UNCLE BLOCKS IN ETHEREUM ERKLÄRT

In Ethereum bezeichnet der Begriff „Uncle Blocks“ gültige Blöcke, die fast zeitgleich mit dem kanonischen Block geschürft wurden, aber nicht Teil der Haupt-Blockchain wurden. Anders als bei Bitcoin, wo sie verwaist sind, erhalten diese Blöcke dennoch Teilbelohnungen für ihren Beitrag zur Dezentralisierung und Sicherheit des Netzwerks.Um den Zweck von Uncle Blocks zu verstehen, betrachten wir die Funktionsweise dezentraler Systeme wie Ethereum. Miner konkurrieren darum, kryptografische Rätsel zu lösen und ihren Block im Netzwerk zu verbreiten. Aufgrund der Netzwerklatenz können verschiedene Miner das Rätsel nahezu gleichzeitig lösen und ihre unterschiedlichen Versionen des Blocks an benachbarte Knoten weiterleiten. Schließlich einigt sich das Netzwerk auf einen Block, der die Kette fortsetzt, und die anderen werden zu „Uncle Blocks“.Die Idee, Uncle Blocks einzuführen, entstand aus dem Bedürfnis, das durch Verzögerungen bei der Blockweiterleitung verursachte Zentralisierungsproblem zu lösen. Beim dezentralen Mining hatten Knoten in der Nähe des Blockerstellers eine höhere Wahrscheinlichkeit, den nächsten Block vor anderen anzuhängen. Diese Ungleichverteilung beeinträchtigte die Fairness und förderte die Zentralisierung um Knoten mit geringer Latenz. Ethereums Lösung bestand darin, Uncle-Blöcke in die Blockchain-Struktur zu integrieren, indem deren Rechenaufwand anerkannt und in das Schwierigkeits- und Belohnungssystem eingebunden wurde.Gemäß dem Ethereum-Protokoll (ursprünglich im Rahmen des Proof-of-Work-Verfahrens) konnte ein kanonischer Block bis zu zwei Uncle-Blöcke aus den sieben vorhergehenden Generationen referenzieren. Die Einbeziehung dieser Uncle-Blöcke brachte den Minern nicht nur zusätzliche Belohnungen (bis zu 87,5 % der Hauptblockbelohnung), sondern trug auch zur allgemeinen Sicherheit der Blockchain bei, indem die effektive Hash-Leistung, die in die Schwierigkeitsberechnung des Netzwerks einfloss, erhöht wurde.Neben Belohnungen und Fairness spielen Uncle-Blöcke eine Rolle bei der Sicherheit vor egoistischem Mining. Bei egoistischen Mining-Strategien versuchen Angreifer, gefundene Blöcke zurückzuhalten, um sich einen Vorteil zu verschaffen. Durch die Integration von Uncle-Blöcken verringerte Ethereum die Wirksamkeit solcher Angriffe, indem es die ehrlichen Bemühungen von Minern anerkannte, die Blöcke ohne böse Absicht veröffentlichten, aber im Verbreitungswettlauf unterlagen.Ethereums Umgang mit Uncle-Blöcken unterscheidet sich von Bitcoins Umgang mit veralteten Blöcken. Bei Bitcoin werden diese verwaist – ohne Belohnung oder Anerkennung – und tragen so zu Energieverschwendung und Anreizen zur Zentralisierung bei. Im Gegensatz dazu stellen die Uncle-Blöcke bei Ethereum eine Anerkennung des Teilbeitrags eines Blocks zu den Sicherheits- und Dezentralisierungszielen des Systems dar.Es ist wichtig zu beachten, dass die Verwendung von Uncle-Blöcken direkt mit dem Proof-of-Work-Modell verbunden ist. Ethereums Umstellung auf Proof-of-Stake im Rahmen des „Merge“ im September 2022 machte Uncle-Blöcke praktisch überflüssig. Ihre historische Funktion liefert jedoch einen wichtigen Einblick in die Prioritätensetzung von Ethereum hinsichtlich Inklusivität und Netzwerkgerechtigkeit in seinen frühen Betriebsjahren.Uncle-Blöcke werden in Ethereum heute nicht mehr generiert, doch das Verständnis ihres Zwecks bietet grundlegende Erkenntnisse über die Entwicklung des Ethereum-Konsensmechanismus und die Ziele des Netzwerks: gerechte Teilhabe, Dezentralisierung und Robustheit.

Ethereum führte Uncle-Blöcke offiziell als Teil seines Konsens- und Blockbelohnungssystems ein, um Ineffizienzen in Mining-basierten Netzwerken zu beheben. Ihre Integration war in den Anfangsjahren von Ethereum unerlässlich, insbesondere im Proof-of-Work-Modell (PoW) vor 2022. Im Folgenden wird die technische Integration von Uncle-Blöcken in die Ethereum-Architektur erläutert.Uncle-Blöcke orientieren sich am GHOST-Protokoll (Greedy Heaviest Observed SubTree). Im Gegensatz zur linearen Kettenauswahlregel von Bitcoin erlaubt GHOST die teilweise Berücksichtigung von Zweigen, die nicht zur Hauptkette gehören, und spiegelt so den netzwerkweiten Aufwand gerechter wider. Ethereum hat eine vereinfachte Version eingeführt, die es Onkelblöcken ermöglicht, zur Sicherheit der Hauptkette beizutragen und in die Berechnung der Gesamtschwierigkeit einzufließen.

Wichtige Anforderungen und Bedingungen

• Onkelblöcke müssen gültig sein und gleichzeitig oder kurz vor dem übergeordneten Block geschürft werden.
• Sie müssen innerhalb von sechs Generationen des referenzierenden Blocks liegen.
• Sie dürfen nicht mehr als einmal referenziert werden; die Einbeziehung ist nur einmal pro kanonischer Kette zulässig.
• Maximal zwei Onkelblöcke pro Block waren erlaubt.

Gemäß den Ethereum-Regeln vor der Umstellung auf Proof-of-Stake erhielten Miner für das Einbeziehen von Onkelblöcken eine zusätzliche Belohnung. Diese Belohnung betrug 1/32 ETH bis 7/8 ETH, abhängig vom Abstand zwischen Onkel- und kanonischem Block. Darüber hinaus erhielten die Onkel-Miner selbst eine Belohnung, was sie dazu anspornte, ihren Block zu veröffentlichen, selbst wenn dieser aufgrund von Verzögerungen bei der Blockweiterleitung möglicherweise übersehen wurde.Technisch gesehen wurden Onkel-Blöcke im Feld „unclesHash“ des Block-Headers referenziert. Der Block, der Onkel-Blöcke enthielt, führte eine Liste, die zwar nicht die kanonische Blockchain erweiterte, aber Teil der offiziellen Zustandshistorie wurde.Die Unterstützung der Community und der Entwickler für dieses System war beträchtlich, insbesondere hinsichtlich der Eindämmung der Zentralisierung. Netzwerkarchitekten wie Vitalik Buterin betonten oft das Ziel von Ethereum, eine fairere, dezentrale Ressourcenverteilung zu verkörpern – bei der geografische oder Hardware-Vorteile nicht durch unfaire Verzögerungen bei der Blockweiterleitung übermäßig belohnt werden.Statistische Relevanz: Während der PoW-Ära von Ethereum war die Einbindung von Onkel-Blöcken relativ häufig, insbesondere in Zeiten hoher Netzwerkauslastung oder der Verwendung veralteter Clients. Tatsächlich wiesen ältere Mining-Clients oder solche mit weniger optimaler Netzwerkanbindung tendenziell höhere Raten an Uncle-Block-Produktion auf. Metrikplattformen wie Etherscan ermöglichten die Live-Verfolgung der Uncle-Block-Rate, die typischerweise zwischen 5 % und 20 % schwankte, hauptsächlich abhängig von den Netzwerkbedingungen und der Hash-Rate-Verteilung.Darüber hinaus nutzten Miner häufig Uncle-Mining-Strategien in der Pooldynamik, um die Belohnungen für alle Teilnehmer zu maximieren. Diese Strategien waren unproblematisch und entsprachen den Protokollstandards, was die Anpassungsfähigkeit an das inklusive Ökosystemdesign von Ethereum widerspiegelte.Trotz einiger technischer Komplexitäten demonstrierte die Uncle-Block-Richtlinie von Ethereum einen zukunftsorientierten Ansatz zur Förderung des netzwerkweiten Engagements und zur Minimierung der in traditionellen PoW-Strukturen üblichen Rate an verwaisten Blöcken.

Nach dem Übergang von Ethereum zu Proof-of-Stake (PoS) im September 2022 – einem Ereignis, das allgemein als „The Merge“ bekannt ist – erfuhren die zugrundeliegenden Mechanismen der Blockerzeugung eine grundlegende Veränderung. Ethereum ist nicht mehr auf energieintensives Mining angewiesen, sondern ersetzte Miner durch Validatoren und eliminierte die Notwendigkeit von Uncle-Blöcken vollständig. Das Erbe der Uncle-Blöcke ist jedoch weiterhin tief in der Entwicklungsgeschichte von Ethereum verankert.Unter PoS folgen die Nominierung und Validierung von Blöcken deterministischen Algorithmen anstelle von Brute-Force-Berechnungen. Daher gibt es keine gleichzeitigen „Beinahe-Gewinn“-Situationen aufgrund von Hash-Kollisionen oder Netzwerkverzögerungen. Daher gibt es im Blockfinalisierungsprozess keinen Platz mehr für „Uncles“ – er ist linear und endgültig und wird über Methoden wie Attestierungen und Slot-Timing innerhalb der Ethereum Beacon Chain koordiniert.

Dennoch haben Uncle-Blöcke wichtige Erkenntnisse über die Sicherheit der Blockchain, Fairness und die Netzwerkbeteiligung geliefert. Sie dienten Ethereum als Lösung für das Problem verwaister Blöcke, das durch die Bitcoin-Struktur bedingt war, und bekräftigten den Grundsatz, dass auch Teilbeiträge zum Netzwerk anerkannt werden sollten. Darüber hinaus haben Anreize im Zusammenhang mit Uncle-Blöcken möglicherweise dazu beigetragen, dass das Ethereum-Mining im Vergleich zur stark zentralisierten Mining-Dynamik von Bitcoin länger dezentralisiert blieb.

In rückblickenden Diskussionen unter den Ethereum-Kernentwicklern wird häufig auf Uncles Bezug genommen, insbesondere in Debatten über Belohnungsrichtlinien und die Inklusivität des Netzwerks. Die Weiterentwicklung der EIP-Richtlinien (Ethereum Improvement Proposals) übertrug beispielsweise die ethische Logik der Uncle-Block-Behandlung auf neue Anreizmodelle für Validatoren – und stellte so sicher, dass ein Ethos der Anerkennung auch in PoS-Design-Frameworks erhalten bleibt.

Pädagogische und historische Bedeutung

Für Lehrende, Studierende und Entwickler, die die Entwicklung von Ethereum untersuchen, bieten Uncle-Blocks eine Fallstudie aus der Praxis zur Dezentralisierungstheorie und Protokollanpassung. Sie verdeutlichen Ethereums Bestreben, egalitäre Netzwerkrichtlinien zu fördern, indem Latenz- und Dezentralisierungsverzerrungen behoben werden, die frühe Blockchain-Frameworks beeinträchtigten.

Für Netzwerkanalysten und Blockchain-Historiker dienen Uncle-Blocks zudem als Indikatoren für den Zustand des Ethereum-Netzwerks im Zeitverlauf. Beispielsweise könnte ein Anstieg der Uncle-Rate auf erhöhte Netzwerkauslastung, ungleichmäßige Verteilung oder Unterschiede in Softwareversionen hindeuten. Diese Metriken werden weiterhin in retrospektiven Analysen des Netzwerkverhaltens aus der Zeit vor der Zusammenführung verwendet.Obwohl Uncle-Blöcke operativ überholt sind, haben sie andere Blockchain-Designs beeinflusst. Einige auf Ethereum basierende oder davon inspirierte Projekte haben ähnliche Einbeziehungsstrategien für veraltete Blöcke beibehalten und verweisen auf die Vorteile für Dezentralisierung und Fairness. Daher fließen die Ideen, die zuerst durch das Uncle-Modell von Ethereum umgesetzt wurden, weiterhin in die weltweiten Diskussionen über Konsensdesign und Blockchain-Architektur ein.Abschließend lässt sich sagen, dass Uncle-Blöcke nicht nur ein gelöstes technisches Detail darstellen – sie sind ein symbolisches und funktionales Zeugnis für Ethereums proaktive Governance und das Engagement für eine gleichberechtigte Teilhabe in erlaubnisfreien Systemen.