Ethereum ist die zweitgrößte Kryptowährung der Welt gemessen an der Marktkapitalisierung. Während Ethereum bis zuletzt – ebenso wie Bitcoin – auf dem energieintensiven Proof-of-Work (PoW) Mining-Algorithmus basierte, setzt Ethereum 2.0 auf Proof-of-Stake (PoS). Dieser alternative Konsensalgorithmus unterscheidet sich wesentlich in der Herangehensweise und wird im Folgenden näher beleuchtet.
Wie unterscheidet sich Proof-of-Stake?
Damit Nutzer:innen Kryptowährungen von A nach B senden können, müssen diese als signierte Nachrichten dem Netzwerk bekannt gemacht werden, welches diese wiederum prüft und an andere Netzwerkknoten weitergibt. Innerhalb eines Blockchain-Netzwerkes fungieren die Netzwerkknoten als “Lauschapparate”, welche Transaktionen des Netzwerks wahrnehmen und weiter propagieren. In weiterer Folge müssen aus den Transaktionen des Netzwerks “Blöcke” an Daten gebildet werden und an die jeweilige Blockchain angefügt werden. Damit die Blockchain dabei sicher bleibt, muss sie einen entsprechenden Mechanismus haben, der verhindert, dass ein oder mehrere böswilliger Netzwerkteilnehmer gefälschte Blöcke einbringen können oder die Mehrheit über die Validierung von Blöcken übernehmen.
In unserem Blog Artikel zu Proof-of-Work Mining haben wir den Konsensalgorithmus von Bitcoin näher beleuchtet. Proof-of-Work (PoW) wurde in den frühen 1990er Jahren als Mittel zur Eindämmung von E-Mail-Spam eingeführt und später vom unbekannten Bitcoin-Erfinder Satoshi Nakamoto für die Bildung eines dezentralen Geldsystems in Form von adaptiert. PoW übernimmt dort gleichzeitig die Rolle des Sicherheitsmechanismus im peer-to-peer Netzwerk, als auch den Mining-Mechanismus, welcher neue Bitcoins als Block Reward (Belohnung) erzeugt.
“The proof-of-work for new coin generation also powers the network to prevent double-spending.” – Satoshi Nakamoto
Der wesentliche Kritikpunkt am Nakamoto-Konsens ist, dass dieser über Zeit sehr energieintensiv wurde und heute enorme (finanzielle) Einstiegshürden für neue Miner herrschen. Eine durchschnittliche Person kann in der Regel kaum noch Teil des Mining-Netzwerks werden, welches sich heute weltweit auf wenige Miner-Pools konzentriert. Der hohe Energieverbrauch, den das Bitcoin-Netzwerk ausmacht und der gleichzeitig auch ein Garant für hohe Sicherheit ist, steht häufig in Kritik. Diese ist dahingehend berechtigt, dass Proof-of-Work eine gewisse Ressourcenverschwendung zwangsweise benötigt, um Konsens im Netzwerk herzustellen und dieses abzusichern.
Dezentrale Netzwerke benötigen einen Incentive-Layer
Kryptowährungen funktionieren nur dann wirklich, wenn diese einen funktionierenden Incentive-Layer (deutsch: Anreizebene) haben, d.h. es gibt klare, explizite Anreize für jeden Teilnehmer, die die Mitarbeit am Netzwerk belohnen und negative Handlungen disinzentivieren. Während PoW-Miner ihre teure Hardware und deren Betrieb als Einsatz haben, geben PoS-Validatoren ihre Kryptowährungen direkt als Einsatz ein. Wenn ein Teilnehmer z.B. 1% aller Token einer Kryptowährung besitzt berechtigt ihn das dazu, für 1% aller neuen Blöcke als Validator ausgewählt zu werden. Dieser erhält dafür die in diesem Block enthaltenen neu geschaffenen Token, Transaktionsgebühren oder beides – je nachdem, wie das Netzwerk ausgestaltet ist.
Unter Proof-of-Stake (PoS) versteht man eine Reihe an Konsensalgorithmen, welche als Alternative zum Nakamoto-Konsens ab 2011 erstmals eingeführt wurden, mit dem Ziel, dezentrale Peer-to-Peer-Netzwerke von Kryptowährungen auf alternative Weise zu organisieren und abzusichern. Der erste funktionierende Einsatz von PoS für Kryptowährungen war Peercoin im Jahr 2012. Inzwischen ist PoS in vielen der bekanntesten Blockchain-Netzwerken eingesetzt. Das wesentlichste Merkmal von PoS ist, dass es hierbei keine Verwendung von energieintensiver Mining-Hardware benötigt, wie sie im Falle von Proof-of-Work angewandt werden muss. Proof-of-Stake basiert darauf, dass Netzwerk-Teilnehmer:innen ihre Kryptowährungstoken als eine Form von “Einsatz” (der Stake) bereitstellen. Das Anreizsystem basiert dann darauf, dass Teilnehmer:innen ein intrinsisches Interesse daran haben, dass der Wert ihrer Token nicht drastisch an Wert verliert, sondern im besten Falle ansteigt. Stark vermeiden möchten Teilnehmer:innen, dass sie für Fehlverhalten mit Verlusten ihrer Token betraft werden könnten. PoS belohnt die Staker auf der anderen Seite damit, dass diese – ähnlich wie sonst nur die PoW-Miner für ihre geleistete Arbeit – mit neuen Kryptowährungstoken und/oder Transaktionsgebühren des jeweiligen Netzwerkes belohnt werden, wenn sie neue Blöcke erzeugen. Da kein “Mining” im eigentlichen Sinne benötigt wird, sprechen wir bei den Netzwerkknoten, welche diese Rolle übernehmen, nicht von Minern sondern von Validator oder Forger.
Dieser Anreizmechanismus ist besonders wichtig in Situationen, in denen mehrere Blöcke gleichzeitig um die Wahl zum nächsten Block der Blockchain konkurrieren und longest chain rule greift. Das kommt bei Blockchains mit schneller Blockzeit – wie Ethereum – regelmäßig vor. Netzwerk-Teilnehmer:innen, welche hierbei gegen die Regeln des Netzwerkes arbeiten, können als Strafe dafür Teile ihrer “gestakten” – also als Einsatz gegebenen Kryptowährungen – verlieren.
Proof-of-Stake hat viele Formen
Jede Kryptowährung, die einen Proof-of-Stake-Algorithmus verwendet, hat ihre eigenen Regeln und Methoden, die sie für die bestmögliche Kombination für sich und ihre Nutzer:innen erachtet. Die Architektur von Incentive-Layern von Proof-of-Stake-Blockchains ist vielseitig. Je nach Projekt können noch viele weitere Aspekte beschrieben werden, wobei grundsätzlich unterschieden wird zwischen:
- Chain-based PoS-System
- Byzantine Fault Tolerance (BFT) PoS-System
Wesentlich hierbei ist, dass diese unterschiedlichen Ausgestaltungen von PoS mit der Gestaltung von Anreizen und von der Handhabung mit PoS-Problemfeldern wie dem Nothing-at-Stake-Problem oder dem Monopol-Problem zu tun haben.
- Nothing-at-Stake-Problem: Ein Validator kann zwei konkurrierende Blöcke generieren, welche u.a. auch falsche Transaktionen beinhalten könnte, da der Validator seinen Block Reward unabhängig davon erhält, welche der beiden Varianten weiterführender Teil der Blockchain wird.
- Monopol-Problem: Jene Teilnehmer:innen, die bereits viele Kryptowährungen besitzen und staken, erhalten auch mehr Block Rewards. Dadurch kann es über Zeit zu einer schleichenden Monopolisierung kommen.
Hierbei gibt es verschiedene Ansätze, wie Block-Randomisierung, zeitliches Sperren des Stakes, Coin Age Kriterium, Stake-Strafen, Pseudorandomisierung etc. Interessant hervorzuheben ist zudem das delegated Byzantine Fault Tolerance (BFT) PoS-System, bei welchem es eine fixe Anzahl an Delegates gibt (z.B. 51 Delegates), welche die Rolle der Validatoren übernehmen. Die Netzwerk-Teilnehmer:innen können ihre Kryptowährungen an diese “delegieren”, während diese weiter im Besitz der Nutzer:innen bleiben. Jene Delegates, welche eine größere Anzahl an delegierten Kryptowährungen hinter sich versammeln, haben eine höhere Chance den nächsten Block zu erzeugen und dafür mit Block Rewards vergütet zu werden. Es entsteht dadurch ein Anreizsystem, in welchem die Delegates eine große Motivation haben, möglichst viele Teilnehmer:innen hinter sich zu versammeln. Dies wird erreicht, wenn der Delegate als hoch vertrauenswürdig gilt und den Teilnehmer:innen zudem hohe Auszahlungen und weitere Benefits bietet. Es entsteht ein Wettbewerb um das beste Angebot für die Netzwerk-Teilnehmer:innen, welcher allen im Netzwerk zu Gute kommt.
Netzwerkschutz durch Geld
Während PoW-Blockchains wie Bitcoin durch das Bitcoin-Mining geschützt werden und einen Schutzwall aus Hardware und Strom (und damit verbundene Kosten) besitzen, geschieht der Schutz bei PoS auf monetärer Basis. Wir unterscheiden hierbei in explizites Staking (PoS: gestaktes Geldvermögen) und implizites Staking (PoW: investiertes Geldvermögen in Mining-Infrastruktur). Ein Angreifer, welcher eine PoS-Blockchain attackieren und eine 51%-Attacke durchführten möchte, müsste hierfür theoretisch 51% aller Kryptowährungstoken dieses Netzwerkes besitzen. In der Praxis wäre so eine Attacke ab einer gewissen Größe des Netzwerks unrealistisch, da dieser Angreifer große Summen an Geld investieren müsste, um damit die Kryptowährungen von den bestehenden Netzwerk-Teilnehmer:innen abzukaufen. Dem gegenüber steht, dass 51%-Attacken in der Praxis meist sehr wenig lukrativ sind und sich eine solche Attacke nicht lohnen würde. Aufgrund der Angebot-Nachfrage-Marktstruktur von Kryptowährungen müsste ein Angreifer mit seinen Ankäufen auf dem Weg dahin zudem alle bestehenden Kryptowährungsbesitzer:innen bereichern und könnte dann erst seine Attacke auf das Netzwerk beginnen – welches sich auch jederzeit dann abspalten (forken) könnte. Die entsprechenden Adressen zugehörigen Token des Angreifers können zudem “geflaggt” und “getainted” werden. Dadurch wäre der Angreifer nachweisbarer und eingeschränkter in seinen Handlungen.
Zugang für alle Netzwerk-Teilnehmer:innen möglich
Für die durchschnittlichen Nutzer:innen von Bitcoin ist es heute nahezu unvorstellbar PoW-Mining zu betreiben und somit ein vollwertiger Teil des Netzwerks zu sein und Bitcoin Rewards zu erhalten. Das Bitcoin-Netzwerk ist in der Hand von Minern und funktioniert dank des cleveren Anreizsystems des Nakamoto-Konsens auch in dieser Form ohne signifikante Risiken. Die großen Mining-Farmen der Bitcoin-Miner sind bei Proof-of-Stake jedoch obsolet. PoS hat sich als valide Alternative zum PoW-Mining etabliert und erreicht die ähnliche Ziele und vergleichbar hohe Sicherheits-Charakteristika auf eine alternative Weise. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass PoS nicht die identischen Sicherheitsgarantien von PoW bieten kann und eigene Risiken in sich birgt. Sicherheit ist immer ein Trade-off von Vorteilen und Nachteilen.
Für die durchschnittlichen Nutzer:innen ergeben sich bei Proof-of-Stake aber wesentliche Vorteile:
- Kein Erwerb von entsprechender Mining Hardware nötig
- Kein Bedarf an hohem Energiekonsum und Mining-Infrastruktur
- Teilnahme am Netzwerk als Validator für (nahezu) jeden möglich
Die Hürden für die Teilnahme an PoS-Blockchains sind wesentlich geringer und erlauben es fast jedem hierbei mitzumachen und vergütet zu werden. Die wesentlichen benötigten Ressourcen sind Geld und entsprechendes Fachwissen darüber, wie man Staking in der Praxis durchführt. Einige Hürden bestehen bei PoS jedoch trotzdem weiterhin. Sollte sich der Wert eine PoS-Kryptowährung erhöhen, werden kleinere Investoren aus dem Netzwerk irgendwann ausgeschlossen. Einige PoS-Blockchains, wie beispielsweise Ethereum, verlangen für die Teilnahme am Netzwerk zudem eine Mindestanzahl an Token, um als Validator agieren zu dürfen. Solche Hürden können jedoch über Staking-Pools umgangen werden.
Ein Staking-Pool ist der Zusammenschluss einer Gruppe von Token-Inhabern, welche sich organisieren, um ihre Chancen auf die Validierung von Blöcken und den Erhalt von Block Rewards erhöhen. Die erzeugten Belohnungen werden im Pool unter den Mitglieder:innen aufgeteilt. Die Erstellung und Verwaltung solcher Pools erfordert oft viel Zeit und Fachwissen und verlang in der Regel dafür wiederum Gebühren von den restlichen Pool-Nutzer:innen. Es eignet sich daher auch die Nutzung der spezifischen Staking-Dienstleistungen von Krypto-Börsen wie z.B. Kraken Exchange oder Binance. Diese bieten Staking-Services an und erlauben so u.a. einem einzelnen Nutzer die 32 ETH Mindesthürde des Ethereum-Netzwerks zu umgehen, indem die Krypto-Börse das Staking übernimmt.
Der Markt für Staking ist groß und wächst
Proof-of-Stake und Staking eröffnen mehr Möglichkeiten für jeden, der am Konsens und an der Governance von Blockchains mitarbeiten möchte. Darüber hinaus kann Staking eine einfache und oft lukrative Möglichkeit sein, um Rendite zu erzielen. Da das Staking immer verbreiteter wird und die Nutzung davon gleichzeitig auch einfacher wird, sinken auch die Eintrittsbarrieren in diese Blockchain-Ökosysteme. Besonders interessant sind zudem auch jene Staking-Protokolle, welche auf Stablecoins basieren und so neben einer vergleichsweise hohen Rendite auch die Sicherheit der Preisstabilität des darunterliegenden Investments bieten. Wir gehen daher davon aus, dass sich Staking in Zukunft zu einer nachgefragten Investmentkategorie entwickeln wird, die im Mainstream ankommen wird.
Welche unterschiedlichen Formen von Staking-Protokollen es anhand von Beispielen gibt, für wen solche Investments heute interessant sind und welche Risiken zu beachten sind, erläutern wir in einem zukünftigen Blog Artikel.
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Quellen:
Schütz, A. and Fertig, T., 2019. Blockchain für Entwickler: Das Handbuch für Software Engineers.
Wood, G., 2014. Ethereum: A secure decentralised generalised transaction ledger. Ethereum project yellow paper, 151(2014), pp.1-32.
Antonopoulos, A.M. and Wood, G., 2018. Mastering ethereum: building smart contracts and dapps. O’reilly Media.
Diedrich, H., 2016. Ethereum: Blockchains, digital assets, smart contracts, decentralized autonomous organizations (p. 360). Sydney: Wildfire publishing.
Fan, L., Katz, J., Thai, P., Zhou, H., 2021, Permissionless Proof-of-Stake Blockchain with Best-Possible Unpredictability. https://eprint.iacr.org/2021/660.pdf [11.08.2021]
Satoshi Nakamoto: https://www.bitcoin.com/satoshi-archive/emails/cryptography/1/