Parachain-Auktionen sind ein zentrales Merkmal sowohl von Kusama als auch von Polkadot. Ihr Ergebnis bestimmt, wer welche Parachain Slots erhält und wie viele Token gesperrt werden. Für die Gesundheit des Ökosystems ist es wichtig, dass die knappen Slots an die Projekte vergeben werden, die sie am besten nutzen können. Es ist bekannt, dass Auktionen im Allgemeinen ein hervorragendes Mittel sind, um dieses Ziel zu erreichen, da sie - anders als z.B. bilaterale Verhandlungen - die Teams dazu zwingen, ihre Bewertung für den zu versteigernden Slot offen darzulegen.[1]

Die beiden Systeme Kusama und Polkadot verwenden ein Kerzenauktionsformat, um Parachain-Slots zu vergeben. Es gibt viele gute Quellen, die erklären, wie dieser Mechanismus in der Praxis funktioniert.[2] Dennoch ist das Kerzenformat eine recht ungewöhnliche Art, eine Auktion durchzuführen. Außerdem finden Auktionen in der Größe und dem Umfang der Parachain-Auktionen nicht jeden Tag auf der Blockchain statt. In diesem Beitrag werden wir die folgenden grundlegenden Fragen untersuchen:

1. Warum werden Auktionen besser auf der Chain als außerhalb der Chain durchgeführt?
2. Was ist der besondere Grund für die Verwendung einer Kerzen-Auktion?

Zur Beantwortung dieser Fragen werden wir uns zunächst mit der eher tragischen Geschichte von Gian Vincenzo Pinelli (1535 - 1601) beschäftigen, einem Gelehrten aus Padua, eifrigen Sammler und Mentor von Galileo Galilei. Der Verkauf seines Nachlasses erfolgte in einer Kerzen-Auktion, die in einem Desaster endete. Zweitens argumentieren wir, dass die Gründe für dieses Scheitern genau die Gründe sind, warum die Durchführung von Auktionen auf der Blockchain im Allgemeinen eine gute Idee ist. Drittens wenden wir uns der Frage zu, warum eine Kerzen-Auktion die am besten geeignete Form für Blockchain-Auktionen ist. Hier werfen wir einen kurzen Blick auf die jüngste Forschung der Web3 Foundation.

Pinellis Vermächtnis

Pinelli, der von adliger neapolitanischer Abstammung war, sammelte so ziemlich alles, was von wissenschaftlichem Interesse war, von Fossilien bis zu Münzen, von Mineralien bis zu historischen Porträts und von astronomischen Instrumenten bis zu Landkarten.[3] Der berühmteste Teil seines Vermächtnisses war jedoch seine immense Bibliothek. Neben zahlreichen Büchern umfasste sie über 700 Manuskripte, darunter viele Raritäten wie illustrierte Fragmente von Homer aus dem vierten Jahrhundert und ein Dante mit Miniaturen aus dem Jahr 1355.

Nach seinem Tod wurde Pinellis Bibliothek verpackt und zu seinem Erben nach Neapel verschifft. Die Bibliothek bestand aus etwa 130 Kisten und benötigte drei Schiffe für den Transport. Eines der Schiffe ging durch Piraten verloren und kurz nachdem die restlichen Teile der Bibliothek ihren Bestimmungsort erreicht hatten, starb Pinellis Erbe. Nach jahrelangem Hin und Her, bei dem weitere Bücher durch Nachlässigkeit verloren gingen, wurde die Bibliothek 1608 im Auftrag der Witwe von Pinellis Erben versteigert.

Das Format der Auktion war, wie damals üblich, das einer Kerzen-Auktion: Der Auktionator zündete eine Kerze in Sichtweite der interessierten Bieter an, die dann ihre Gebote riefen, bis die Kerze erlosch. Der Höchstbietende in dem Moment, in dem die Kerze erlosch, erhielt den Zuschlag und bezahlte sein Gebot. Die Pinelli-Auktion war eine der ersten Kerzen-Auktionen, über die es einen detaillierten historischen Bericht gibt. Kerzen-Auktionen wurden bereits im mittelalterlichen Frankreich durchgeführt (Aufzeichnungen gehen mindestens bis 1368 zurück), meist um Erbstreitigkeiten zu lösen. Andere Aufzeichnungen umfassen Schiffs- und Pelzauktionen in England.

Kerzen-Auktionen wurden nur für einen relativ kurzen Zeitraum regelmäßig durchgeführt. (Sie wurden schließlich durch Auktionen ersetzt, deren Ende der Auktionator mit drei Schlägen mit einem Schlagstock ankündigte, so wie wir sie heute kennen.) Der Grund für ihr Verschwinden war, dass die Durchführung dieser Auktionen recht problematisch war. Konkret hatten die meisten Kerzen-Auktionen zu dieser Zeit mit den folgenden drei Problemen zu kämpfen.

Zuerst begannen die Menschen bald mit dem, was man heute als Scharfschützen bezeichnet, d.h. sie:

"böswillig das Bieten in die Länge gezogen, bis die Kerze zu einem großen Teil abgebrannt war, mit dem Ergebnis, dass Erbschaften fast nie zu ihrem tatsächlichen Wert verkauft wurden."[4]

Zweitens gab es immer wieder Versuche, die Endzeit zu manipulieren, vor allem indem man so stark hustete, dass die Kerze ausging.

Und drittens war es oft sehr schwierig, den Gewinner genau zu bestimmen, sobald die Kerze erloschen war, was zu hitzigen Auseinandersetzungen führen konnte. Samuel Pepys zum Beispiel schrieb in seinen berühmten Tagebüchern, als er eine Kerzen-Auktion in Großbritannien beobachtete, dass er darüber entsetzt war:

"Wenn die Kerze ausgeht, wie sie grölen und danach streiten, wer zuerst am meisten geboten hat."[5]

Der Verkauf von Pinellis Bibliothek verlief aus einem weiteren, vierten Grund nicht ganz wie geplant: Weil die Witwe mit dem erzielten Preis unzufrieden war, weigerte sie sich, einige der Bücher nach der Auktion herauszugeben. Der Käufer - ein Anwalt, der im Auftrag von Kardinal Federico Boromeo handelte, der die berühmte Biblioteca Ambrosiana in Mailand gegründet hatte - war seit Jahren auf der Suche nach der Pinelli-Bibliothek. Aus Angst vor weiteren Verzögerungen aufgrund eines langwierigen Rechtsstreits akzeptierte er ein neues, weniger günstiges Angebot und verschiffte die Bücher schließlich nach Mailand.

Die Vorteile der Blockchain-Technologie

Die frühen Kerzen-Auktionen im Allgemeinen und der Verkauf von Pinellis Bibliothek im Besonderen waren also ein Desaster. Inwiefern hätte die Blockchain-Technologie helfen können?

Erstens weist das Verhalten der Witwe nach dem Verkauf auf ein großes Problem jeder Auktion hin, die außerhalb der Chain abgehalten wird: die mangelnde Bindungsmacht des Auktionators. Selbst mit dem besten Rechtssystem kann der Verkäufer die Transaktion der zum Verkauf stehenden Waren zumindest verzögern, wenn er nach der Auktion seine Meinung plötzlich ändert. Wenn die Bieter in der Auktion mit einem solchen Verhalten rechnen, werden sie natürlich nicht so ernsthaft bieten, wie sie es sonst tun würden, was wiederum zu noch geringeren Einnahmen führt. Wenn sich dagegen sowohl die Auktion als auch das zu verkaufende Objekt auf der Blockchain befinden, kann ein Smart Contract dieses Problem leicht lösen, indem er die Übertragung sowohl des Gebots als auch des Objekts auslöst, sobald der erfolgreiche Bieter feststeht.

Als nächstes wenden wir uns speziell der Kerzen-Auktion zu und betrachten das Problem des Snipings. Der Grund für die Verwendung einer Kerze besteht darin, den Zeitpunkt des Auktionsendes stochastisch (zufällig) zu gestalten: Niemand soll wissen, wann die Auktion zu Ende ist, was wiederum ein frühes Bieten fördern soll. Das klingt nach einer netten Idee, aber die Wahrscheinlichkeitsverteilung, die die Kerze lieferte, hatte die größte Masse um die Zeit, als die Kerze fast abgebrannt war. Mit anderen Worten: Die Wahrscheinlichkeit, dass die Auktion vorzeitig endet, war praktisch gleich Null. Kein Wunder also, dass alle gewartet haben, bis die Kerze fast erloschen war (was man daran erkennen konnte, dass die Flamme zu flackern begann).

Im Gegensatz dazu ermöglichen moderne Computer eine breitere Verteilung der Endzeitpunkte (mögliche Endzeitpunkte), wodurch die Wahrscheinlichkeit eines vorzeitigen Endes der Auktion steigt. Das Potenzial für frühe Endzeiten bedeutet, dass Sniping tatsächlich kein Thema mehr ist, da die Bieter von Anfang an unter Druck stehen, ernsthaft zu bieten.

Trotzdem können moderne Computer allein das zweite Problem der Kerzen-Auktion nicht lösen: die Manipulierbarkeit der Endzeit. Insbesondere muss der Auktionator, der im Namen des Verkäufers handelt, die Bieter immer noch davon überzeugen, dass das angekündigte Ende tatsächlich das vom Zufallszahlengenerator ausgewählte ist. Da die Gebote im Laufe der Zeit steigen, zieht der Verkäufer immer eine spätere statt einer früheren Endzeit vor. Glücklicherweise ermöglichen die jüngsten Fortschritte in der Kryptographie Zufallszahlen, die unveränderlich sind und von jedem im Netzwerk überprüft werden können.[6] In einer Blockchain-Kerzen-Auktion können also weder die Bieter die Kerze einfach aushusten, noch kann der Auktionator über die Endzeit lügen.

Das dritte Problem bei Kerzen-Auktionen war, dass ihre Durchführung oft recht hektisch war, was zu Streitigkeiten darüber führte, wer wann und welchen Betrag geboten hatte. Bei modernen Auktionen (sowohl on- als auch offline) wird die genaue Reihenfolge der Gebote aufgezeichnet, was diese Art von Streitigkeiten verringern sollte. Dennoch gibt es immer noch ein Problem mit der heimlichen Manipulation solcher Aufzeichnungen. Vor allem bei komplexen Online-Auktionen werden häufig Betrugsvorwürfe erhoben[7]. Die Teilnahme an solchen Auktionen setzt also immer ein gewisses Maß an Vertrauen in den Auktionator voraus. Dies steht natürlich im Gegensatz zu Blockchain-Auktionen: Wenn Gebote auf einer Chain aufgezeichnet werden, kann jeder die Höhe und den Zeitpunkt aller Gebote überprüfen und es ist überhaupt kein Vertrauen erforderlich.

Der Fall für die Kerzen-Auktion

Jetzt, da wir eine Vorstellung davon haben, wie Blockchain-Implementierungen von Kerzen-Auktionen eine Verbesserung gegenüber früheren Implementierungen darstellen, bleibt die Frage: Warum überhaupt eine Kerzen-Auktion verwenden?

Jüngste Forschungen der Web3 Foundation [vgl. Häfner und Stewart, 2021] legen nahe, dass die Kerzen-Auktion bei zwei wichtigen Problemen hilft, mit denen Blockchain-basierte Auktionen typischerweise zu kämpfen haben: Front-Running und das Vorhandensein von Smart Contracts unter den Bietern.

Front-Running-Möglichkeiten (Handeln vor anderen auf der Grundlage von privilegierten Informationen oder Insiderwissen) ergeben sich auf Blockchains ganz natürlich, da anstehende Transaktionen unter den Netzwerkteilnehmern bekannt werden, bevor sie in neue Blöcke aufgenommen werden.[8] Für Blockchain-Implementierungen von Auktionen bedeutet dies, dass einige Bieter die Gebote anderer Bieter sehen und darauf reagieren können, bevor sie in Kraft treten, d.h. bevor sie in der Chain aufgezeichnet und somit vom Auktionsmechanismus berücksichtigt werden.

Zum Beispiel bei Auktionen zum ersten Preis (Auktionen, bei denen der erfolgreiche Bieter das höchste Gebot zahlt) gibt dies technisch versierten Bietern die Möglichkeit, andere Bieter nach Belieben zu überbieten. Es besteht jedoch die Sorge, dass die Teilnahme für einige Bieter sehr unattraktiv wird, die Gesamtgebote sinken und somit die Einnahmen der Auktionen sinken. Auch die Effizienz könnte beeinträchtigt werden, da das zum Verkauf stehende Gut an den technisch fortschrittlichsten Bieter und nicht an den Bieter mit der höchsten Bewertung geht.

Wie in der Forschung der Web3 Foundation von Jeff Burdges und Luca de Feo erörtert, gibt es kryptografische Lösungen für das Front-Running-Problem. Sie sind jedoch entweder sehr rechenintensiv oder erfordern mehrere Aktionen der Bieter. Vor allem aber funktionieren die kryptografischen Lösungen nicht, wenn das Bieten selbst durch Smart Contracts ausgeführt wird. Der Grund dafür ist, dass Smart Contracts einem öffentlich sichtbaren Code entsprechen. Daher sind ihre Bewertung für das zu verkaufende Gut und ihre Strategie vor der Auktion öffentlich bekannt. Da sie weit verbreitet sind, ist die Präsenz von Smart Contracts unter den potenziellen Bietern bei jeder Auktion, die auf einer Blockchain implementiert ist, sehr wahrscheinlich.

Bieter von Smart Contracts stehen generell vor einem Problem der Transparenz. Wenn die Bewertung eines Smart Contracts im Voraus bekannt ist, hat der Auktionator einen Anreiz, seinen eigenen (pseudonymen) Bieter zu registrieren und so genannte Shill-Gebote abzugeben (d.h. Gebote, die darauf abzielen, den vom Gewinner gezahlten Preis zu erhöhen). Dies ist besonders problematisch bei Auktionen mit zweitem Preis (d.h. Auktionen, bei denen der Gewinner das zweithöchste Gebot zahlt). Bei solchen Auktionen ist es optimal, wenn jeder wahrheitsgemäß bietet. Daher kann der Auktionator sogar so weit gehen, dass er den Smart Contract um jeglichen positiven Nutzen aus der Auktion betrügt (indem er ein Gebot abgibt, das knapp unter der Bewertung des Smart Contracts liegt). Aber Smart Contracts, die ein solches Verhalten voraussehen, werden wahrscheinlich zögern, überhaupt teilzunehmen. Dies führt wiederum zu Problemen mit der Effizienz, da die Smart Contracts, die sich gegen eine Teilnahme entscheiden, sehr wohl diejenigen mit der höchsten Bewertung gewesen sein könnten.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Front-Running im Wesentlichen statische Auktionen ausschließt, bei denen die Bieter gleichzeitig nur ein Gebot abgeben, und dass die Transparenz von Smart Contracts Auktionen mit einer zweiten Preiszahlungsregel ausschließt (sei es statisch oder dynamisch, d.h. mit mehreren Bietrunden).

In Häfner und Stewart (2021) zeigen wir, dass das Format der Kerzen-Auktion eine gute Alternative ist. Um dies zu verdeutlichen, analysieren wir eine stilisierte Kerzen-Auktion zwischen zwei Bietern. In jeder Runde bewegen sich die beiden Bieter nacheinander in einer festen Reihenfolge. Das heißt, ein Bieter (denken Sie an den technisch weniger versierten oder den Smart Contract-Bieter) wird systematisch vom anderen Bieter überholt. Die Gebote müssen im Laufe der Zeit ansteigen. Der Bieter mit dem höchsten Gebot in der entscheidenden Runde gewinnt und zahlt sein Gebot.

Es stellt sich heraus, dass es bei einer geeignet gewählten Endzeitverteilung optimal ist, wenn der erste Bieter im Laufe der Zeit immer höhere Gebote abgibt und der zweite Bieter diese Gebote nur dann erfüllt, wenn seine Bewertung für das angebotene Gut höher ist. Das Format der Kerzen-Auktion bietet also eine gewisse Sicherheit gegen "Shill-Bidding"-Angriffe: Um den Preis über den Gleichgewichtspreis anzuheben, müsste ein "Shill-Bidding"-Auktionator in einer früheren Runde ein höheres Gewinngebot abgeben. Dies geschieht jedoch um den Preis, dass einer der Bieter auf eine Zahlung verzichtet, falls die Auktion zufällig genau in diesem Zeitraum endet.

Außerdem macht ein zufälliger Endzeitpunkt die Teilnahme für den Bieter, der vorne liegt, attraktiver als ein fester Endzeitpunkt. Bei einem festen Endzeitpunkt ist es für beide Bieter optimal, mit dem Bieten bis zur letzten Periode zu warten. Der zufällige Endzeitpunkt hingegen setzt die Bieter unter Druck, früher zu bieten. Da es für den Bieter, der an der Spitze steht, optimal ist, mit dem aktuellen Höchstgebot gleichzuziehen, wenn seine Bewertung höher ist, kann der Bieter, der an der Spitze steht, die Bewertung des Bieters, der an der Spitze steht, erkunden, indem er im Laufe der Zeit immer höhere Gebote abgibt. Auf diese Weise kann er seine Gebote auf seine neuen Informationen abstimmen und so einen höheren erwarteten Nutzen erzielen.

Weiterhin zeigen wir, dass ein zufälliger Endzeitpunkt zu höheren Gewinngeboten führt als ein fester Endzeitpunkt und damit zu höheren Einnahmen. Dies ist keineswegs eine ausgemachte Sache. Da die Bieter im Laufe der Zeit immer höhere Gebote abgeben, bedeutet eine zufällige Schlussregel, dass der Auktionator manchmal auch niedrigere Gebote aus früheren Runden akzeptieren muss. Die Magie des zufälligen Endes der Auktion führt jedoch dazu, dass die Bieter insgesamt höhere Gebote abgeben, so dass das Gewinngebot im Durchschnitt höher ist.

Zuletzt zeigen wir, dass sich das Ergebnis bei einer gleichmäßigen Endzeitverteilung und einer großen Anzahl von Runden dem einer Auktion zum zweiten Preis annähert. Das bedeutet, dass die erwarteten Zahlungen der Bieter und damit auch die erwarteten Einnahmen des Auktionators gleich denen der Auktion zum zweiten Preis sind. Dies ist ein wichtiges Ergebnis, denn die Auktion zum zweiten Preis gehört zu den optimalen Auktionen, d.h. zu den Auktionen, die den höchsten Erlös bringen. Es bedeutet auch - und das ist wahrscheinlich die wichtigste Konsequenz für Polkadot - dass der Bieter mit der höchsten Bewertung das Gut erhält. Mit anderen Worten: Das Ergebnis ist effizient.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Format der Kerzen-Auktion in der Lage ist, alle drei durch Front-Running verursachten Probleme zu entschärfen: (1) geringer Nutzen für den benachteiligten Bieter; (2) geringer Ertrag; (3) geringe Effizienz. Solange die Anzahl der Runden endlich ist, entstehen auch Kosten für das "Shill-Bidding" (denn wie bereits erwähnt, läuft der Auktionator Gefahr, selbst ein gewinnendes Gebot abzugeben, so dass seine Einnahmen gleich Null wären). Angesichts dieser Eigenschaften sollten wir erwarten, dass die Kerzen-Auktion zu einem Standardmechanismus für jede auf der Blockchain durchgeführte Auktion wird.

In einer letzten, tragischen Wendung des Pinelli-Buchverkaufs erwies sich der Transport der Bücher nach Mailand als teurer als erwartet, so dass ein großer Teil der Bücher unterwegs entsorgt wurde. Letztendlich schafften es nur 35 Kisten (von den ursprünglich 130) in die Biblioteca Ambrosiana in Mailand, wo sie sich noch heute befinden.

Mehr erfahren

Erfahren Sie mehr darüber, wie die Kerzen-Auktionen von Polkadot funktionieren, im Polkadot-Wiki, und besuchen Sie das Forschungsportal der Web3 Foundation, wo Sie die neuesten Veröffentlichungen der Forscher der Web3 Foundation finden.

Referenzen

Bulow, Jeremy, and Paul Klemperer. 1996. “Auctions Versus Negotiations.” The American Economic Review, 86(1), 180-194.

Burdges, Jeffrey, and Luca De Feo. 2020. “Delay Encryption.” Working Paper.

Daian, Philip, Steven Goldfeder, Tyler Kell, Yunqi Li, Xueyuan Zhao, Iddo Bentov, Lorenz Breidenbach, and Ari Juels. 2019. Flash Boys 2.0: Frontrunning, Transaction Reordering, and Consensus Instability in Decentralized Exchanges.

Häfner, Samuel, and Alistair Stewart. 2021.Blockchains, Front-Running, and Candle Auctions.” Working Paper.

Hobson, Anthony. 1971. “A Sale by Candle in 1608.” The Library 5 (3): 215-233.

Micali, Silvio, Michael Rabin, and Salil Vadhan. 1999. “Verifiable Random Functions.” 40th annual symposium on foundations of computer science (cat. No. 99CB37039), 120-130.

Pepys, Samuel. The Diary of Samuel Pepys.

1. See the seminal work by Bulow and Klemperer (1996).
2. For a general overview, cf. the Polkadot wiki article. The Polkadot decoded talk by Shawn Tabrizi is also very informative. ↩︎
3. The accounts given in this and the next section largely follow Hobson (1971). ↩︎
4. Hobson (1971, 223). ↩︎
5. Pepys (1662, Wed. 3 September). ↩︎
6. See, e.g., Micali, Rabin, and Vadhan (1999). ↩︎
7. For example, see this story on MarketWatch about the manipulation accusations of Daily Mail against Google ↩︎
8. See, e.g., Daian et al. (2019). ↩︎