Proof of Stake oder PoS erklärt

Die Validierung von Transaktionen mittels Rechenleistung ist nicht länger die einzige Möglichkeit, Konsens in einer Blockchain zu erreichen. Proof of Stake (PoS) hat sich als beliebter alternativer Mechanismus etabliert. PoS verlangt von Validatoren, ihre Coins zu staken, anstatt komplexe Berechnungen durchzuführen. Das reduziert den Energieverbrauch deutlich und verbessert gleichzeitig Dezentralisierung, Sicherheit und Skalierbarkeit.

Trotz dieser Vorteile bringt PoS auch einige Herausforderungen mit sich. Der Zugang zu Kryptowährungen kann es für manche erschweren, am Staking teilzunehmen. Zudem können Blockchains mit geringer Marktkapitalisierung anfälliger für einen 51%-Angriff sein, bei dem ein einzelner Nutzer über die Hälfte der gestakten Coins kontrolliert. Nichtsdestotrotz bleibt PoS ein sehr vielseitiger Konsensmechanismus, der an verschiedene Blockchains und Anwendungsfälle angepasst werden kann.

Grundlagen

Heute wird Proof of Stake in vielen Blockchain-Netzwerken eingesetzt, doch seine zahlreichen Varianten können das Verständnis der grundlegenden Prinzipien erschweren. Obwohl sich PoS weiterentwickelt hat, teilt es in all seinen Ausprägungen gemeinsame Kernkonzepte. Ein klares Verständnis dieser Schlüsselbegriffe ist entscheidend, um fundierte Entscheidungen darüber zu treffen, welche Blockchains man nutzt und wie sie funktionieren.

Was bedeutet Proof of Stake?

Im Jahr 2011 beschrieb ein Nutzer des Bitcointalk-Forums den Proof-of-Stake-Konsensalgorithmus als Alternative zum Proof-of-Work-Algorithmus. PoS wurde entwickelt, um die Beschränkungen von PoW bei der Erzielung von Blockchain-Konsens anzugehen. Anders als bei PoW, wo Nutzer einen rechnerischen Nachweis erbringen müssen, müssen Teilnehmer bei PoS lediglich nachweisen, dass sie Coins gestaked haben.

Wie funktioniert Proof of Stake?

In PoS-Algorithmen werden Validatoren durch einen pseudozufälligen Auswahlprozess bestimmt, der Faktoren wie Staking-Dauer, Vermögen des Knotens und ein Element der Zufälligkeit berücksichtigt. Im Gegensatz zu PoW-Systemen "schmiedet" PoS Blöcke statt sie zu minen, obwohl der Begriff "Mining" manchmal weiterhin verwendet wird. Um sofortige Teilnahme zu ermöglichen, beginnen die meisten PoS-Kryptowährungen mit einem Vorrat an "vorgefertigten" Coins.

Um am Schmiedeprozess teilzunehmen, müssen Nutzer eine bestimmte Menge an Coins als ihren Stake im Netzwerk sperren. Die Höhe des Stakes bestimmt die Chancen eines Knotens, als nächster Validator ausgewählt zu werden: Je größer der Stake, desto höher die Chancen. Um zu verhindern, dass die wohlhabendsten Knoten den Auswahlprozess dominieren, werden einzigartige Methoden wie Randomized Block Selection und Coin Age Selection eingesetzt.

Randomized Block Selection

In Proof-of-Stake-Systemen werden Knoten mittels verschiedener Methoden zur Validierung von Blöcken ausgewählt, darunter Randomized Block Selection. Diese Methode wählt Validatoren aus, indem sie Knoten mit dem niedrigsten Hash-Wert und dem höchsten Stake findet. Die Größe des Stakes ist öffentliche Information, sodass andere Knoten den nächsten Validator teilweise vorhersagen können.

Coin Age Selection

Bei der Coin-Age-Selection werden Knoten basierend darauf ausgewählt, wie lange ihre Tokens gestaked sind. Die Coin Age wird berechnet, indem die Anzahl der Tage des Stakes mit der Anzahl der gestakten Coins multipliziert wird. Nach dem Schmieden eines Blocks wird die Coin Age des Knotens auf null zurückgesetzt, und der Knoten muss eine bestimmte Zeit warten, bevor er wieder einen Block schmieden kann. Diese Wartezeit stellt sicher, dass Knoten mit großen Stakes die Blockchain nicht dominieren.

Validierung von Transaktionen

Der Proof-of-Stake-Algorithmus ist bei jeder Kryptowährung einzigartig und so gestaltet, dass er die bestmögliche Kombination für das Netzwerk und seine Nutzer bietet. Wenn ein Knoten ausgewählt wird, um den nächsten Block zu schmieden, prüft er die Transaktionen des Blocks auf ihre Gültigkeit, signiert den Block und fügt ihn der Blockchain hinzu. Der Knoten wird dann mit den Transaktionsgebühren des Blocks und in einigen Blockchains zusätzlich mit einer Coin-Belohnung vergütet. Entscheidet sich ein Knoten, das Schmieden einzustellen, werden sein Stake und seine Belohnungen nach einer bestimmten Frist freigegeben, sodass das Netzwerk verifizieren kann, dass keine betrügerischen Blöcke hinzugefügt wurden.

Proof-of-Stake-Blockchains

Der als Proof of Stake bekannte Konsensmechanismus ist in vielen Blockchains verbreitet, die nach Ethereum entstanden sind. Jedes Netzwerk passt den Mechanismus an seine spezifischen Bedürfnisse an. Ethereum ist bereits mit Ethereum 2.0 zu Proof of Stake übergegangen. Mehrere Blockchain-Netzwerke wie BNB Smart Chain, Solana, Avalanche und Polkadot verwenden eine Variante des Proof-of-Stake-Konsensmechanismus.

Vorteile von Proof of Stake

Proof of Stake wird gegenüber Proof of Work häufig bevorzugt, da es viele Vorteile bietet. Dazu gehören Anpassungsfähigkeit, Dezentralisierung, Energieeffizienz, Skalierbarkeit und Sicherheit.

Anpassungsfähigkeit

Einer der größten Vorteile von Proof of Stake ist seine Anpassungsfähigkeit. Er kann verändert werden, um den sich ändernden Anforderungen von Nutzern und Blockchains gerecht zu werden, was ihn zu einem vielseitigen Konsensmechanismus macht. Infolgedessen sind viele Anpassungen von Proof of Stake entstanden, die verschiedene Blockchain-Anwendungsfälle bedienen.

Dezentralisierung

Ein weiterer Vorteil ist die Dezentralisierung, die Proof of Stake ermöglicht. Da es kostengünstiger ist, einen Knoten zu betreiben, werden mehr Menschen dazu motiviert. Der Zufallsprozess fördert ebenfalls die Dezentralisierung und reduziert die Notwendigkeit für Staking-Pools. Auch wenn Staking-Pools existieren, ist die Chance für eine einzelne Person, unter Proof of Stake erfolgreich einen Block zu schmieden, deutlich höher.

Energieeffizienz

Proof of Stake ist im Vergleich zu Proof of Work äußerst energieeffizient. Die Kosten der Teilnahme basieren auf den wirtschaftlichen Kosten des Stakens von Coins und nicht auf den Rechenkosten zum Lösen von Rätseln. Dadurch ist der Mechanismus weniger ressourcenintensiv und günstiger im Betrieb.

Skalierbarkeit

Proof of Stake ist auch skalierbarer, da er nicht auf physische Maschinen angewiesen ist, um Konsens zu erzeugen. Weitere Validatoren in das Netzwerk einzubinden ist einfacher, günstiger und zugänglicher. Es sind keine großen Mining-Farmen oder enorme Energiequellen erforderlich.

Sicherheit

Proof of Stake bietet ein hohes Maß an Sicherheit für das Netzwerk. Staking fungiert als finanzieller Anreiz für Validatoren, keine betrügerischen Transaktionen zu verarbeiten. Validatoren verlieren einen Teil ihres Stakes und ihr Recht, künftig teilzunehmen, wenn das Netzwerk betrügerische Transaktionen erkennt. Um das Netzwerk zu kontrollieren und betrügerische Transaktionen zu genehmigen, müsste ein Knoten die Mehrheitsbeteiligung am Netzwerk besitzen, auch bekannt als 51%-Angriff. Für eine Kryptowährung mit hohem Wert ist dies jedoch nahezu unmöglich, da das Erwerben von 51% der umlaufenden Versorgung teuer wäre.

Nachteile von Proof of Stake

Trotz der Vorteile gegenüber Proof of Work weist Proof of Stake auch einige Schwächen auf.

Forks

Einer der Nachteile von Proof of Stake ist das Problem von Forks. Während das Mining beider Seiten eines Forks in einem Proof-of-Work-Netzwerk zu verschwendeter Energie führt, verursacht das auf einem Proof-of-Stake-Netzwerk viel geringere Kosten, sodass es möglich ist, auf beide Seiten eines Forks zu "wetten".

Zugänglichkeit

Ein weiteres Problem bei Proof of Stake ist die Zugänglichkeit. Um am Staking teilzunehmen, benötigt man den nativen Token des jeweiligen Netzwerks. Je nach erforderlicher Menge kann dies eine erhebliche Investition bedeuten, da die Tokens über eine Börse oder andere Mittel erworben werden müssen. Bei Proof of Work kann man hingegen schnell mit dem Verdienen von Belohnungen beginnen, indem man günstige Mining-Hardware kauft oder mietet und einem Pool beitritt.

Risiko eines 51%-Angriffs

Ein 51%-Angriff ist eine potenzielle Bedrohung sowohl für Proof-of-Work- als auch für Proof-of-Stake-Netzwerke, kann jedoch auf einem Proof-of-Stake-Netzwerk leichter durchführbar sein. Fällt der Wert eines Tokens oder hat das Netzwerk eine geringe Marktkapitalisierung, kann es vergleichsweise preiswert sein, mehr als 50% der Tokens zu erwerben und die Kontrolle über das Netzwerk zu übernehmen.

PoW vs. PoS

Ein Vergleich der beiden Konsensmechanismen Proof of Work und Proof of Stake zeigt grundlegende Unterschiede auf.

Proof of Work erfordert Mining-Ausrüstung, während Proof of Stake minimale oder gar keine Hardware erfordert. Der Energieverbrauch ist bei Proof of Work hoch, bei Proof of Stake niedrig. Proof of Work tendiert zur Zentralisierung, während Proof of Stake eher zur Dezentralisierung neigt.

Die Validierungsmethode beim Proof of Work ist ein rechnerischer Nachweis, während Proof of Stake auf dem Staken von Coins basiert. Trotz dieser Unterschiede gibt es viele Varianten von Proof-of-Stake-Mechanismen in verschiedenen Blockchains, und der genaue Mechanismus bestimmt viele Unterschiede.

Hybrid-Konsensmechanismen mit Proof of Stake

Der Proof-of-Stake-Mechanismus ist hoch anpassbar, um den spezifischen Anforderungen einer Blockchain gerecht zu werden. Verschiedene Anpassungen sind gebräuchlich, einige davon sind unten aufgeführt:

Delegated Proof of Stake oder DPoS

Bei Delegated Proof of Stake können Nutzer am Staking teilnehmen, ohne selbst Validatoren zu werden. Sie können ihre Coins an einen Validator delegieren und sich die Blockbelohnungen teilen. Die Auswahlchance eines Validators steigt mit der Anzahl der Delegierenden, die hinter ihm staken. Validatoren können den Anteil an Delegierende als Anreiz anpassen, und ihre Reputation ist ebenfalls entscheidend, um Delegierende anzuziehen.

Nominated Proof of Stake oder NPoS

Polkadots Nominated Proof of Stake ist ein Konsensmechanismus, der Delegated Proof of Stake ähnelt, sich jedoch in einem wichtigen Punkt unterscheidet. Beim NPoS riskieren Nominator, ihren Stake zu verlieren, wenn sie hinter einem bösartigen Validator staken. Nominator können bis zu 16 Validatoren auswählen, hinter denen sie staken. Das Netzwerk verteilt ihren Stake dann gleichmäßig auf die gewählten Validatoren. Polkadot nutzt Spiel- und Wahltheorien, um zu bestimmen, wer einen neuen Block schmiedet.

Proof of Staked Authority oder PoSA

Die BNB Smart Chain implementiert den Proof of Staked Authority-Mechanismus, um Konsens im Netzwerk zu erreichen. Dieses Konsensmodell ist eine Kombination aus Proof of Authority und Proof of Stake, bei der Validatoren abwechselnd Blöcke schmieden. 21 aktive Validatoren, die eine beträchtliche Menge BNB gestaked oder delegiert haben, sind für die Teilnahme am Konsensprozess berechtigt. Die Auswahl der Validatoren erfolgt täglich und wird von der BNB Chain gespeichert.

Fazit

Das Hinzufügen von Transaktionsblöcken zu einem Netzwerk hat sich seit der Entstehung von Bitcoin gewandelt. Das Proof-of-Stake-System hat die Notwendigkeit von Rechenleistung zur Herstellung von Krypto-Konsens eliminiert und bietet zahlreiche Vorteile. Die Geschichte hat den Erfolg von Proof of Stake gezeigt, sodass Proof-of-Work-Netzwerke, einschließlich Bitcoin, künftig seltener werden könnten. Die Zukunft scheint Proof of Stake zu gehören, das offenbar einen dauerhaften Platz im Markt hat.