IOTA Einsteiger Guide

Der IOTA Einsteiger Guide ist eine Webseite, auf der die Grundlagen von IOTA auf deutsch erklärt werden und die versucht, alle Partnerschaften und Entwicklungen im IOTA Ökosystem aufzugreifen und auf deutsch zur Verfügung zu stellen. Dieser Artikel ist nur ein kleiner Ausschnitt von dem, was euch auf der Webseite erwartet, also schaut auf jeden Fall mal vorbei!

https://iota-einsteiger-guide.de

Was ist IOTA? - Eine Zusammenfassung

IOTA ist keine Blockchain, IOTA ist ein skalierbares Open-Source-Kommunikationsprotokoll mit Token (Kryptowährung) für einen Wertetransfer. Es wird entwickelt und bereitgestellt von der gemeinnützigen, also nicht gewinnorientierten IOTA Foundation (Stiftung nach deutschem Recht) mit Hauptsitz in Berlin.

Der Name IOTA stammt von dem altgriechischen Buchstaben Iota (altgriechisches Neutrum Ἰῶτα; „der kleinste Buchstabe") und bezeichnet "etwas Geringes". Das Iota ist der 9. Buchstabe des altgriechischen Alphabets und wurde in der Antike wie heute identisch, nämlich i ausgesprochen. Von ihm stammt bspw. auch der lateinische Buchstabe i ab. Im IOTA Kommunikationsprotokoll steht das i für 1 Iota und ist im Netzwerk die kleinste handelbare Werteeinheit - hier schließt sich der Kreis zu "etwas Geringes".

Das Ziel der IOTA Foundation ist es, einen Trust Layer (Vertrauensschicht) für das Internet of Everything (IoE) zu erschaffen, die es Geräten im IoE ermöglicht, Daten und Werte untereinander unveränderlich sowie gebührenfrei auszutauschen. IOTA strebt in Zusammenarbeit mit der Industrie und der Object-Management-Group (einem Konsortium, das sich mit der Entwicklung von Standards für die herstellerunabhängige, systemübergreifende, objektorientierte Programmierung beschäftigt) eine Standardisierung ihres Kommunikationsprotokolls an. Mit einer hohen Interoperabilität wird IOTA das "Ledger Of Everything" sein, dessen Infrastruktur ohne Restriktionen (permissionless) auch von externen Anwendungen genutzt werden kann.

IOTA ermöglicht eine schnelle, manipulationssichere und dezentrale Übertragung von Werten und Daten über viele Netzwerk Knotenpunkte (Nodes). Dabei werden Werte- und Daten-Transaktionen grundsätzlich unterschiedlich gehandhabt. Während Werte-Transaktionen von Full-Nodes validiert werden müssen, werden Daten-Transaktionen direkt bestätigt und sind somit in gewisser Weise "notarisiert". An dieser Stelle werden sich die ein oder anderen Lesenden fragen: Warum benötigt man für eine reine Daten-Transaktion die IOTA Distributed Ledger Technologie? Man kann die Daten doch auch einfach so verschlüsseln, signieren und via TCP/IP versenden.

Nun, abgesehen davon, dass auf diese Weise immernoch „Man in the Middle“-Angriffe möglich wären, beweisen signierte Daten nur, dass die Daten von Person A kommen. Es ermöglicht Person B weder zu prüfen, wann Person A die Daten gesendet hat, noch ob identische Daten auch an alle anderen Personen übermittelt wurden. Person A könnte also z.B. eine bestimmte Information an Person B und eine andere Information an Person C senden. Signaturen allein können niemanden vor solchen Angriffen schützen.

Mithilfe der „Notarisierung“ kann bewiesen werden, dass ein elektronisches Dokument in einer bestimmten Form zu einem bestimmten Zeitpunkt existiert hat und seit der Erstellung nicht verändert wurde. Bei der Erstellung einer Notarisierung wird ein eindeutiger Hash (Fingerabdruck) eines Dokumentes berechnet und gemeinsam mit einem Zeitstempel im IOTA-Ledger (dem "Tangle") unveränderbar gespeichert. Falls zu einem späteren Zeitpunkt verifiziert werden soll, dass das betreffende Dokument zum behaupteten Zeitpunkt existiert hat und/oder nicht verändert wurde, werden die Daten aus dem Tangle abgerufen und mit den vorliegenden Informationen verglichen.

Wenn das IOTA Tangle als Transportmedium verwendet wird, dann sind diese Art von Angriffen nicht möglich. Schon heute gibt es viele Anwendungsfälle, bei denen es von entscheidener Bedeutung ist, dass alle beteiligten Parteien sich darauf verlassen können, dass alle an oder mit den gleichen Informationen arbeiten (z.B. Lieferketten, Oracles, synchronisierte Fernsteuerungssysteme usw.). Es geht daher primär um Anwendungsfälle, bei denen Daten eben nicht einfach nur via TCP/IP übertragen werden können. Ansonsten könnte man auch direkt BitTorrent dafür nutzen. Sender und Empfänger benötigen eine verlässliche und transparente Form der Übertragung zwischen mehreren Parteien oder Organisationseinheiten.

Unter dem Strich bedeutet dies Folgendes: Daten dürfen weder während der Übertragung noch nach dem Empfang manipulierbar sein. Zur Verdeutlichung soll folgendes Beispiel dienen: Ein Sensor (mit IDoT Chip) hat einige Werte gemessen und versendet diese Daten über den IOTA-Tangle, welcher den Hash dieser Daten speichert. Wenn diese Daten später verkauft werden sollen, kann über den Hash nachgewiesen werden, dass die Daten vom Sensor im Nachhinein nicht verändert wurden. Die IOTA Technologie, also das Tangle, fungiert hierbei wie eine Art Fingerabdruck - mit ihr können alle gesendeten Daten verifiziert werden. An dieser Stelle noch ein kurzer Hinweis: Um Missbrauchsszenarien zu verhindern und auf eine effiziente Art und Weise die Maschinenökonomie zu ermöglichen, werden zukünftig Nodes und Geräte eine eindeutige Kennung (ID) erhalten, siehe auch Identität der Dinge (IDoT).

Bei IOTA sind die Guthaben auf den Adressen allen teilnehmenden Full-Nodes jederzeit bekannt. Jedoch versteht sich IOTA nicht als Datenspeicher, sodass die Transaktionshistorie auf den Full-Nodes nicht über einen längeren Zeitraum gespeichert werden muss (analog zum TCP/IP-Traffic des Internets, der ebenfalls nicht gespeichert wird). Möchte ein Nutzer oder ein Unternehmen zusätzlich auch die Transaktionshistorie über mehrere Jahre hinweg abrufen bzw. speichern, müssen dafür zusätzliche Lösungen eingesetzt werden. Dies könnte eine Permanode, eine selektiver Permanode, eine eigene Second-Layer Lösung oder zukünftig auch ein Smart-Contract sein, welcher mehrere Nodes für diese Dienstleistung bezahlt.

Das Kommunikationsprotokoll ist modular aufgebaut, was zukünftig schnellere und einfachere Updates ermöglicht. Für die Redundanz im Netzwerk sind sehr viele Nodes nötig - in ein paar Jahren kann jedoch jedes Auto, jede Maschine, jeder Router usw. ein IOTA Node sein. Je mehr Nodes am Netzwerk teilnehmen, umso schneller und sicherer wird es.

Technologie

Um die oben genannten Ziele zu ermöglichen, sind folgende Protokollmerkmale von grundlegender Bedeutung:

  • Skalierbar - Verarbeiten einer beträchtlichen Anzahl von Transaktionen/Messages pro Sekunde über ein großes Netzwerk von Nodes mit schnellen Bestätigungszeiten.
  • Schlankes System - Leistungsschwache Geräte sind in der Lage, direkt am Netzwerk teilzunehmen.
  • Gebührenfrei - Das Senden aller Transaktionen kann ohne Zahlung von Netzwerkgebühren erfolgen: Wenn 50 MIOTA versendet werden, kommen auch 50 MIOTA beim Empfänger an.

Datenstruktur

Neben den Gebühren weisen herkömmliche DLTs, wie die Blockchain, weitere begrenzende Faktoren auf und sind daher für die Erreichung des Ziels von IOTA ungeeignet. Ein Beispiel ist die inhärente Beschränkung der Geschwindigkeit von Blockchain-Netzwerken, welche allgemein als "Blockchain-Bottleneck" bezeichnet wird. In der Blockchain gibt es nur eine Seite, an der neue Transaktionen angefügt werden können - das Ende der Kette. Die daraus resultierenden negativen Auswirkungen auf den Netzwerkdurchsatz werden in dieser einfachen Grafik dargestellt:

Im Gegensatz dazu wird bei IOTA nicht Block an Block aneinandergereiht und es werden auch keine Miner zur Validierung von Transaktionen benötigt. Die Kerndatenstruktur bei IOTA ist von Natur aus hoch skalierbar. Dies wird mit einer einfachen Regel ermöglicht: Jede Transaktion referenziert und genehmigt zwischen 2 und acht weitere Transaktionen. Diese Regel definiert die zugrundeliegende Datenstruktur von IOTA - das Tangle - welches mathematisch als gerichteter azyklischer Graph (DAG) bezeichnet wird.

Bildlich lässt sich das wie folgt beschreiben:

  • Eine Menge von Transaktionen sind durch Pfade verbunden - dies ist ein Graph.
  • Jeder dieser Pfade besitzt eine eindeutig festgelegte Laufrichtung, womit es ein gerichteter Graph ist.
  • Lässt sich niemals ein Pfad finden, der zu seinem Ausgangspunkt zurückkehrt, ist der Graph azyklisch (im Kreis laufende Pfade wären dagegen zyklisch).
  • Wir sprechen beim IOTA Tangle also von einem gerichteten azyklischen Graph

Transaktionsstatus

Grün = Bestätigt (Konsens) / Weiß = Unbestätigt (Conflict) / Grau = Neu angehängt (Tips)

Im Gegensatz zur Blockchain, die das Anhängen neuer Transaktionen nur an einer einizgen Stelle erlaubt, bieten DAGs mehrere Punkte an, um Transaktionen anzuhängen. Die Nutzer können also neue Transaktionen an verschiedene Stellen des Tangles anhängen, ohne auf die Bestätigung durch andere Transaktionen warten zu müssen:

In dieser chaotischen Anordnung werden sämtliche Transaktionen parallel abgearbeitet und ermöglichen eine sehr hohe Skalierbarkeit, da mit steigender Anzahl der Transaktionen auch die Bestätigungsraten ansteigen. Dies ist, wie oben zu sehen war, genau konträr zu der Funktionsweise der derzeitigen üblichen "klassischen" Blockchains.

Konsensmechanismus

In der Blockchain teilt der Nakamoto-Konsens das Netzwerk in Miner und Nutzer auf. Miner verbrauchen große Mengen an Rechenleistung und erfüllen damit den Proof-of-Work (PoW), der für die Verkettung der Blöcke erforderlich ist. Miner werden durch die Gebühren, welche Nutzer bereit sind zu zahlen, damit ihre Transaktionen in einen Block aufgenommen werden, incentiviert. Diese gebührenbasierte Anreizstruktur wäre eine erhebliche Barriere in einer Maschine-zu-Maschine-Ökonomie, in der Mikrozahlungen zwischen den Maschinen niedriger sein können als die anfallenden Gebühren.

Bei IOTA gibt es keinen Unterschied zwischen Minern und Nutzern. Alle Nodes können am Konsens gleichermaßen teilnehmen. Eine IOTA-Node spielt eine wesentlich andere Rolle als eine Bitcoin-Miner-Node. IOTA-Nodes führen nur einfache Operationen durch, welche nicht viel Rechenleistung erfordern, z.B. das Speichern des Ledgerzustands oder das Validieren von Transaktionen. Nutzer können mit minimalen Kosten einen IOTA Node einrichten und aktiv am Netzwerkkonsens teilnehmen und so die Sicherheit des Netzwerks erhöhen.

Der Konsensmechanismus legt fest, wie sich die Nodes darauf einigen, welche Transaktionen vertrauenswürdig sind und gewährleistet somit eine Übereinstimmung im gesamten Netzwerk. In der aktuellen IOTA-Implementierung vertrauen Nodes den (Wert-)Transaktionen nur, wenn diese von den sogenannten Meilensteinen (Milestones) referenziert und genehmigt wurden. Diese Meilensteine sind ganz normale Transaktionen, die von dem Coordinator (deutsch: Koordinator) ausgestellt wurden. Das ist übrigesn ähnlich wie beim Bitcoin in der Anfangszeit - hier gab es bis zum 16.06.2014 auch sogenannte "Checkpoints". Derzeit ist der Einsatz dieser zentralen "Finalitätsentscheidung" noch notwendig, um die Sicherheit des noch jungen Netzwerks zu gewährleisten. Das Ziel ist aber diesen Coordinator schon bald abzuschalten, so dass das IOTA Netzwerk als komplett dezentral angesehen werden kann.

Hinweis: Der Coordinator, dessen Open Source Code einsehbar ist, kann lediglich Transaktionen validieren. Konsensregeln kann er dagegen nicht ändern oder umgehen, womit es ihm auch nicht möglich ist, IOTA-Token zu erschaffen, IOTA-Token einzufrieren oder einen anderen "Betrug" im Netzwerk zu begehen!

IOTA ohne Coordinator

Der Coordinator soll in naher Zukunft abgeschaltet werden. Bekannt geworden ist dieser Schritt under der Bezeichnung "Coordicide" (Wortschöpfung aus den englischen Begriffen "coordinator" und "homicide", d.h "Tötung"). Diesbezüglich wurden bereits alle Forschungsarbeiten weitestgehend abgeschlossen und u.a. von mehreren Universitäten überprüft. Der Entwicklungsfahrplan - offiziell als Roadmap bezeichnet - der die IOTA-Technologie zur Produktionsreife führen soll, wurde bereits veröffentlicht und befindet sich derzeit in der Umsetzung.

Noch vor dem Coordicide wurde Ende April 2021 eine vollumfängliche Aktualisierung des IOTA Netzwerkes durchgeführt. Bei dem als "Chrysalis" (IOTA 1.5) bezeichneten Updates handelt es sich um eine Weiterentwicklung, welches das Netzwerk unternehmenstauglich (enterpriseready) für das IOTA Ökosystem gemacht hat.

Ein weiterer wichtiger Meilenstein war das erst vor kurzem gestartete "IOTA 2.0 DevNet" (urspr. als "Nectar" bezeichnet). Es ist das erste vollständig dezentrale IOTA-Entwicklungsnetzwerk, das ohne den Coordinator funktioniert. Es basiert auf dem "Chrysalis"-Update und stellt bereits den Prototypen für das zukünftige, dezentrale IOTA-Hauptnetzwerk dar. Aktuell wird das Entwicklungsnetzwerk auf Herz und Nieren geprüft und soweit optimiert, so dass es aller Vorraussicht nach Ende 2021/Anfang 2022 das jetzige Hauptnetzwerk ersetzt und somit den Coordinator final abschaltet.

Der Coordicide stellt sicher, dass das Netzwerk ohne den Coordinator einen Konsens erzielt und gleichzeitig die folgenden Eigenschaften aufweist:

  • Skalierbar: Die Transaktionsrate im Netzwerk ist nicht durch das Protokoll begrenzt - eine beispiellose Skalierbarkeit wird ermöglicht.
  • Sicher: Ein Angreifer kann den Konsens nicht beeinflussen.
  • Dezentral: Alle ehrlichen Nodes können Teil des Konsensprozesses sein.

Aktuelle Blockchain-Lösungen können maximal zwei dieser drei Eigenschaften gleichzeitig erfüllen. Die Algorithmen wurden so entwickelt, dass die Schwierigkeit des Mining-Vorganges absichtlich hoch gehalten wird, sodass das Netzwerk keinen neuen Block produzieren kann, während der vorhandene Block noch erstellt und von allen Nodes überprüft wird. Denn je größer die Anzahl der Nodes im Netzwerk ist, desto länger dauert es, bis der Block bei allen Nodes ankommt und verifiziert werden kann. Wäre die Blockzeit zu kurz, würden viele Blöcke gleichzeitig von verschiedenen Akteuren produziert werden und der Nakamoto-Konsens könnte sich nicht auf ein einziges Ergebnis einigen. Das hätte zur Folge, dass die Nodes im Netzwerk zu einem bestimmten Zeitpunkt voneinander abweichende Ketten als längste und damit als valide Ketten betrachten würden.

Die Blockchain-Lösung besteht darin, die Mining-Schwierigkeit so hoch anzusetzen, dass die Blockzeit im Durchschnitt 10 Minuten beträgt. In diesen 10 Minuten versuchen verschiedene Akteure einen Block zu erzeugen, was jedoch normalerweise nur einem Akteur am Schnellsten gelingt. Alle anderen Akteure lassen (sprichwörtlich) alles fallen, was sie gerade tun, akzeptieren den erfolgreichen Block und versuchen es bei dem nächsten Block erneut. Manchmal kann es vorkommen, dass mehrere Akteure (normalerweise 2) Glück haben und zeitgleich einen gültigen Block erstellen. Die Hälfte des Netzwerks akzeptiert Block 1 und die andere Hälfte akzeptiert Block 2: die Kette würde auseinanderlaufen. Der nächste Miner, der einen Block findet, löst diesen Konflikt auf, indem er ihn immer nur an eine der beiden Ketten anhängt. Diese Kette ist dann die längste und "gewinnt". Alle Nodes akzeptieren sie als gültig. Mit diesem Prinzip behilft man sich beim "Proof-of-Work"-Ansatz und auch wenn es im "Proof-of-Stake"-Ansatz keine Miner mehr gibt, existiert dort ein ähnliches Verfahren. Die Nodes müssen sich immer auf einen Block einigen, bevor sie mit der Produktion des nächsten Blocks beginnen. Mit der Anzahl der Nodes steigt auch die Netzwerkverzögerung, also die Zeit, bis der Block an alle Nodes im Netzwerk verteilt wird. Da der Nakamoto-Konsens ein synchroner Konsens ist, kann er bestenfalls 2 der 3 Punkte (Sicherheit, Dezentralisierung, Skalierbarkeit) lösen.

Dieses Problem wird als Blockchain-Trilemma bezeichnet.

P.S.: Durch die begrenzte Blockgröße entsteht noch ein weiteres Problem: Da immer mehr Transaktionen über das Netzwerk gesendet werden, entscheiden sich die Miner eher dafür, die Transaktionen mit den höchsten Gebühren zu validieren, was zu steigenden Transaktionskosten und zu langen Wartezeiten bei zu geringen Gebühren führt. Der revolutionäre Charakter dieser auf Proof-of-Work-basierenden Lösung ist zwar sehr bedeutend, aber man muss sich mit den damit verbundenen Einschränkungen bezüglich des Netzwerkdurchsatzes bewusst sein.

IOTA ist durch seine asynchrone Natur grundsätzlich nicht vom Blockchain-Trilemma betroffen. Jede Node darf gleichzeitig Transaktionen produzieren, während sie mit einer Teilmenge von Nodes für den Konsens interagiert und dabei eine nicht lineare Datenstruktur verwendet. Mit IOTA 3.0 wird IOTA eine Lösung mit Sharding-Verfahren anbieten, welche das Trilemma umgeht und damit eigentlich auch löst (wobei dies natürlich Ansichtssache ist). Konkret lässt sich Sharding folgendermaßen beschreiben: IOTA-Nodes haben grundsätzlich eine Begrenzung, wieviele Transaktionen sie pro Sekunde (TPS) verarbeiten können. Durch das Aufteilen einer sehr großen Datenbank in kleinere Datenbanken mit leichter zu verwaltenden Segmenten (s.g. Shards), könnte jeder Shard einen bestimmten einzigartigen Bereich der Kontensalden abbilden. Die Nodes würden dann dezidierte Shards zugewiesen bekommen, um Transaktionen zu validieren.

Ziel ist es, dass durch die Aufteilung in besser verwaltbare Segmente der Transaktionsdurchsatz erhöht wird. Das Trilemma wird innerhalb einzelner Shards grundsätzlich weiterhin bestehen. Sobald jedoch in einem einzelnen Shard der Netzwerkdurchsatz die Verarbeitungskapazitäten der Nodes übersteigt, bildet sich dynamisch ein weiterer Shard (Fluid-Sharding). Durch das neuartige, sehr flexible Sharding werden bei IOTA theoretisch unendliche hohe Transaktionsgeschwindigkeiten ermöglicht.

Neue Transaktionen können bei IOTA an jeden Teil des Tangle angehängt werden. Aufgrund der DAG-Struktur ist es lediglich erforderlich, dass neue Transaktionen jeweils zwei bis acht weitere Transaktionen referenzieren. Im Gegensatz zur Blockchain, an der Blöcke einzeln aneinander gekettet werden müssen, ist der Tangle somit von Natur aus skalierbar.

Bei IOTA gibt es im Grunde keine protokollbedingten Engpässe - die Skalierbarkeit ist einzig und allein durch die Hardware und die Gesetze der Physik beschränkt. Derzeit ist der Coordinator noch ein Engpass, welcher das Protokoll an der Skalierung hindert. Zudem stellt der Coordinator einen "Single Point of Failure" dar und verhindert, dass IOTA ein vollständig dezentrales Netzwerk ist. Die Entfernung des Coordinators ist aus diesen genannten Gründen das nächste große Ziel der IOTA Foundation.

Der verbesserte Tangle nach dem Coordicide: Dezentral, skalierbar und sicher

Die Entfernung des Coordinators allein reicht nicht aus, um das Skalierbarkeits-Trilemma sicher und dezentral zu lösen. Für ein solches Netzwerk müssen weitere Sicherheitsmodule implementiert werden, damit einer hohen Transaktionsrate nichts mehr im Wege steht. Kern der Lösung ist eine zusätzliche Sicherheitsebene mit dem proaktiven Abstimmungsmechanismus namens "Shimmer", über den alle Nodes die Meinungen der anderen Nodes anfordern. Mittels derer soll entschieden werden, welche Transaktionen in den Tangle aufgenommen und welche abgewiesen (verwaist) werden sollen.

Um den Coordinator vollständig zu entfernen, müssen eine Reihe von Herausforderungen gelöst werden. Aufgrund der Komplexität der Lösung wird das Vorhaben in einzelne Komponenten zerlegt. Dieser Ansatz macht das Vorhaben und das zukünftige Protokoll modular, sodass jedes Modul unabhängig von den anderen ersetzt werden kann, falls neue Forschungsergebnisse in Zukunft zu besseren Lössungsansätze führen.

Schlüsselfaktoren der IOTA Distributed-Ledger-Technologie im produktionsfertigen Zustand (nach der Entfernung des Coordinators)

  • Vollständige Dezentralisierung: Als global verteiltes Netzwerk ist IOTA widerstandsfähig und robust gegen Angriffe. Ohne den Coordinator wird keine Instanz eine besondere Rolle im Netzwerk spielen. Um es deutlich zu machen: Sobald der Coordinator abgeschaltet ist, kann nicht einmal die IOTA-Stiftung den Coordinator ohne Zustimmung des mehrheitlichen Netzwerks wieder starten.

  • Permissionless/Erlaubnisloser Zugang zum Netzwerk: Jeder - oder besser: Alles - kann dem Netzwerk jederzeit beitreten, um Transaktionen hinzuzufügen und zu validieren. Anders, als bei anderen DLTs, die ihre Nodeanzahl begrenzen oder Einbußen an der Skalierbarkeit hinnehmen müssen, begrüßt IOTAs Ansatz alle zusätzliche Nodes. Eine größere Anzahl von ehrlichen Nodes verbessert die Sicherheit des Netzwerks, indem sie im Normalfall den Anteil der ehrlichen Stimmen im Netzwerk erhöht.

  • Partitionstolerant: Ein produktionsfertiger Tangle ist partitionstolerant. Das bedeutet, ein Teil des Tangle kann für eine bestimmte Zeit vom Main-Tangle abgetrennt werden und ohne Internetverbindung weiterlaufen. Diese Teile können erneut mit dem Main-Tangle verbunden werden, wenn die Internetverbindung wiederhergestellt wurde.

  • Endgültigkeit innerhalb von Sekunden: Der Abstimmungsprozess ermöglicht es dem Netzwerk, Entscheidungen über Transaktionen sehr schnell zu treffen und abzuschließen, ohne aus Sicherheitsgründen auf mehrere zusätzliche Genehmigungsvorgänge warten zu müssen. Darüber hinaus kann das Netzwerk "wahre Endgültigkeit" (deterministisch statt probabilistisch) erreichen, da selbst ein Angreifer mit unbegrenzter Hashing-Power den Ledger-Zustand nicht "zurückrollen" kann.

  • Zuverlässiger Zeitstempel: Der letzte Zeitpunkt einer Nachricht, die bestätigt wurde, wird als "tangle time" bezeichnet. Das Netzwerk erzielt eine Einigung über die Glaubwürdigkeit von Zeitstempeln und ermöglicht so, ein vollständig geordneten Tangle zu etablieren - ein großer Schritt hin zu Smart Contracts.

  • Skalierbarkeit: Eine erhöhte Netzwerkaktivität verringert die Zeit in der Transaktionen abgewickelt werden - es gibt somit keine protokollbedingten Engpässe. Die Skalierbarkeit ist nur noch durch die Hardware und die Gesetze der Physik eingeschränkt. Die Eliminierung des Coordinators, der aktuell noch alle Transaktionen verarbeitet und verifizieren muss, bildet die Grundlage für einen dynamischen Sharding-Prozess, der eine "echte" unbegrenzte Skalierbarkeit ermöglicht.

  • Ein adaptiver Ratenregelungsalgorithmus, der auf Nodebasis arbeitet, wird es Angreifern unmöglich machen, das Netzwerk mit Spam zu überfordern. Ehrliche Nodes können währenddessen weiterhin ungestört arbeiten.

  • Erhöhte Zuverlässigkeit: Durch Abstimmung (voting) wird entschieden, welcher Teil des Tangles wahr ist. Es besteht die Möglichkeit unterschiedliche Strategien zur Wahl der noch nicht genehmigten Transaktionen (Tip-Selektion) einzusetzen, so dass die meisten (wenn nicht sogar alle) ehrlichen Transaktionen aufgegriffen werden können. Dies reduziert den Bedarf an "Reattachments" und "Promotionen" (Transaktionen mussten in der Vergangenheit öfters nochmal an den Tangle angehängt werden).

  • Sicherheit (Mana): Der neuartige Sybil-Schutzmechanismus namens Mana in Kombination mit einem weiteren Sicherheitsmechanismus, dem Voting-Machanismus, sichert das Netzwerk selbst gegen eine großen Anzahl von böswilligen Akteuren ab.

  • Intelligentes und stabiles Auto-Peering: Der Wegfall des manuellen Peering (d.h. Verbindung des eigenen Nodes zu Nachbar-Nodes) reduziert den Wartungsaufwand für die Nodebetreiber und macht das Netzwerk stabiler.

  • UTXO-Modell: Jeder Token auf einer Adresse ist eindeutig identifizierbar und jede Ausgabe benennt genau die Token, die sie bewegen möchten. Dies ermöglicht eine schnellere und genauere Konfliktbehandlung und verbessert die Belastbarkeit sowie die Sicherheit des Protokolls.

  • Gebührenfreie Transaktionen: Das Fehlen von Minern macht IOTA-Transaktionen komplett gebührenfrei: Person A sendet einen Cent an Person B und Person B erhält exakt diesen einen Cent. Dies erlaubt echte Mikrozahlungen für die Maschine-zu-Maschine-Ökonomie und ermöglicht damit auch die Zahlung von Kleinstbeträgen oder verbrauchsabhängige Bezahlungen.

  • Weniger Dokumentation: Unternehmen müssen gebührenfreie Transaktionen nicht für das Finanzamt dokumentieren oder für Jahre speichern.

  • Lokale Snapshots: ermöglichen es Nodes, nur eine Teilmenge der Historie des Ledgers zu speichern, sodass auch Nodes mit begrenzten Hardware-Ressourcen am Netzwerk teilnehmen können.

  • Fairness: Alle Transaktionen werden gleich behandelt. Es gibt keine Möglichkeit, bspw. durch Prämienzahlungen (oder erhöhte Gebühren), eine höhere Priorität für die Verarbeitung durch das Netzwerk zu erhalten.

  • Schlankes System: Konzipiert für Geräte, wie z.B. Sensoren, die an einem Niedrigenergie-Netzwerk teilnehmen möchten.

  • Modularität: Ein modularer Aufbau ermöglicht es, Bestandteile des Protokolls unabhängig voneinander weiterzuentwickeln. Der mehrschichtige Ansatz ermöglicht es zukünftig Updates des Basisprotokolls, in ähnlicher Weise wie beim Internetprotokoll, durchzuführen. Ein Protokoll, welches sich nicht updaten lässt, ist kein Protokoll!

  • Zuverlässige Führung: Die IOTA Foundation als gemeinnützige Organisation nach deutschem Recht optimiert die Akzeptanz und zukünftige Entwicklungen des IOTA-Netzwerks. Das Fehlen von Minern ermöglicht es, neue Funktionen ohne Interessenkonflikte umzusetzen.

  • Open-Source: Die Technologie ist kostenlos, Open Source und jede Person kann Lösungen darauf aufbauen.

  • Unveränderlich: Es wird sichergestellt, dass die Informationen vertrauenswürdig sind und nicht manipuliert werden können.

  • Daten-Transaktionen: Sind unabhängig zu Werte-Transaktionen. Die sogenannten "Messages" (Nachrichten) ermöglichen Anwendungsfälle, die über finanzielle Belange hinausgehen. Die große Mehrheit aller Transaktionen werden reine "Messages" (also Transaktionen ohne Wert) sein. Das können Daten sein, die bspw. von Sensoren erfasst oder von Apps ausgetauscht und auf Marktplätzen gehandelt werden. Es gibt aber natürlich noch etliche andere Anwendungsfälle... In dem Bild unten ist zu sehen, wie allein durch die IOTA-Architektur der schnelle Austausch von Daten und Werten gegenüber der Blockchain begünstigt wird.

Lösungen für unterschiedliche Anwendungsfälle

Die Sicherstellung des Wahrheitsgehaltes ist genau das, was die Distributed Ledger Technologie ermöglicht. IOTA ist ein Protokoll, welches einen Konsens über den Stand der Dinge in einem Netzwerk erzielt, indem es eine einzige, kryptographisch sichere Quelle mit einer einheitlichen Wahrheit zur Verfügung stellt. Dies wird in Zukunft eine große technologische Innovationsexplosion nach sich ziehen und völlig neue Anwendungsfälle bzw. Geschäftsfelder mit Begleitökonomie ermöglichen, die in der Vergangenheit nicht denkbar gewesen sind, da sie bspw. zentralisiert, nicht skalierbar, zu teuer oder nicht sicher waren bzw. die Regeln des Datenschutzes verletzt haben.

IOTA wird für eine Vielzahl dieser neuen Anwendungsfälle Lösungen anbieten. Nachfolgend einige Teaser der zukünftig wichtigsten Aspekte:

Vielseitig einsetzbar: Indem es die Privatsphäre und die Sicherheit in einem offenen Netzwerk verbessert, kann das IOTA-Protokoll auch als Instrument zur Erhaltung eines freien und offenen Internets eingesetzt werden.

Mikrotransaktionen: Gebührenfreie Transaktionen ermöglichen erstmals echte Mikrozahlungen. Sowohl für den Menschen als auch für die Maschine-zu-Maschine-Ökonomie, um damit bspw. die Zahlung von Kleinstbeträgen oder verbrauchsabhängige Bezahlungen sinnvoll umzusetzen.

Maschinenwirtschaft: Die Maschine-zu-Maschine-Ökonomie ist eine Wirtschaft, in der Maschinen selbstbestimmte Marktteilnehmer sind, die über eigene Bankkonten verfügen. Die wachsende Verbreitung des Internets der Dinge (IoT) und die Fortschritte bei der künstlichen Intelligenz ermöglichen es vernetzten, intelligenten Maschinen autonom zu agieren. Das bedeutet, Maschinen werden in Zukunft direkt miteinander kommunizieren, untereinander Daten austauschen und sich gegenseitig für Dienstleistungen bezahlen, ohne dass eine menschliche Interaktion erforderlich ist.

Digitale Identität: Das Internet bildet die Grundlage für viele unserer Interaktionen in der modernen Welt. Es bietet neue Geschäftsmöglichkeiten, bessere Kundenzufriedenheit und eine Verbesserung unseres täglichen Lebens. Jedoch offenbart es auch immense Schwächen hinsichtlich Vertrauen und Privatsphäre. Mit einem dezentralen digitalen Identitätsprotokoll wird IOTA diese essenziellen Eigenschaften beisteuern.

IOTA Stronghold: Stronghold ist eine Sammlung von Mehrzweckbibliotheken zur geschützten Verwaltung von Passwörtern, persönlichen Daten und privaten Schlüsseln. Es ist eine sichere Software-Implementierung mit dem alleinigen Zweck, digitale Geheimnisse vor der Gefahr durch Hacker und versehentliche Leaks zu isolieren. Sie verwendet versionierte, dateibasierte Snapshots mit doppelter Verschlüsselung, einfacher Datensicherung und ermöglicht einen sicheren Austausch zwischen Geräten. Die hochgradig entwicklerfreundlichen Bibliotheken integrieren das IOTA-Protokoll und dienen als Referenzimplementierung für jeden, der nach Inspiration oder den besten Tools seiner Klasse sucht. Die Low-Level-Bibliotheken haben keinerlei Bezug zur Kryptowährung oder dem Tangle. Diese Funktionen befinden sich auf höherer Ebene, so dass Stronghold auch für Software-Projekte eingesetzt werden kann, die nicht direkt etwas mit Distributed Ledger zu tun haben, sondern bspw. lediglich ihre wertvollen Daten lokal schützen wollen. Mit anderen Worten: Jede Person aus jeder Branche kann sie nutzen.

IOTA Streams: Streams verfügen über eine integrierte Methode zum Senden von Nachrichten an IOTA-Nodes. Sie sind jedoch auch so flexibel, dass sie erweitert werden können, um Nachrichten auf anderen Wegen zu senden, z.B. in HTTP-URLs. Es handelt sich um ein multifunktionales Second-Layer-Datenübertragungsprotokoll, welches für verschiedene Arten der Datenübertragung (z.B. Streaming-Daten) verwendet werden kann. Sensoren und anderen Geräten ermöglicht IOTA Streams, ganze Datenströme zu verschlüsseln und im IOTA-Tangle zu verankern. Das Konsensprotokoll von IOTA fügt diesen Nachrichtenströmen Integrität und Authentizität hinzu. IOTA Streams erfüllt das Bedürfnis vieler Industriezweige nach Integrität, Datenschutz und Unveränderbarkeit von Daten.

IOTA Access: IOTA Access ist ein Open-Source-DLT-Framework für den Aufbau richtlinienbasierter Zugangskontrollsysteme und stellt Pay-per-Use-Funktionalitäten an den Endgeräten bereit. Es wurde entwickelt, um eine fein abgestufte Zugangskontrolle für jede Maschine, jedes Gerät und jedes Gebäude zu ermöglichen, ohne auf ein zentralisiertes System angewiesen zu sein oder eine ständige Internetverbindung zu benötigen. Bei IOTA Access geht es um die Ermöglichung von Dienstleistungen und Sicherheit in großem Maßstab. Jedes Gerät, welches einen solchen Dienst anbieten soll, kann Access integrieren, um diesen Service durch eingebettete Zugangskontrollrichtlinien zu automatisieren. Auf diese Weise können Gerätenutzer und -besitzer den Zugriff auf ihr Gerät oder ihren Datenstrom auf überprüfbare Weise gewähren oder anfordern.

Digital Assets: Das sind zweckgebundene Token, die Vermögenswerte aus der realen Welt auf dem IOTA-Tangle manipulationssicher darstellen können. Sie sind nicht dafür vorgesehen, Geldwerte zu handeln – mit ihnen könnte man bspw. etwas einlösen oder Eigentumsverhältnisse regeln. Konkret geht es hierbei um die Tokenisierung von Vermögenswerten wie z.B. Immobilien, Automobilen, Unternehmensanteilen oder Goldbarren.

IOTA Smart Contracts: Ein Smart Contract (dt. Intelligenter Vertrag) ist eine programmierte Vereinbarung, die vollständig deterministisch ist und automatisch durchgeführt wird. Dazu werden die vertraglichen Verpflichtungen zwischen Käufer und Verkäufer verkapselt und in der Software verankert. Dies macht es unmöglich der getroffene Vereinbarung zu widersprechen.

Der Hauptunterschied von IOTA Smart Contracts zu herkömmlichen Smart Contracts (wie bspw. im Ethereum-Netzwerk) ist die Multi-Chain-Umgebung, die durch den Tangle gesichert ist und auf diese Weise viele reguläre Blockchains parallel ausführen kann. Die IOTA Smart-Contract-Chains laufen asynchron - daher hat die Aktivität eines Smart Contracts keinen Einfluss auf die Geschwindigkeit und den Durchsatz der anderen Smart-Contract-Chains.

Volatile und unvorhersehbare Gebühren sprechen oftmals gegen die Nutzung von Smart Contracts. In IOTA Smart Contracts werden die Gebühren vom Eigentümer festgelegt, beginnen bei 0 und sind im Voraus bekannt. Es gibt keinen "Bieterkrieg" wie bei regulären Blockchains, weshalb Geschäftsmodelle und Einnahmequellen kalkulierbar sind.

IOTA Smart Contracts sind hochflexibel. Die Committees (Ausschüsse) können von einer Einzelperson, einem Unternehmenskonsortium oder über einen offenen Marktplatz mit freiem Zugang für die Validator-Nodes gebildet werden.

IOTA Smart Contracts sind skalierbar. Mehrere Smart-Contract-Chains, die von verschiedenen virtuellen Maschinen (VMs) betrieben werden, können gleichzeitig, also parallel über mehrere Committees laufen.

IOTA Oracles: Operationen, wie bspw. Smart Contracts, die in einem DLT ausgeführt werden, sind unter Umständen auf Daten angewiesen, die außerhalb des Netzwerkes liegen. Wie kann man nun sicherstellen, dass auch diese Daten vertrauensvoll sind? Hier kommen sogenannte Oracles ins Spiel: sie wurden entwickelt, um eine sichere Brücke zwischen der digitalen und der physischen Welt zu bauen. Oracles sind digitale Agenten, die Ereignisse aus der Realwelt verfifizieren und dezentralen Anwendungen und Smart Contracts zur Verfügung stellen. In der Praxis leiden Oracles unter einem uralten Problem, was oft als "Garbage in, garbage out" (dt. Müll rein, Müll raus) bezeichnet wird: Wenn die Daten, die in ein Oracle eingehen, bereits manipuliert oder zensiert wurden, werden "falsche" Daten zu "falschen" Ergebnissen verarbeitet. Einige Oracle-Lösungen versuchen dieses Problem zu lösen, indem sie sicherstellen, dass die Eingaben für Oracles aus einer ausreichend großen Anzahl unabhängiger Quellen stammen. Andere Oracles auf dem Markt haben eine Reihe von Standards vorgeschlagen, um Daten aus der Realwelt auf die Chain zu bringen. Aber auch sie leiden unter inhärenten Engpässen, die ihren Einsatz behindern können. Aus Sicht von IOTA sollten vertrauenswürdige Daten, die dezentral verarbeitet und gesichert werden, immer direkt von der Ursprungsquelle stammen.

Das Potential der Datenmanipulation wird stark reduziert, wenn die Quelle (z.B. ein Sensor) die Daten direkt, also ohne den Umweg über mehrere Intermediäre, an ein manipulationssicheres Distributed Ledger übergibt. Das einfachste IOTA-Oracle ist das s.g. First-Party-Oracle. IOTA-First-Party-Oracles nutzen weder externe Datenquellen noch Daten, die von einem Dritten verarbeitet und auf einem DLT zur Verfügung gestellt wurden, sondern trauen nur den Daten, die vom Datenherausgeber exklusiv an den IOTA-Tangle übermittelt wurden. Da der Datenherausgeber im Kontext von IoT-Netzwerken der Sensor selbst ist, kann man sich darauf verlassen, dass die Datenströme von nichts und niemandem manipuliert oder umformatiert wurden. Sobald IOTA Smart Contracts live sind, können First-Party-Oracles verwendet werden, um Smart Contracts direkt mit validen Daten zu füttern, ohne einen Vermittler zwischenschalten zu müssen, der die Daten abruft, verarbeitet, hostet oder pflegt. Im Gegensatz zu einigen anderen Lösungen auf dem Markt interagiert die IOTA Foundation niemals mit Daten, die von Drittanbietern bereitgestellt wurden. Zu diesem Zweck werden Daten durch das Projekt Alvarium über eine Vertrauensbewertung (Confidence Score) validert.

Flash Channels: Ein Flash Channel ist ein offline Zahlungskanal für Ein- und Auszahlungen zwischen zwei Entitäten, der sofortige Transaktionen mit hohem Durchsatz ermöglicht. Im IOTA-Tangle werden dafür nur zwei Transaktionen benötigt: Das Öffnen und Schließen eines Flash-Kanals. Anschließend bieten sie den beiden Geschäftspartnern die Möglichkeit, mit hoher Frequenz zu handeln, ohne darauf zu warten, dass jede Transaktion im öffentlichen IOTA-Netzwerk bestätigt wird. Dieses Feature wird zukünftig innerhalb von IOTA Streams umgesetzt.

Digitale Marktplätze: Daten werden seit einiger Zeit als das neue Öl der digitalen Welt bezeichnet. Ein Grundgedanke des IoT ist der Austausch und Handel von solchen Datensätzen. Mit der „Maschine zu Maschine“-Kommunikation können Geräte die verschiedensten Daten autonom untereinander handeln. Aber auch für den Menschen könnte es sehr interessant werden, sich den Umweg über eine Drittanbieter-Plattform zu sparen und Daten oder Güter direkt vom sensorischen Produzenten zu erhalten. Das Erschaffen von Datenmarktplätzen ist eine unvermeidliche Konsequenz der IoT-Revolution. Es wird die Art und Weise, wie wir Daten verbinden, mit ihnen interagieren oder sie handeln, grundlegend verändern.

Digitale Zwillinge: Ein digitaler Zwilling ist eine digitale Repräsentanz eines materiellen oder immateriellen Objekts oder Prozesses aus der realen Welt in der digitalen Welt. Das Industrial IOTA Lab Aachen, Pickert, ECLASS und das Digital Twin Konsortium treiben diese Technologie für IOTA voran und versuchen standards zu entwickeln.

Anwendungsgebiete

Grundsätzlich wird heute fast jede Branche digitalisiert und mit dem IoT verknüpft. Dementsprechend kann jeder seine Vorteile daraus ziehen. Die IOTA Foundation beschreibt einige Anwendungsfälle in einer von ihr veröffentlichten interaktiven Broschüre: