Vollkommen dezentral, unendlich skalierbar und hohe Übertragungsraten, ohne übermäßige Transaktionskosten zu verursachen. Algorand erfüllt alle Anforderungen, die eine Blockchain der dritten Generation bewältigen muss, um die Mainstream-Adoption von Blockchain-Anwendungen voranzutreiben.

Das Algorand Projekt verfolgt das ehrgeizige Ziel, sämtliche technische Hindernisse zu beseitigen, die seit Jahren den wirtschaftlichen Durchbruch der Blockchain-Technologie hemmen.

Gleichzeitig ist die Plattform die erste ihrer Art, welche den neuartigen Pure Proof-of-Stake (Pure PoS oder PPoS) Konsensmechanismus verwendet, um Transaktionen innerhalb weniger Sekunden zu validieren. Hierzu wird die Sicherheit des Gesamtsystems an die Ehrlichkeit der ALGO Token Besitzer geknüpft.

Die kreativen Köpfe hinter Algorand

Hinter dem Projekt steckt die Algorand Foundation, eine Non-Profit-Organisation mit Sitz in Singapur. Die Stiftung ist zusammen mit der Algorand Incorporated für die Weiterentwicklung des Algorand Protokolls verantwortlich. Letztere wurde vom US-amerikanischen Informatiker Silvio Micali ins Leben gerufen.

Micali ist seit 1983 als Professor am Labor für Informatik und Künstliche Intelligenz am Massachusetts Institute of Technology (MIT) tätig und gilt als Koryphäe im Bereich der Kryptographie und Informationssicherheit. Für seine herausragenden Forschungsleistungen wurde ihm 2012 der Turing Award, die höchste Auszeichnung in der Informatik, verliehen

Zusammen mit Jing Chen, Assistenzprofessorin für Informatik an der Stony Brook University in New York, publizierte Micali im Jahr 2017 das Algorand Whitepaper.

Risikokapital und Start des Algorand Mainnets

Nach erfolgreichem Start des Testnets im Juni 2018 zog Algorand erstmals die Aufmerksamkeit eines größeren Publikums auf sich, als über 50 Millionen Euro von den Risikokapitalgesellschaften Union Square Ventures und Pillar Venture Capital eingesammelt wurden. Die Neuigkeit wurde von Charles Hoskinson, Mitbegründer von Ethereum (ETH) und Gründer von Cardano (ADA), mit folgenden Worten kommentiert:

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Congratulations Silvio, we finally have some real competition https://t.co/fI3FzcwIL3 🙂

— Charles Hoskinson (@IOHK_Charles) October 24, 2018

Der Launch des Mainnets erfolgte im Juni 2019. Zusammen mit dem Genesis-Block, dem ersten Block einer Blockchain, wurden 10 Milliarden ALGO Tokens generiert und fest im Quellcode verankert.

Die Algorand Incorporated und die Algorand Foundation erhielten infolgedessen 2,5 Milliarden Tokens, um zur Stabilität der Algorand Blockchain beizutragen. Der restliche Bestand soll den Ausbau des Ökosystems vorantreiben, Forschungsaktivitäten fördern und Community-Aktivitäten unterstützen.

Diese technischen Herausforderungen will Algorand lösen

 Für den Produktiveinsatz von Blockchain-Systemen ergeben sich spezielle Anforderungen, welche teilweise in konträrem Verhältnis zueinander stehen.

Das Blockchain-Trilemma gilt in diesem Zusammenhang als eine der größten Herausforderungen. Es besagt, dass sich Skalierbarkeit, Sicherheit und Dezentralität nicht im gleichen Maße maximieren lassen, ohne an irgendeiner Stelle Kompromisse eingehen zu müssen.

Das Bitcoin Protokoll bietet beispielsweise hohe Sicherheit und Dezentralität, ist mit 7 Transaktionen pro Sekunde jedoch verhältnismäßig langsam und für den Einsatz in komplexen Finanznetzwerken ungeeignet.

Algorand versucht das Trilemma mittels eines innovativen Konsens-Protokolls, dem Pure Proof-of-Stake, zu lösen. Bei dieser Art der Konsensbildung hängt die Sicherheit des Ökosystems von der Ehrlichkeit seiner Akteure ab. Es wird grundsätzlich davon ausgegangen, dass die Mehrheit der ALGO Token Besitzer den fehlerfreien Betrieb des Netzwerks und die reibungslose Validierung von Transaktionen fokussiert. Das Protokoll möchte daher verhindern, dass eine kleine Menge von unehrlichen Teilnehmern das gesamte Ökosystem manipuliert und kontrolliert.

So funktioniert der Pure Proof-of-Stake Konsensmechanismus

Die Gültigkeit einer Transaktion wird vom Algorand Konsensmechanismus in zwei Phasen validiert:

In der ersten Phase wird durch eine geheime Zufallsauswahl ein einzelner ALGO Token, der einer beliebigen Wallet angehört, ausgewählt. Der Besitzer des Tokens agiert im Anschluss als Miner und schlägt den nächsten Block vor (Block Proposal), welcher validiert und der Blockchain angehängt werden soll.

In der zweiten Phase werden 1000 ALGO Tokens zufällig ausgewählt. Die Besitzer der Tokens bilden ein Approval Committee, welches die Gültigkeit des zuvor vorgeschlagenen Blocks validiert. Die finale Entscheidung, ob der vorgeschlagene Block der Blockchain hinzugefügt wird, hängt letztendlich an einer Mehrheitsentscheidung, die wiederum auf der Ehrlichkeit seiner Netzwerkteilnehmer basiert. Nachdem eine beschlussfähige Anzahl an Stimmen erreicht wurde, wird die angeforderte Transaktion entsprechend validiert oder abgelehnt.

Je mehr Tokens ein Benutzer ein seiner Wallet hält, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass er als Validator oder Committee Mitglied ausgewählt wird. Das Verfahren ähnelt somit einem gewichteten, kryptographischen Losverfahren.

Was in der Theorie simpel klingt, wird technisch mit Hilfe einer verifizierbaren Zufallsfunktion (Verifiable Random Function oder VRF) realisiert, die auf Eindeutigkeits- und Pseudozufälligkeitseigenschaften basiert.

Alle Teilnehmer im Algorand Netzwerk besitzen jeweils ein eigenes Schlüsselpaar, bestehend aus einem privaten und öffentlichen Schlüssel. Nachdem ein neuer Block in der ersten Phase vorgeschlagen wurde, wird er mit einem zufällig generierten Selection Seed verknüpft, der öffentlich einsehbar ist. Um zu ermitteln, ob ein Netzwerkteilnehmer für die Teilnahme an Phase 2, dem Approval Committee, ausgewählt wurde, wird nun die VRF ausgeführt und mit dem geheimen Schlüssel, sowie dem öffentlichen Selection Seed verknüpft. Die VRF ermittelt im Anschluss einen pseudozufälligen Ausgangswert mit einem kryptographischen Beweis, anhand dessen ein Benutzer jederzeit nachweisen kann, dass er tatsächlich für die Teilnahme am Approval Committee ausgewählt wurde.

Der Prozess endet mit der Zertifizierung des Abstimmungsergebnisses. Anschließend kann eine neue Abstimmungsrunde gestartet werden, wobei in jeder Runde andere Teilnehmer ausgewählt werden, um das Netzwerk vor Angreifern zu schützen und weitere Transaktionen innerhalb eines neuen, unabhängigen und mehrheitsbasierten Abstimmungsprozesses zu validieren.

Durch den hohen Grad der Anonymität und Randomisierung ist einerseits keine koordinierte Kommunikation zwischen den einzelnen Mitgliedern des Approval Committees möglich, um die Mehrheitsabstimmung zu manipulieren, andererseits können Angreifer vorab nicht ermitteln, wer an der Erzeugung des nächsten Blocks beteiligt ist.

Grundsätzlich gilt: Je mehr Teilnehmer das Netzwerk verwenden, desto schneller und sicherer ist es. Der Pure Proof-of-Stake Konsensmechanismus gewährleistet durch seine verifizierbare Zufallsfunktion nicht nur die Sicherheit des Netzwerks, sondern verspricht eine hohe Energieeffizienz, kombiniert mit schnellen und kostengünstigen Transaktionen. Algorand kann auf diese Weise bis zu 1000 Transaktionen pro Sekunde verarbeiten, bei einer durchschnittlichen Validierungsdauer von 5 Sekunden und Transaktionskosten von unter 0,05 Euro.

Zukunftsaussichten und weitere Kooperationen

Der Erfolg eines jeden Blockchain-Projekts hängt von seiner Verwendung und der Nutzung des dazugehörigen Tokens ab. Algorand bietet einige interessante Ansätze, um Skalierbarkeit, hohe Übertragungsraten und Sicherheit durch Dezentralität zu gewährleisten, muss sich jedoch noch in realweltlichen Szenarien beweisen, um sich konkret von Konkurrenzprojekten wie Ethereum und Cardano abzugrenzen, welche zukünftig ebenfalls das Proof-of-Stake Protokoll verwenden.

Ein erster Schritt wurde bereits mit dem Upgrade des Protokolls auf Algorand 2.0 getan, welches zahlreiche neue Anwendungsfälle auf der ersten Schicht (Layer 1, ASC) des Algorand-Protokolls implementiert. Die Aktualisierung ermöglicht beispielsweise den Einsatz von dezentralen Anwendungen (DApps), simple On-Chain Smart Contracts und Atomic Transfers. Letztere stellen eine sichere Grundlage dar, um komplexe Transaktionen mit mehreren Parteien unkompliziert und ressourcenschonend abzuwickeln.

Die Roadmap verspricht zukünftig zahlreiche weitere Optimierungen und Entwicklungen, beispielsweise Atomic Swaps, um langfristig die Akzeptanz und das Wachstum des Algorand-Ökosystems voranzutreiben.