Ethereum hat im Jahr 2022 eine bedeutende Umstellung vollzogen, indem es seinen vorigen Konsensmechanismus Proof-of-Work (PoW) durch Proof-of-Stake (PoS) ersetzt hat. Diese wegweisende Veränderung wurde durch die Notwendigkeit von verbesserter Sicherheit, geringerem Energieverbrauch und verbesserter Skalierbarkeit angetrieben und stellt eine interessante Alternative zum bisherigen PoW-Modell dar.
In diesem Blogbeitrag werden wir uns mit den Feinheiten des PoS-Mechanismus, seinen zugrunde liegenden Prinzipien und seinen Auswirkungen auf die Dezentralisierung und Sicherheit eines Netzwerks befassen.
Voraussetzungen: Verständnis von Konsensmechanismen
Bevor du dich in diesen Artikel stürzt, solltest du zunächst ein grundlegendes Verständnis von Konsensmechanismen aufbauen und ihre entscheidende Rolle in Blockchain-Netzwerken verstehen. Des Weiteren wäre es von Vorteil, wenn du bereits mit dem Proof of Work (PoW) Mechanismus vertraut bist, wie ihn beispielsweise Bitcoin nutzt.
Was ist Proof of Stake?
Im Kern handelt es sich bei PoS um einen Mechanismus, der die Validierung von Netzwerktransaktionen gewährleistet. Er stellt sicher, dass Validierer einen Einsatz im System hinterlegen müssen, mit dem sie für die Richtigkeit ihrer Arbeit bürgen. Bei PoS auf Ethereum setzen Validatoren beispielsweise Ether (ETH) in einen Smart Contract ein.
Die Validatoren sind damit betraut, die Gültigkeit neuer Blöcke zu überprüfen und gelegentlich neue Blöcke selbst vorzuschlagen und zu verbreiten. Handeln Validatoren unehrlich, riskieren sie den Verlust ihrer eingesetzten ETH als Konsequenz, was die Sicherheit und Integrität des Netzwerks fördert.
Validatoren: Die Säulen des PoS-Mechanismus
Um Validator zu werden, muss eine gewisse Menge des nativen Vermögenswertes der PoS-Blockchain hinterlegt werden. Bei Ethereum sind es beispielsweise 32 ETH.
Des Weiteren müssen Validatoren Softwarekomponenten ausführen. Bei der Blockchain von Ethereum sind es zum Beispiel drei verschiedene: ein Ausführungsclient, ein Konsensclient und einen Validator.
Validatoren werden kontrolliert aktiviert, um plötzliche Anstürme zu verhindern. Nach der Aktivierung erhalten Validatoren neue Blöcke, überprüfen deren Inhalt und spielen eine entscheidende Rolle im Betrieb des Netzwerks.
Epochen, Slots und Zufälligkeit auf Ethereum
Im PoS von Ethereum wird die Zeit in Slots (12 Sekunden) und Epochen (32 Slots) unterteilt. Validatoren werden zufällig ausgewählt, um in jedem Slot Blöcke vorzuschlagen, während Ausschüsse die Legitimität der vorgeschlagenen Blöcke überprüfen.
Diese bewusste Struktur hilft dabei, die Netzwerklast zu bewältigen und eine faire Beteiligung sicherzustellen.
Ausführung von Transaktionen in Proof of Stake
Die Reise einer Transaktion in PoS umfasst mehrere Schritte. Die beginnen mit der Erstellung und Unterzeichnung seitens des Nutzers und gehen weiter zur Überprüfung, Übermittlung und Bescheinigung durch die Validatoren.
Anwender der Blockchain erstellen also Transaktionen, definieren die Höhe an Gasgebühren, die sie bereit sind auszugeben und übermitteln sie an einen Ausführungsclient. Validatoren bescheinigen die Gültigkeit dieser Transaktionen, bevor sie finalisiert und der Blockchain hinzugefügt werden.
Finalität & Sicherheit bei Proof of Stake
Transaktionen erreichen “Finalität”, wenn sie Teil eines Checkpoint-Blocks sind und somit ohne erhebliche Kosten nicht verändert werden können.
Gängige Verteidigungsmechanismen von PoS gegen Angriffe umfasst beispielsweise die Slashing-Sanktionen und Inaktivitätslecks, wodurch bösartiges Verhalten für potenzielle Angreifer kostspielig wird.
Obwohl trotz allem das Risiko eines 51 %-Angriffs im PoS weiterhin besteht, existieren Strategien, um solche Bedrohungen zu bekämpfen. Dazu gehören die wirtschaftliche Verteidigungen, gemeinsame Maßnahmen und die Flexibilität zur Gegenattacke. All diese Aspekte tragen zu einem robusten Sicherheitsmodell von PoS bei.
Vor- und Nachteile von Proof of Stake
PoS bietet eine verbesserte Dezentralisierung und wirtschaftliche Sicherheit, was eine breitere Beteiligung an der Sicherung des Netzwerks ermöglicht.
Das Staken ist zudem umweltfreundlich und kann zu einer besseren Dezentralisierung beitragen, wobei Staking-Pools die Zugänglichkeit für jede Art der Teilnehmer weiter erleichtern. Kritiker sagen allerdings, dass hier auch leicht der gegenteilige Effekt eintreten kann. So haben die mit dem meisten Geld auch den meisten Einfluss auf ein PoS-Netzwerk.
Ethereum hat zudem gezeigt, dass auch Staking-Pools wie der von Lido Finance einen signifikanten Anteil der Staking-Power im Netzwerk ausmachen können und damit ebenfalls eine zentrale Angriffsfläche bieten.
Proof of Stake vs. Proof of Work
Der Energieverbrauch zwischen den beiden Konsensmechanismen ist ein wesentlicher Unterschied. Da PoS-Blockchains keine Miner erfordern, die Elektrizität für duplizierte Prozesse (Wettbewerb um das Lösen desselben Rätsels) aufbringen, ermöglicht PoS Netzwerken einen Betrieb mit erheblich geringerem Ressourcenverbrauch.
Beide Konsensmechanismen haben wirtschaftliche Konsequenzen, die Netzwerkstörungen bestrafen und bösartige Akteure damit abschrecken sollen. Bei dem PoW-Mechanismus besteht die Strafe für Miner, die ungültige Informationen oder Blöcke einreichen, aus den dafür aufgebrachten Kosten für die Rechenleistung, Energie und Zeit. Bei dem PoS-Mechanismus dienen die gestakten Kryptowährungen der Validatoren als wirtschaftlicher Anreiz, im besten Interesse des Netzwerks zu handeln. Falls ein Validator einen fehlerhaften Block akzeptiert, werden Teile seiner gestakten Kryptowährungen als Strafe “gekürzt”. Die Höhe der Kürzung hängt vom Netzwerk ab.
