Wie Algorand funktioniert

Algorand wurde Ende 2017 von dem renommierten italienischen MIT-Professor Silvio Micali gegründet. Der Träger des Turing-Preises 2012, der vor allem für seine Beiträge zur Kryptografie durch die Schaffung von Zero-Knowledge-Proofs bekannt ist, hatte die Idee für ein Netzwerk, das das Trilemma der Blockchain – Sicherheit, Dezentralisierung und Skalierbarkeit – lösen sollte, das der Ethereum-Gründer Vitalik Buterin beschrieben hatte.

Zwar wurde das Mainnet des Netzwerks im Juni 2019 gestartet, doch erst 2020 kam das innovative Protokoll mit dem großen Upgrade des Netzwerks, Algorand 2.0, richtig in Fahrt. Die Überarbeitung des Netzwerks eröffnete wichtige Möglichkeiten, die für die Schaffung anspruchsvoller Anwendungsfälle wie dezentralisierte Finanzdienstleistungen (DeFi) benötigt werden. Daher ähnelt es in Bereichen anderen Blockchains mit einem Augenmerk auf Smart Contracts.

Verwaltet wird Algorand von der gemeinnützigen Algorand Foundation mit Sitz in Singapur, die wiederum ein kommerzielles Softwareunternehmen mit Sitz in Boston damit beauftragt, die Weiterentwicklung des Netzwerks sicherzustellen. Aufgrund der umstrittenen Tokenomics und der ursprünglich eingeschränkten Basisschicht ist Algorand in der aktuellen Aufwärtsphase hinter dem Rest der großen Kryptowährungen zurückgeblieben.

Algorand ist in der Lage, einen hohen Transaktionsdurchsatz (1.000 TPS) in Kombination mit einer fast sofortigen Transaktionsabwicklung (~4,2 Sekunden) zu gewährleisten, indem es zwei Netzwerkdesigns einsetzt, die dies ermöglichen.

Die Blockchain verfügt über eine einzigartige zweistufige Architektur, bei der die rechenintensiven Prozesse auf der Off-Chain-Ebene (Layer 2) des Netzwerks angesiedelt sind, während die On-Chain-Ebene (Layer 1) für die relativ einfachen, auf Smart Contracts basierenden Transaktionen vorgesehen ist. Durch diese Netzwerkaufteilung wird verhindert, dass es zu Engpässen kommt. Die zweite Komponente ist die skalierbare und auf Zufälligkeit basierende Iteration des Proof of Stake (POS)-Konsensmechanismus, die auch als Pure Proof of Stake bezeichnet wird. 

Architektur

Die Architektur von Algorand besteht aus zwei Ebenen. Das Kernstück von Algorand ist die erste Ebene auf der Blockchain. In diese Schicht ist eine Reihe von Funktionen integriert, mit denen die Blockchain dem DeFi-Ökosystem und den komplexen Anwendungsfällen in der realen Welt den nötigen Rahmen bietet. Hierzu gehören unter anderem die Algorand Standard Assets (ASAs), die Algorand’s Virtual Machine (AVM), die die Erstellung von Turing-kompletten Smart Contracts in TEAL, einer Assembly-ähnlichen Sprache, in Kombination mit Python, Clarity und Reach (einer einfachen Variante von Javascript) ermöglicht. Dazu kommen noch die Rekeying-Funktion und schließlich Atomic Transfers, mit denen mehrere Parteien sofort und vertrauenslos Transaktionen abwickeln können.

Das Algorand-Netzwerk bietet mit ASA die Möglichkeit, vier verschiedene Arten von standardisierten Token zu erstellen, welche von der Benutzerfreundlichkeit, der Kompatibilität und der gemeinsamen Sicherheit des zugrundeliegenden Netzwerks profitieren, da sie direkt in die Blockchain-Ebene integriert sind und nicht über ergänzende Smart Contracts ausgegeben werden. Dieses System entspricht dem ERC von Ethereum und soll den Prozess der Erstellung von Token normalisieren, wodurch es möglich wird, folgende Token zu konzipieren: Fungible ( In-Game Points, System Credits, Bonuspunkte), Non-Fungible (Identität, In-Game Gegenstände), Restricted Fungible (Wertpapiere, staatliche Fiatwährungen), Restricted Non-Fungible Tokens (Immobilien, regulatorische Bescheinigungen). Für die Erstellung eines solchen Tokens müssen die Entwickler lediglich ein Formular ausfüllen, welches die grundlegenden Details enthält, wie z.B. den Namen des Assets, die Einheit und die Gesamtmenge, sodass er implementiert werden kann, ohne dass ein Code kompiliert werden müsste. Dadurch wird verhindert, dass die Sicherheit der Token durch mangelhafte Entwicklung gefährdet wird, wie es sie bei Ethereum im Jahr 2021 aufgrund von Hackerangriffen gegeben hat, was zu Verlusten in Milliardenhöhe geführt hat.

Zusätzlich dazu, dass der Prozess der Tokenisierung vereinheitlicht wird, bietet ASA den handelnden Personen einen Asset Spam Schutz (ASP) sowie den Emittenten der Token eine sogenannte Role Based Asset Control (RBAC). Mit ASP werden die Benutzer davor geschützt, dass sie Vermögenswerte ohne ihre ausdrückliche Zustimmung zur Annahme des Tokens erhalten, was in Ländern wie den USA eine Gefahr darstellt, da die SEC der Meinung ist, dass die Teilnahme an Airdrops gegen die Wertpapiergesetze verstoßen würde. Auf der anderen Seite gibt RBAC den Token-Managern die Möglichkeit, Konten, die untersucht werden, unter Quarantäne zu stellen oder ein Whitelisting-Modell einzuführen, das nur einer bestimmten Gruppe von Nutzern erlaubt, Transaktionen durchzuführen, ähnlich wie dies in der traditionellen Finanzwelt üblich ist.

Bevor AVM auf den Markt kam, war Algorand zunächst darauf beschränkt, stateless Smart Contracts (ASC1) mit Hilfe der nicht Turing-kompatiblen Sprache TEAL (Transaction Execution Approval Language) zu erstellen. Dadurch war es nicht möglich, komplexere Logik in die Anwendungen einzubauen, da TEAL-Programme in erster Linie darauf ausgerichtet sind, grundlegende Operationen auszuführen, wie z.B. die Ausgabe von true und false, während sie gleichzeitig für die Genehmigung und Analyse von Transaktionen verwendet werden. Dank des Upgrades ist das Algo-System nun in der Lage, dApps zu hosten, die mit anspruchsvolleren Sprachen wie Python, Reach (JavaScript-ähnliche Sprache), Clarity und GO entwickelt wurden.

Was Atomic Transfers angeht, so positioniert diese Besonderheit die Hauptebene von Algorand als verlässlichen Financial Ledger, da sie einen reibungslosen Austausch von Vermögenswerten zwischen Parteien ermöglicht, die einander nicht vertrauen müssen, und dies nahezu augenblicklich. Diese Eigenschaft war bei der ersten Generation von Blockchains unerreichbar, da deren Kapazität begrenzt und die Bestätigungsdauer lang war. Da Algo fast sofort endgültig ist, können Transaktionen zusammengeführt und dann entweder vollständig ausgeführt oder abgelehnt werden, wobei in letzterem Fall der Betrag an den ursprünglichen Nutzer zurückerstattet wird. Auf diese Weise können Transaktionen mit mehreren Parteien und verschiedenen Vermögenswerten, die auch über das Algo-Ökosystem hinausgehen können, schnell abgewickelt werden.

Mit der Rekeying-Funktion versucht Algorand, die Blockchain zu einem nutzerorientierten Netzwerk auszubauen, das auf eine unkomplizierte Nutzung ausgelegt ist. Sie ermöglicht das Beibehalten einer öffentlichen Adresse bei gleichzeitigem Austausch des privaten Schlüssels, ohne dass der Account, der beide verwaltet, strukturell verändert werden müsste, was wiederum bedeutet, dass die Umschreibung eines Vertrages so nahtlos ist wie das Senden einer Transaktion. Für Unternehmen oder Dienstleister mit häufig wechselndem Personal oder für die Einrichtung eines Systems zur Schlüsselrotation ist diese Tatsache von großem Wert.

Zwar können Kalkulationen und Abrechnungen auf beiden Ebenen durchgeführt werden, wie auch die funktionsreichen Smart Contracts auf Ebene 1 verdeutlichen, aber rechenintensivere dApps werden auf die Off-Chain-Ebene (L2) von Algorand verlagert, damit keine Engpässe entstehen. So sind Verträge, die private Aktienplatzierungen abwickeln und auf externe Datenbanken mit zertifizierten Investoren zugreifen müssen, außerhalb der Blockchain besser aufgehoben, da es kostspielig ist, umfangreiche Daten auf ihr zu speichern. Auch andere Verträge, welche datenschutzfreundliche Bibliotheken wie ZK-Snark verwenden, die eine erhebliche Rechenleistung erfordern, werden auf die Off-Chain-Ebene umgeleitet.

Algorand bindet die Off-Chain-Ebene an die Sicherheit des Hauptnetzwerks und wählt nach dem Zufallsprinzip eine Gruppe von Nodes aus, die sich bereits an der Blockvalidierung beteiligt haben, und ruft sie im Bedarfsfall dazu auf, die komplexeren Verträge auszuführen. Dadurch kann die Skalierbarkeit zu einem Teil der Kernfunktionalität der Blockchain werden.

Bei diesem Artikel handelt es sich um einen Ausschnitt aus dem über 90 Seiten umfassenden Bericht Die Zukunft von Decentralized Finance – Bleibt Ethereum die Nummer eins?, der vom Crypto Research Report und Cointelegraph Consulting mitherausgegeben wird. Der Bericht wurde von zehn Autoren erstellt und von Arcana, Brave, ANote Music, Radix, Fuse, Cryptix, Casper Labs, Coinfinity, Ambire, BitPanda und CakeDEFI unterstützt.