Konsens-Mechanismus: Proof-of-Stake erklärt
Das Proof-of-Stake (PoS)-Konsensprotokoll ist eine Blockchain-Technologie, die ein höheres Niveau an Transaktionsskalierbarkeit und Sicherheit ermöglicht. Im Gegensatz zum traditionellen Proof-of-Work-System (PoW) müssen Miner bei PoS-Systemen einen Teil ihrer Coins als Sicherheit hinterlegen, um Transaktionen im Netzwerk zu validieren.
Dies hat zur Folge, dass die Schürfer einen Anreiz haben, ehrlich zu handeln, um ihre Münzen zu schützen. Wenn ein Miner versucht, Betrug zu begehen oder doppelt auszugeben, können seine Sicherheiten von anderen Minern konfisziert werden, um böswilliges Verhalten zu verhindern. Indem sie die Macht der Anreize nutzen, bieten PoS-Systeme eine sichere und effiziente Möglichkeit, Transaktionen auf der Blockchain zu verifizieren.
Die beliebtesten Kryptowährungen, die den Proof of Stake (PoS) Konsensalgorithmus verwenden, sind Ethereum, Tezos, Dash und Cosmos.
In einem PoS-System setzen die Miner ihre Münzen als Sicherheit ein und werden dann mithilfe eines Algorithmus nach dem Zufallsprinzip als Verifizierer oder “Validierer” ausgewählt. Diese Validierer sind für die Schaffung eines Konsenses auf der Blockchain verantwortlich, indem sie jede neue Gruppe von Transaktionen verifizieren, bevor sie dem öffentlichen Hauptbuch beigefügt werden. Sie erhalten auch Belohnungen, wenn sie Blöcke erfolgreich validieren, und können bestraft werden, wenn sie dies nicht tun.
Durch die Verwendung von Anreizen wird sichergestellt, dass böswillige Akteure finanzielle Nachteile erleiden, indem ihre eingesetzten Token beschlagnahmt werden, während ehrliche Teilnehmer im Gegenzug für die Bereitstellung von Diensten für das Netzwerk Einnahmen erhalten. Dieser Prozess ist als “Forging (Minting)” bekannt, bei dem ausgewählte Validierer kryptografische Signaturen (“Minting”) auf neu generierte Transaktionsstapel setzen, um einen Konsens darüber herzustellen, wem welche Mittel zu einem bestimmten Zeitpunkt gehören, und so Betrug innerhalb des Systems zu verhindern. Sobald eine ausgewählte Gruppe von Validierern einen Konsens über eine bestimmte Anzahl von Transaktionen (z. B. 500) erzielt hat, wird der nächste Block nach einem vordefinierten Protokoll erstellt, das von der jeweiligen Version abhängt – ein Beispiel ist Delegated-Proof-of-Stake (DPoS).
Durch die Verwendung solcher Protokolle kann der Abschluss von Transaktionen potenziell schneller erfolgen als bei herkömmlichen PoW-Systemen, da es nicht unbedingt einen Wettbewerb zwischen mehreren Nutzern gibt, die versuchen, komplizierte mathematische Gleichungen zu lösen, in der Hoffnung, eine Art von Belohnung zu erhalten; stattdessen werden verschiedene Beteiligte durch die Ausgabe von Token und Gebühren, die aus verarbeiteten Transaktionen erhoben werden, incentiviert.
Das PoS-Konsensprotokoll dient auch dazu, die Blockchain vor verschiedenen Angriffen zu schützen. Herkömmliche PoW-Systeme sind anfällig für mehrere Angriffsvektoren, wie z. B. 51 %-Angriffe, da ein böswilliger Akteur leistungsstärkere Computer einsetzen kann, um die anderen Teilnehmer eines Netzwerks zu überwältigen und die Mehrheitskontrolle über das Netzwerk zu erlangen (d. h. “51 %” der Hashing-Leistung des Netzwerks).
Da diese Art des Angriffs jedoch auf dem Token-Staking beruht, ist sie bei Proof-of-Stake-Protokollen viel schwieriger durchzuführen, da ein Angreifer 51 % aller Coins besitzen müsste, was sehr unwahrscheinlich ist. Darüber hinaus verfügen PoS-Systeme über eingebaute Anreizstrukturen, die Validierer davon abhalten, ihr Engagement für die Sicherheit zu kompromittieren, anstatt durch unehrliches Verhalten zu profitieren; dadurch wird die Gesamtintegrität dieser verteilten Netzwerke noch weiter gestärkt.
Geschichte
Proof of Stake (PoS) wurde erstmals 2011 von einem pseudonymen Mitglied des Bitcointalk-Forums, User: QuantumMechanic, vorgeschlagen. Das Konzept war, einen sicheren und energieeffizienten Konsensmechanismus als Proof of Work (PoW) zu schaffen.
Ursprünglich war diese Idee aufgrund verschiedener Probleme, wie z.B. der möglichen Zentralisierung durch den Stimmvorteil größerer Interessengruppen und der eingeschränkten Skalierbarkeit im Vergleich zu anderen Konsensmodellen, in Ungnade gefallen.
Der Proof of Stake-Konsensmechanismus wurde ursprünglich von zwei Informatikern, Sunny King und Scott Nadal, im Jahr 2012 als Alternative zum Proof of Work (PoW) formell vorgeschlagen.
Sunny King und Scott Nadal sind zwei der Hauptentwickler von Proof-of-Stake (PoS)-Konsensalgorithmen. Sie haben beide verschiedene Versionen von PoS vorgeschlagen, obwohl Kings Version populärer geworden ist, da sie in Kryptowährungen wie Peercoin und Ethereum verwendet wird.
Sunny Kings und Scott Nadals Beitrag zur Blockchain-Technologie ebnete den Weg für energieeffiziente Blockchains, die mit PoS betrieben werden und somit besser skalieren können als PoW.
Sunny King und Scott Nadal sind beide Informatiker aus den USA mit einer Leidenschaft für die Blockchain-Technologie. Sunny King gilt als Erfinder von Peercoin, einer der ersten Kryptowährungen, die einen Proof-of-Stake-Konsensmechanismus verwenden. Er ist auch für seine Arbeit an Primecoin bekannt, einer weiteren frühen Kryptowährung mit einem innovativen Proof-of-Work-Konsensalgorithmus. Scott Nadal schuf BlackCoin, eine weitere PoS-Kryptowährung, die sich dadurch auszeichnete, dass sie eines der ersten Projekte war, das ein delegiertes Abstimmungssystem verwendete, um die Dezentralisierung und Skalierbarkeit des Netzwerks zu erhöhen. Sowohl King als auch Nadal sind auch heute noch im Kryptobereich aktiv und haben wesentlich zur Innovation der Blockchain-Technologie beigetragen.
Variationen
Es gibt verschiedene Varianten von PoS. Es gibt zwei Hauptvarianten von PoS: Delegated Proof-of-Stake (DPoS) und Individual Proof-of-Stake (IPoS).
Bei DPoS wählen die Beteiligten Delegierte, die für die Validierung von Transaktionen zuständig sind, während bei IPoS die einzelnen Validierer ihre Token zur Überprüfung der Blöcke einsetzen. Weitere Varianten von PoS sind Parallel Byzantine Fault Tolerance (PBFT), Casper, Tendermint und Ouroboros.
DPoS
Delegated Proof-of-Stake (DPoS) ist eine Variante des PoS-Konsensmechanismus, bei dem die Beteiligten Delegierte wählen, die für die Validierung von Transaktionen zuständig sind. Die Auswahl der Delegierten basiert auf ihrer Reputation sowie auf der Anzahl der Token, die sie besitzen. Die Delegierten werden für ihre Dienste belohnt, aber ihre Belohnung wird unter allen Beteiligten geteilt. Diese Art von Konsenssystem soll sicherstellen, dass nur hoch angesehene und gut finanzierte Knoten als Validierer ausgewählt werden. Darüber hinaus ist DPoS in der Lage, Tausende von Transaktionen pro Sekunde zu verarbeiten, was es sehr viel effizienter macht als andere Konsensmechanismen.
IPoS
Individual proof-of-stake (IPoS) ist eine Version des PoS-Konsensmechanismus, bei dem einzelne Prüfer ihre Token zur Bestätigung von Blöcken einsetzen. Damit soll sichergestellt werden, dass nur Validierer mit einem Anteil am Netzwerk für die Genehmigung von Transaktionen verantwortlich sind. IPoS soll sicherer sein als andere Konsensmechanismen, da es das Risiko von Sybil-Angriffen ausschließt, weil ein erfolgreicher Angriff auf das Netzwerk große Mengen an Ressourcen erfordert. Außerdem ist IPoS energieeffizienter als PoW, da die Miner keine Rechenleistung für die Validierung von Transaktionen aufwenden müssen.
Parallele byzantinische Fehlertoleranz (PBFT)
Parallele byzantinische Fehlertoleranz (PBFT) ist ein Konsensprotokoll, das eine sichere, zuverlässige und schnelle Ausführung von Transaktionen ermöglicht. Es funktioniert, indem ein Master- oder Primärknoten alle Anfragen von den anderen Knoten im Netzwerk verarbeitet. Dieser primäre Netzknoten sendet die Ergebnisse dieser Anfragen an alle anderen Netzknoten, die dann die Ergebnisse des Primärknotens validieren und einen Konsens über die Ergebnisse erzielen.
PBFT ist effizienter als andere Konsensalgorithmen, da es die Anzahl der für den Konsens erforderlichen Kommunikationsrunden reduziert und Tausende von Transaktionen pro Sekunde verarbeiten kann. Darüber hinaus ist PBFT auch sicherer als andere Algorithmen, da es nicht auf Miner angewiesen ist, um die Sicherheit des Netzwerks zu gewährleisten.
Casper
Im Gegensatz zu regulären PoS-Protokollen, bei denen die Validatoren ihre eigenen Token als Einsatz verwenden, verlangt Casper von den Prüfern, dass sie die Daten im Gegenzug für eine Belohnung verifizieren und validieren. Auf diese Weise bietet es den Überprüfern einen Anreiz, ehrlich zu handeln und die Integrität des Netzwerks aufrechtzuerhalten.
Casper verfügt außerdem über eingebaute Kontrollpunkte, die es ermöglichen, böswillige Aktivitäten zu erkennen und zu verhindern, dass sie sich auf das Netzwerk auswirken. Darüber hinaus ist Casper energieeffizienter als andere Konsensprotokolle, da die Miner keine Rechenleistung für die Lösung mathematischer Rätsel aufwenden müssen, um Transaktionen zu validieren.
Tendermint
Tendermint ist ein Open-Source-Konsensprotokoll, das auf dem Proof-of-Stake-Algorithmus basiert. Es funktioniert mit “Validatoren” oder Knoten im Netzwerk, die Token als Einsatz festlegen und dann Transaktionsblöcke validieren. Die Validierer erhalten dann eine Belohnung für ihre Bemühungen. Tendermint nutzt auch Validator-Repliken, die eine schnellere Transaktionsverarbeitung und größere Skalierbarkeit als herkömmliche PoS-Algorithmen ermöglichen.
Außerdem ist Tendermint sicherer, da es böswillige Akteure daran hindert, das Netzwerk anzugreifen, indem es von ihnen verlangt, dass sie eine große Menge an Token besitzen, um Blöcke vorschlagen zu können.
Ouroboros
Ouroboros wurde entwickelt, um Netzwerksicherheit und Skalierbarkeit zu garantieren. Im Gegensatz zu anderen PoS-Protokollen verwendet es einen Zufallsauswahlprozess, das so genannte “Slotting”, um die Validierer zuzuweisen, die ihre Token als Einsatz festlegen und Transaktionsblöcke validieren werden.
Dies verleiht dem Netzwerk seine Sicherheit, da alle Validierer einen Anreiz haben, ehrlich zu handeln, da sie jederzeit zufällig ausgewählt werden können. Darüber hinaus nutzt Ouroboros ein Schwellenwert-Signaturschema, um eine schnellere Transaktionsverarbeitung zu ermöglichen, was es skalierbarer macht als andere Konsensalgorithmen.
Skalierungslösungen
Zu den Skalierungslösungen für PoS-Netzwerke gehören Sharding, Off-Chain-Skalierung, Layer-2-Lösungen wie Plasma und Sidechains.
Off-Chain-Skalierung
Bei der Off-Chain-Skalierung handelt es sich um eine Methode zur Erhöhung des Transaktionsdurchsatzes für Blockchain-Netzwerke, die PoS-Algorithmen (Proof-of-Stake) verwenden. Die Idee besteht darin, Transaktionen aus dem Haupt-Blockchain-Netzwerk auszulagern und so die für ihre Verarbeitung erforderliche Rechenleistung zu verringern.
Dies kann durch die Verwendung spezieller Programme wie Payment Channels oder State Channels erreicht werden, die es den Nutzern ermöglichen, miteinander zu handeln, ohne dass ihre Transaktionen in die Hauptkette gelangen. Die Skalierung außerhalb der Kette bietet auch mehr Privatsphäre, da nicht alle Transaktionen öffentlich bekannt gegeben werden müssen und stattdessen zwischen den Teilnehmern eines Kanals privat bleiben können.
Layer-2-Lösungen
Layer-2-Lösungen sind Skalierungstechniken, die es Blockchain-Netzwerken ermöglichen, eine größere Anzahl von Transaktionen zu verarbeiten, ohne die Sicherheit oder Dezentralisierung zu beeinträchtigen.
Bei diesen Methoden wird ein Teil der Berechnungen aus der Kette ausgelagert, während gleichzeitig sichergestellt wird, dass alle Teilnehmer des Netzwerks die Ergebnisse prüfen und verifizieren können. Beispiele für Layer-2-Lösungen sind Plasma und Raiden Network.
Plasma wurde entwickelt, um große Mengen an Überweisungen zu verarbeiten und gleichzeitig die allgemeine Sicherheit und Dezentralisierung des zugrunde liegenden PoS-Netzwerks durch die Smart-Contract-Technologie zu gewährleisten. Raiden Network ist ein auf Ethereum basierendes System, das ähnlich wie LightningNetwork sichere Zahlungen mit hohem Durchsatz zwischen zwei Parteien auf einer eigenen Skalierungsschicht außerhalb der Hauptkette von Ethereum ermöglicht.
Sidechains
Sidechains sind im Wesentlichen separate Blockchains, die neben der Hauptblockchain existieren und zur Erhöhung des Durchsatzes in größeren Netzwerken eingesetzt werden können. Sie kommunizieren mit der Hauptkette über einen Zwei-Wege-Blockchain, der es ermöglicht, Vermögenswerte sicher zwischen ihnen zu übertragen, um die Vorteile ihrer erhöhten Skalierbarkeit zu nutzen.
Dieser Prozess erfordert auch einen geringeren Energieverbrauch, da die meisten Berechnungen außerhalb der Hauptkette durchgeführt werden, was die Kosten für die Miner senkt. Sidechains bieten im Vergleich zu anderen Skalierungslösungen mehr Datenschutz und Flexibilität, da sie es Entwicklern ermöglichen, mit verschiedenen Technologien zu experimentieren, ohne die Hauptkette zu beeinträchtigen.
Sharding
Sharding ist eine Skalierungslösung für Blockchain-Netzwerke, die Proof-of-Stake (PoS) Konsensalgorithmen verwenden. Beim Sharding wird das Netzwerk in “Shards” unterteilt, und jeder Shard enthält eine eigene Gruppe von Validierern, die für die Überprüfung von Transaktionen innerhalb ihres jeweiligen Shards zuständig sind.
Dies ermöglicht eine bessere Skalierbarkeit, da das Netz nicht jede Transaktion in allen Shards auf einmal verarbeiten muss, sondern sie parallel in einem Shard abwickelt. Dies senkt auch die Kosten, da weniger Daten auf den einzelnen Knoten gespeichert werden müssen, um den Betrieb aufrechtzuerhalten. Darüber hinaus kann es die Sicherheit verbessern, indem es die Redundanz erhöht, so dass im Falle eines Ausfalls eines Shards die anderen Shards weiterhin unabhängig arbeiten können.
Es gibt mehrere Implementierungen von Sharding in PoS-Netzwerken, einige Beispiele sind Ethereums jüngste Implementierung von Beacon Chain und Cosmos’ Tendermint. Die Beacon Chain von Ethereum ist eine gesplittete Version des bestehenden Proof-of-Work-Konsensalgorithmus, der Skalierbarkeit bei gleichbleibender Sicherheit ermöglicht. In ähnlicher Weise verwendet die Tendermint-Plattform von Cosmos eine modifizierte Version des Casper-Protokolls, um ihre eigene Sharding-Lösung zu implementieren. Beide Projekte befinden sich noch in der Entwicklung, haben aber Fortschritte bei der Skalierung der Verarbeitungskapazität für Blockchain-Netzwerke mit PoS-Algorithmen gemacht.
