Es gibt nicht viele Dinge in der Kryptogemeinde, die für so viel Spaltung sorgen, wie die Diskussion darüber, welcher Konsensmechanismus besser ist, Proof of Work (PoW) oder Proof of Stake (PoS). PoW ist der erste in Blockchains verwendete Konsensmechanismus, der unter anderem in Bitcoin und seinen Forks für den Sybilschutz zuständig ist. PoS wurde erst später entwickelt. In den verlinkten Artikeln ist die grundlegende Funktionsweise von PoW bzw. PoS beschrieben. Ein echtes PoS System ist praktisch so gut wie nicht realisierbar, da nie alle Tokenbesitzer rund um die Uhr einen Netzwerkknoten betreiben können. Die meisten PoS Systeme sind zumindest Delegated Proof of Stake (DPoS) Hybriden. Da es sich bei PoS in der Praxis fast immer um irgendeine Art von DPoS-System handelt, setzen wir hier PoS mit DPoS gleich. In diesem Artikel gehen wir auf Argumente ein, die in der Diskussion PoW gegen PoS immer wieder aufkommen und vergeben im Vergleich Punkte.
Onchain Konsensus bei PoW und PoS
Sowohl PoS als auch PoW sind Onchain-Konensus Mechanismen. Dies ist nicht der einzige Konsensus in einem Blockchain-Netzwerk. Man darf den mächtigeren Offchain-Konsensus nicht ausschließen. Auf welche Regeln einigt sich die Blockchain-Gemeinde überhaupt? Durch Herunterladen der Knotensoftware, welche die gewünschten Regeln enthält, stimmt jeder Knotenbetreiber diesen zu. Man kann jede Blockchain aufspalten, indem ein Teil der Gemeinde neuen Regeln folgt. So kann jede Blockchain theoretisch und technisch z. B. Transaktionen rückgängig machen. Das Vertrauen an sich steckt am Ende am gemeinsamen Glauben in die Prinzipien der Community. Als Erstes gehen wir auf den Onchain-Konsensus der beiden Systeme ein.
Anhäufung von Stimmgewicht
Für den Onchain-Konsensus ist es von Vorteil, wenn das Stimmgewicht (bei PoW die Hashrate / bei PoS die Coins) fluktuieren und sich immer wieder neu Verteilen. Hier unterliegen beide Systeme dem Paretoprinzip, das besagt, dass in Systemen ein großer Teil des Aufwandes von einem kleinen Teil der Teilnehmer erzielt wird. Im Bitcoinnetzwerk sind z. B. relativ wenige Bitcoinhalter für die Organisation der Hashrate bzw. konsensusrelevanten Infrastruktur verantwortlich. Durch die Gesetze der Economy of Scale spezialisieren sich Unternehmen, optimieren die Prozesse und nutzen die Vorteile von Mengenrabatt, Zugang zu günstigem Strom und weltweite Beziehungen, um sich gegenüber von anderen Netzwerkteilnehmern einen Vorteil zu verschaffen.
Dies gilt auch für PoS. Die Umverteilung von Kapital erfolgt über ökonomische Prozesse. Unternehmen werden größer und häufen Kapital an, andere Unternehmen gehen in Konkurs und verlieren Kapital. Doch die Tendenz geht eher hin zu einer Zentralisierung gemäß dem Paretoprinzip. Ein Argument, das hier oft vonseiten der PoW-Befürwortern kommt ist, wenn sich erst einmal 51 % des Stakes in den Händen von bösartigen Tokenhaltern befindet, ist die Community deren Willen hilflos ausgeliefert (was nicht stimmt, da sie via Offchain-Konsensus forken kann / siehe weiter unten). Bei PoW gelte das nicht, weil man Hashrate von außen zuschalten könne, um die bösartigen über 51 % der Hashrate wieder auf unter 50 % zu drücken. Das ist zwar richtig, aber im umgekehrten Fall, wenn 51 % bei PoS den Gutwilligen gehört, kann PoS nicht angegriffen werden, PoW jedoch schon, da die Böswilligen Hashrate hinzuschalten können.
Man darf auch nicht vernachlässigen, dass eine böswillige Entität auch bei PoW indirekt angreifen kann, wenn sie über 51 % der Coins verfügt. Bei PoS wie auch bei PoW riskieren die Angreifer bei einem Verstoß gegen die Prinzipien des Netzwerkes einen gehörigen Teil ihres Kapitals. Die Sicherheit des Bitcoinnetzwerkes hängt zum größten Teil an der Blockbelohnung. Die Miner machen ihren Job nur, wenn am Ende für sie noch etwas an Gewinn übrig bleibt. Rund 328.500 Bitcoin beträgt die Blockbelohnung aktuell pro Jahr. Gibt eine Entität mehr aus, kann sie über 51 % der Hashrate für sich gewinnen, es sei denn die anderen minen auf Verlust.
Nicht nur das, hat eine böswillige Entität erstmal 51 % oder mehr, kann sie die Blöcke der anderen ignorieren und nur die Blockhashes der Blöcke einbinden, die sie selbst gemint hat. Damit verdienen die anderen überhaupt nichts mehr und sterben ab. Mit 51 % liefert der Angreifer immer die längste Kette und nach den nächsten Difficulty-Anpassungen alle 10 Minuten im Schnitt einen Block. Hat eine Entität nun mehr als 51 % aller Bitcoins (aktuell rund 9,4 Mio.) kann sie rund 23 Jahre lang angreifen (400.000 BTC pro Jahr ausgeben und so die anderen auf Verlust minen machen), die künftigen Halbierungen nicht berücksichtigt. Mit Berücksichtigung künftiger Halbierungen der Blockbelohnung wesentlich länger. Es würde vielleicht 2-3 Jahre dauern, bis die Infrastruktur aufgebaut ist, aber dann stünde der Entität nichts mehr im Wege, das Netzwerk zu übernehmen.
Mengenrabatt vs. linearer Zuwachs
Bei beiden Systemen können Tokenhalter am Konsens teilnehmen oder nicht. Möchte man bei einem PoS-System am Konsens teilnehmen, muss man seine Coins wegsperren bzw. staken. Dann bekommt man meist auch eine Stakingbelohnung. Diese Stakingbelohnung ist linear. Das heißt, wenn ein Wal staket und ein kleiner Fisch staket, verändern sich die Machtverhältnisse nicht. Der prozentuale Anteil der Macht bleibt gleich, daran ändert auch der Zinseszins nichts, was viele fälschlicherweise annehmen. Bei PoW hat ein großer Miner jedoch Vorteile. Wie es auf Märkten üblich ist, bekommen Großeinkäufer Rabatte. Dies berücksichtigt gewinnt ein Großminer im Verhältnis zu einem Einzelminer über die Zeit mehr an Macht im Netzwerk.
Fazit
Den Onchain Konsensus betrachtend, ist PoS ausgewogener, da eine Teilnahme am Konsensus für alle Teilnehmenden dieselben Konsequenzen hat und die Machtverhältnisse gleich bleiben. Bei PoW kommt es durch Mengenrabatte zu einem Machtvorsprung von großen Organisationen zulasten kleinerer Miner. Ein weiterer Vorteil von PoS ist, dass es nicht viel kostet, das Netzwerk zu sichern. Ein Angreifer muss, je nach Preis des Coins, gehörige Summen ausgeben, um sich 51 % der Coins unter den Nagel zu reißen. Bei PoW hat die Community laufend Ausgaben, um den Energiebedarf zu bezahlen. Je mehr Energie verbraucht wird, umso sicherer. Also, je mehr Geld die Community ausgibt, desto härter wird es für einen Angreifer. Diese Geldausgabe fällt bei PoS weg. Die Onchain-Sicherheit hängt vom Coinpreis ab, bei PoW nur, solange es eine Blockbelohnung gibt, die am Ende durch Inflation wieder die Tokenhalter belastet. Der Punkt geht hier deshalb an PoS.
Offchain Konsensus bei PoW und PoS
Wie bereits beschrieben ist der Offchain-Konsensus mächtiger als der Onchain-Konsensus. Eine Community, die sich betrogen fühlt oder mit gewissen Regeln oder Zuwiderhandlungen gegen ihre Prinzipien nicht einverstanden ist, kann sich abspalten. So geschehen bei Bitcoin Cash und vielen weiteren Bitcoin Forks oder Ethereum / Ethereum Classic. Schauen wir uns an, was die Community machen kann, im Falle, dass eine böswillige Entität am meisten Stimmkraft gewinnt.
PoW
Sollte bei PoW eine böswillige Macht am meisten Stimmkraft gewinnen, gegen die Prinzipien der Gemeinde handeln und z. B. Transaktionen zensieren, wird es schwer werden, onchainmäßig die Oberhand zu gewinnen. Dazu müsste aufwändig Hardware nachproduziert und der Angreifer hashratemäßig übertrumpft werden. Dies würde sehr viel Zeit und Aufwand in Anspruch nehmen und deshalb einen großen Wertverlust der Coins mit sich bringen. Die Community könnte einen Hardfork in Betracht ziehen. Dazu müsste sie den Hashingalgorithmus ändern und würde damit alle Mininggeräte für die neue Kette unbrauchbar machen. Die Community müsste wieder von ganz vorne anfangen mit zuerst PC- bzw. GPU-Mining und dann langsam wieder Spezialisierungen zu Asics, Miningfarmen und Pools durchführen.
Wegen dieser umständlichen Prozesse ist es äußerst fragwürdig, ob die neue Kette noch einmal an den Erfolg der Alten anknüpfen könnte. Es würde ggf. Jahre dauern (bei optimaler Preisentwicklung) bis man sicherheitsmäßig wieder an dem Punkt ist, an dem man vorher war. Bitcoin hatte am Anfang z. B. im Code verankerte Blockhashes, da Satoshi den reinen PoW als zu unsicher erachtete. Diese im Quelltext verankerten Blockhashes (Satoshi nannte sie Safeguards) zentralisierten das Netzwerk stark auf die Core-Entwickler. PoW ist in der Anfangsphase sehr vulnerabel und deshalb ein langfristiger Erfolg relativ ungewiss.
Man muss durch eine Änderung des Hashingalgorithmus alle Geräte unbrauchbar machen, da PoW komplett berechtigungsfrei ist. Jeder kann am Mining teilnehmen. Wenn ein Netzwerkknoten einen Block sieht, kann er ihn nicht dem Miner bzw. Angreifer zuordnen. Das einzige Identitätsmerkmal ist die Coinbase Adresse im Block und da kann der Miner / Angreifer für jeden Block eine neue verwenden, sodass der Block nicht zugeordnet werden kann. Ein Problem bei PoW ist außerdem die schwere, stromfressende Hardware, die leicht aufgespürt und eventuell vom Staat konfisziert und für seine Zwecke eingesetzt werden kann.
PoS
Bei PoS geht ein Hardfork wesentlich einfacher vonstatten. Der Mechanismus ist halb berechtigungsfrei, da das Netzwerk ja verifizieren muss, dass der Blockproduzent auch genügend Stake hinter sich hat, um berechtigt zu sein, den Block zu produzieren. Möchte eine Entität jetzt zensieren, muss sie mit ihrem Stake dafür wählen. Dafür muss sie ihren Stake sperren bzw. staken. Um den Stake wieder zu entsperren, vergehen in der Regel fristen von bis zu mehreren Tagen. Die Community sieht auf der Blockchain, welcher Stake hinter den Blöcken steht, die zensieren. Diesen Stake kann sie bei einem Hardfork raus zensieren und dem Angreifer bzw. den Angreifern auf der neuen Kette die Macht nehmen (so geschehen z. B. beim Steem / Hive Hardfork). Das Forken selbst ist bei PoS wesentlich unproblematischer, da die schwere Mininghardware fehlt und lediglich eine neue Software aufgespielt werden muss. Innerhalb von Stunden steht das neue Netzwerk.
Fazit
PoS ist wesentlich einfacher zu forken als PoW. Dies führt dazu, dass die Anreize eines Angriffes sinken. Greift man PoW erfolgreich an, ist die Wahrscheinlichkeit wesentlich größer, dass man dem Netzwerk nachhaltig schadet als bei PoS. Der Punkt geht hier klar an PoS.
Natürlich kann es ein Problem sein, wenn ein Netzwerk onchainmäßig so schwach ist, dass die ganze Zeit offchainmäßig geforkt werden muss. Deshalb ist ein starker Onchain-Konsensus (bei PoW so viel wie möglich für Energieverbrauch ausgeben und bei PoS ein hoher Tokenpreis) für jedes Netzwerk von Relevanz.
Potenzielle Dezentralität
Beim Vergleich von Konsenssystemen kann man keine Rückschlüsse auf die Dezentralität in der Praxis ziehen. Es kommt darauf an, wie sich die Macht verteilt. Es gibt allerdings Faktoren, welche die Dezentralität einschränken bzw. fördern. Ein System hat eine umso größere potenzielle Dezentralität, je einfacher es ist, am Konsensus teilzunehmen. Bei PoW muss man in einem Land sein, in dem die Strompreise eine Schwelle nicht überschreiten, damit am Ende durch die Teilnahme am Konsensus kein Defizit entsteht. In Europa minet man fast in jedem Land mit Verlusten. Zudem braucht es eine gewisse Expertise, um ein Mininggerät zu betreiben, für einen Miningpool zu wählen usw. Im Gegensatz dazu ist es überall von der Welt aus möglich, einen Coin zu kaufen und zu staken.
Diese Einfachheit kann auch ein Nachteil sein. Viele Tokenhalter sind nur an Gewinnen interessiert und haben von dem Konsensmechanismus keine Ahnung. Bei PoW bringt jeder Miner ein gewisses Wissen mit. Deshalb sind seine Entscheidungen (welchen Pool wählen etc.) wahrscheinlich qualitativ besser. Trotzdem können viele Menschen, die das System kennen in vielen Ländern nicht am Konsensus teilnehmen, was ein großer Nachteil für ein vermeintlich dezentrales Netzwerk ist.
Fazit
Die potenzielle Dezentralität ist bei PoS wesentlich höher als bei PoW. Deshalb geht dieser Punkt an PoS.
Ressourcenverbrauch
PoW verbraucht wegen der nötigen Umwandlung von Energie deutlich mehr Ressourcen als PoS. Es muss Hardware (die meistens nicht lange Effizient ist und wegen ihrer Spezialisierung dann nur mehr weggeworfen werden kann) entwickelt und große Mengen Strom verbraucht werden. Wie bereits erläutert, kommt die Community für diese Ausgaben auf. Bei PoS betreibt man lediglich einen einfachen Server als Netzwerkknoten. Die Sicherheit hängt hier maßgeblich vom Coinpreis ab (der bei einem Aufkaufversuch erheblich steigen dürfte) und nicht von den Ausgaben der Community.
Fazit
PoS verbraucht weniger Ressourcen und ist damit umweltschonender und kostengünstiger. Dieser Punkt geht klar an PoS.
Wählen mit fremder Stimmkraft
Viele Tokenhalter haben sowohl bei PoW als auch bei PoS ihre Coins auf zentralen Börsen liegen. Für PoW stellt dies kein Problem dar, für PoS allerdings schon. Die Börsen können also mit fremder Stimmkraft am Konsensus teilnehmen. Dies widerspricht einem Argument von PoS, nämlich dem, dass Tokenhalter an einer gesunden Preisentwicklung ihres Kapitals interessiert sind und deshalb für das Netzwerk günstige Entscheidungen treffen. Börsen sind jedoch nicht im Besitz der Token und haben ihre eigenen Interessen. Es könnte unter Umständen zu Interessenskonflikten kommen, besonders, wenn Börsen Konkurrenzprodukte am Laufen haben, wie z. B. Binance mit seiner Smart Chain. Obwohl die Tendenz immer mehr hin zu dezentralen Börsen geht, ist dieser Sachverhalt aktuell noch ein Nachteil von PoS.
Fazit
Das Wählen mit fremden Token ist hinsichtlich der vielen auf Börsen gehaltenen Token ein Nachteil für PoS. Dieser Punkt geht deshalb klar an PoW.
Stellungnahme zu PoS kritischem Artikel
Vor nicht allzu langer Zeit wurde ein Artikel verfasst, der PoS als den schlimmsten Konsensmechanismus überhaupt beschreibt (hier die deutsche Übersetzung) und der von PoS Kritikern oft zitiert wird. Hier gehen wir auf ein paar der Argumente dieses Artikels ein.
PoS Tokenhalter können den Zutritt zum Netzwerk für andere Parteien verwehren
Ein zentrales Argument, das der Artikel erwähnt, ist, dass die Tokenhalter eines PoS-Netzwerkes ihre Coins theoretisch nicht verkaufen und so anderen Parteien den Zutritt verwehren könnten. Theoretisch mag das Argument stimmen. Wenn wirklich alle Tokenhalter ihre Coins nicht verkaufen, dann hat keiner mehr Zutritt zum Konsensus des betreffenden PoS Netzwerks, außer die aktuellen Tokenhalter selbst. Es ist bislang noch kein Fall bekannt, dass in einem hinreichend großen PoS Netzwerk so etwas jemals passiert ist und die Wahrscheinlichkeit, dass so etwas jemals passieren wird, ist relativ gering.
Es gibt keinen Anreiz für Tokenhalter, sich so zu verhalten bzw. ist es so gut wie unmöglich, dass in einem hinreichend großen Netzwerk mit vielen Teilnehmern kein einziger seine Token verkauft. Ein solches Netzwerk würde an Wert verlieren, was nicht im Sinne der Tokenhalter ist. Wir wissen alle, wie sehr sich die Communities um die Gunst neuer Nutzer für ihr Netzwerk bemühen. Das im Artikel beschriebene Szenario ist zwar theoretisch nicht unmöglich, aber wirkt mehr als realitätsfremd. Während der Beweis solcher im Artikel beschriebener Zustände für ein großes PoS Netzwerk noch aussteht, hat PoW bereits bewiesen, dass große Teile der Welt vom Konsens ausgeschlossen sind, da die Stromkosten in vielen Ländern einfach zu hoch sind.
Private Netzwerkknoten haben weder bei PoW noch bei PoS einen Einfluss auf den Konsensus. Die Anzahl der Netzwerkknoten kann man nicht kontrollieren, deshalb braucht es den Sybilschutz (PoW / PoS), welcher gewährleistet, dass man nicht unbegrenzte Stimmkraft vorgaukeln kann. Sehr wohl aber gibt es systemrelevante Netzwerkknoten, wie große Börsen. Diese können durch Tokenlistigs bzw. Delistings die Entscheidungen der Konsensteilnehmer (Miner / Staker) nachhaltig beeinflussen. Private Netzwerkknoten dienen bei PoW oder auch bei PoS zur Validierung der Protokollregeln.
Schlechte initiale Tokenverteilung
Des Weiteren nennt der Artikel Szenarien, in welchen eine Entität bei der initialen Ausgabe der Coins einen Großteil einbehält und somit Macht nicht abgibt. Auch dieses Szenario ist theoretisch möglich. Es ist bei einem PoS-Netzwerk deshalb wichtig, wie die Coins verteilt worden sind. Es gibt durchaus faire und transparente Methoden der Verteilung der Macht. Über die Zeit zentralisiert sich die Macht dann wieder eher nach dem Paretoprinzip, wie bei PoW auch. Für die Communitymitglieder zählen die Prinzipien, welchen die Mehrheit der Community selbst folgt. Technisch gesehen können z. B. bei Bitcoin die 3 größten Pools zensieren.
Der Nutzer vertraut aber darauf, dass in so einem Fall die Miner ihre Pools wechseln, weil die Bitcoin Community Zensurresistenz groß auf die Fahne geschrieben hat. Dasselbe gilt für PoS. Es kann theoretisch sein, dass eine Entität oder ein paar Wale zusammen 51 % oder mehr der Coins hat / haben. Dies ist auch kein Problem, solange nach den Prinzipen der Community gehandelt wird. Kommt es zu einem Regelverstoß, kann die Community onchain- oder offchainmäßig handeln, wie bereits oben beschrieben.
Es gibt keinen Mechanismus, der irgendjemanden dazu zwingt, Kontrolle abzugeben
Dieses Argument scheint nur auf den ersten Blick einleuchtend. Große Mengen an Stake häufen sich nur sehr wenige Menschen durch Lottogewinne oder ähnliche glückliche Ereignisse an. Das meiste Kapital wird in der Realität durch ökonomische Prozesse angehäuft, sprich, das meiste Kapital steht hinter erfolgreichen Projekten und Unternehmen. Diese Unternehmen sind Risiken ausgesetzt, sie stehen in Konkurrenz und können insolvent werden, genauso wie Miningunternehmen. Tun sie das, wechselt das Kapital seinen Besitzer. Dass die meisten großen Wale, nirgends in der Realwelt Risiken oder Verbindlichkeiten haben, weil ihnen ihr Kapital einfach so zugefallen ist, ist ein Ammenmärchen. Es wird zwar schon Glückspilze der ersten Stunde geben, wie bei allen Projekten, aber selbst diese wollen zumindest einen Teil ihrer Gewinne in reale Güter umwandeln und ihr Kapital für Dienstleistungen und Produkte eintauschen, jene Dinge, welche die Menschen am Ende wirklich wollen.
Es gibt weitere Argumente im Artikel, die jedoch speziell auf das PoS von Ethereum abzielen. Jedes PoS wie auch PoW System hat eigene Regeln und Kontrollmechanismen.
Gesamtfazit
Wir haben nun mehrere Aspekte, sowohl von PoW als auch von PoS, verglichen. Dabei hat PoS mit vier erreichten Punkten gegen PoW mit einem erreichten Punkt wesentlich besser abgeschnitten. Kein Konsensmechanismus ist perfekt, da durch das Paretoprinzip immer relativ wenige relativ viel Macht anhäufen, bei PoW wie auch bei PoS. Sogar wenn jeder Netzwerkteilnehmer eine gleich gewichtige Stimme hätte, wie in modernen Demokratien, wirkt das Paretoprinzip, worauf wir in einem weiteren Artikel genauer eingehen werden. Aktuell bietet PoS gegenüber PoW signifikante Vorteile. Bei Ethereum gibt es bald einen Umstieg von PoW auf PoS, was weitere Erkenntnisse aus der Praxis und bessere Vergleichsmöglichkeiten zwischen den beiden Systemen ermöglichen sollte.
