Analysis of consensus mechanisms of smart contract platforms

Abstract

The blockchain technology has the ability to revolutionize the digital economy. In centralized organizations, all the decisions are taken by the leader or a board of decision makers. As the blockchain is decentralized system and therefore has no leader, this is not possible. To make decisions a consensus has to be reached. In order to get consensus, each blockchain platform has implemented a so-called "consensus mechanism". As blockchains must be scalable to achieve their full economic potential, this necessarily entails compromises. For a single blockchain it seems impossible to have the three desiderates of security, decentralization and scalability at maximum. This is the so-called "impossible triangle" that the blockchain protocol suffers from. Consensus mechanisms are trying to solve this trilemma with different approaches. So consensus mechanisms are one of the most important aspects and distinctions of the different platforms for blockchains. This work provides an overview and technical analysis about the existing consensus mechanisms that are currently in use. Furthermore, smart contracts platforms are reviewed and the consensus mechanisms used by these platforms are investigated in detail. The work further discusses how the change of the platform Ethereum from Proof-of-Work to Proof-of-Stake may influence future smart contracts and the challenges that arise. The analysis gives an overview of 62 consensus mechanisms and 21 smart contract platforms that were in use at the time of writing. This work provides an in-depth review and comparison in regard to important properties of the consensus mechanisms that were used in smart contract platforms. Furthermore two criteria catalogues for comparing smart contract platforms and their used consensus mechanisms are created.

Die Blockchain Technologie hat das Potential die Wirtschaft im Zeitalter der Digitalisierung zu revolutionieren. In zentralisierten Organisationen werden die Entscheidungen von einem Verantwortlichen oder einer Gruppe getroffen. In der Blockchain gibt es keinen bestimmten Entscheidungsträger. Um eine Entscheidung zu treffen, muss ein Konsens erreicht werden. Um diesen Konsens zu erreichen, wird von jeder Blockchain Plattform ein so genannter Konsens-Mechanismus eingesetzt. Damit Blockchains ihr volles ökonomisches Potential ausschöpfen können, muss eine gute Skalierbarkeit gegeben sein. Doch dazu müssen Kompromisse in anderen Bereichen eingegangen werden. Das Blockchain-Trilemma besagt, dass man die drei Haupteigenschaften Skalierbarkeit, Sicherheit und Dezentralität immer zulasten der anderen erreicht, bzw. dass alle drei Eigenschaften nicht gleichzeitig maximiert werden können. Die implementierten Konsens-Mechanismen versuchen dieses Dilemma mit unterschiedlichen Ansätzen zu lösen. Daher sind sie einer der wichtigsten Aspekte sowie Unterscheidungsmerkmale der Blockchain Plattformen. Diese Arbeit bietet einen Überblick sowie eine technische Analyse über die zur Zeit existierenden Konsens-Mechanismen. Darüber hinaus werden Smart Contract Plattformen analysiert und die dort eingesetzten Konsens-Mechanismen detailliert beleuchtet. Außerdem wird die Umstellung des Konsens-Mechanismus von Proof of Work zu Proof of Stake in der Ethereum-Plattform anhand Ihres Einflusses auf zukünftige Smart Contracts analysiert. Die Analyse liefert einen Überblick über 62 Konsens-Mechanismen und 21 Smart Contract-Plattformen die im Moment eingesetzt werden. Weiter werden Kriterienkataloge vorgestellt, welche für den Vergleich von Smart Contract-Plattformen sowie deren Konsens-Mechanismen eingesetzt werden können.