Frischer Wind für Ethereum Der Ethereum Hard-Fork Istanbul

Das milliardenschwere Ethereum-Netzwerk steuert mit dem Hard-Fork Istanbul auf eine massive Technologie­umstellung zu. Die geplanten Änderungen sind so umfassend, dass der Hard-Fork Istanbul in zwei Schritten erfolgen soll. Die erste Phase geht im Mainnet voraussichtlich bis Ende des Jahres über die Bühne. Die zweite Phase, (Serenity), folgt im Mainnet im ersten Quartal 2020.

Nachdem die Ethereum-Entwicklergemeinde für Istanbul ursprünglich insgesamt 30 EIPs (Ethereum Improvement Proposals) ins Visier nahm, einigte man sich in der ersten Phase der Umstellung auf genau sechs. Vor der Übertragung der Änderungen auf das Mainnet soll im letzten Meilenschritt die Durchführbarkeit des Upgrades durch die Aktivierung auf den Testnetzen bestätigt werden.

Ursprünglich war die erste Phase der Umstellung der Testnetze auf den Istanbul-Fork für den 4. September geplant, wurde dann auf den 2. Oktober verschoben. Das Datum war anhand der avisierten Blocknummer angepeilt. „Die Kernentwickler können sich vor Begeisterung kaum halten, den Hard-Fork auf das Ropsten-Testnetz loszulassen, um sicherzustellen, dass alles richtig funktioniert", kommentierte noch im August Hudson Jameson, Community Manager der Ethereum Foundation. Die Vorfreude ist die beste Freude. Doch es sollte einmal wieder etwas anders kommen als geplant.

Laut Hudson Jameson hatte die Mehrheit der Miner auf der Ropsten-Blockchain bis zum 30. September ihre Software noch nicht upgedatet, weil ja eigentlich der 2. Oktober als Stichtag zur Umstellung geplant war. Aufgrund von unerwartet schnellen Blockchain-Bestätigungszeiten hat das Netzwerk die betreffende Blocknummer früher als geplant erreicht und so begann die Umstellung auf Istanbul um die zwei Tage früher als erwartet. Ein großer Miner im Testnetz Ropsten hatte den Upgrade-Zeitpunkt offenbar verpasst und schürfte neue Blöcke mit einer Performance von 1,6 Giga-Hashes weiter vor sich hin. So hat sich das Ropsten-Testnetz überraschend bei der Blocknummer 6485846 in zwei separate Chains gesplittet. Auf den ersten Blick sah es so aus, als ob der Fork versagt hätte. Dem war aber nicht so. Die auf Istanbul aktualisierten Knoten im Ropsten-Testnetz befanden sich einfach in der Minderheit.

Auch beim vorigen Hardfork, Constantinople, war genau das Gleiche passiert (Im Übrigen: Constantinople und Istanbul sind zwei Namen derselben Stadt, insofern passen auch die Parallelen). Es kam zu einem kurzfristigen Split des Ropsten-Netzwerkes, der damals ein paar Stunden gedauert hatte. An der Koordination ließe sich also noch einiges verbessern. Hudson Jameson ist jedenfalls davon überzeugt, dass die Probleme mit dem Ropsten-Netzwerk nichts mit der Code-Qualität des Istanbul-Upgrade zu tun hätten, sondern lediglich ein Zeichen der Kommunikationsprobleme zwischen den Minern auf dem Ropsten-Netzwerk seien.

Am Freitag, den 4. Oktober, trafen sich führende Ethereum-Entwickler zum Troubleshooting in einer Telefonkonferenz. Zu Wort haben sich unter anderem James Hancock, Martin Holst Swende, Pooja Ranjan, karalabe und Danno Ferrin gemeldet. Das Upgraden der Ethereum-Clients würde den Betroffenen nicht weiter helfen, hieß es. Laut Péter Szilágyi, dem Team-Leader bei Ethereum, bestehe die einzige Lösung darin, dass möglichst viele Miner, vor allem die Großen, endlich auf den Istanbul-Fork upgraden. Erst wenn die Mehrheit der Ropsten-Miner diesen Schritt vollzogen haben wird, könne die Gemeinde den Constantinople-Fork zu den Akten legen. Solange dies nicht geschehen sei, würde das Ropsten-Testnet bei der aktuellen Blocknummer „stecken bleiben“.

Auf den anderen betroffenen Testnetzwerken, Rinkeby und Gorli, hat das Update tadellos funktioniert. Dort waren die aktualisierten Knoten in der klaren Mehrheit. Letzteres ist nicht weiter verwunderlich, da es sich bei diesen beiden Testnets um Proof-of-Authority-Blockchains handelt, wo ohnehin nur die Mehrheitskette („majority chain“) nach vorne kommen kann. Benutzer von Geth können sich mit einem Flag behelfen, um den noch nicht aktualisierten Chain auszublenden. Offensichtlich ist dies zwar nicht der Weisheit letzter Schluss, aber vorübergehend zumindest ein akzeptabler Workaround.

Verbesserungen in Istanbul

Die geplanten Änderungen, zuerst in Istanbul und dann in Serenity, adressieren einige der größten Herausforderungen der Geschichte von Ethereum, allen voran die Skalierbarkeitsengpässe, welche das Wachstum der Plattform im Enterprise-Bereich dramatisch ausbremsen. Die systemweiten Updates in Istanbul 1 beinhalten sechs relevante EIPs. Die vorkompilierten Binaries zur Berechnung elliptischer Kurven und diverse anderen Operationen sollen von einer neuen Preisgestaltung profitieren. Die Neubewertung des Rechenaufwands dürfte eine ganze Reihe von Datenschutz- und Skalierungslösungen auf Ethereum fördern.

Die Änderungen sind ein Zugeständnis an den Bedarf nach fortgeschrittenen Features rund zum Schutz privater Daten. Ethereum-Entwickler spielen schon länger mit dem Gedanken an die Umsetzung vertraulicher Geschäftsabschlüsse unter Wahrung der Fähigkeit zur Durchführung von Konformitätsprüfungen, eine wichtige Voraussetzung u.a. in der Finanzindustrie. Diese Features dürften der Plattform einen weiteren Schub nach vorne verleihen, lassen aber bisher noch auf sich warten. Inzwischen erwarten Insider eine verbesserte Interoperabilität der Ethereum-Kette mit Zcash, einer beliebten datenschutzorientierten Kryptowährung.

Von Istanbul 1 erhofft sich die Gemeinde mehr Robustheit gegen Replay-Attacken durch intelligente Überprüfung der Chain-ID (EIP-155). Weitere EIPs, die noch zusätzliche Überlegungen und ausgiebiges Testen erfordern, haben die Entwickler auf die zweite Phase des Upgrades verschoben. Diese Umstellung soll im Mainnet im ersten Quartal des kommenden Jahres vollzogen werden.

Zu den wichtigsten Änderungen in Istanbul 2 (also dem noch bevorstehendem Upgrade) zählen der Wegfall von PoW zugunsten von ProgPoW und die Umsetzung von Update-fähigen smarten Verträgen dank der sogenannten generalisierten Account-Versionierung.

Ethereums Proof-of-Work-Algorithmus soll in Istanbul 2 dem ProgPoW-Algorithmus (EIP-1057) weichen. ProgPoW steht für Programmatic Proof-of-Work, eine Erweiterung von Ethash. Der Leitgedanke läuft darauf hinaus, die Beteiligung am Ethereum-Mining auf neue Teilnehmergruppen zu erweitern und die Dominanz von ASIC-Mindern zugunsten von GPU-Systemen zu verschieben.

Bei ASICs (Application-Specific Integrated Circuits) handelt es sich um anwendungsspezifisch hochoptimierte integrierte Schaltkreise mit einer komplexen und nicht veränderbaren Design-Flow-Logik. ASICs erfordern anfangs hohe Kapitalauslagen für das Feintuning der architektonischen Eckdaten, können aber dann bei hohen Stückzahlen mit sehr geringen Stückkosten trumpfen. Da ASICS zudem eine hohe Leistung mit einem sehr niedrigen Energiebedarf verbinden, verstärken sich die Skaleneffekte noch weiter. Diese betriebswirtschaftlichen Besonderheiten von ASICS fördern die Entstehung massiver Mining-Farmen und die Konzentration der Macht in nur wenigen Mining-Pools.

GPUs sind in vielerlei Hinsicht genau das Gegenteil von ASICs. Im Gegensatz zu ASICS zeichnen sich GPUs durch eine beachtliche Vielseitigkeit und Anpassungsfähigkeit aus, sind jedoch teurer in der Fertigung. GPUs bewähren sich vor allem bei Fließkomma- und Matrizenberechnungen, weswegen sie bei Deep Learning zur Höchstleistung auflaufen. GPUs schlagen bei KI-Anwendungen die Performance konventioneller CPUs um Längen, indem sie die physikalischen Beschränkungen des Mooreschen Gesetzes dank ihrer massiven Parallelisierbarkeit umgehen. Zu den Nachteilen von GPUs zählen jedoch der hohe Anschaffungspreis und der beachtliche Energiehunger. Beim PoW-Mining ziehen GPUs gegenüber ASICS generell immer den Kürzeren.

Der neue ProgPoW-Algorithmus in Istanbul 2 spielt erstmals in der Geschichte von Ethereum eindeutig in die Stärken von GPU-Beschleunigern. ProgPoW ändert nach einem Zufallsverfahren die Art der zu lösenden Aufgabe. Während sich GPUs einer neuen Problemstellung flexibel anpassen können, tun sich die hoch spezialisierten ASICs damit schwer. Die aktuelle Generation von ASICS ist mit Ethash überhaupt nicht kompatibel. Istanbul dürfte also das Ethereum-Mining von den ASIC-basierten Mining-Pools zugunsten von GPU-Minern verschieben.

Von diesem Schritt erhofft sich die Gemeinde die Umkehrung der fortschreitenden Zentralisierung des Minings in den Händen kapazitätsstarker Teilnehmer mit massiven ASIC-Farmen aus dem fernen Osten. Diese Zentralisierung erhöht nämlich das Risiko einer 51%-Attacke gegen das Netzwerk beachtlich. Der stärkere Einbezug von GPU-Minern dürfte diese Gefahr entschärfen und die Manipulationssicherheit der Blockkette erhöhen.

Bei der Umstellung auf ProgPoW handelt es sich um einen Zwischenschritt. Das ultimative Ziel besteht in der Implementierung von Proof-of-Stake in Serenity (Ethereum 2.0, siehe weiter unten). Für viele Nutzer stellt sich die Frage, ob sich die Gemeinde so aber nicht unnötig verzettelt. Kritiker sprechen im Zusammenhang mit ProgPoW von einer Ressourcenverschwendung und befürchten ein Network-Split. Sollte sich allerdings die geplante Umstellung auf PoS/Casper verzögern, böte ProgPoW eine dringend benötigte Absicherung.

Mit der geplanten generalisierten Account-Versionierung (engl. generalized account versioning scheme, die eigentlich auf die VM-Versionierung hinausläuft, EIP 1057) in Istanbul soll die Aktualisierbarkeit von smarten Verträgen Realität werden. Hierzu bekommt die EVM ein Upgrade auf Web Assembly Code und damit zusätzliche Flexibilität in Bezug auf den ausführbaren Code. (Entwickler wird es freuen!). Mit dieser Änderung und der geplanten Account-Versionierung soll es möglich sein, verschiedene smarte Verträge in unterschiedliche, Varianten der Ethereum-VM auszuführen. Dies beschert der Ethereum-Plattform die Fähigkeit, alte Verträge unverändert in der passenden alten VM und gleichzeitig ganz neuen Code in einer neuen VM aufzuführen.

Ausblick

Mit dem Hard-Fork Istanbul nähert sich die Ethereum-Community der letzten Etappe der Technologieumstellung: Serenity. Die schrittweise Umsetzung der geplanten Änderungen in Istanbul 1 und 2 soll das Potenzial für Überraschungen minimieren und eine reibungslose Anpassung ermöglichen.

Über die Autoren: Anna Kobylinska und Filipe Pereira Martins arbeiten für McKinley Denali Inc. (USA).

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