Konsensmechanismen wie Proof of Work (PoW) oder Proof of Stake (PoS) stellen die Integrität von Blockchain-Netzwerken sicher. Beide sind Konsens-Algorithmen, die jedoch auf unterschiedliche Art Transaktionen validieren und der Blockchain als Blöcke hinzufügen. Sie stellen ein zuverlässiges und transparentes System bereit, um einen Netzwerkkonsens über den Zustand des Netzwerks zu erreichen. Es sind verteilte Datenbanken, wo eine zentrale Autorität nicht mehr erforderlich ist.
In diesem Leitfaden werden wir die Unterschiede der beiden Konsensmechanismen Proof of Work und Proof of Stake untersuchen und uns damit beschäftigen, wie sie funktionieren.
Proof of Work vs. Proof of Stake: Die grundlegenden Unterschiede
Proof of Stake und Proof of Work sind Konsensmechanismen, die sicherstellen sollen, dass alle dem Block hinzugefügten Transaktionen echt und vom ersten Block an (Genesis Block) unveränderlich sind. Sie befähigen Peer-to-Peer-Netzwerke wie Blockchain, ermöglichen das Treffen von Entscheidungen und sind autonome, selbst regulierende Systeme.
Proof of Work vs Proof of Stake: Der auffälligste Unterschied zwischen beiden Konsensmechanismen liegt im Energieverbrauch. Beim Proof of Work (PoW) versuchen Miner gleichzeitig der Blockchain einen neuen Block hinzuzufügen, während nur einer erfolgreich sein kann. Proof of Stake (PoS) hingegen verbraucht viel weniger Energie, da dort ein Validierer zufällig ausgewählt wird, der dann die Transaktionen verifiziert. Es gibt jedoch noch einige andere Faktoren, die wir uns in der nachfolgenden Tabelle näher anschauen:
| Faktoren | PoW | PoS |
|---|---|---|
| Qualifikation | Knoten (Nodes) tragen durch die GPU-Leistung dazu bei, Rätsel zu lösen, um einen neuen Block zu verifizieren. | Knoten (Nodes) setzen ihre Kryptogelder ein, um einen neuen Block zu verifizieren. |
| Knotenauwahl | Je höher die GPU-Leistung, bzw. Rechenleistung, desto höher die Chance, Transaktionen auszuwählen und zu verifizieren. | Je mehr Kryptokapital eingesetzt wird, desto höher die Chance, ausgewählt zu werden, um Transaktionen zu verifizieren/überprüfen. |
| Energie | Benötigt viel Energie, um die GPU-Karten zu betreiben. | Geringer Energieverbrauch, um Kryptogelder zu staken. |
| Belohnung | Blockbelohnungen (Block Reward) gehen an den Miner, der das Rätsel zur Verifizierung einer Transaktion zuerst löst. | Die Netzwerkgebühr wird an den Validierer verteilt, der zufällig ausgewählt wird, um Transaktionen zu überprüfen. |
| Ausstattung | Für maximale Verarbeitungsleistung sind spezielle, teure Geräte und GPU-Karten erforderlich. | Für den Einstieg reicht Standard-Server-Equipment aus. |
| Investment | Für den Kauf des speziellen Equipments und der GPU-Karten ist eine anfängliche Investition erforderlich. | Eine anfängliche Investition ist erforderlich, um Kryptogelder zu erwerben und dann im Netzwerk zu staken. |
| Beispiele | Bitcoin, Dogecoin, Litecoin, Monero, Bitcoin Cash und mehr. | Ethereum, BNB Smart Chain, Cardano, Polkadot und mehr. |
Was ist ein Konsensmechanismus?
Gehen wir zunächst einmal darauf ein, was ein Konsensmechanismus NICHT ist. Eine zentralisierte Datenbank wird an einem einzigen Ort gespeichert, lokalisiert und verwaltet. Ein spezieller Administrator oder eine ausgewählte Gruppe kontrolliert die Datenbank und stellt sicher, dass alle Informationen korrekt und aktuell sind.
Ein Administrator in einem Krankenhaus hat beispielsweise vollen Zugriff auf alle Patienteninformationen, wie z.B. gesundheitliche Informationen, verschriebene Medikamente oder ausstehende Schulden. Theoretisch wäre es möglich, die Daten zu manipulieren und einen zufälligen Wert wie Schulden im Wert von 100.000 USD unter einen bestimmten Patientennamen einzutragen oder einige der Datensätze vollständig aus dem Verzeichnis zu löschen.
Ein dezentraler Ledger (dezentrales Register) wie eine Blockchain hingegen verwaltet sich selbst. Es verteilt die Befugnis zur Eingabe und Authentifizierung von Daten an alle Teilnehmer im Netzwerk. Je nach Art des Netzwerks führen alle Teilnehmer ein eigenes Log und haben vollen Zugriff auf den dezentralen Ledger.
Um sicherzustellen, dass jede eingegebene Transaktion echt ist, benötigt ein Netzwerk einen zuverlässigen, transparenten Echtzeit-Mechanismus. Hier kommt der Konsensmechanismus Proof of Work oder Proof of Stake ins Spiel.
Dabei handelt es sich um einen vollständigen Stapel von Ideen, Protokollen und Anreizen, die den Teilnehmern oder Knoten eines Blockchain-Netzwerks ermöglichen, eine Einigung über den Zustand des Netzwerks zu erzielen. Der Konsensmechanismus schafft Zuverlässigkeit und Vertrauen in das Blockchain-Netzwerk.
Was ist Proof of Work (PoW)?
Proof of Work ist der allererste Konsensmechanismus, der 2009 zusammen mit der allerersten Kryptowährung Bitcoin vom Gründer Satoshi Nakamoto eingeführt wurde.
In einer PoW-Blockchain werden, wie der Name schon sagt, die Informationen (im Kontext von Kryptowährungen die Transaktionsdaten) in Blöcken gespeichert, die durch Kryptografie chronologisch miteinander verknüpft sind. Jeder Block, angefangen vom ersten Block (Genesis Block), wird mit einem unveränderlichen Zeitstempel versehen.
Neben den Daten enthält jeder Block seinen eigenen Hash, sowie den des vorherigen Blocks. Der Prozess der Überprüfung von Transaktionen und das Hinzufügen eines gültigen Blocks wird als Mining bezeichnet. Damit Miner Blöcke authentifizieren können, müssen sie einen gültigen Hash generieren.
Es ist für einen Computer nicht allzu schwierig, einen beliebigen Hash aus einem bestimmten Datensatz zu generieren. Um die Arbeit zu bewerten, erstellen die Netzwerke einen sogenannten „Ziel“-Hash. Der richtige Hash, der einen Block validiert, muss mit dem Ziel-Hash für den aktuellen Block übereinstimmen.
Dies erfordert eine erhebliche Menge an Rechenleistung (GPUs) und wird aufgrund der anspruchsvollen Art der Authentifizierungsarbeit zum Proof of Work (PoW). Auf diese Weise erkennen andere Knoten im Netzwerk die Gültigkeit von Transaktionen und werden über den Status Quo des Ledgers auf dem Laufenden gehalten.
Um Anreize für das Mining zu schaffen, haben Blockchain-Netzwerke wie Bitcoin ein Block-Belohnungsprogramm (Block Reward) geschaffen. Bei diesem werden erfolgreiche Miner für ihren Beitrag mit einer bestimmten Menge an zugehöriger Kryptowährung entschädigt.
Heutzutage gibt es ausgewachsene Mining-Farmen, bei denen es sich im Wesentlichen um Lagerhäuser handelt. Diese sind mit Dutzenden von GPUs, großen Netzteilen, Kühlmechanismen und anderer Hardware gefüllt, um Mining-Computer mit Strom zu versorgen.
Was ist Proof of Stake?
Statt mathematische Puzzle zu lösen, um einen Block zu erstellen, müssen Validierer (auch Validatoren genannt) bei Proof of Stake eine bestimmte Menge an Kryptokapital in den Smart Contract „staken“ und werden danach zufällig ausgewählt. Die eingesetzten Gelder fungieren als Sicherheitsleistung – sollten Validierer eine gefälschte Transaktion verifizieren oder ihre Pflicht nicht zufriedenstellend erfüllen, erhalten sie eine Geldstrafe.
Die Validierer schmieden oder prägen bei dieser Variante neue Blöcke, statt Mining zu betreiben. Die Validierer werden abhängig von der Höhe ihres Einsatzes ausgewählt: Wenn Person X 100 USD einzahlt, ist die Chance ausgewählt zu werden höher als Validierer Y, der nur 10 USD eingezahlt hat. Es ist also nicht komplett dem Zufall überlassen, wer als Validierer ausgewählt wird.
Nachdem ein Validierer ausgewählt wurde, prüft dieser, ob alle Transaktionen innerhalb eines Blocks gültig sind. Wenn alles korrekt ist, wird der Block der Blockchain hinzugefügt. Als Blockbelohnung erhält der Validierer die Netzwerkgebühren, die mit der Transaktion innerhalb des Blocks verbunden sind.
Das Vertrauen ist gewährleistet, solange der Einsatz höher ist als die Transaktionsgebühren (Blockbelohnung), die der Validierer durch die Überprüfung des Blocks erhält. Denn er würde seinen Einsatz verlieren, wenn er böswillig handelt. Dies ist der Grund, warum Knoten mit höheren Einsätzen auch eine höhere Priorität eingeräumt wird.
Im September 2022 schloss Ethereum seinen „Merge“ von Proof of Work zu Proof of Stake ab: Ein Upgrade, bei welchem das Netzwerk vom Proof-of-Work- zum Proof-of-Stake-Konsensmechanismus wechselte. Das Ziel war es, das Ethereum-Netzwerk energieeffizient zu machen.
PoW vs PoS: Welcher Konsensmechanismus ist besser?
Proof of Work (PoW) wird aus zwei Hauptgründen stark kritisiert:
Ebnet den Weg zur Zentralisierung
Proof of Work (PoW) erfordert von Natur aus eine enorme Menge an GPUs, was den Aufbau eines teuren Hardware-Setups erforderlich macht. Das Resultat? Massiver Energieverbrauch, der das Klima belastet.
Das Proof-of-Work-System führt auch dazu, dass Knoten zusammenkommen, um Mining-Pools zu bilden. Diese Community-Mitglieder stellen ihre Rechenleistung zusammen, um die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, dass sie als erste einen neuen Block minen und somit eine Belohnung (Block Reward) erhalten.
Diese Pools haben die Macht, den Mining-Prozess zu zentralisieren. Dies kann in Echtzeit im Bitcoin-Raum bei Agenten wie BTC.com oder AntPool festgestellt werden, die den Großteil des Netzwerks dominieren.
Sollten große Agenten ihre Operationen zusammenlegen, könnten sie die Mehrheit (über 51%) des Netzwerks kontrollieren und hätten dann die Möglichkeit, betrügerische Transaktionen zu genehmigen und als Block in der Blockchain hinzuzufügen. Dass dies beim Konsensmechanismus Proof of Work geschieht, ist bisher nicht absehbar, aber zumindest theoretisch möglich.
Warum ist Proof of Stake (PoS) nicht der klare Sieger?
Eine der größten Gefahren ist, dass ein potenzieller Validierer theoretisch die Mehrheitsbeteiligung an einem Netzwerk kaufen könnte und dieses Netzwerk kontrollieren würde – ein sogenannter 51%-Angriff, ähnlich wie beim PoW-Konsensmechanismus.
Je nach Wert einer Kryptowährung ist dies jedoch unglaublich unpraktisch: Es würde Milliarden von Dollar kosten, mehr als 51% des zirkulierenden Angebots zu kaufen, was einen solchen Angriff recht unwahrscheinlich macht.
PoS erfordert auch nicht viel Rechenleistung und ermutigt mehr Menschen, sich als Knoten zu beteiligen und ihre Beteiligung zu staken, unabhängig von ihrer Hardware.
Auch wenn PoS eine Lösung für die Probleme von PoW bietet, bringt es doch seine eigenen Nachteile mit sich. Das hauptsächliche Problem bei Proof of Stake (PoS) ist, dass die Validierer abhängig von der Größe ihrer Einsätze ausgewählt werden.
Dieses System ermöglicht es Knoten mit einem höheren Anteil an Token, öfter Validierer zu werden, Belohnungen (Block Reward) zu sammeln und somit mit umso höheren Einsätzen wieder einzutreten. Es favorisiert also die finanziell begünstigten Teilnehmer.
Neben dem Risiko, ein ungleiches Umfeld zu schaffen, ist Proof of Stake (PoS) auch ein wesentlich jüngeres System als Proof of Work. Letzteres ist ein bewährter Konsensmechanismus, der seit der Entstehung von Kryptowährungen verwendet wird. PoS hingegen hatte noch nicht die Möglichkeit, sich als vollständig sicher zu erweisen.
Wie wird sich die Blockchain-Community weiterentwickeln?
Die Unterschiede zwischen den zwei Konsensmechanismen und das Thema, welcher Mechanismus besser für die Blockchain geeignet ist, werden seit der Einführung von Proof of Stake (PoS) heiß diskutiert. Momentan finden beide Mechanismen Verwendung bei großen Blockchain-Netzwerken: Bitcoin etwa verwendet immer noch PoW, während Ethereum im September 2022 zu PoS gewechselt ist.
Es muss auch gesagt werden, dass alles rund um die Blockchain-Technologie noch in Arbeit ist. Entwickler verbessern weiterhin die Effizienz der Technologie und versuchen gleichzeitig, die aktuellen Herausforderungen und Risiken zu mindern. So soll die Umsetzung der richtigen Entscheidungen im Namen von Nachhaltigkeit, Sicherheit und echter Dezentralisierung gewährleisten werden.
Um Überlastungen der Blockchains zu vermeiden, werden besonders bei Proof-of-Stake-Blockchains sogenannte Parachains eingesetzt (kurz für Parallel-Chains). Diese existieren neben der Haupt-Blockchains und kommunizieren mit der Haupt-Blockchains und mit anderen Parachains. Sie übernehmen Transaktionen, welche normalerweise die Haupt-Blockchain durchführen müsste und entlasten diese dadurch. So wird die Skalierbarkeit erheblich verbessert und Transaktionen können so schneller und günstiger durchgeführt werden.
