Konsensalgorithmen Teil 3: Proof of Stake

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In Teil 2 dieser Serie bin ich auf den Proof of Work Algorithmus eingegangen, welcher derzeit für die gängigsten Kryptowährungen und einige Smart Contract Plattformen verwendet wird. Dieser ist jedoch mit einigen Problemen behaftet. Je höher der Marktwert einer Kryptowährung ist, desto mehr Miner beteiligen sich an der Sicherung der Währung, wodurch der Energieverbrauch steigt. So hat Bitcoin mittlerweile einen Energieverbrauch in der selben Größenordnung wie die Schweiz. 



Gerade bei kleineren Kryptowährungen mit einer geringeren Marktkapitalisierung fällt unter Proof of Work jedoch die Abschreckung weg, die Miner davon abhält sich unehrlich zu verhalten. Da diese Blockchains nur durch relativ wenig Rechenleistung gesichert werden, fällt es sehr leicht, 51% der gesamten Rechenleistung kurzzeitig aufzubringen um Attacken zu fahren. Dies kann entweder durch Cloud Mining, oder durch das zeitweilige Abzweigen von vorhandener Rechenleistung von einer größeren Blockchain geschehen.

Aus diesem Grund verwenden fast alle neueren Blockchains Proof of Stake, oder einen damit verwandten Konsensalgorithmus. Die Anreizstruktur ist hierbei ähnlich wie unter Proof of Work: Miner, die sich korrekt verhalten bekommen eine Belohnung, während Miner, die böswillig handeln bestraft werden. Da die so erzeugte Währung nicht durch Arbeitsaufwand “geschürft” wird, spricht man im Zusammenhang mit Proof of Stake allerdings eher von Validatoren, als von Minern.



Anstatt Rechenleistung einzusetzen um eine Kryptowährung zu schürfen, fungiert dabei die Kryptowährung selbst als Einsatz. Validatoren hinterlegen Währungseinheiten als Pfand (Stake) und bewerben sich um das Recht, den nächsten Block zu erzeugen. Die Wahrscheinlichkeit, für den nächsten Block ausgewählt zu werden und die entsprechende Entlohnung zu erhalten, ist dabei proportional zum erbrachten Einsatz. 

Dies alleine kann jedoch nicht verhindern, dass sich bei Forks, das heißt im Fall dass verschiedene Versionen einer Blockchain miteinander konkurrieren, Validatoren um die Erzeugung von Blöcken auf beiden Versionen bewerben. In diesem Fall könnte eine Blockchain nach einem Fork keinen Konsens mehr erreichen. Um dieses Problem zu lösen wird eine Strafe (Slashing) eingeführt, durch die Validatoren automatisch einen Teil ihres Einsatzes verlieren, falls diese den Konsens stören.

Ähnlich wie bei Proof of Work wird hierdurch eine Anreizstruktur aufgebaut, welche ehrliche Validatoren belohnt und unehrliche Validatoren bestraft, wodurch Betrugsversuche unrentabel werden. Der größte Unterschied besteht darin, dass Miner unter Proof of Work nur ihren Energieeinsatz verlieren, während sie ihre Miningausrüstung weiter nutzen können. Bei Angriffen auf ein Proof of Stake Netzwerk verliert der Angreifer seinen Kapitaleinsatz. Um Vlad Zamfir, Forscher bei der Ethereum Foundation, zu zitieren, eine 51%-Attacke auf ein Proof of Stake Netzwerk kommt dem Niederbrennen der eigenen Miningfarm gleich.

Anstatt die Validierung von Blöcken komplett zu dezentralisieren, vertrauen einige Blockchains wie EOS und TRON auf einen Konsensmechanismus namens Delegated Proof of Stake. Hierbei werden nur eine festgelegte Anzahl von Validatoren per Abstimmung durch die Staker ausgewählt, um Blöcke zu produzieren. Da es somit nur eine limitierte Anzahl von Validatoren gibt, lässt sich dadurch eine hoher Transaktionsdurchsatz erreichen, allerdings auf Kosten der Dezentralisierung. 

So ist EOS bereits dadurch aufgefallen, zwielichtige Konten zu sperren, was allerdings den Grundsatz der Unveränderbarkeit von Blockchains verletzt. Darüber hinaus sind die meisten delegierten Validatoren von EOS in China ansässig, was Anlass zur Sorge bereitet, die Chinesische Regierung könnte das Netzwerk manipulieren. Während TRON in dieser Hinsicht noch nicht negativ auffiel, hält die Handelsplattform Binance über 50% der Delegiertenstimmen des gesamten Netzwerks. Durch das Aufteilen dieser Stimmen könnte Binance theoretisch 25 der 27 Delegierten eigenhändig bestimmen.

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Tobias verfügt über einen Bachelorabschluss in angewandter Informatik, sowie einen Masterabschluss in Kognitionswissenschaft mit Fokus auf kognitiver Psychologie und künstlicher Intelligenz. Während seiner Zeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Universität Gent nahm er an einem Forschungsprojekt in Verbindung mit einem großen französischen Telekommunikationsanbieter teil. Hierbei erforschte er die Anwendung von Spieltheorie auf den gemeinschaftlichen Ausbau von WLAN-Netzen. Nachdem er die Universität verließ, wandte er sich dem Blockchain-Sektor zu, wo er als freier Forschungsmitarbeiter für Startup-Unternehmen arbeitet.

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