Was ist Proof of Stake?
Der Konsensmechanismus einer Blockchain ist die wohl bedeutendste Eigenschaft der dahinterstehenden Projekte. Derweil ist durch das Bitcoin-Mining das Proof of Work (PoW) Verfahren bereits in aller Munde.
Doch was ist Proof of Stake (PoS)? Wie hat sich der Konsensmechanismus entwickelt? Und warum hat Ethereum das Konsensverfahren von PoW auf PoS umgestellt?
Das Proof of Stake (PoS) Verfahren stellt nur einen von vielen verschiedenen Konsensmöglichkeiten dar. Neben den beiden erwähnten Methoden kommt auch dem Proof of Authority eine wachsende Bedeutung zu.
In diesem Artikel möchten wir uns jedoch genauer mit der Idee hinter PoS beschäftigen. Ein Einstieg gelingt über ein Verständnis zur Notwendigkeit von Konsens, also von Einigkeit.
Grundlagen: Konsens erklärt
Um zu verstehen, wie Proof of Stake eigentlich funktioniert, müssen wir erstmal wissen, was ein Konsensmechanismus eigentlich ist.
In verteilten, also dezentralen Systemen, wie es die Blockchain darstellt, ist Einigkeit entscheidend. Dabei stellt ein Konsensmechanismus die Methode dar, mit der sich das Netzwerk der Teilnehmer auf die einzig mögliche Wahrheit einigt.
Klassische Unternehmen sind zentral organisiert. Hier definiert häufig eine zentrale Instanz, was wahr ist. Dadurch wird Macht und somit auch Geld konzentriert.
In einem dezentralen System hingegen agieren unzählige autonome Autoritäten. Sie betreiben ein gemeinsames Netzwerk und können aktiv an deren Weiterentwicklung mitwirken. Über das Konsensverfahren können Abstimmungen stattfinden und Transaktionen validiert werden.
Um einen Konsens in der Blockchain zu erreichen, müssen die Teilnehmer den identischen kryptografischen Mechanismus verwenden. Durch ein komplexes Berechnungsschema einigen sich die Netzwerkteilnehmer auf den neuesten und genauesten Datensatz.
Somit wird garantiert, dass jede Transaktion, die über die Blockchain getätigt wird, nachvollziehbar und gültig ist.
Was ist Proof of Stake?
Die Proof of Stake Idee geht zurück auf Sunny King und Scott Nadal. Die von den beiden im Jahre 2012 entwickelte Methode, sollte das Problem um den hohen Energieverbrauch des Bitcoin-Minings lösen.
Eine Alternative, die als Staking bekannt geworden ist, war geboren. Über einen deterministisch programmierten Algorithmus sollten Node-Betreiber entsprechend der Höhe ihrer gehaltenen Coins zur Blockerzeugung ausgewählt werden.
Wer also mehr Coins in seiner Wallet bereithält, hat höhere Chancen, ausgewählt zu werden, um einen Block zur Kette hinzuzufügen und die entsprechende Belohnung zu erhalten.
King und Nadal hoffen, dass Proof of Stake, die ständig steigenden Energiekosten und Hashrate-Schwierigkeiten des Minings verringern wird. Dabei ist der neue Konsensmechanismus nicht ganz unproblematisch.
Um näher auf Proof of Stake als Konsensmechanismus eingehen zu können, müssen wir zunächst einen Blick auf Proof of Work werfen, um zu verstehen, aus welchem Grund ein alternatives Verfahren notwendig ist.
Proof of Work – Der bekannteste Algorithmus
Mit der Adaption von Bitcoin hat sich auch der Proof of Work Konsens verbreitet. Die Methode ist gut erforscht und gilt daher als sicher. Um insbesondere die Entwicklung des Proof of Stake Verfahrens zu verstehen, hilft ein Ausflug in die PoW Welt.
Die Bekanntheit des Proof of Work Verfahrens ist direkt verknüpft mit dem Erfolg von Bitcoin. Der PoW Konsens hinter der Leitwährung der Kryptobranche gilt als unglaublich sicher.
Die Verteilung garantiert höchste Standards für die Dezentralität von BTC. Derweil ist die Teilnahme am PoW Verfahren mit einem steigenden Aufwand an Rechenleistung verbunden.
Dieser enorme Energieaufwand schützt zum einen das Netzwerk und belohnt die Miner für ihr Tun. Doch wird der enorme Ressourcenaufwand heute vermehrt kritisch gesehen und wird des Öfteren als Grundlage für ein Verbot von Bitcoin genutzt.
Auch in der EU werden Stimmen für ein Bitcoin-Verbot immer lauter, sodass viele Kryptowährungen sich nach alternativen Konsensmechanismen umschauen.
Wir zeigen Dir in einem Beispiel, wie hoch der Energieverbrauch bei Proof of Work sein kann.
Beispiel zum Energieverbrauch von Bitcoins Proof of Work
Die ersten Überlegungen zur Begründung eines alternativen Konsensmechanismus kamen 2012 auf. Dabei zielten die Ideen darauf ab, dem hohen Energieverbrauch von Bitcoin eine Alternative gegenüberzustellen.
Damals kostete es rund 150.000 US-Dollar, das Bitcoin-Netzwerk aufrechtzuerhalten.
Mit Erstellung dieses Artikels verbraucht das Bitcoin-Netzwerk rund 227 Millionen „Terrahashes“ (TH) pro Sekunde, also 227 Exahashes:
Ein Terrahash benötigt rund 0,000012222 kWh. Aktuell liegt der durchschnittliche Preis pro kWh in Deutschland bei rund 30 Cent.
Ein Terrahash würde also 0,0000036666 Euro kosten, 227 Millionen Terrahashes demnach rund 832 Euro.
Wohl gemerkt, pro Sekunde! Nachdem ein Tag bekanntlich 86.400 Sekunden dauert, würde es rund 72 Millionen Euro pro Tag kosten, wenn alle Nodes des Bitcoin-Netzwerks in Deutschland betrieben werden würden.
Nun können wir uns anschauen, warum Proof of Stake notwendig ist, und welche Herausforderungen ein umweltfreundlicher Konsensmechanismus mit sich bringt.
Wenn Du mehr über den Unterschied zwischen Proof of Work vs Proof of Stake wissen willst, findest Du alle notwendigen Informationen in unserem Artikel.
Herausforderungen bei Proof of Stake
Denn der neue Konsensmechanismus bringt einige Herausforderungen mit sich, denen man begegnen muss. Dabei haben über die Zeit unterschiedliche Projekte verschiedene Lösungswege eingeschlagen.
Die Herausforderungen von Proof of Stake erklärt
In der Entwicklung des Proof of Stake Verfahrens haben verschiedene Projekte unterschiedliche Lösungen dieser Problematiken forciert: Peercoin, Blackcoin und Ethereum.
Die jeweiligen Strategien werden entlang der vorgestellten Herausforderungen erörtert:
- Verteilung der Token: Nachdem beim PoS die Belohnungen an die Staker geht, stellt sich die Fragen, wie die Coins zu Beginn verteilt werden.
- Monopolisierung: Da das Staking, also das Halten der Token, belohnt wird, erhalten diejenigen, die die meisten Coins staken, auch die höchsten Belohnungen.
- 51%-Attacke: Ein Proof of Work Konsens kann über eine sogenannte 51%-Attacke derart angegriffen werden, dass ein Netzwerkteilnehmer, oder eine Gruppierung, 51 % der Rechenleistung übernimmt. Ein derartiger 51%-Angriff könnte demnach auch eine Proof of Stake Verfahren ereilen, wenn ein Staker 51 % aller Token vereint.
- Nothing at Stake (NoS): Da der PoS Konsens im Vergleich zu PoW mit deutlich weniger Aufwand auf Seiten des Validierers einhergeht, besteht die Gefahr, dass ein Node-Betreiber auf mehreren Ketten gleichzeitig versucht, Blöcke zu erstellen. Ein derartiges Vorgehen erscheint aus Betreibersicht sinnvoll, da somit die Chancen Blockeröffnung und der damit verbundenen Entlohnung steigt. Für die Blockchain ist es jedoch kritisch und daher nicht erwünscht, da es zum Fork, also zum Entzweien der Kette führen kann.
In der Entwicklung des Proof of Stake Verfahrens haben verschiedene Projekte unterschiedliche Lösungen dieser Problematiken forciert: Peercoin, Blackcoin und Ethereum.
Die jeweiligen Strategien werden entlang der vorgestellten Herausforderungen erörtert:
1. Verteilung der Token
- Peercoin: Peercoin setzte für die Aufteilung der Coins einen PoW basierten abnehmenden Verteilungsmechanismus ein. Zu Beginn wurde das Proof of Work Verfahren forciert, um die anfängliche Verteilung vorzunehmen. Im Laufe der Zeit und mit steigender Distribution nahm die Bedeutung des PoW immer weiter ab.
- Blackcoin: Auch Blackcoin setzte zu Beginn auf ein Proof of Work Verfahren. Da eine „Pre-Mine“-Phase ausblieb, konnten die Token fair verteilt werden.
- Ether: 70% aller ETH wurden bereits über das 2014 stattgefundene ICO verteilt. Elf Millionen Ether wurden an die Ethereum Foundation ausgegeben und bis vor Kurzem per PoW verteilt.
2. Monopolisierung
- Peercoin: Um einer Monopolisierung und der damit einhergehenden Dominanz von Coin-Walen entgegenzuwirken, hat Peercoin ein sogenanntes Coin-Alter eingeführt.
- Blackcoin: Der Monopolisierung sollte insbesondere durch die gezielte und gerechte Verteilungsperiode entgegengewirkt werden.
- Ether: Wie beschrieben, sind die meisten ETH bereits verteilt. Ethereum versucht der Problematik über das Sperren der hinterlegten Coins zu begegnen. Wer ETH zum Staking und Validieren in einem dafür zuständigen Smart Contract „parkt“, hat nicht mit sofortiger Wirkung Zugriff darauf. Das Staking ist also nur auf Kosten der Liquidität möglich.
3. 51%-Attacken
Alle drei Projekte geben an, dass 51 % Attacken überaus unwahrscheinlich seien. Eine entsprechende Attacke würde den Angreifer einiges kosten. Denn er müsste mindestens 51 % der verfügbaren Token auf sich konzentrieren, also kaufen.
Durch eine derartige Attacke würde der Angreifer ebenso das eingesetzte Kapital verlieren, da die Token anschließend nichts mehr wert sein würden.
Sieht man sich jedoch die Zahlen an, kann man eindeutig sagen, dass sich wohl nur der Angriff auf Ethereum nicht lohnen würde.
Für die anderen beiden hier angeführten Projekte wäre kein derart hoher Kapitalaufwand zu betreiben. (Zahlen entsprechen der Marktkapitalisierung in US-Dollar gegen Ende September 2022):
| Blockchain | Marktkapitalisierung | Kosten 51%-Attacke |
|---|---|---|
| Peercoin | 16.000.000 | > 8.000.000 |
| Blackcoin | 800.000 | > 400.000 |
| Ethereum | 162.000.000.000 | > 81.000.000.000 |
4. Nothing at Stake (NoS)
- Peercoin: Die Entwickler von PPC gehen nicht davon aus, dass dieser Fall eintritt. Falls es jedoch zu einer derartigen „Attacke“ kommen sollte, haben die Erfinder optionale „Checkpoints“ eingerichtet. Mit der Verbreitung des Projekts wurden die Checkpoints jedoch aufgelöst.
- Blackcoin: Ebenso wenig gehen die Entwickler bei Blackcoin von einem solchen Angriff aus. Um eine Hard Fork zu vermeiden, haben aber auch diese „Checkpoints“ integriert. In einer Version 3 werden diese jedoch ebenso entfernt.
- Ether: Bei Ethereum begegnet man dem Problem damit, dass Validierer für das Signieren verwaister Blöcke bestraft werden. Beim Projekt wird nicht nur mit der Idee der Belohnung hantiert. Vielmehr liest man häufig davon, dass Betreiber, die schädliche Prozesse anstoßen, bestraft werden. Der Entzug der gestakten ETH wäre die Folge.
Vorteile und Chancen von Proof of Stake
Das Proof of Stake Prinzip ist gegenüber dem Proof of Work Verfahren in einigen Teilen optimiert. Dies bedeutet wiederum nicht, dass PoS besser sei als PoW. Von den PoS-Enthusiasten vertretende Verbesserungen sind:
- Bessere Energieeffizienz: Beim Proof of Stake Verfahren bedarf es keines hohen Rechen- und somit Energieaufwands wie zur Durchführung eines Proof of Work.
- Die Eintrittsbarrieren sind geringer, da insbesondere ein verringerter Hardwareeinsatz ausreichend ist: Es wird keine extrem hochwertige Hardware benötigt, um eine Chance zur Bildung neuer Blöcke zu erhalten.
- Reduziertes Risiko von Zentralisierung: Die Befürworter gehen davon aus, dass das PoS Prinzip eine steigende Anzahl an Nodes anzieht, was wiederum die Dezentralität verbessert.
- Durch den verringerten Energieaufwand seien geringere Rewards (also Belohnungen) aus, um ausreichend Anreize zur Teilnahme am Netzwerk zu schaffen.
- Da Fehlverhalten ökonomisch bestraft beziehungsweise sanktioniert wird, sind sogenannte 51%-Attacken – nach Aussagen der Befürworter – für den Angreifer kostenintensiver und somit risikoreicher als beim Proof of Work Prinzip.
Sollte es doch zu einem 51%-Angriff kommen, hat die Community die Möglichkeit, sich auf eine „korrekte/seriöse“ Kette zu einigen. Womit die Blockchain mit dem PoS Prinzip erhalten bleiben könnte.
Die 10 größten Proof of Stake Coins
Die aktuell gemessen nach Marktkapitalisierung größten Blockchain-Projekte, die das Proof of Stake Verfahren verwenden, sind:
 | Ethereum (ETH) |
 | Cardano (ADA) |
 | Solana (SOL) |
 | Polkadot (DOT) |
 | Polygon (MATIC) |
 | Tron (TRX) |
 | Avalanche (AVAX) |
 | Cosmos (ATOM) |
 | Algorand (ALGO) |
 | Tezos (XTZ) |
Ethereum Proof of Stake
Im September 2022 passierte endlich der langersehnte Merge von Ethereum. Hierbei wechselte das Ethereum Netzwerk von Proof of Work zu Proof of Stake.
Insbesondere eine verbesserte Skalierung und damit verbundene geringere Transaktionsgebühren sind mitunter ausschlaggebende Gründe für den Wechsel.
Da Ethereum somit zwischenzeitlich die größte Plattform mit dem PoS Prinzip darstellt, wird abschließend genauer auf deren Spezifikationen eingegangen.
Vorteile und Nachteile von Ethereum PoS
- Das Staking erleichtert es dem Einzelnen die Sicherheit des Netzwerks zu unterstützen.
- Die einfachere Teilnahme verbessert damit die Dezentralität des Projekts.
- Die Nodes der Validatoren können über einen einfachen Laptop betrieben werden.
- Über Staking Pools können auch Nutzer ETH staken, die keine 32 ETH verfügbar haben.
- Ökonomische Vorteile in der Skalierung gelten nicht gleichermaßen wie im PoW Mining.
- Das Proof of Stake Prinzip ist in der Anwendung jünger und daher im Gegensatz zu PoW weniger gegen Angriffe erprobt.
- Die Implementierung eines Proof of Stake Verfahrens ist deutlich komplexer.
- Die Nutzer müssen drei Softwareprodukte anwenden, um in Ethereums Proof of Stake teilhaben zu können.
Wie funktioniert Proof of Stake bei Ethereum?
Um Transaktionen auf der Ethereum-Blockchain bestätigen zu können, braucht man sogenannte Validator.
Um als Validator im Ethereum Netzwerk agieren zu können, sind unterschiedliche Voraussetzungen notwendig. Der Node-Betreiber muss 32 ETH (Marktwert am 29.09.2022: 42.144 US-Dollar) an den entsprechenden Smart Contract senden.
Zudem muss der Betreiber drei verschiedene Softwareanwendungen vorhalten: Einen „Execution Client“, einen „Consensus Client“ und einen Validator.
Durch das Hinterlegen der ETH tritt der Nutzer einer Art Aktivierungs-Warteschlange bei und limitiert dadurch die Anzahl möglicher neuer Validatoren.
Wer als Validator aktiviert ist, erhält von den Peers im Ethereum Netzwerk neue Blöcke. Die im Block gelieferten Transaktionen werden erneut ausgeführt, und die Blocksignatur wird überprüft, um sicherzustellen, dass der Block gültig ist.
PoS Validatoren vs. PoW Miner
Während beim Proof of Work Verfahren die Geschwindigkeit der Blockproduktion durch die Schwierigkeit des Minings bestimmt wird, ist das Tempo bei Proof of Stake fest vorgegeben. Die Zeit in Ethereums Proof of Stake ist in „Slots“ (12 Sekunden) und „Epochen“ (32 Slots) unterteilt.
In jedem Slot wird ein Validator zufällig als Begründer eines Blocks ausgewählt. Dieser Validator ist dafür verantwortlich, einen neuen Block zu erstellen und ihn an andere Knoten im Netzwerk zu senden.
Außerdem wird in jedem Slot zufälliges Validatoren „Gremium“ ausgewählt, deren Stimmen zur Prüfung der Gültigkeit des vorgeschlagenen Blocks herangezogen werden.
Der Validator sendet dann ein Votum (eine sogenannte Bescheinigung) zugunsten dieses Blocks an das Netzwerk zurück.
Wie sicher sind Transaktionen mit Ethereum Proof of Stake?
Um eine Transaktion in Ethereums Proof of Stake Verfahren abzuschließen, ist eine Zustimmung von zwei Dritteln der gestakten ETH ausreichend.
Haben also 66,6 % der Validatoren Paare sogenannter Checkpoints in der jeweiligen Epoche bestätigt, erhält der Checkpoint ein Upgrade und gilt somit als „finalized“.
Um diese zwei Drittel Mehrheit zu verhindern, könnte ein Angreifer gezielt die entsprechende Einigkeit verhindern.
Mit einem Aufwand von etwas mehr als einem Drittel der gestakten ETH wäre der Konsensprozess in diesem Block unterbrochen beziehungsweise gefährdet. Der Verteidigungsmechanismus von Ethereum hierfür nennt sich „inactivity leak“.
Die Strategie wird immer dann aktiviert, wenn die Kette länger als vier Epochen nicht abgeschlossen werden kann.
Das „Inaktivitätsleck“ lässt die eingesetzten ETH von Validierern, die gegen die Mehrheit stimmen, abfließen, sodass die Mehrheit wieder eine Zweidrittelmehrheit erreichen und die Kette abschließen kann.
Fazit: Proof of Stake wird immer wichtiger
Das Proof of Stake Verfahren ist zwar noch ein junges Konsensprinzip. Doch steckt es sicher nicht mehr in den Kinderschuhen. Einige Projekte haben sich bereits erfolgreich mit kritischen Bereichen der Technologie auseinandergesetzt.
Durch die Einführung des Konsensmechanismus durch Ethereum erhält das Verfahren weiter Zulauf und prominente Unterstützung.
Insbesondere die positiven Effekte auf Skalierung und Energieeffizienz scheinen dem Prinzip weiter Aufwind zu geben. Die von einigen PoW Verfechtern angezweifelte sinkende Dezentralität kann meines Erachtens nicht gehalten werden.
Vielmehr hat PoS das Potenzial, die Dezentralität und ebenso die Möglichkeit der Mitbestimmung und Teilhabe im Netzwerk zu verbessern.
FAQ – Proof of Stake
Welche Kryptowährungen sind Proof of Stake?
Die bekannteste Kryptowährung mit Proof of Stake ist, seit September 2022, Ethereum (ETH). Diese hat zuvor die Proof of Work Methode genutzt. Andere Proof of Stake Kryptowährungen sind: Cardano (ADA), Solana (SOL), Polkadot (DOT) oder Polygon (MATIC).
Welche war die erste Proof of Stake Kryptowährung?
Die erste Proof of Stake Kryptowährung ist Peercoin. Peercoin wurde in 2012 gegründet. Zum damaligen Zeitpunkt waren Proof of Stake Coins nicht so beliebt wie aktuell. 2012 wurden die meisten Kryptowährungen noch mit Proof of Work veröffentlicht, und somit ist Peercoin ein Proof of Stake Pionier.
