Kryptowährungen verstehen: Proof of Stake

Da der erste Konsensmechanismus der Welt, Proof of Work, so einige Probleme mit sich bringt, haben sich Leute darüber den Kopf zerbrochen, wie man das System optimieren könnte. Dieser Artikel setzt voraus, dass du die Grundlagen zu Proof of Work verstanden hast. Falls nicht empfehlen wir folgenden -> Artikel.

Geschichte und Konzept

Proof of Stake (PoS) wurde von einem anonymen Entwickler Namens Sunny King das erste mal im Kryptoprojekt Peercoin umgesetzt. Das Whitepaper dazu erschien am 19. August 2012. PoS als Konsensmechanismus wurde allerdings schon 2011 in Bitcoinkreisen diskutiert.

Die für einen vertrauenslosen dezentralen Konsensus notwendige Mehrheit wird bei PoS hauptsächlich über das Guthaben anstatt wie bei Proof of Work über die Hashleistung hergestellt. Deshalb ist die Wahrscheinlichkeit einen Block zu produzieren umso höher je mehr Guthaben man besitzt. Für die Selektion wer im Netz den Block produzieren darf gibt es unterschiedliche Herangehensweisen.

Peercoin zum Beispiel ist nicht zu 100% PoS sondern beinhaltet zusätzlich PoW mit variablem Zielhashbereich. Der Zielhash hängt vom Coinage und den gehaltenen Coins ab. Coinage oder Alter der Coins gibt an wie lange die Coins schon auf einer Adresse liegen. Je höher die Summe aus Coinage*Coins seiner Adresse ist, desto größer wird der Zielhashbereich des potentiellen Blockproduzenten. So ist es natürlich für jemanden der viele Coins lange hält einfacher einen Block zu finden.
Mining ist in PoS optional. Es kann sein, dass die Coins schon im Vorfeld alle erzeugt worden sind. Peercoin z.B. entlohnt die Blockproduzenten.

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Vorteile von PoS

Der Stromverbrauch ist wesentlich geringer als bei PoW da die Berechnungen wegfallen.
Jeder der Coins hat, kann Blöcke produzieren.
Bei PoW steigt die Macht der Blockproduzenten exponentiell, da investitionsstarke Miner bei der Anschaffung von viel Hardware größere Rabatte bekommen als Teilnehmer die sich weniger leisten können. Bei PoS steigt der Einfluss linear. Somit bleibt die Umverteilung innerhalb des Systems mehr oder weniger stabil.
Große Firmen die bei PoW durch Optimierung der Hardwarekomponenten zu Zentralisierung geführt haben wie Bitmain sind bei PoS ausgeschlossen.

Nachteile von PoS

Proof of Stake ist vor allem noch ein theoretisches Konzept. Es gibt nur wenige Projekte die PoS implementieren vor allem wegen folgender Probleme:

Im Falle eines Forks kann der nächste Blockproduzent einfach auf beiden Ketten staken. Bei PoW müsste er dazu auf beiden Ketten minen, was ihm höhere Energiekosten bescheren würde. Bei POS entfallen diese Zusatzkosten. Bei PoS wählt ein wirtschaftlich denkender Staker daher immer beide Ketten, da er so seine Belohnung nicht riskiert, ganz gleich welche Kette sich am Ende durchsetzt. Denn wenn sich der Zweig durchsetzt, an dem er nicht weitergestaked hat, ist die Belohnung weg. Man nennt dieses Problem auch “Nothing at Stake” Problem und es ist bislang noch nicht zufriedenstellend gelöst.
Bei PoW muss ein Angreifer zum Umstrukturieren der Kette ab einem Block mehr Rechenleistung aufbringen wie bisher seit diesem Block vom ganzen Netzwerk aufgebracht wurde. Rechenleistung ist so gut wie das Einzige, was man mit Computern nicht fälschen bzw. simulieren kann. Bei PoS könnte man hingegen die ganze Kette und alle geschichtlichen Vorgänge darauf mit einem Computer simulieren bzw. auf diese Weise eine Kette mit mehr Stake generieren als die Existierende. So würde es für das Netz unklar werden welche Kette nun die Ehrliche ist. Dies löst man momentan mit Checkpoints. Die Nodes bekommen Blockhashes der validen Kette die sie abspeichern. Sie akzeptieren dann keine alternative Kette die diese Blockhashes nicht enthält. Dazu müssen sie dauernd online sein. Bei Peercoin gibt es eine zentrale Instanz die diese Blockhashes im Netz ausstrahlt. Man nennt diesen Angriffsvektor “Long range attack”.
Ein weiteres Problem ist die Wahl des Blockproduzenten. Bei PoW ist sie zufällig. Wer einen gültigen Blockhash als erstes findet, darf den Block produzieren. Bei reinen PoS Systemen gestaltet sich die Selektion als schwierig. Es ist wichtig, dass die Wahl zufällig erfolgt. Der Algorithmus muss öffentlich bekannt sein, damit alle die Wahl beglaubigen können. Dabei es ist äußerst schwierig einen Zufallsprozess innerhalb des Konsensmechanismus einzubinden der nicht manipuliert werden kann. Nehmen wir zum Beispiel ein System, das den Blockhash des aktuellen Blocks nimmt um den nächsten Blockproduzenten zu bestimmen. Nun könnte der aktuelle Blockproduzent gezielt nach Hashes suchen, die wiederum ihn oder eine vorgezogene Partei zum nächsten Blockproduzenten macht. In diesem Fall hätten wir indirektes PoW, da der Blockproduzent wiederum angereizt ist nach bestimmten Hashes zu suchen.
Kryptobörsen haben mit den Token ihrer Kunden Einfluss.

Was eignet sich besser für Kryptowährungen?

Wenn man die Nachteile von PoS beleuchtet, sieht man erst die Effizienz von Nakamotos PoW. Die obgenannten von PoW gelösten Probleme müssen bei PoS erst noch gelöst werden bzw. muss noch gezeigt werden, dass sie überhaupt lösbar sind. Peercoin wird mit seinen Checkpoints als zentrales System angesehen. Projekte die sich in dieser Hinsicht viel vorgenommen haben und auf die wir gespannt sein dürfen sind Ethereum mit seinem PoS protokoll Casper und Cardano mit Ouroboros.

Ethereum und Cardano arbeiten fieberhaft an der Umsetzung eines funktionierenden PoS, denn sollte ein dezentrales PoS möglich sein, würde dies die enorme Energieverschwendung von PoW ein Ende bereiten. Beide sehen die Zukunft der Kryptowährungen nicht in Proof of Work.

https://twitter.com/IOHK_Charles/status/989540452322836480

https://twitter.com/VitalikButerin/status/1077548790272405504

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