Um ihr Netzwerk zu sichern, haben große Kryptowährungen Proof of Work (PoW) und Proof of Stake (PoS) als die gebräuchlichsten Konsensmechanismen übernommen. Bei Bitcoin wird PoW verwendet, um Transaktionen zu validieren und die Blockchain zu sichern. Dieser Mechanismus verhindert Double-Spending und wird von Minern abgesichert, die Rechenleistung einsetzen, um um das Recht zu konkurrieren, neue Blöcke zu bestätigen und die Blockchain zu aktualisieren.
PoS hingegen ist die populärste Alternative zu PoW und funktioniert anders. PoS zielt darauf ab, einige der Einschränkungen von PoW zu beheben, einschließlich Skalierbarkeitsproblemen und hohem Energieverbrauch. Bei diesem Mechanismus heißen die Teilnehmer Validatoren und müssen nicht leistungsstarke Hardware einsetzen, um die Chance zu erhalten, einen Block zu validieren. Stattdessen müssen sie die native Kryptowährung der Blockchain staken (sperren). Je mehr Coins gestakt werden, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, als Validator ausgewählt zu werden. Das Netzwerk wählt dann einen Gewinner basierend auf der Menge der gestakten Coins, der einen Anteil der Transaktionsgebühren aus dem von ihm validierten Block erhält.
Grundlagen
Verschiedene Konsensmechanismen werden von Blockchain-Netzwerken eingesetzt, um die Gültigkeit von Transaktionen sicherzustellen. PoW, der älteste Mechanismus, der von Satoshi Nakamoto geschaffen wurde, gilt für viele als sichere Option. PoS wurde später entwickelt, ist heute aber in den meisten Altcoin-Projekten weit verbreitet.
Proof of Work wird nicht nur in Bitcoin eingesetzt, sondern auch von anderen großen Kryptowährungen wie Ethereum (ETH) und Litecoin (LTC) übernommen. Proof of Stake hingegen wird von Binance Coin (BNB), Solana (SOL), Cardano (ADA) und mehreren anderen Altcoins verwendet. Erwähnenswert ist, dass Ethereum 2022 von PoW zu PoS gewechselt ist.
Was ist Proof of Work und wie funktioniert es?
PoW ist ein weit verbreiteter Konsensalgorithmus, der Double-Spending in verschiedenen Kryptowährungen, einschließlich Bitcoin, verhindert. Satoshi Nakamoto stellte PoW 2008 im Bitcoin-Whitepaper vor. Sein Zweck ist es, einen verteilten Konsens im Blockchain-Netzwerk zu erreichen, sodass Peer-to-Peer-Transaktionen ohne Zwischeninstanzen möglich sind.
Um Transaktionen in einem PoW-Netzwerk zu verifizieren, setzen Teilnehmer, die Miner genannt werden, erhebliche Ressourcen ein, um die Sicherheit und Korrektheit des Netzwerks zu gewährleisten. Diese Miner erstellen und validieren Blöcke von Transaktionen, indem sie spezialisierte Mining-Hardware verwenden, um mathematische Probleme zu lösen. Der Miner, der diese Probleme zuerst löst, erhält das Recht, seinen Block der Blockchain hinzuzufügen und eine Blockbelohnung zu empfangen. Diese Belohnung besteht aus neu generierten Kryptowährungen plus Transaktionsgebühren. Die Höhe der Krypto-Belohnung in einem Block variiert zwischen den Netzwerken. Im Fall von Bitcoin beträgt die aktuelle Blockbelohnung 6,25 BTC plus Transaktionsgebühren (Stand 2020-2024). Aufgrund des Halving-Mechanismus reduziert sich dieser Betrag jedoch alle 210.000 Blöcke, also ungefähr alle vier Jahre, um 50 %.
Was ist Proof of Stake und wie funktioniert es?
PoS ist ein Konsensalgorithmus, der 2011 als praktikable Alternative zu PoW aufkam, um die Skalierbarkeitsbeschränkungen von PoW-Netzwerken anzugehen. PoS ist inzwischen der zweitbeliebteste Algorithmus, der von Kryptowährungen wie Cardano (ADA), Binance Coin (BNB) und Solana (SOL) verwendet wird.
Trotz des gemeinsamen Ziels, Konsens auf der Blockchain zu erreichen, verfolgen PoS und PoW unterschiedliche Ansätze bei der Auswahl, wer einen Block von Transaktionen validiert. Im Gegensatz zu PoW-Blockchains müssen PoS-Blockchains keine Miner haben, die um das Recht konkurrieren, Blöcke zu validieren. Stattdessen müssen Validatoren eine bestimmte Menge an Coins in einem Smart Contract auf der Blockchain sperren, um berechtigt zu werden, einen Block zu validieren. Dieser Prozess wird als Staking bezeichnet. Je nach Netzwerk wählt das Protokoll den Validator entweder zufällig oder basierend auf dessen gehaltenen Anteilen aus. Validatoren erhalten als Belohnung die Transaktionsgebühren aus dem von ihnen validierten Block. Typischerweise gilt: Je mehr Coins ein Validator sperrt, desto höher ist seine Chance, ausgewählt zu werden.
Unterschiede zwischen PoW und PoS
Die Konsensmechanismen, die das Blockchain-Netzwerk sichern, PoW und PoS, unterscheiden sich darin, wie sie bestimmen, wer neue Transaktionen validiert. Ein Vergleich der beiden ist unten aufgeführt:
Proof of Work (PoW) | Proof of Stake (PoS) | |
| Wer kann Blöcke minen/validieren? | Teilnehmer mit höherer Rechenleistung haben eine größere Chance, einen Block zu minen. | Teilnehmer mit mehr gestakten Coins haben eine größere Chance, einen neuen Block zu validieren. |
| Wie wird ein Block gemined/validiert? | Miner verwenden spezialisierte Hardware wie ASICs, CPUs und GPUs, um mathematische Rätsel zu lösen. | Validatoren müssen eine bestimmte Menge Coins in einem Smart Contract auf der Blockchain sperren. |
| Mining-Ausrüstung | Spezialisierte Hardware wie ASICs, CPUs und GPUs | Beliebige Geräte mit Internetverbindung |
| Wie werden Belohnungen verteilt? | Der erste Miner, der das Rätsel löst, erhält eine Blockbelohnung. | Validatoren erhalten einen Anteil der Transaktionsgebühren aus dem von ihnen validierten Block. |
| Wie wird das Netzwerk gesichert? | Je größer die Hash-Leistung, desto sicherer das Netzwerk | Staking sperrt Krypto auf der Blockchain, um das Netzwerk zu sichern. |
Ist Proof of Stake die bessere Lösung?
Die Einführung von PoS durch Ethereum in seinem ETH‑2.0‑Upgrade hat Diskussionen über seine Überlegenheit gegenüber PoW ausgelöst. Befürworter von PoS heben Vorteile bei Skalierbarkeit und Transaktionsgeschwindigkeit hervor und argumentieren, dass es umweltfreundlicher ist als PoW. Befürworter von PoW hingegen betonen, dass PoS seine Stärke in Bezug auf Netzwerksicherheit erst noch unter Beweis stellen muss, da PoW‑Netzwerke große Ressourcen benötigen und dadurch teurer anzugreifen sind. Mit dem Wechsel zu PoS kann nun jeder mit mindestens 32 ETH am Staking teilnehmen und als Validator Belohnungen erhalten.
Risiko der Zentralisierung
Der Proof of Work-Konsensmechanismus verlangt von Minern, Blockdaten zu hashen, bis eine gültige Lösung gefunden wird, was mit zunehmender Popularität einer Kryptowährung schwieriger und teurer wird. Miner können sich Mining-Pools anschließen, um ihre Chance auf eine Blockbelohnung zu erhöhen. Stand März 2023 kontrollieren die vier größten Mining-Pools etwa 50 % der gesamten Bitcoin-Hash-Leistung. Diese Konzentration von Macht ist für manche besorgniserregend, da sie die Dezentralisierung des Netzwerks reduziert.
Der Proof of Stake-Mechanismus ersetzt Mining-Leistung durch Staking und ermöglicht es Einzelpersonen, Transaktionen zu bestätigen, ohne spezialisierte Ausrüstung oder einen bestimmten Standort zu benötigen. Dennoch kann der Betrieb eines Validator-Nodes teuer sein. Nutzer können hinter bestimmten Validatoren Tokens staken, ähnlich wie bei Mining-Pools. Obwohl PoS die Teilnahme erleichtert, kann es dennoch zu Zentralisierungsproblemen kommen, wenn große Validatoren einen erheblichen Anteil der gestakten Tokens kontrollieren. Trotz dieser Herausforderungen zielen sowohl PoW als auch PoS darauf ab, ein sicheres und dezentrales Netzwerk aufrechtzuerhalten.
Sicherheitsrisiken
Das Risiko eines 51%-Angriffs besteht bei Proof of Work-Blockchains, wobei die vier größten Mining-Pools rund 50 % der gesamten Bitcoin-Hash-Leistung kontrollieren. Bei einem solchen Angriff verschaffen sich böswillige Akteure oder Organisationen die Kontrolle über mehr als 50 % der Netz-Hash-Leistung, wodurch sie den Konsens der Blockchain außer Kraft setzen und schädliche Handlungen wie Double-Spending oder das Verändern von Transaktionsaufzeichnungen zum eigenen Vorteil durchführen könnten. Trotz dieses Risikos ist es aufgrund der Größe des Bitcoin-Netzwerks unwahrscheinlich, dass ein solcher Angriff dort gelingt.
Bei einer Proof of Stake-Blockchain würde ein 51%-Angriff erfordern, dass der Angreifer über mehr als 50 % der Coins im Netzwerk verfügt, was eine Nachfrage- und Preissteigerung der Coins im Wert von Milliarden zur Folge haben könnte. Allerdings ist auch dies unwahrscheinlich, da der Wert der gestaketen Coins des Angreifers drastisch sinken würde, falls das Netzwerk kompromittiert würde. Folglich ist ein 51%-Angriff auf eine PoS-Blockchain, insbesondere auf eine mit hoher Marktkapitalisierung, eher unwahrscheinlich.
Nachteile von Proof of Stake
Proof of Stake wird als Alternative zu Proof of Work betrachtet, hat aber auch seine Nachteile. Validatoren mit mehr gestakten Vermögenswerten haben aufgrund der Verteilungsmechanismen für Belohnungen größere Chancen, den nächsten Block zu validieren. Kritiker sehen darin die Gefahr, dass die Reichen reicher werden und solche Akteure Governance-Rechte in PoS-Blockchains erlangen.
Für kleinere Kryptowährungen mit geringer Marktkapitalisierung, die PoS verwenden, bestehen zudem erhöhte Sicherheitsrisiken, da sie anfälliger für Angriffe sind. Während bei populären Kryptowährungen wie ETH ein 51%-Angriff weniger wahrscheinlich ist, können kleinere digitale Vermögenswerte mit niedrigerem Wert ins Visier geraten. Angreifer könnten ausreichend Coins erwerben, um sich gegenüber anderen Validatoren einen Vorteil zu verschaffen und das PoS-System zu manipulieren, indem sie häufig Validatoren werden. Die Belohnungen, die sie erhalten, könnten dann für weiteres Staking verwendet werden, wodurch ihre Chancen erhöht würden, in der nächsten Runde wieder ausgewählt zu werden.
Fazit
Es ist schwierig zu bestimmen, welches Konsensprotokoll zwischen Proof of Work und Proof of Stake besser ist, da beide Vorteile und Nachteile haben. Während PoW als sicher und zuverlässig gilt, wird es auch wegen der hohen CO2-Emissionen beim Mining kritisiert. Ethereum hat kürzlich den Wechsel zu PoS vollzogen, was als umweltfreundlichere Alternative betrachtet wird. Infolgedessen könnten neue Projekte künftig verstärkt PoS bevorzugen.