereum-Blockchain, keinerlei Platz für eigene Programmlogik. Um Smart-Contracts oder zum Beispiel auch Rechenoperationen ausführen zu können, ist immer die Nutzung einer separaten Blockchain notwendig. Nach Angaben der Polkadot-Entwicklerinnen und -Entwickler wird dadurch sichergestellt, dass das System prinzipiell beliebig skalieren kann.

Interoperabilität

Dass die auf Polkadot aufbauenden Blockchains sich den Konsensmechanismus teilen, vereinfacht auch die Kommunikation zwischen den einzelnen Chains. Innerhalb des Polkadot-Systems besteht keine Notwendigkeit für zusätzliche Oracles, die den Zustand einer anderen Blockchain bezeugen. Dadurch lassen sich auf Polkadot theoretisch auch größere Rechenoperationen parallelisiert durchführen.

Parallele Rechenoperationen

Dazu müssen Scripts in mehreren Parachains und -threads ausgeführt werden und ineinandergreifen. Die Ergebnisse der jeweiligen Kalkulationen können dann über die Relay Chain abgesichert kommuniziert werden. Ob sich dadurch in der Praxis tatsächlich ein Vorteil gegenüber den Möglichkeiten von Ethereum und anderen turingvollständigen Blockchainsystemen ergibt, ist im Moment allerdings noch nicht absehbar.

Zusätzlich ist vorgesehen, über sogenannte Bridges die Interaktion mit externen Blockchainprojekten zu ermöglichen. Bridges stellen dabei spezialisierte Parachains dar, die externe Netzwerke monitoren und dort gegebenenfalls auch Transaktionen auslösen können. Solche Bridges übernehmen damit innerhalb des Polkadot-Systems die Aufgabe von Oracles, die das Geschehen auf anderen Blockchains überwachen. Durch die generelle Interoperabilität innerhalb des Polkadot-Netzwerks steht die Leistung der Bridge automatisch allen Parachain- und Parathread-Blockchains zur Verfügung.

Polkadot Bridges
Bridges - Quelle: polkadot.network/technology

Technologie

Einer der großen Vorteile des Polkadot-Netzwerks besteht in der Möglichkeit, eigene Blockchainprojekte schnell und zu geringen Kosten umzusetzen. Um den Einstieg noch weiter zu vereinfachen, bietet die hinter Polkadot stehende Web3-Foundation mit Substrate ein einfaches, modulares Framework an, mit dem eigene Blockchains entwickelt werden können. Das auf WebAssembly aufbauende System ermöglicht es, eine rudimentäre Blockchain bereits innerhalb weniger Minuten aufzusetzen. Die Entwicklung echter Logikfunktionen ist dank der Unterstützung zahlreicher Programmiersprachen von C++ bis Rust ebenfalls vergleichsweise einfach. Die mit Substrate entwickelten Blockchain-Systeme sind direkt mit Polkadot kompatibel, können aber bei Bedarf unabhängig davon betrieben oder getestet werden. Die Kombination aus Polkadot und Substrate verspricht auch vergleichsweise unerfahrenen Entwicklerinnen und Entwicklern die Möglichkeit, in Zukunft eigene, blockchainbasierte Software entwickeln zu können.

Staking mit Polkadot

Polkadot nutzt einen Proof-of-Stake-Ansatz, um die Relay Chain gegen Angriffe abzusichern. Wie oben bereits beschrieben, vergrößert die Menge der Dots sich momentan um jährlich 10 % (langfristig soll die Inflationsrate aber etwas sinken). Der größte Teil der neu geschöpften Dots wird dabei an Stakeholder ausgeschüttet, die ihre Dots fest investieren. Stakeholder können im Polkadot-Netzwerk unterschiedliche Rollen einnehmen. Zunächst sind das die Nominatoren ("nominators") und die Validatoren ("validators").

Konsensus Rollen
Konsensus Rollen - Quelle: polkadot.network/technology

Um eine der Rollen einzunehmen, ist es erforderlich, eigene Dots in einen Smart Contract zu verschließen (staking), der frühestens nach 28 Tagen ausbezahlt werden kann. Die Validatoren sind für zwei wichtige Aufgaben zuständig. Zum einen überprüfen sie die Inhalte der von den Parachains und -threads eingelieferten Blöcke auf Korrektheit, zum anderen setzen sie diese zu Blöcken der Relay-Chain zusammen und stimmen gemeinsam mit den anderen Validatoren über deren Validität ab. Fällt ein Validator dabei dadurch auf, dass er fehlerhafte Blöcke zur Abstimmung stellt oder positiv dafür abstimmt, können ihm seine gestakten Dots entzogen werden. Validatoren müssen einen Full-Node betreiben, der rund um die Uhr läuft.

Nominatoren sparen sich diesen Aufwand, erhalten aber auch weniger Zinsen auf Ihre Investition. Sie stimmen lediglich über die Validatoren ab. Auch Nominatoren können Teile ihrer gestakten Dots verlieren, wenn sie für einen Validator abstimmen, der das Netzwerk schädigt.

Zusätzlich spielen die Kollatoren bzw. Mischer ("collators") eine wichtige Rolle. Kollatoren übertragen den aktuellen Status einer Parachain oder eines Parathreads an die Validatoren. Sie werden nicht vom Polkadot-Netzwerk bezahlt, können aber gegebenenfalls in Form eines internen Tokens derjenigen Blockchain, die sie nach außen kommunizieren, vergütet werden. Zusätzlich agieren die Kollatoren und auch andere Nodes der entsprechenden Blockchain als sogenannte Fischer ("fishermen"), die die Validatoren im Blick behalten und etwaiges Fehlverhalten melden.

Entwicklung und Governance

Ein weiteres von den Polkadot-Entwicklerinnen und -Entwicklern immer wieder hervorgehobenes Feature des Systems ist die einfache Upgradebarkeit. Anders als bei anderen Blockchainsystemen erfordern auch größere Funktionsupdates in Polkadot kein Forking des Netzwerks, wie es bei Bitcoin, Ethereum und vielen anderen Systemen notwendig ist. Stattdessen verfügt Polkadot über ausgefeilte Governance-Mechanismen. Stakeholder, egal ob aktiv oder passiv, haben die Möglichkeit einen Rat ("council") zu wählen, der Referenden über Code- und Regeländerungen auf den Weg bringt. Auch Nicht-Ratsmitglieder haben die Möglichkeit, solche Referenden einzubringen. Alle 28 Tage entscheidet sich, ob ein Referendum abgehalten wird. Zur Abstimmung müssen Stakeholder DOTs per Smart-Contract binden. Im Normalfall kann nur ein Referendum auf einmal abgehalten werden. Eine Ausnahme davon stellen sogenannte Notfall-Referenden dar, die ein besonderes technisches Komitee zusammen mit dem Rat auf den Weg bringen kann. Notfall-Referenden sind ausschließlich für Situationen gedacht, in denen es zu schwerwiegenden Sicherheitslücken im System kommt, die so schnell wie möglich behoben werden müssen.

Ob dieses Abstimmungssystem letztlich wirklich besser ist als das Forking von Client-Anwendungen, ist unklar. Eleganter ist die Lösung auf jeden Fall. Die Entwicklerinnen und Entwickler von Polkadot argumentieren, dass sich unschöne Chainsplits auf diese Weise vermeiden lassen. Gerade vor dem Hintergrund, dass Polkadot langfristig als Meta-Blockchain für möglichst viele andere Projekte agieren soll, ist das sicher ein erstrebenswertes Ziel.

Illustration zu Polkadot

Potenzial und Chancen von Polkadot

Die Entwicklerinnen und Entwickler von Polkadot haben ein klares Problem in der Blockchain- und Krypto-Welt identifiziert und bieten mit Ihrem System eine smarte Lösung dafür an. Sollte Polkadot sich durchsetzen, könnte das System eine Welle neuer, innovativer Blockchain-Systeme ermöglichen, die nicht nur sicher sind und auf die Ressourcen des Polkadot-Validatoren-Pools zurückgreifen können, sondern vor allem auch zu geringen Kosten gestartet werden können. Polkadots Substrate-Plattform vereinfacht die Initiierung kleiner Blockchain-Projekte schon jetzt ungemein.

Auch sehr kleine Blockchain-Projekte mit begrenzter Lebenszeit und geringer anvisierter Nutzerbasis könnten mithilfe von Polkadot schnell und einfach realisiert werden. Ob solche Kleinstsysteme im Einzelfall wirklich sinnvolle Lösungen darstellen, bleibt aber abzuwarten. Aus technischer Perspektive ist Polkadot auf jeden Fall enorm spannend. Denn grundsätzlich hat das System das Potenzial, zur Go-To-Lösung für die schnelle Realisierung von Blockchain-Projekten zu werden. Ob es dieses Potenzial letztlich auch ausschöpfen kann, bleibt aber natürlich abzuwarten.

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