Polkadot GRANDPA-Konsens Börsenlexikon Vorheriger Begriff: Polkadot BABE-Konsens Nächster Begriff: Polygon

GRANDPA (GHOST-based Recursive Ancestor Deriving Prefix Agreement) ist eines der beiden zentralen Konsensprotokolle im Polkadot-Netzwerk und zuständig für die Finalisierung von Blöcken auf der Relay Chain. Im Gegensatz zu klassischen Konsensalgorithmen, die sowohl Blockproduktion als auch Finalität gleichzeitig regeln, ist GRANDPA ausschließlich für den Finalitätsteil verantwortlich und arbeitet dabei komplementär zu BABE, dem für die Blockerzeugung zuständigen Protokoll. Diese Trennung ist ein zentrales Merkmal der Polkadot-Architektur und ermöglicht sowohl Skalierbarkeit als auch hohe Sicherheit.

Ziel und Rolle im Polkadot-Konsensmodell

Im Blockchain-Kontext bedeutet Finalität, dass ein Block dauerhaft Teil der Blockchain-Historie ist und nicht mehr rückgängig gemacht werden kann. Während BABE kontinuierlich neue Blöcke produziert, sorgt GRANDPA dafür, dass regelmäßig ganze Blockkettenabschnitte endgültig bestätigt werden. Dies erhöht nicht nur die Sicherheit gegen Forks, sondern verbessert auch die Benutzererfahrung, da Transaktionen als endgültig bestätigt gelten, sobald der sie enthaltende Block finalisiert wurde.

GRANDPA wurde von Parity Technologies eigens für Polkadot entwickelt und ist darauf ausgelegt, Finalität effizient und konsistent zu erreichen, selbst bei teilweisem Netzausfall oder asynchroner Kommunikation zwischen Knoten.

Funktionsweise

GRANDPA basiert auf einem Abstimmungsverfahren unter Validatoren, bei dem nicht nur einzelne Blöcke, sondern ganze Blockkettenabschnitte (Präfixe) finalisiert werden. Die Grundidee ist, nicht auf der Basis des neuesten Blocks zu entscheiden, sondern auf der Basis des letzten gemeinsamen gültigen Blocks, auf den sich genügend Validatoren einigen können.

Der Finalitätsprozess erfolgt in zwei Phasen:

1. Pre-commit-Phase: Validatoren senden Pre-commit-Nachrichten für den höchsten Block, den sie als gültig und auf dem bisherigen finalisierten Block aufbauend betrachten.

2. Commit-Phase: Sobald mindestens zwei Drittel der gewichteten Stimmen einen bestimmten Block in der Pre-commit-Phase genannt haben, senden die Validatoren Commit-Nachrichten für diesen Block.

Ein Block wird als finalisiert betrachtet, sobald mindestens zwei Drittel aller Stimmen in der Commit-Phase diesen Block bestätigen. Die Finalität erstreckt sich dabei rekursiv auf alle Vorgängerblöcke, wodurch oft ganze Kettenabschnitte in einem einzigen Durchlauf bestätigt werden.

Sicherheit und Toleranz

GRANDPA ist ein Byzantine Fault Tolerant (BFT)-Protokoll. Es toleriert bis zu ein Drittel fehlerhafte oder böswillige Validatoren im Netzwerk, ohne die Sicherheit zu gefährden. Solange mindestens zwei Drittel der Validatoren korrekt arbeiten, kann Finalität zuverlässig erreicht werden.

Im Gegensatz zu anderen BFT-Protokollen wie Tendermint benötigt GRANDPA keinen festen Blockvorschlagenden (Proposer) und ist damit flexibler und weniger anfällig für zentrale Engpässe. Dies macht es besonders geeignet für dynamische, dezentrale Netzwerke mit häufig wechselnden Validatoren und hoher Parallelität.

Trennung von Finalität und Produktion

Ein zentrales Designmerkmal des Polkadot-Konsenssystems ist die Trennung von Blockproduktion (BABE) und Finalisierung (GRANDPA). Diese Trennung bringt mehrere Vorteile:

• Effizienz: BABE kann kontinuierlich neue Blöcke erzeugen, ohne auf eine aufwendige Einigung über die Finalität warten zu müssen.

• Robustheit: GRANDPA kann auch rückwirkend ganze Abschnitte der Blockchain finalisieren, selbst wenn BABE vorübergehend instabil war.

• Skalierbarkeit: Die Entkopplung ermöglicht es, die Systemkomponenten unabhängig zu optimieren und auf zukünftige Anforderungen anzupassen.

Diese Dualstruktur ist ein Alleinstellungsmerkmal von Polkadot und erlaubt ein hohes Maß an Performance und Sicherheit zugleich.

Anpassbarkeit durch Governance

Wie viele technische Parameter in Polkadot ist auch GRANDPA on-chain steuerbar, das heißt, Änderungen an der Konfiguration des Protokolls können über das Governance-System des Netzwerks beschlossen und ohne Hard Fork implementiert werden. Beispielsweise können folgende Parameter angepasst werden:

• Mindestanzahl der Validatoren

• Schwellenwerte für Pre-commits und Commits

• Taktung von Finalitätsrunden

Dies macht GRANDPA nicht nur robust, sondern auch flexibel anpassbar, was insbesondere für ein sich dynamisch entwickelndes Netzwerk wie Polkadot entscheidend ist.

Unterschiede zu klassischen Finalitätsmodellen

GRANDPA unterscheidet sich von anderen Finalitätsmodellen wie Proof-of-Work oder einfachen Proof-of-Stake-Verfahren in mehreren Punkten:

• Deterministische Finalität: Ein finalisierter Block kann unter keinen Umständen reorged (umorganisiert) werden.

• Effizienz durch Batch-Finalisierung: Mehrere Blöcke können gleichzeitig finalisiert werden, was die Bestätigung von Transaktionen beschleunigt.

• Trennung von Konsensaufgaben: Während klassische Konsensmechanismen Produktion und Finalität gleichzeitig abwickeln, ist bei Polkadot eine funktionale Trennung realisiert.

Diese Unterschiede machen GRANDPA insbesondere für Anwendungen geeignet, die eine hohe Sicherheit und schnelle Transaktionsbestätigung benötigen, z. B. im Finanz- oder IoT-Bereich.

Einsatz auch in anderen Netzwerken

GRANDPA ist nicht exklusiv auf Polkadot beschränkt. Auch Kusama, das experimentelle Schwesterprojekt von Polkadot, nutzt GRANDPA in Kombination mit BABE. Darüber hinaus ist das Protokoll Bestandteil des Substrate-Frameworks, sodass auch individuell entwickelte Blockchains, die mit Substrate erstellt wurden, GRANDPA als Finalitätsmechanismus einsetzen können.

Diese Wiederverwendbarkeit unterstreicht die Modularität und Zukunftsfähigkeit des Protokolls.

Fazit

GRANDPA ist ein hochleistungsfähiges und sicheres Finalitätsprotokoll, das für die besonderen Anforderungen des Polkadot-Netzwerks entwickelt wurde. Es trennt sich bewusst von klassischen Konsensmodellen, indem es Finalität als eigenständige Aufgabe behandelt und mit BABE zur Blockproduktion kombiniert wird. Die auf VRFs basierende Fairness der Blockvergabe durch BABE wird durch die deterministische Sicherheit von GRANDPA ergänzt. Die Toleranz gegenüber byzantinischen Fehlern, die Möglichkeit zur Batch-Finalisierung und die Anpassbarkeit über On-Chain-Governance machen GRANDPA zu einem zukunftssicheren Element moderner Blockchain-Infrastrukturen.