Was ist Ethereum Proof-of-Stake?

Von Gaurav Roy

Proof-of-Stake (PoS) ist der Mechanismus, der dem Konsensalgorithmus von Ethereum zugrunde liegt. Für alle, die noch nie davon gehört haben: 2022 stellte Ethereum offiziell auf den PoS-Mechanismus um, da dieser im Vergleich zum Vorgänger als weniger energieintensiv gilt und außerdem eine Plattform für die Implementierung neuer Skalierungslösungen bietet.

Mit diesem Artikel will die Ledger Academy versuchen, dir die Feinheiten des PoS-Konsensalgorithmus von Ethereum auf einfache und prägnante Weise näher zu bringen. An die Arbeit!

Was ist Proof-of-Stake (PoS)?

Proof-of-Stake ist ein Konsensmechanismus, der zur Absicherung von Blockchain-Netzwerken verwendet wird. Konsensmechanismen bilden das Rückgrat aller Blockchains, da sie die fundamentalen Regeln festlegen, nach denen das jeweilige Netzwerk funktioniert.

Was ist ein Konsensmechanismus?

Zunächst müssen wir uns mit der Idee des Konsenses vertraut machen. Im Wesentlichen versteht man unter dem Erzielen eines Konsenses ein Verfahren, das darauf abzielt, eine Einigung zwischen einer Gruppe von Menschen zu finden.

Im Kontext der Blockchain ist hiermit das Verfahren gemeint, mit dem eine Gruppe von Knoten in einem Netzwerk entscheidet, welche Transaktionen auf der Blockchain gültig sind. Daher ist ein Konsensmechanismus eine Methode, um Einigkeit innerhalb eines Netzwerks zu erzielen.

Eine Blockchain ist also ein digitales Kontobuch mit verteilten, dezentralen und häufig öffentlichen Transaktionen. Jede Transaktion auf einer Blockchain wird als „Block“ mit Daten aufgezeichnet und muss von Peer-to-Peer-Computernetzwerken verifiziert werden, bevor sie der Kette hinzugefügt wird. Dieses System trägt dazu bei, die Blockchain vor betrügerischen Aktivitäten und Doppelausgaben zu schützen.

Es gibt viele verschiedene Konsensmechanismen. Sie funktionieren auf unterschiedliche Weise, haben aber denselben Zweck: sicherzustellen, dass die Transaktionsaufzeichnungen auf einer Blockchain authentisch und integer sind. Proof-of-Stake (PoS) gehört zu den beliebtesten Konsensmechanismen.

Der PoS-Konsensmechanismus

Ein PoS-Netzwerk ist ein System, das gestakete Kryptowährungen als Pfand zur Eigensicherung verwendet. Jeder Validator-Knoten muss eine „gesperrte“ Sicherheitsleistung in Form von ETH im Netzwerk eingezahlt haben, um an der Konsensfindung teilnehmen zu können. Durch die Nutzung von Kryptos als Sicherheit werden die Knoten gezwungen, sich angemessen zu verhalten, was zur Sicherheit des Netzwerks beiträgt.

Was ist ein Validator?

Ein Validatorknoten ist ein wichtiger Bestandteil eines Blockchain-Netzwerks. Er ist für die Teilnahme an der Konsensfindung einer Proof-of-Stake-Blockchain verantwortlich. Validierungsknoten stimmen über die Authentizität eines neuen Transaktionsblocks ab und stellen so gemeinsam sicher, dass neue Blöcke gültig sind, bevor sie dauerhaft zur Blockchain hinzugefügt werden. Währenddessen wird ein bestimmter Knoten als „Blockproposer“ für den aktuellen Zeitabschnitt ausgewählt. Dieser Knoten ist für die Erstellung des neuen Transaktionsblocks sowie dafür verantwortlich, ihn zur Verifizierung an die anderen Knoten weiterzuleiten.

Wie werden neue Blöcke verifiziert?

Jeder Validatorknoten verfügt über die gleiche Kopie des Blockchain-Verlaufs. Anhand dieser gemeinsamen Chronik wird die Gültigkeit der neuen Transaktionsblöcke beurteilt. Danach stimmen die Knoten als Gruppe über diesen Punkt ab, bevor sie ihn in die Haupt-Blockchain einfügen.

Wie wählt das Ethereum-Netzwerk die Validatoren aus?

Die Auswahl der Validatoren im PoS-System von Ethereum erfolgt auf Grundlage des Stakes eines Validators im Netzwerk. Es gilt nämlich: Je höher der Stake, desto höher ist auch die Wahrscheinlichkeit, dass dieser Knoten ausgewählt wird, um den neuen Block zur Kette hinzuzufügen.

Staking-Anforderungen bei Ethereum

Im Ethereum-PoS-System muss jeder Validator die netzwerkeigenen Token staken (in diesem Fall 32 ETH). Die Verpflichtung zum Staking von ETH bietet den Validatoren einen Anreiz, im besten Interesse des Netzwerks zu handeln. Die Validatoren können ihre Investitionen nämlich verlieren, wenn sie versuchen, das System zu unterwandern, oder sich bei der Validierung als unzuverlässig und ineffizient erweisen.

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Was ist Finalität?

Als Finalität (oder Endgültigkeit) wird die Zeit bezeichnet, die benötigt wird, um eine Transaktion in der Blockchain zu schützen. Die Finalität garantiert, dass ein bestimmter Block in der Blockchain nicht mehr verändert oder rückgängig gemacht werden kann. Daher sind die Transaktionen innerhalb des Blocks unveränderlich.

Auch wenn eine Transaktion als Teil des letzten Blocks bestätigt wurde, bedeutet das nicht, dass sie nicht geändert oder rückgängig gemacht werden kann. Für eine kurze Zeit danach kann eine Transaktion Ziel von Angreifern werden, die versuchen, Schwachstellen in der Blockchain auszunutzen.

Blockfinalität bei Ethereum-Proof-of-Stake

Beim Proof-of-Stake von Ethereum werden „Checkpointblöcke“ verwendet, um die Stimmen der Validatoren zu verwalten. Der erste Block jeder Epoche (d. h. eine Zeitspanne von 32 Slots, während der die Validatoren Blöcke vorschlagen und bestätigen und die 6,4 Minuten dauert) ist ein Checkpoint.

Die Validatoren stimmen nicht nur über die Gültigkeit einzelner Blöcke ab, sondern auch über ganze Checkpoints. Erhält ein Checkpoint die Stimmen von mindestens zwei Dritteln der insgesamt gestaketen ETH, wird er hochgestuft. Der zuletzt erstellte Checkpoint wird dann „anerkannt“. Der zuvor anerkannte Checkpoint, der Gegenstand der vorherigen Epoche war, wird nun auf „finalisiert“ hochgestuft.

Wenn ein Angreifer einen finalisierten Block zurücknehmen will, müsste er also bereit sein, mindestens ein Drittel aller gestaketen ETH zu verlieren.

Was ist Slashing?

Slashing (dt. „Kürzung“) ist ein Disziplinarsystem, das bei PoS-Protokollen verwendet wird, um Validatoren für schädliches oder unverantwortliches Verhalten zu bestrafen. Dabei zieht das Netzwerk in der Regel einen Teil der hinterlegten Sicherheit (die ursprünglich gestaketen Coins) ab.

Um das besser zu verstehen, wollen wir einen Blick auf die wichtigsten Elemente des Slashings werfen:

Anreize für Validatoren schaffen

Beim Ethereum-PoS-System dient die Summe der von den Validatorknoten gestaketen Kryptos (32 ETH) als Sicherheitsleistung. Da der Betrag vom Netzwerk „gekürzt“ werden kann (wenn ein Validator sich unangemessen verhält), haben die Validatorknoten ein großes Interesse daran, sich so zu verhalten, dass die Blockchain davon profitiert.

Ausfallzeiten vermeiden

Eine der Verhaltensweisen, die am häufigsten zum Slashing führen, sind Ausfallzeiten. Der Begriff „Ausfallzeit“ bezeichnet dabei den Zeitraum, in dem ein Validierer offline ist und keine neuen Blöcke produzieren kann. Das kann durch Netzwerklatenzen, aber auch durch Software- oder Hardwareprobleme verursacht werden.

Wenn ein Validator ausgefallen ist, kann er nicht am Konsensprozess teilnehmen. Da das der Funktionsfähigkeit des Netzwerks insgesamt zuwiderläuft, wird es vom Netzwerk durch Slashing bestraft.

Wie unterscheidet sich Proof-of-Stake (PoS) von Proof-of-Work (PoW)?

Sowohl PoW als auch PoS sind Arten von Konsensmechanismen. Sie ermöglichen den Betrieb von Kryptowährungsnetzwerken ohne zentrale Steuerungsinstanz. Allerdings erreichen sie das auf unterschiedliche Weise und bieten jeweils unterschiedlich viel Sicherheit und Zuverlässigkeit.

Proof-of-Work: Sicherheit durch Energieverbrauch

Bei Proof-of-Work-Konsensmechanismen kann ein neuer Block erst hinzugefügt werden, nachdem der Block-Hash mithilfe einer äußerst komplexen Gleichung berechnet wurde. Es kann Billionen von Versuchen erfordern, bis dieser Wert von einem Miner zufällig entdeckt wird. Der Stromverbrauch hierbei ist immens. Nur der Miner, dem das zuerst gelingt, bestätigt den Block und wird dafür belohnt. Bei diesem System ist Energie die Ressource, die das Netzwerk verwendet, um sich selbst zu schützen. Die enorme Menge an Energie, die erforderlich ist, um den Konsensmechanismus der Blockchain zu überwinden, ist der Hauptabschreckungsfaktor gegen kriminelle Akteure.

Proof-of-Stake: Sicherheit durch gestakete Coins

Ein Proof-of-Stake-Netzwerk wie Ethereum sichert sich durch das Staking von Kryptowährungen ab. Anstatt Rechenleistung für die Lösung eines Rätsels aufzuwenden, setzen Knoten, die neue Transaktionen validieren, ihren eigenen Wert als Sicherheit ein. Diese Knoten arbeiten dann effizient und zuverlässig, um den Verlust dieser Sicherheiten zu vermeiden.

Derweil müsste ein Betrüger, der die Kontrolle über das Netzwerk erlangen möchte, mehr als 51 % der zu diesem Zeitpunkt gestaketen Coins besitzen. Die Kontrolle über 51 % aller gestaketen Coins im Netzwerk zu erhalten, ist allerdings derart aufwendig, dass ein solcher Angriff extrem unwahrscheinlich ist. So funktioniert der Konsensmechanismus, mit dem Proof-of-Stake-Netzwerke abgesichert werden.

Ethereum Proof-of-Stake

Nachdem der jüngste Merge nach jahrelanger Arbeit unlängst abgeschlossen wurde, ist die Umstellung von Ethereum auf Proof-of-Stake nun aktiv. Allerdings ist der Prozess insgesamt noch nicht beendet, sodass seine volle Wirkung sich noch nicht entfalten kann. Ethereum 2.0 ist also noch nicht da.

Zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Texts sind die gestaketen ETH und die Staking-Belohnungen noch nicht freigeschaltet. Außerdem steht die Implementierung einiger wichtiger neuer Skalierbarkeitsoptionen (wie z. B. Sharding) noch aus. Erst die Zeit wird Aufschluss darüber geben, wie sicher das Netzwerk mit diesem neuen Konsensmechanismus wirklich ist.

Erst wenn du den Proof-of-Stake-Konsensmechanismus von Ethereum verstanden hast, kannst du bei der Interaktion mit der Ethereum-Blockchain über die Ledger-ETH-Wallet fundierte Entscheidungen treffen. Wissen ist Macht. Die Ledger Academy soll dir das Wissen vermitteln, das du brauchst, um den komplexen, aber leistungsstarken Konsensmechanismus zu entschlüsseln, der die riesige Ethereum-Blockchain schützen soll.

Wissen ist Macht.