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    Peer-to-Peer-Netzwerke erklärt

    Was ist Peer-to-Peer (P2P)?

    In der Informatik besteht ein Peer-to-Peer-Netzwerk (P2P) aus einer Gruppe von Geräten, die gemeinsam Dateien speichern und austauschen. Jeder Teilnehmer (Nodes) fungiert als einzelner Peer. In der Regel haben alle Nodes die gleiche Leistung und führen die gleichen Aufgaben aus.

    In der Finanztechnologie bezieht sich der Begriff Peer-to-Peer gewöhnlich auf den Austausch von Kryptowährungen oder digitalen Vermögenswerten über ein verteiltes Netzwerk. Eine P2P-Plattform ermöglicht es Käufern und Verkäufern, Geschäfte ohne Zwischenhändler abzuwickeln. In einigen Fällen können auch Websites eine P2P-Umgebung bieten, die Kreditgeber und Kreditnehmer miteinander verbindet.

    Die P2P-Architektur kann für verschiedene Anwendungsfälle geeignet sein, wurde aber besonders in den 1990er Jahren populär, als die ersten Filesharing-Programme entwickelt wurden. Heute bilden P2P-Netzwerke den Kern der meisten Kryptowährungen und machen einen großen Teil der Blockchain-Industrie aus. Sie werden aber auch in anderen Anwendungen der verteilten Datenverarbeitung genutzt, darunter Web-Suchmaschinen, Streaming-Plattformen, Online-Marktplätze und das Webprotokoll InterPlanetary File System (IPFS).

    Wie funktioniert P2P?

    Im Wesentlichen wird ein P2P-System von einem verteilten Netz von Benutzern verwaltet. Normalerweise gibt es keinen zentralen Administrator oder Server, da jeder Nodes eine Kopie der Dateien besitzt und sowohl als Client als auch als Server für andere Nodes fungiert. So kann jeder Node Dateien von anderen Nodes herunterladen oder Dateien zu ihnen hochladen. Dadurch unterscheiden sich P2P-Netze von den herkömmlichen Client-Server-Systemen, bei denen Client-Geräte Dateien von einem zentralen Server herunterladen.

    In P2P-Netzen tauschen die angeschlossenen Geräte Dateien aus, die auf ihren Festplatten gespeichert sind. Mit Hilfe von Softwareanwendungen, die die gemeinsame Nutzung von Daten vermitteln sollen, können die Benutzer andere Geräte im Netz abfragen, um Dateien zu finden und herunterzuladen. Sobald ein Benutzer eine bestimmte Datei heruntergeladen hat, kann er als Quelle für diese Datei fungieren.

    Anders ausgedrückt: Wenn ein Nodes als Client fungiert, lädt er Dateien von anderen Netzwerk Nodes herunter. Wenn er jedoch als Server arbeitet, ist er die Quelle, von der andere Nodes Dateien herunterladen können. In der Praxis können jedoch beide Funktionen gleichzeitig ausgeführt werden (z. B. Herunterladen von Datei A und Hochladen von Datei B).

    Da jeder Node Dateien speichert, überträgt und empfängt, sind P2P-Netze in der Regel schneller und effizienter, je größer ihre Nutzerbasis wird. Ihre verteilte Architektur macht P2P-Systeme außerdem sehr widerstandsfähig gegen Cyberangriffe. Im Gegensatz zu herkömmlichen Modellen gibt es bei P2P-Netzwerken keine einzige Schwachstelle.

    Wir können Peer-to-Peer-Systeme nach ihrer Architektur kategorisieren. Die drei Haupttypen werden als unstrukturierte, strukturierte und hybride P2P-Netze bezeichnet.

    Unstrukturierte P2P-Netze

    Unstrukturierte P2P-Netzwerke weisen keine spezifische Organisation der Nodes auf. Die Teilnehmer kommunizieren zufällig miteinander. Diese Systeme gelten als robust gegenüber hoher Abwanderungsaktivität (d. h. mehrere Nodes treten dem Netz häufig bei und verlassen es wieder).

    Unstrukturierte P2P-Netzwerke sind zwar einfacher aufzubauen, können aber eine höhere CPU- und Speichernutzung erfordern, da Suchanfragen an die größtmögliche Anzahl von Peers gesendet werden. Dies führt dazu, dass das Netzwerk mit Anfragen überflutet wird, insbesondere wenn nur eine kleine Anzahl von Nodes den gewünschten Inhalt anbietet.

    Strukturierte P2P-Netze

    Im Gegensatz dazu weisen strukturierte P2P-Netze eine organisierte Architektur auf, die es den Nodes ermöglicht, effizient nach Dateien zu suchen, selbst wenn der Inhalt nicht allgemein verfügbar ist. In den meisten Fällen wird dies durch die Verwendung von Hash-Funktionen erreicht, die die Suche in Datenbanken erleichtern.

    Strukturierte Netze können zwar effizienter sein, weisen aber in der Regel einen höheren Zentralisierungsgrad auf und erfordern in der Regel höhere Einrichtungs- und Wartungskosten. Abgesehen davon sind strukturierte Netze weniger robust, wenn sie mit hohen Abwanderungsraten konfrontiert sind.

    Hybride P2P-Netze

    Hybride P2P-Netze kombinieren das herkömmliche Client-Server-Modell mit einigen Aspekten der Peer-to-Peer-Architektur. So kann beispielsweise ein zentraler Server entwickelt werden, der die Verbindung zwischen den Peers erleichtert.

    Im Vergleich zu den beiden anderen Typen weisen Hybridmodelle in der Regel eine bessere Gesamtleistung auf. Sie kombinieren in der Regel einige der Hauptvorteile jedes Ansatzes und erreichen gleichzeitig ein hohes Maß an Effizienz und Dezentralisierung.

    Verteilt vs. dezentralisiert

    Obwohl die P2P-Architektur von Natur aus dezentral ist, ist es wichtig zu wissen, dass es unterschiedliche Grade der Dezentralisierung gibt. So sind nicht alle P2P-Netzwerke dezentralisiert.

    In der Tat verlassen sich viele Systeme auf eine zentrale Autorität, um die Netzwerkaktivitäten zu steuern, wodurch sie in gewisser Weise zentralisiert sind. Einige P2P-Tauschbörsensysteme ermöglichen es den Nutzern beispielsweise, Dateien von anderen Nutzern zu suchen und herunterzuladen, aber sie sind nicht in der Lage, sich an anderen Prozessen wie der Verwaltung von Suchanfragen zu beteiligen.

    Außerdem könnte man sagen, dass kleine Netze, die von einer begrenzten Nutzerbasis mit gemeinsamen Zielen kontrolliert werden, trotz des Fehlens einer zentralisierten Netzinfrastruktur einen höheren Zentralisierungsgrad aufweisen.

    Die Rolle von P2P in Blockchains

    In der Anfangsphase von Bitcoin definierte Satoshi Nakamoto es als ein „Peer-to-Peer Electronic Cash System“. Bitcoin wurde als eine digitale Form von Geld geschaffen. Es kann von einem Nutzer zu einem anderen über ein P2P-Netzwerk übertragen werden, das ein verteiltes Hauptbuch namens Blockchain verwaltet.

    In diesem Zusammenhang ist es die P2P-Architektur, die der Blockchain-Technologie innewohnt, die es ermöglicht, Bitcoin und andere Kryptowährungen weltweit zu übertragen, ohne dass Vermittler oder ein zentraler Server erforderlich sind. Außerdem kann jeder einen Bitcoin-Node einrichten, wenn er am Prozess der Verifizierung und Validierung von Blöcken teilnehmen möchte.

    Es gibt also keine Banken, die Transaktionen im Bitcoin-Netzwerk verarbeiten oder aufzeichnen. Stattdessen fungiert die Blockchain als digitales Hauptbuch, das alle Aktivitäten öffentlich aufzeichnet. Im Grunde besitzt jede Node eine Kopie der Blockchain und vergleicht sie mit anderen Nodes, um sicherzustellen, dass die Daten korrekt sind. Das Netzwerk weist jede böswillige Aktivität oder Ungenauigkeit schnell zurück.

    Im Zusammenhang mit Kryptowährungs-Blockchains können Nodes eine Reihe verschiedener Rollen übernehmen. Vollständige Nodes sind beispielsweise diejenigen, die für die Sicherheit des Netzwerks sorgen, indem sie die Transaktionen anhand der Konsensregeln des Systems überprüfen.

    Jeder Full Node unterhält eine vollständige, aktualisierte Kopie der Blockchain und kann so an der kollektiven Arbeit der Verifizierung des wahren Zustands des verteilten Ledgers teilnehmen. Es ist jedoch erwähnenswert, dass nicht alle Full Validating Nodes Miner sind.

    Vorteile

    Die Peer-to-Peer-Architektur von Blockchains bietet viele Vorteile. Einer der wichtigsten ist die Tatsache, dass P2P-Netzwerke eine größere Sicherheit bieten als herkömmliche Client-Server-Systeme. Die Verteilung von Blockchains auf eine große Anzahl von Nodes macht sie praktisch immun gegen Denial-of-Service-Angriffe (DoS), die zahlreiche Systeme plagen.

    Da eine Mehrheit der Nodes einen Konsens herstellen muss, bevor Daten zu einer Blockchain hinzugefügt werden, ist es für einen Angreifer fast unmöglich, die Daten zu verändern. Dies gilt insbesondere für große Netzwerke wie das von Bitcoin. Kleinere Blockchains sind anfälliger für Angriffe, da eine Person oder Gruppe schließlich die Kontrolle über eine Mehrheit der Nodes erlangen könnte (dies ist als 51-Prozent-Angriff bekannt).

    Infolgedessen verleiht das verteilte Peer-to-Peer-Netzwerk in Verbindung mit dem Erfordernis eines Mehrheitskonsenses Blockchains ein relativ hohes Maß an Widerstandsfähigkeit gegenüber bösartigen Aktivitäten. Das P2P-Modell ist einer der Gründe, warum Bitcoin (und andere Blockchains) in der Lage waren, die sogenannte byzantinische Fehlertoleranz zu erreichen.

    Neben der Sicherheit macht die P2P-Architektur von Kryptowährungs-Blockchains diese auch resistent gegen Zensur durch zentrale Behörden. Im Gegensatz zu normalen Bankkonten können Kryptowährungs-Wallets nicht von Regierungen eingefroren oder abgezogen werden. Diese Resistenz erstreckt sich auch auf Zensurbemühungen privater Zahlungsverarbeitungsund Inhaltsplattformen. Einige Urheber von Inhalten und Online-Händler haben Zahlungen in Kryptowährungen eingeführt, um zu vermeiden, dass ihre Zahlungen von Dritten blockiert werden.

    Beschränkungen

    Trotz ihrer vielen Vorteile hat die Nutzung von P2P-Netzwerken auf Blockchains auch gewisse Einschränkungen.

    Da verteilte Hauptbücher auf jedem einzelnen Nodeund nicht auf einem zentralen Server aktualisiert werden müssen, erfordert das Hinzufügen von Transaktionen zu einer Blockchain eine enorme Menge an Rechenleistung. Dies erhöht zwar die Sicherheit, verringert aber die Effizienz und ist eines der Haupthindernisse für die Skalierbarkeit und eine breite Akzeptanz. Nichtsdestotrotz untersuchen Kryptographen und Blockchain-Entwickler Alternativen, die als Skalierungslösungen genutzt werden können. Prominente Beispiele sind das Lightning Network, Ethereum Plasma und das Mimblewimble-Protokoll.

    Eine weitere potenzielle Einschränkung betrifft Angriffe, die bei Hard-Fork-Ereignissen auftreten können. Da die meisten Blockchains dezentralisiert und quelloffen sind, steht es Gruppen von Nodes frei, den Code zu kopieren und zu verändern und sich von der Hauptkette abzuspalten, um ein neues, paralleles Netzwerk zu bilden. Hard Forks sind völlig normal und stellen für sich genommen keine Bedrohung dar. Wenn jedoch bestimmte Sicherheitsmethoden nicht ordnungsgemäß angewandt werden, können beide Ketten für Replay-Angriffe anfällig werden.

    Darüber hinaus sind P2P-Netzwerke aufgrund ihrer verteilten Natur relativ schwer zu kontrollieren und zu regulieren, nicht nur in der Blockchain-Nische. Mehrere P2P-Anwendungen und Unternehmen wurden in illegale Aktivitäten und Urheberrechtsverletzungen verwickelt.

    Abschließende Gedanken

    Die Peer-to-Peer-Architektur kann auf viele verschiedene Arten entwickelt und genutzt werden und ist das Herzstück der Blockchains, die Kryptowährungen ermöglichen. Durch die Verteilung von Transaktions-Ledgern über große Netzwerke von Nodes bietet die P2P-Architektur Sicherheit, Dezentralisierung und Widerstand gegen Zensur.

    Neben ihrem Nutzen für die Blockchain-Technologie können P2P-Systeme auch für andere verteilte Datenverarbeitungsanwendungen eingesetzt werden, von Filesharing-Netzwerken bis hin zu Energiehandelsplattformen.

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