Konsens-Algorithmen: Proof of Stake

Proof of Stake einfach erklärt

Proof of Stake (PoS) ist einfach erklärt eine Methode, um Blockchains und Kryptowährungen, zu sichern, zu betreiben und neue Coins oder Token zu generieren. Anstatt komplexe Berechnungen wie bei Proof of Work (PoW) zu nutzen, erlaubt Proof of Stake (PoS) Nutzern, einen Teil ihrer Kryptowährung zu hinterlegen (Staking), dadurch zur Sicherheit der Blockchain beizutragen und Belohnungen (Staking-Rewards) zu erhalten.

Ein Proof of Stake (PoS)-Konsens-Algorithmus besteht aus Regeln. Er sichert die Einhaltung dieser Regeln in einem Blockchain-Netzwerk sowie die Erzeugung des nativen Coins oder Token. Genauso wie der Proof of Work (PoW)-Algorithmus ist der Proof of Stake-Algorithmus die Grundlage für die Erreichung eines Konsenses. Konsens bedeutet, dass alle Teilnehmer sich darauf einigen, welche Transaktionen korrekt und Teil der Blockchain sind. In Proof of Work-Netzwerken werden die Teilnehmer, die neue Blöcke zur Blockchain hinzufügen als „Miner“ bezeichnet. In Proof of Stake-Netzwerken werden diese Netzwerkteilnehmer dagegen als „Staker“, „Witnesses“ oder „Minter“ bezeichnet. Ein Validator ist ein Staker, der vom Netzwerk zur Bestätigung einer Transaktion oder der Prüfung eines neuen Blocks ausgewählt wird. 

Um in einem Proof of Stake-Netzwerk Transaktionen überprüfen und neue Blöcke erzeugen zu können, müssen die Netzwerkteilnehmer einen gewissen Anteil („Stake“) an Coins oder Token des Netzwerks besitzen. Das Einzahlen dieses Anteils wird als „placing a stake“ oder „staking“ bezeichnet. Wie viele Blöcke ein Netzwerkteilnehmer eines PoS-Systems erzeugen kann, hängt von der Größe seines Anteils im Netzwerk ab. 

Wie funktioniert Proof of Stake?

Wird ein Nutzer, der Coins oder Token gestakt hat, vom Proof of Stake-Netzwerk als Validator ausgewählt, überprüft er Transaktionen, fügt sie in einen neuen Block ein und fügt diesen Block der Blockchain hinzu. Dafür erhält er Staking-Rewards. Handelt er gegen die Regeln, dienen die gestakten Assets als Sicherheit und können bei Bedarf eingezogen werden, um die Integrität des Netzwerks zu wahren und betrügerisches Verhalten zu bestrafen.

Proof of Stake basiert auf deterministischen Algorithmen. Das bedeutet, dass die Validatoren neuer Blöcke je nach Art der Beteiligung gewählt werden. Die Menge der gestakten Kryptowährung ist dabei nicht das einzige Kriterium, da sonst eine unerwünschte Zentralisierung des Konsensverfahrens stattfinden könnte. Um das zu vermeiden, gibt es mehrere Methoden zur Auswahl eines Validators. Unterschiedliche Kryptowährungen auf Basis einer Proof of Stake-Blockchain nutzen verschiedene Auswahlmethoden, um Staker als Validatoren zu wählen und mit Rewards zu belohnen. 

Was ist der Byzantine-Fault-Tolerance-Ansatz? 

So kompliziert das Thema zum Teil auch erscheinen mag, mithilfe der nachfolgenden detaillierten Erklärung bringen wir den BFT-Ansatz im Proof of Stake für dich auf den Punkt.

1. Netzwerkteilnahme durch Staking: Nutzer hinterlegen (staken) eine bestimmte Menge ihrer Kryptowährung, um am Netzwerk teilzunehmen. Dieser Schritt ist notwendig, um als potenzieller Validator in Betracht gezogen zu werden.

2. Auswahl der Validatoren: Aus der Gruppe der Staker wählt der Algorithmus eine bestimmte Anzahl an Validierern aus. Diese Auswahl kann basierend auf verschiedenen Kriterien wie der Menge des gestakten Vermögens, der Dauer des Stakings oder zufälligen Faktoren erfolgen.

3. Vorschlagen eines neuen Blocks: Einer der ausgewählten Validatoren wird bestimmt, um einen neuen Block vorzuschlagen. Diese Rolle wird in Proof of Stake-Netzwerken auch als „Proposer“ bezeichnet. Die Aufgabe beinhaltet das Sammeln und Verifizieren von Transaktionen, die in den Block aufgenommen werden sollen.

4. Überprüfung und Zustimmung: Die anderen ausgewählten Validatoren überprüfen den vorgeschlagenen Block auf Korrektheit. Sie prüfen, ob die Transaktionen gültig sind und den Regeln des Netzwerks entsprechen.

5. Erreichen von Konsens: Um den Block zur Blockchain hinzuzufügen, muss eine Mehrheit der Validierer zustimmen. Dieser Schritt ist entscheidend, um sicherzustellen, dass nur korrekte und vertrauenswürdige Informationen in die Blockchain aufgenommen werden.

6. Belohnung (Reward) und Abschluss: Nach erfolgreichem Hinzufügen des Blocks zur Blockchain erhalten der Blockersteller und die zustimmenden Validatoren eine Belohnung. Diese besteht in der Regel aus neuen Token bzw. Coins des betreffenden Netzwerks. So entsteht ein Anreiz, der ehrliche und regelkonforme Teilnahme am Netzwerk fördert.

Der BFT-Ansatz hilft dabei, das Problem der „Byzantinischen Generäle“ zu lösen. Dieses Konzept beschreibt die Herausforderung, einen Konsens in einem verteilten System zu erreichen, selbst wenn einige Teilnehmer unzuverlässig sind oder böswillig agieren.

Die Chain-Based-Methode 

Die Chain-Bases-Methode beim Proof of Stake erfolgt per Definition in folgenden Schritten:

1. Staking zur Teilnahme: Wie beim BFT-Ansatz qualifizieren sich Nutzer als Validatoren beim Proof of Stake, indem sie einen Teil ihrer Kryptowährung im Netzwerk staken. 

2. Zufällige Auswahl der Validatoren: Die Auswahl der nächsten Validatoren erfolgt dann im Unterschied zum BFT-Ansatz zufällig aus den stakenden Teilnehmern aus. Dieser Prozess kann zwar durch verschiedene Faktoren wie den Stake-Betrag oder die Dauer des Stakings beeinflusst werden, erfolgt im Wesentlichen aber per Zufallsauswahl.

3. Blockerstellung durch den Validator: Der ausgewählte Validator überprüft und sammelt die die Transaktionen zunächst und erstellt einen Block, sobald deren Echtheit und Richtigkeit verifiziert wurde. 

4. Hinzufügen des Blocks zur Blockchain: Nachdem der Validator einen Block erstellt hat, wird dieser der Blockchain hinzugefügt. Eine Abstimmung oder Bestätigung durch andere Validierer, wie beim BFT-Ansatz, ist nicht nötig.

5. Belohnung für die Blockerstellung: Der Validator, der den Block erfolgreich erstellt und zur Blockchain hinzugefügt hat, erhält eine Belohnung, in der Regel in Form der gestakten Kryptowährung.

Dieser Ansatz schafft eine kontinuierliche und vorhersehbare Kette von Blöcken, die von zufällig ausgewählten Validatoren erstellt werden. Die Chain-Based-Methode stell zwar eine Alternative zum komplexeren BFT-basierten Konsensmechanismus dar, birgt dafür aber Herausforderungen im Hinblick auf die Netzwerksicherheit.

Proof of Stake vs. Proof of Work: Unterschiede

Die Unterschiede zwischen Proof of Stake (PoS) und Proof of Work (PoW) liegen in unterschiedlichen Bereichen. PoS ist eine energieeffizientere Alternative zum PoW, was zu Unterschieden in der Netzwerksicherheit und schnelleren Transaktionen führt. Zudem erleichtert PoS durch niedrigere Einstiegsbarrieren und eine andere Art der Belohnungsverteilung die Teilnahme am Netzwerk.

Validierungsprozess

Im Vergleich zum Mining in Proof of Work-Netzwerken, der auf rechenintensiver Arbeit basiert, setzt der Proof of Stake-Konsensmechanismus per Definition auf die Hinterlegung von Kryptowährung durch die Nutzer. Diese sogenannten Validatoren sind dann verantwortlich für die Überprüfung von Transaktionen und die Erstellung neuer Blöcke. Die gestakte Kryptowährung dient beim Proof of Stake als Sicherheit und Motivation für die Validatoren, ehrlich zu agieren, da sie bei Fehlverhalten oder Manipulationsversuchen ihren Stake verlieren können. 

Im Unterschied zum arbeits- und energieintensiven Proof of Work stellt der Konsensmechanismus Proof of Stake einen effizienteren und umweltfreundlicheren Ansatz dar. 

Energieverbrauch

Der Konsensmechanismus Proof of Stake (PoS) hat einen deutlich geringeren Energieverbrauch im Vergleich zu Proof of Work (PoW)-Netzwerken. Während das Mining bei PoW-Blockchains viel Rechenleistung und damit große Mengen Energie benötigt, kann in PoS-Blockchains Konsens durch das energieeffiziente Staking von Kryptowährungen erreicht werden. Diese Effizienz macht Proof of Stake deutlich umweltfreundlicher und nachhaltiger.

Sicherheit der Blockchain

Proof of Stake (PoS) bietet im Unterschied zu Proof of Work (PoW) eine andere Sicherheitsstruktur. In PoS-Netzwerken hängt die Sicherheit von der Menge der gestakten Kryptowährungen ab. Teilnehmer, die Kryptowährung staken, werden zu Validatoren und haben ein finanzielles Interesse an der Integrität des Netzwerks. Dies verringert das Risiko von Angriffen, da unehrliches Verhalten zum Verlust der eingesetzten Coins führen kann. 

PoS-Netzwerke reduzieren so das Risiko von 51%-Attacken, da es für Angreifer unrentabel ist, eine Mehrheit der Stakes zu erlangen. Eine 51%-Attacke beschreibt, dass ein einzelner Akteur oder eine Gruppe von Akteuren mehr als 50% der Mining-Leistung in einem Blockchain-Netzwerk kontrolliert und dadurch die Möglichkeit hat, Transaktionen zu blockieren oder zu ändern. 

Gleichzeitig sind PoS-Blockchains anfälliger gegenüber sogenannten Long Range-Attacken. Bei dieser Art von Angriffen versuchen Angreifer, eine alternative Blockchain ab einem früheren Zeitpunkt zu erstellen, um die Kontrolle über das Netzwerk zu erlangen. Dies erfordert besondere Sicherheitsmechanismen in Proof of Stake-Systemen, um solche Angriffe zu verhindern und die Integrität der Blockchain zu gewährleisten.

Skalierbarkeit der Netzwerke

Proof of Stake (PoS) bietet im Vergleich zu Proof of Work (PoW) eine verbesserte Skalierbarkeit durch effizientere Transaktionsverarbeitung. Durch die deutlich geringere benötigte Rechenleistung können Transaktionen schneller bestätigt werden, was auch die Anzahl der maximal parallel durchführbaren Transaktionen erhöht.

Zusätzlich ermöglichen viele Proof of Stake-Netzwerke die Anwendung von Sharding. Dabei wird eine Blockchain in mehrere kleinere Chains aufgeteilt und dadurch die Netzwerkleistung gesteigert. Diese Faktoren tragen dazu bei, dass PoS-Netzwerke tendenziell eine bessere Skalierbarkeit aufweisen. So können sie eine steigende Anzahl an Transaktionen problemlos verarbeiten und bieten auch bei wachsenden Nutzerzahlen eine stabile und sichere Alternative zu Proof of Work-Blockchains.

Voraussetzungen für Netzwerkteilnehmer

Die Voraussetzungen für die Teilnahme an der Netzwerksicherheit bei Proof of Stake (PoS) und Proof of Work (PoW)-Blockchains unterscheiden sich grundlegend voneinander. In Proof of Work-Blockchains ist die Teilnahme am Mining-Prozess komplex und ressourcenintensiv. Miner benötigen spezialisierte und leistungsfähige Hardware, die mit einem erheblichen Energiebedarf einhergeht. Diese Anforderungen schaffen hohe Eintrittsbarrieren, insbesondere für einzelne Teilnehmer oder kleinere Mining-Operationen.

Grundsätzlich setzt der Betrieb einer eigenen Validator-Node in einem Proof of Stake-Netzwerk ebenfalls ein hohes Maß technischen Wissens, eine stabile Internetverbindung und hohe Sicherheitsvorkehrungen voraus. Allerdings können interessierte Halter stake-barer Coins und Token auch auf das Angebot unterschiedlicher Plattformen zurückgreifen, die das Staking in nur wenigen Klicks und ohne großen Aufwand ermöglichen.

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Vorteile bei Proof of Stake

Proof of Stake (PoS) bietet zahlreiche Vorteile, darunter eine verbesserte Energieeffizienz, geringere Barrieren für die Netzwerkteilnahme, höhere Sicherheit gegen bestimmte Angriffsarten (51%-Attacke), eine verbesserte Skalierbarkeit, geringere Umweltauswirkungen und eine potenziell gerechtere Verteilung der Belohnungen.

Nachteile bei Proof of Stake

Zu den Nachteilen von Proof of Stake (PoS)-Blockchains zählen potenzielle Risiken der Zentralisierung durch einzelne hohe Staking-Beträge, geringere Bekanntheit und Vertrautheit im Vergleich zu Proof of Work (PoW), Herausforderungen bei der Implementierung des Konsensmechanimus im Netzwerk und eine mögliche Verringerung der Netzwerksicherheit gegenüber bestimmten Angriffsarten (Long-Range-Attacke).

Proof of Stake (PoS) vs. Delegated Proof of Stake (DPoS)

Im Proof of Stake (PoS) haben alle Netzwerkteilnehmer die Chance, beim Staking an der Validierung neuer Transaktionen teilzunehmen. Der Delegated Proof of Stake (DPoS) hingegen nutzt ein zentralisiertes Wahlsystem, in dem spezielle Delegierte für die Blockverifizierung ausgewählt werden. Diese Delegierten, oft auch „Witnesses“ genannt, sind für die Effizienz und Sicherheit im Netzwerk verantwortlich.

Delegated Proof of Stake (DPoS) ist eine Weiterentwicklung des Proof of Stake-Prinzips. In DPoS-Systemen wählen die Krypto-Halter Delegierte, die für die Validierung der Transaktionen verantwortlich sind. Die Delegierten sind für die Aufrechterhaltung der Netzwerksicherheit verantwortlich. Delegated Proof of Stake zeichnet sich durch eine verbesserte Skalierbarkeit und Effizienz aus, da weniger Teilnehmer am Validierungsprozess beteiligt sind.

Neben dieser höheren Effizienz sollte beim Vergleich „Proof of Stake vs. Delegated Proof of Stake“ auch die Netzwerksicherheit bedacht werden. So wirft der Konsensmechanismus wichtige Fragen hinsichtlich der Machtzentralisierung auf. Proof of Stake bietet hingegen eine breitere Dezentralisierung, kann aber in Bezug auf Transaktionsgeschwindigkeit und Effizienz hinter Delegated Proof of Stake-Blockchains zurückbleiben.

Proof of Stake: Ein effizienter und umweltfreundlicher Konsensmechanismus 

Gegenüber dem herkömmlichen Proof of Work (PoW) zeichnet sich der Konsensmechanismus Proof of Stake (PoS) durch wesentliche Verbesserungen hinsichtlich Energieverbrauch, Transaktionsgeschwindigkeit und Skalierbarkeit aus. Während einige Sicherheitsaspekte, wie die Anfälligkeit für eine 51%-Attacke deutlich für Proof of Stake sprechen, zeigt sich die Technologie anfälliger für andere Manipulationen, wie eine Long Range-Attacke. Ein weiterer Vorteil PoS-basierter Blockchains liegt in der einfachen Teilnahme am Konsensverfahren. Nutzer können auf unterschiedliche Arten und bei verschiedenen Anbietern ihre Kryptowährung staken, damit zur Sicherheit beitragen und gleichzeitig attraktive Belohnungen generieren.

Dank der zahlreichen Einsatzmöglichkeiten – von Smart Contracts und dezentralen Finanzlösungen bis hin zu Supply-Chain-Management und Identitätsverifizierung – bildet PoS eine solide Grundlage für die nächste Generation von Blockchain-Anwendungen. Die Bedeutung bestehender und neuer Proof of Stake-Blockchains wird in den kommenden Jahren wahrscheinlich weiter steigen. Durch die stetige Weiterentwicklung, wie beispielsweise mit dem Delegated Proof of Stake, positioniert sich der Konsensmechanismus als zukunftsfähige und vielversprechende Technologie. 

Häufig gestellte Fragen zum Thema Proof of-Stake

Wir beantworten die häufigsten Fragen zum Konsensmechanismus Proof of Stake und PoS-basierten Netzwerken.

Welche Kryptowährungen sind Proof of Stake?

Zu den bekannten Kryptowährungen auf Basis des Proof of Stake (PoS)-Konsensmechanismuses gehören beispielsweise Ethereum (ETH) (nach dem Übergang zu Ethereum 2.0), Cardano (ADA), Tezos (XTZ) und Algorand (ALGO). Diese Währungen nutzen PoS, um eine effizientere und umweltfreundlichere Validierung von Transaktionen und Blöcken im Vergleich zum Proof of Work-Mechanismus zu ermöglichen.

In welcher Kryptowährung werden Rewards ausgezahlt?

Die Belohnungen im Proof of Stake werden meist in der jeweiligen Kryptowährung des Netzwerks ausgezahlt. Wenn du beispielsweise Ethereum (ETH) stakst, erhältst du deine Belohnungen in Ether. Die genaue Art und Höhe der Belohnung können jedoch je nach Blockchain-Protokoll variieren.

Wie sicher ist Proof of Stake (PoS)?

Proof of Stake weist grundsätzlich eine hohe Netzwerksicherheit auf. Da das Staken von größeren Beträgen erforderlich ist, um ein Validator zu werden, erhöht dies die Kosten für potenzielle Angreifer, was das Netzwerk sicherer macht und die Gefahr auf 51%-Angriffe minimiert. Allerdings bestehen je nach Blockchain Bedenken hinsichtlich der Zentralisierung und anderer Angriffe, wie einer Long-Range-Attack.

Wie unterscheiden sich die Transaktionsgebühren in PoS- und PoW-Netzwerken?

In Proof of Stake-Netzwerken sind die Transaktionsgebühren oft niedriger als in Proof of Work-Netzwerken. Das liegt im Wesentlichen an der höheren Energieeffizienz beim PoS-Konsensmechanimus aufgrund der geringeren erforderlichen Rechenleistung. Die genauen Gebühren hängen jedoch von der jeweiligen Blockchain und ihrer Auslastung ab.

Wie verhindert Proof of Stake doppelte Ausgaben (Double Spending)?

Proof of Stake (PoS) minimiert das Risiko doppelter Ausgaben (Double Spending) durch ein System, in dem Validatoren ihre eigenen Coins oder Token staken müssen, um am Validierungsprozess teilzunehmen. Da sie einen erheblichen Eigenanteil als Sicherheitseinlage einbringen, besteht ein starker finanzieller Anreiz, das Netzwerk ehrlich und korrekt zu betreiben. Bei betrügerischem Verhalten oder der Unterstützung doppelter Ausgaben können Validatoren ihre gestakten Assets verlieren. Diese Eigenbeteiligung fördert die Netzwerkintegrität und trägt dazu bei, doppelte Ausgaben effektiv zu verhindern.

Wie bestimmt Proof of Stake die Validatoren für neue Blöcke?

In einem Proof of Stake-System werden Validatoren aufgrund unterschiedlicher Mechanismen bestimmt. Dazu zählen beispielsweise die Menge der Kryptowährungen, die sie im Netzwerk staken, oder auch die Dauer des Stakings. Dieser Prozess kann von Blockchain zu Blockchain variieren, wobei manche Systeme auch einen Zufallsmechanismus oder zusätzliche Kriterien für die Auswahl verwenden.

Was bedeutet Proof of Stake auf Deutsch?

Der Begriff Proof of Stake bedeutet auf Deutsch in etwa „Beweis des Anteils“ und bezeichnet einen Konsensmechanismus in der Blockchain-Technologie. Dabei haben Nutzer im Netzwerk die Möglichkeit, neue Blöcke zu validieren und zur Blockchain hinzuzufügen, indem sie eigene Coins und Token als Sicherheit hinterlegen oder „staken“.

Weitere Themen rund um das Staking

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