Proof of Work vs. Proof of Stake

Wer sich mit der Blockchain Technologie auseinandersetzt, kommt am Konsensmechanismus nicht vorbei. Derweil haben sich insbesondere die Konzepte Proof of Work (PoW) und Proof of Stake (PoS) etabliert.

Nachdem sich zwischenzeitlich ein regelrechter Kampf darum entwickelt hat, was das bessere Verfahren zur Absicherung der Transaktionen darstellt, wagen wir den Versuch: Proof of Work vs. Proof of Stake.

Welcher Konsens ist der bessere? Wo liegen die Unterschiede? Welche Stärken, welche Schwächen haben PoW und PoS? Kann man einen klaren Gewinner ausmachen? Welches Konzept ist zukunftsfähiger?

Proof of Stake & Proof of Work Erklärung

Was ist Proof of Work?

In der Informatik wird Proof of Work als Vorgehen bezeichnet, die die übermäßige Nutzung oder missbräuchliche Anwendung eines Dienstes zu verhindern. Dadurch sollen beispielsweise DoS (Denial of Service) Attacken oder das massenhafte Versenden von Mails (Spam) unterbunden werden.

In der jüngeren Vergangenheit hat sich die Bekanntheit der Technik aber wohl eher durch die Nutzung des Verfahrens als Konsensmechanismus im Bereich Blockchain etabliert. Dabei bleibt die Grundidee bestehen. Eine mathematische Aufgabe muss unter Anwendung von Arbeit (Rechenleistung) gelöst werden.

Zur Einigung auf die Richtigkeit einer Transaktion baut seither das Bitcoin-Netzwerk auf eben jenen Mechanismus. Das Proof of Work Verfahren hat seine Bekanntheit letztlich dem Erfolg von Bitcoin zu verdanken.

Was ist Proof of Stake?

Als Alternative zum energieaufwändigen Proof of Work Konzept wurde das Proof of Stake Verfahren entwickelt. Die Gründer wollten dem steigenden Energieaufwand des Bitcoin-Netzes eine nachhaltige Idee gegenüberstellen.

Dabei geht es auch im Proof of Stake Verfahren um die Absicherung von Blockchains und der Garantie zur Gültigkeit der Transaktionen. Doch dient zur Validierung der Transaktionen nicht die Lösung einer komplexen mathematischen Rechnung. Dies hat zur Folge, dass der Energieaufwand für die dafür notwendige Rechenaufgabe wegfällt.

Im Proof of Stake Verfahren wird die Konsensfindung an die Validatoren des Netzwerkes delegiert. Meist unter dem Konzept einer zufälligen Auswahl werden Teilnehmer bestimmt, die die Transaktionen der Blockchain validieren sollen.

Unterschiede zwischen Proof of Work und Proof of Stake

Trotz der ähnlichen Aufgabe der beiden Konsensmechanismen gibt es einige Unterschiede. Die Unterschiede zwischen Proof of Work und Proof of Stake sollen in diesem Artikel genauer beleuchtet werden. Der Einstieg in die Thematik erfolgt über eine erste Gegenüberstellung.

Beim Vergleich werden jeweils die prominentesten Anwender der beiden Verfahren herangezogen. Für Proof of Work – Bitcoin. Für Proof of Stake – Ethereum.

Thema Proof of Work Proof of Stake
Energieverbrauch Sehr hoch Niedrig
Sicherheit Sehr hoch Hoch
Risiko 51 % Angriff Sehr niedrig Niedrig
Dezentralität Hoch Hoch
Skalierbarkeit Niedrig Sehr hoch
Geschwindigkeit Eher niedrig Hoch
Zugänglichkeit Projektabhängig Projektabhängig
Gebühren Eher hoch Eher niedrig

Unterschiede im Energieverbrauch der Blockchains

Wie bereits angedeutet, stellt der Energieverbrauch einen kritischen Faktor bei der Technologie der Blockchain dar.

Proof of Work benötigt Energie zur Absicherung

Der wohl entscheidende Aspekt beim enormen Energieaufwand zum Betrieb des Bitcoin-Netzes liegt in der damit zusammenhängenden Absicherung. Der Proof of Work Konsens bedarf einer steigenden Rechenleistung. Der dafür notwendige hohe Energieaufwand garantiert zwar die Absicherung des Systems, doch muss dies auch kritisch betrachtet werden.

Unter Aspekten des Klimaschutzes ist das Proof of Work Verfahren nicht zwingend zu empfehlen. Um der Kritik entgegenzuwirken, bemüht sich das Netzwerk derweil, den Energieverbrauch durch nachhaltige Energie abzudecken.

Proof of Stake – verschwindend geringer Energieverbrauch

Der Energieverbrauch war mitunter einer der entscheidenden Faktoren, warum Ethereum sein Konsensverfahren von PoW auf PoS umgestellt hat. Durch die Einführung des Proof of Stake Verfahrens kann das Netzwerk rund 99% seines vorherigen Energieverbrauchs einsparen und trägt damit auch zum Klimaschutz bei.

Der restliche Energieaufwand beschränkt sich nunmehr auf den Betrieb der Nodes, durch die Aktivität als Staker und somit als Validator.

Unterschiede in Sicherheit der Blockchain

Die Sicherheit der Transaktionen einer Blockchain ist für deren Erfolg unumgänglich. So zeichnet die Technologie aus, dass Transaktionen nicht mehr rückgängig gemacht werden können. Dies verbessert zum einen die Transparenz eines Systems und bietet beste Nachvollziehbarkeit.

Derweil sind die Bedingungen für die Absicherung der Blockchain in den beiden Konsensmechanismen durchaus unterschiedlich.

Proof of Work – Sicherheit durch Komplexität und Aufwand von Rechenleistung

Das Proof of Work Verfahren im Bitcoin Netzwerk verlangt einen immer weiter steigenden Aufwand. Dieser Aufwand kann anhand der Hash-Rate gemessen werden. Je höher die Hash-Rate, desto mehr Energie müsste aufgewendet werden, um die einmal geformte, längste und somit gültige Kette zu durchbrechen oder zu verändern.

Der Proof of Work Konsens des Bitcoin-Netzwerks ist heute so sicher wie nie zuvor. Darüber hinaus gilt das Konzept als eines der wenigen, die bisher ohne Erfolg angegriffen wurden. Die Sicherheit ist als extrem hoch einzuschätzen.

Proof of Stake – Sicherheit durch Staking der Token

Der Proof of Stake Konsens wird durch die gestakten Coins abgesichert. Dabei müssen Validatoren mindestens 32 ETH in dem dafür vorgesehen Contract vorhalten.

Schädliche oder böswillige Transaktionen werden im Ethereum Netzwerk dadurch bestraft, dass theoretisch alle gestakten ETH entzogen werden (aktueller Marktwert: 41.600 USD).

Theoretisch kann beim PoS Verfahren daher – zum Beispiel durch Absprachen – deutlich einfacher in die Blockchain eingegriffen werden. Eine absolute Sicherheit zur Unverfälschtheit der Transaktionen ist hier nicht vollends gegeben.

Risiko eines 51 % Angriffs bei PoW und PoS

Im Bereich Sicherheit muss zudem das Risiko eines sogenannten 51 % Angriffs betrachtet werden. Hierbei handelt es sich um einen gezielten Angriff des jeweiligen Blockchain-Projekts. Ziel der Attacke ist es, mindestens 51 % der Blockchain zu übernehmen, um die „Macht“ über deren Transaktionen zu bekommen oder die Kette nachträglich ändern zu können.

Angriffsrisiko bei Proof of Work

Bei Proof of Work muss Angreifer 51 % der Energie des Netzwerkes aufwenden.

Da das Proof of Work Konzept auf Rechenleistung aufbaut, muss ein Angreifer im Bitcoin Netz einen massiven Energieaufwand leisten. Die Hash-Rate hat im Oktober 2022 ein neues Allzeithoch erreicht. Für den Betrieb der Blockchain müssen rund 228 EH/s aufgewendet werden.

Der Aufwand ist vergleichbar mit dem Energieverbrauch der Ukraine. Einen derartigen Kraftakt könnte wohl nur ein großer Staat wie China aufbringen. Doch da nicht alle Nodes des Bitcoin-Netzwerks in China stehen (auch nicht ausreichend für einen 51 % Angriff), ist wohl auch ein derartiges Szenario unwahrscheinlich.

Angriffsrisiko bei Proof of Stake

Bei Proof of Stake muss der Angreifer 51 % der Token (ETH) halten.

Um 51 % eines Proof of Stake Netzes zu übernehmen, müssen 51 % der Token gehalten werden. Auch dieses Szenario ist theoretisch denkbar. Mit Erstellung des Artikels liegt die Marktkapitalisierung von Ethereum bei rund 162 Milliarden USD. Ein Angreifer müsste also etwas mehr als 81 Milliarden USD aufwenden, um über die Hälfte der Ethereum Coins zu kaufen. Dabei ist nicht klar, ob ein solcher Angreifer überhaupt alle notwendigen Coins erhalten würde (die Besitzer müssen ja auch verkaufen).

Bei beiden Angriffsszenarien muss berücksichtigt werden, dass der Angreifer das eingesetzte Kapital für den Energieaufwand oder den Kauf der Token letztlich komplett verlieren würde, da die Projekte bei der Andeutung eines derartigen Angriffs in sich zusammenbrechen würden.

Unterschiede in der Dezentralität

Die dezentrale Verteilung des Blockchain-Netzwerks spielt für das Vertrauen in die Technologie eine entscheidende Rolle. Dabei scheiden sich die Geister hinsichtlich der Frage, welcher Konsensmechanismus mehr Dezentralität mit sich bringt.

Mining-Farmen sind ein Problem für Proof of Work

Mit steigender Hash-Rate und sinkenden Rewards für das Mining nach jedem „Halfing“, ist der Mining-Betrieb mit enormen Kosten verbunden. Im Rahmen dieser Entwicklung verschiebt sich die anfangs beachtliche Verteilung des Bitcoin-Netzes hin zu großen Mining-Farmen.

Diese Mining-Pools sind gigantische Anlagen, die durch die Konzentration auf Rechenleistung der steigenden Komplexität des Proof of Work begegnen. Diese steigende Zentralisierung könnte eine ernstzunehmende Gefahr für das Bitcoin-Netz bedeuten.

Staking versucht das Problem für Proof of Stake zu lösen

Durch den Umstieg auf das Proof of Stake Verfahren versucht Ethereum einem vergleichbaren Problem auszuweichen. So spricht die Foundation von einer steigenden Dezentralität des Netzwerkes durch die Einführung des Stakings.

Doch genau betrachtet, können eben auch hier Problematiken steigender Zentralisierung auftreten, sollten die Staking Pools der Ethereum Blockchain eine kritische Größe erreichen. Die Gefahr liegt auch hier insbesondere darin, dass kleine Validatoren von großen Staking Pools verdrängt werden

Unterschiede in der Skalierung

Die Skalierung gilt im Bereich der Blockchaintechnologie teils als kritische Variable. Gerade das Ethereum Netzwerk wurde in Zeiten des eigenen PoW Verfahren häufig dafür bemängelt, nicht gut genug zu skalieren. Soll heißen, mehr Transaktionen in kürzerer Zeit durchzuführen.

An der Skalierbarkeit hängt letztlich auch die Höhe der Gebühren. Warum Bitcoin Skalierung nicht so kritisch betrachtet werden muss, zeigen die folgenden Punkte.

Proof of Work vs Proof of Stake – Transaktionsgeschwindigkeit

Bei Bitcoin kristallisiert sich mehr und mehr ein sinnvoller Zweck als Wertaufbewahrungsmittel. Daher wird der Coin auch als Gold des 21. Jahrhunderts bezeichnet. Hier steht die Sicherheit des Proof of Work Verfahrens über dem damit verbundenen Nachteil der schlechteren Skalierung.

Es gilt letztendlich, dass der Bitcoin als Wert nicht übermäßig schnell und zu extrem günstigen Preisen „bewegt“ werden kann, sondern die „verteilten Bücher“ perfekt abgesichert sind. Zudem zeigt das Lightning Konzept Lösungen für Mikro-Transfer im Bitcoin Netzwerk dar.

Bitcoin Transaktionen pro Sekunde: 7

Bei Krypto Kennern gilt Ethereum als DER „Weltcomputer“. Unvorstellbar viele Projekte laufen im Ethereum Netzwerk. Da der Transaktionsdurchsatz und die damit verbundenen hohen Gebühren nicht mehr tragbar waren, musste ein wenig Sicherheit für bessere Skalierbarkeit geopfert werden.

Doch ohne diesen Schritt könnte sich Ethereum am Markt wohl nicht behaupten. Insbesondere deshalb, da das Netzwerk für unzählige Anwendungen nützlich ist und in naher Zukunft noch mehr sein wird.

Ethereum Transaktionen pro Sekunde: 25.000 – 100.000 (Ziel)

Proof of Work vs Proof of Stake – Zugänglichkeit

Unter Zugänglichkeit versteht man in der Blockchain Branche die Möglichkeit, ab Netzwerk und den damit verbundenen Rewards teilzunehmen.

Wer sich am Proof of Work Verfahren des Bitcoin Netzes beteiligen möchte, kann sich letztlich die entsprechende Technologie besorgen und als Node im Netzwerk agieren. Zur Gründung von Bitcoin und dann anschließenden Jahren war dies noch recht günstig.

Da die Hash-Rate mittlerweile jedoch stark angestiegen ist und die Schwierigkeit die „Nonce“ zu finden mit jedem Halfing steigt, ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein Node-Betreiber mit geringer Rechenleistung einen neuen Block produziert, gleich null. Wer sich für den PoW Konsens begeistert, sollte für den Einstieg ins Mining daher ein jüngeres Projekt suchen, an dem er teilnehmen kann.

Um als Staker in Ethereums Proof of Stake Verfahren auftreten zu können, müssen insgesamt 32 ETH gestakt werden. Dieser Sicherheitsaspekt des Netzes sorgt letztlich dafür, dass kleinere Anleger nicht zwingend in den Genuss kommen, „alleine“ am Netzwerk teilzunehmen.

Zwar ist die Teilnahme über sogenannte Staking-Pools möglich, doch verliert man durch das „Parken“ seiner Coins entsprechende Vorteile. Man erhält zwar entsprechend der gestakten Token Rewards, doch ein wirkliches Teilnehmen am Netzwerk mit Validierungs- und Abstimmungsrechten finden nicht wirklich statt.

Proof of Work vs Proof of Stake – Gebühren

Im Bitcoin Netz erhalten die Miner Belohnungen für das Begründen neuer Blöcke. Die gesammelten Transaktionen werden hier vereint und verifiziert. Der Miner, der die „Nonce“ – also die Lösung – zu den in Ketten verbundenen Hashes findet, erhält Rewards in BTC ausbezahlt.

Durch das wiederkehrende „Halfing“ sinkt zum einen die Höhe der BTC-Rewards und zum anderen steigt die Komplexität der Rechenaufgabe. Experten gehen davon aus, dass mit dem Schürfen des letzten Bitcoins die Konzentration der Node Betreiber sich in Richtung Transaktionsgebühren verschieben wird.

Bei Ethereums Proof of Stake Verfahren wird der Produzent eines Blocks zufällig ausgewählt. Sowohl der Blockbegründer, als auch die Validatoren der darin aufgeführten Transaktionen erhalten Belohnungen in ETH ausbezahlt.

War bisher die Ethereum Virtual Machine (im PoW) für die Abwicklung zuständig, fokussiert die Ethereum Foundation die Entwicklung eines Ethereum spezifischen WebAssemblys, das die Auslastung der CPU Auslastung einer Webanwendung zu messen.

Diese soll dann dem Nutzer „in Rechnung“ gestellt werden und als Reward an die Betreiber abgeführt werden.

Top 5 Kryptowährungen mit PoW und PoS

Neben den Platzhirschen Bitcoin und Ethereum gibt es weitere bekannte Kryptowährungen, die den PoW oder PoS Konsens nutzen. Die 5 größten Blockchains nach Marktkapitalisierung werden jeweils pro Konsensmechanismus im folgende aufgelistet:

Top 5 Kryptowährungen sticky left-0 bg-white Proof of Work Proof of Stake
1 Bitcoin sticky left-0 bg-white Ethereum
2 Dogecoin Cardano
3 Litecoin Solana
4 Ethereum Classic Polkadot
5 Monero Polygon

Ethereum Wechsel von PoW zu PoS

Nach langer Vorbereitung fand im September 2022 bei Ethereum der Wechsel von Proof of Work zu Proof of Stake statt. Der aufmerksame Leser kann aus den vorangestellten Informationen ableiten, weshalb dieser Schritt notwendig war.

Trotzdem möchten wir abschließend nochmal auf die wichtigsten Punkte eingehen.

Für Proof of Stake spricht insbesondere:

  1. Schnellere Konsensfindung durch BFT-sytle: zwei Drittel Mehrheit ausreichend
  2. Sicherheit vergleichbar hoch: 51% Angriff aus ökonomischer Sicht kaum denkbar
  3. Dezentralität verbessert: Staking fördert die Verteilung des Netzwerks
  4. Höhere Skalierung verringert Gebühren und Energieverbrauch: entscheidende Weiterentwicklung des Netzwerks
  5. Zugänglichkeit beschränkt: die hohe Einlage von 32 ETH soll jedoch böswilliges Handeln verhindern

Energieverbrauch von Ethereum PoW und PoS

Der Energieverbrauch von Ethereum war mit ein Grund warum die Ethereum Foundation einen Wechsel zu Proof of Stake forciert hat. Ethereums jährlicher Energieverbrauch zu Zeiten von Proof of Work war so hoch wie der von Finnland. Er lag im Peak bei rund 94 TWh pro Jahr.

Dabei war der CO2-Fußabdruck vergleichbar mit dem der Schweiz. Durch den Wechsel auf PoS ist der Wert um 99% zurückgegangen. Er liegt nun bei geschätzten 0,01 TWh pro Jahr. Der CO2-Fußabdruck kaum noch messbar.

Fazit: Proof of Work vs. Proof of Stake

Wer hofft, am Ende dieses Artikels einen klaren Sieger der beiden Konsensverfahren ausmachen zu können, wird leider enttäuscht. Letztlich kommt es auf die „Aufgabe“ der Blockchain an, welcher Mechanismus besser geeignet ist.

So scheint das Proof of Work Verfahren beim Bitcoin notwendig, um den Token als Wertaufbewahrungsmittel abzusichern. Schafft es die Community den kritischen Entwicklungen zu begegnen, besteht zu dem die Möglichkeit auf dem Bitcoin Netzwerk weitere Anwendungen aufzubauen.

Ebenso sinnvoll und richtig scheint der Wechsel von Ethereum auf das PoS Verfahren zu sein. Da das Netzwerk als DER Weltcomputer gilt, ist es für die realen Anwendungsfelder notwendig, dass das Netz und die darauf stattfindenden Transaktionen schneller und günstiger werden.

FAQ

Was ist Proof of Stake?

Proof of Stake (Anteilsnachweis) ist ein Konsens-Mechanismus, der bei Kryptowährungen zum Einsatz kommt. Hierbei werden Transaktionen validiert und die Sicherheit der Blockchain sichergestellt. Proof of Stake ist energieeffizient und benötigt kaum Strom. Die Blockchain lässt Transaktionen über anlegte Tokens bestätigen und Anleger erhalten eine Belohnung für das Bereitstellen ihrer Kryptowährung.

Was ist Proof of Work?

Proof of Work (Arbeitsnachweis) ist ein Konsens-Algorithmus, der beispielsweise beim Bitcoin genutzt wird. Um eine Transaktion auf der Bitcoin Blockchain nachweisen zu können, müssen Miner eine gewisse Menge an Arbeit aufbringen. Diese wird durch hohe Rechenleistung, in der Form von komplexen Kalkulationen, verrichtet. Zum Einsatz kommen hierbei leistungsstarke Grafikarten, die einen hohen Stromverbrauch haben.

Welche Kryptowährungen sind Proof of Work?

Die bekanntesten Proof of Work Kryptowährungen sind: Bitcoin (BTC), Dogecoin (DOGE), Litecoin (LTC) oder Monero (XMR). Ethereum (ETH) hat im September 2022 die Proof of Work Methode mit Proof of Stake ersetzt.

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: Binance Coin (BNB), Solana (SOL), Cardano (ADA) und Polkadot (DOT).

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