Konsens-Algorithmen: Proof of Stake

Was verstehen wir unter Proof of Stake (PoS) Konsens-Algorithmus?

Ein Proof of Stake (PoS) Konsens-Algorithmus besteht aus Regeln. Er sichert die Einhaltung dieser Regeln in einem Blockchain-Netzwerk sowie die Erzeugung des nativen Coins dieses Netzwerks. Genauso wie der Proof of Work (PoW) Algorithmus ist der PoS die Grundlage für die Erreichung eines Konsens. In Proof of Stake-Netzwerken sind aber im Gegensatz zu PoW keine Miner involviert, sondern sogenannte “Witnesses”. 

Um in einem Proof of Stake-Netzwerk Transaktionen überprüfen und neue Blöcke erzeugen zu können, müssen die Netzwerkteilnehmer einen gewissen Anteil (engl.“stake”) an Coins dieses Netzwerks besitzen, die sie zum Beispiel in eine Wallet einzahlen. Das Einzahlen dieses Anteils wird als “placing a stake” oder “staking” bezeichnet. Wie viele Blöcke ein Netzwerkteilnehmer eines PoS-Systems erzeugen kann, hängt von der Größe seines Anteils im Netzwerk ab. 

PoS-Netzwerke basieren auf deterministischen Algorithmen. Das bedeutet, dass die Validatoren von Blöcken je nach Art der Beteiligung gewählt werden. Wäre beispielsweise das Guthaben von Coins eines Teilnehmers das einziges Kriterium, auf dessen Grundlage der nächste gültige Block in einer Blockchain definiert wird, könnte möglicherweise eine unerwünschte Zentralisierung das Resultat sein. Denn das würde bedeuten, dass Mitglieder mit höherem Guthaben in so einem Netzwerk große Vorteile zuteil würden. 

PoS-Netzwerke basieren auf deterministischen Algorithmen. Das bedeutet, dass die Validatoren von Blöcken je nach Art der Beteiligung gewählt werden.

Um solche Szenarien zu vermeiden, gibt es verschiedene Methoden, um diesen “Anteil” zu definieren, oder eine Kombination solcher Methoden. Verschiedene Kryptowährungen, die PoS nutzen, wenden unterschiedliche Auswahlmethoden an um die “Anteile” der “Staker” zu definieren. 

Manche Kryptowährungen definieren das Gesamtguthaben der Coins in einer Wallet als “Anteil”. Andere wiederum definieren einen festgelegten Zeitraum, in dem Token auf der Blockchain gehalten werden müssen, um sich an der Erzeugung neuer Blöcke beteiligen zu können. Wiederum kann auch das Alter der Coins (die Anzahl der Coins in der Wallet multipliziert mit der Anzahl der Tage, wie lange sie in der Wallet gehalten wurden) oder weitere Kriterien als “Anteil” herangezogen werden.

Stärken und Schwächen des Proof of Stake-Algorithmus

Auf der einen Seite bietet PoS die Lösung für einige Schwachstellen eines PoW-Systems, das von Kryptowährungen wie Bitcoin verwendet wird. Zum Beispiel verringert PoS etwaige Hürden des Einstieg in den Validierungsprozess. Nutzer müssen nicht länger spezialisierte Computer kaufen wie beim Bitcoin-Mining und um die Chance kämpfen, den schwer zu erzielenden Block Reward zu erhalten. Folglich benötigt der PoS-Prozess auch weniger Rechenleistung als PoW und hat somit weniger Auswirkungen auf die Umwelt. 

Andererseits können auch PoS-Netzwerke große Nachteile aufweisen, je nachdem, welche Methoden zur Definition der Anteile (“stakes”) an einem Netzwerk herangezogen werden. 

So verfügen zum Beispiel die Blockerzeuger einiger Coins über viel Macht, wenn es nur wenige von ihnen in einem Netzwerk gibt und sie alle Transaktionen validieren können. Die Macht eines Erzeugers kann jedoch jederzeit automatisch widerrufen werden wenn er etwa gegen die Interessen des Netzwerks verstößt. Wenn beispielsweise ein Erzeuger von EOS-Coins 24 Stunden lang an keinem Block arbeitet, wird er schnell durch ein Backup ersetzt. 

Die zweite größere Schwäche des PoS-Systems ist, dass wohlhabende Nutzer bevorzugt werden - je mehr Coins, desto mehr Stimmen.

Die zweite größere Schwäche des PoS-Systems ist, dass wohlhabende Nutzer bevorzugt werden - je mehr Coins in der Wallet, desto mehr Stimmen. Netzwerke wie Cardano haben dieses Problem bereits gelöst, indem sie ein Tool implementiert haben, das Blockerzeuger nach dem Zufallsprinzip auswählt. In diesem Fall ist die Wahrscheinlichkeit zwar immer noch hoch, dass wohlhabende Nutzer ausgewählt werden, doch der Einfluss von “Krypto-Walen” - das sind Marktteilnehmer, die weit mehr Coins eines bestimmten Netzwerks besitzen als der durchschnittliche Nutzer - wird vermindert. 

“Nothing at stake”

Ein Problem, das in Proof of Stake-Netzwerken auftritt, wird als "nothing at stake” - zu deutsch “nichts auf dem Spiel” - bezeichnet. 

So kommt es In einem PoW-Netzwerk wie bei Bitcoin aufgrund einer Zeitverzögerung selten aber doch vor, dass zwei Miner einen Block fast gleichzeitig erzeugen. Dies führt zu einer vorübergehenden Verwechslung im Netzwerk und die Nodes müssen einen Konsens über den gültigen Block erreichen. Folglich müssen sich die Miner entscheiden, welche Blockchain sie als die gültige erachten. Es ist in ihrem Interesse, ihre Rechenleistung für die von der Mehrheit als gültige erachtete Blockchain auszugeben, daher wird rasche eine Einigung erzielt.

Das Erzeugen von Blöcken in einem PoS-System hingegen wird nicht als “mining” (schürfen) sondern als “forging”, also “schmieden”, bezeichnet und beansprucht vergleichsweise wenig Ressourcen. Ein Validator könnte daher beschließen, an mehreren Versionen eines Forks zu arbeiten und neue Blöcke zu schmieden und somit mehr Transaktionsgebühren zu erhalten, da er ja im Gegensatz zu PoW nicht wählen muss, für welche Version er seine Ressourcen in Form von Rechenleistung er einsetzt - es steht daher für ihn “nichts auf dem Spiel”.

Was ist Delegated Proof of Stake (DPoS)? 

Ein Delegated Proof of Stake (DPoS) Konsens-Algorithmus ist eine Variante des Proof of Stake Konsens-Protokolls. Die Netzwerkteilnehmer bestimmen eine ausreichende Anzahl an Delegierten - auch “Witnesses” genannt - um den dezentralen Charakter des Netzwerks zu gewährleisten. 

Die gewählten Delegierten verifizieren die Transaktionen und generieren Blöcke. Wenn ein Delegierter den Block Reward erhält, teilt er ihn mit denjenigen Wallets, die für ihn gestimmt haben, also einen Anteil (“stake”) am Netzwerk haben. 

In einem DPoS-Netzwerk können Netzwerkparameter wie Transaktionsgrößen und Blockintervalle durch Stimmen der Delegierten - auch “witnesses” genannt, verändert werden. 

Wenn ein Witness es nicht schafft, Transaktionen zu überprüfen oder andere Störungen in einem Netzwerk auftreten, bietet dieser Konsens-Mechanismus die Möglichkeit, schnell auf solche Unstimmigkeiten zu reagieren und jene vorgesehenen Blockerzeuger, die keinen Konsens finden, zu ersetzen. 

Die Zukunft der Proof of Stake-Netzwerke 

Bitcoin wird sicher auch hinkünftig zu den führenden Kryptowährungen zählen. Nichtsdestotrotz werden Proof of Stake (PoS) Algorithmen auch weiterhin eine zentrale Rolle in der Blockchain-Industrie spielen, vor allem in Hinblick auf die Notwendigkeit energieeffizienter Konsens-Mechanismen. Derzeit verwenden mehr als 400 Kryptowährungen den PoS Konsens-Algorithmus. In den folgenden Lektionen werden wir uns noch genauer mit Konsens-Algorithmen und weiteren Alternativen zu den bestehenden Systemen beschäftigen.