Proof-Of-Work vs. Proof-Of-Stake

Proof-Of-Work ist keine Berufsbezeichnung für Personen, die chinesische Pfannen testen. Genauso wenig ist Proof-Of-Stake das Testen einer überwiegend fleischhaltigen Mahlzeit. 😉

Nein, beide Modelle werden als „Konsensmechanismen“ bezeichnet und sind eine Methode, um Transaktionen zu bestätigen, die auf einer Blockchain stattfinden, ohne dass ein Dritter erforderlich ist. Ich habe darüber auch schon in einem anderen Artikel geschrieben. Dort bin ich allerdings nur sehr oberflächlich auf den Proof-Of-Work Mechanismus eingegangen (Blockchain). Tatsächlich ist es aber ein wesentlicher Aspekt im Thema Blockchain.

Wie auch immer, in diesem Proof-Of-Work vs. Proof-Of-Stake-Artikel werde ich versuchen, etwas genauer auf die Grundlagen jedes Modells einzugehen und einige Blockchains, beispielhaft nenne, die sie benutzen.

Grundlagen

Als die Gruppe, oder die Person (genau weiß man das ja nicht), die als pseudonym Satoshi Nakamoto trägt, die allererste Kryptowährung, Bitcoin entwickelte, musste er/sie einen Weg finden, Transaktionen zu verifizieren, ohne dass ein Dritter hinzugezogen werden musste. Dies konnte durch das Proof-of-Work-Systemerreicht werden, welches von Adam Back 1997 geschaffen wurde.

Im Wesentlichen wird Proof-Of-Work verwendet, um festzustellen, wie die Blockchain einen Konsens erreicht. Mit anderen Worten, wie kann das Netzwerk sicher sein, dass Transaktionen gültig sind und das das Netzwerk nicht kompromittiert wurden, wie z. B. dasselbe Geld zweimal auszugeben?

Da die (ursprüngliche) Proof-Of-Work Methode im Wesentlichen auf mathematische Berechnungen – hier „Kryptographie“ beruht, werden digitale Währungen wie z.B. Bitcoin und Ethereum als „Kryptowährungen“ bezeichnet!

Die Kryptografie verwendet mathematische Gleichungen, die so schwierig sind, dass sie nur von leistungsstarken Computern gelöst werden können. Keine Gleichung ist jemals gleich, sodass sichergestellt ist, dass die Transaktion authentisch ist. (Quersummenbeispiel aus „Was ist virtuelles Geld, wie z.B. Bitcoin“)

Viele andere Blockchains haben den ursprünglichen Bitcoin-Code kopiert und verwenden daher auch das Proof-of-Work-Modell. Proof-Of-Work ist zwar eine erstaunliche Erfindung, aber alles andere als optimal, denn es benötigt nicht nur erhebliche Mengen an Strom, sondern ist auch in der Anzahl der Transaktionen, die es gleichzeitig verarbeiten kann, sehr begrenzt.

Infolgedessen wurden andere Konsensmechanismen geschaffen, von denen einer der beliebtesten das Proof-Of-Stake-Modell ist. Proof-Of-Stake wurde erstmals 2012 von zwei Entwicklern namens Scott Nadal und Sunny King erstellt. Zum Zeitpunkt seiner Einführung argumentierten die Gründer, dass Bitcoin und sein Proof-of-Work-Modell täglich Stromkosten in Höhe von umgerechnet 150.000 US-Dollar erforderten.

Das erste Blockchain-Projekt, das das Proof-of-Stake-Modell verwendete, war Peercoin. Zu den anfänglichen Vorteilen gehören ein faireres und gleichberechtigteres Mining-System, skalierbarere Transaktionen und eine geringere Abhängigkeit von Elektrizität.

Infolgedessen hat nun auch die zweitbeliebteste Kryptowährung der Welt – Ethereum – gerade, vom Proof-Of-Work zum Proof-Of-Stake gewechselt.

Wer verwendet eigentlich was?

Der erste bereits erwähnte Verwendungszweck von Proof-Of-Work, fand in der Bitcoin-Blockchain statt. Jedes Mal, wenn eine Transaktion gesendet wird, dauert es etwa 10 Minuten, bis sie vom Netzwerk bestätigt werden konnte. Darüber hinaus kann die Bitcoin-Blockchain nur etwa 7 Transaktionen pro Sekunde verarbeiten.

Dies führte dazu, dass die Transaktionsgebühren seit Beginn des Projekts im Jahr 2009 erheblich gestiegen sind. Beispielsweise kosteten Bitcoin-Gebühren anfänglich einen sehr kleinen Bruchteil eines Cents, was das Netzwerk für die Überweisung kleiner Beträge nützlich machte. Diese stiegen allerdings während des Crypto-Hypes im Dezember 2017 auf bis zu 40 $ pro Transaktion!

Obwohl diese Gebühren zwischenzeitlich wieder gesenkt wurden (aufgrund des Kurses), sind sie immer noch zu hoch, um sich als globales Zahlungssystem zu eignen. Die meisten dieser Probleme sind hauptsächlich auf die Grenzen des Proof-Of-Work zurückzuführen.

Als Ethereum, die zweitbeliebteste Kryptowährung der Welt, ebenfalls noch Proof-Of-Work benutzte, konnten dennoch die Entwickler Community interessanterweise einige Änderungen am ursprünglichen Code vornehmen, wodurch das Netzwerk Transaktionen in nur 16 Sekunden verarbeiten konnten. Obwohl dies trotzdem nicht das Schnellste in der Branche ist, war es deutlich schneller als die 10 Minuten, die Bitcoin benötigt.

Und dennoch waren die Skalierbarkeitsprobleme, die Proof-Of-Work bei Bitcoin verursachte, auch ein Problem für Ethereum. Die maximale Anzahl an Transaktionen, die die Ethereum-Blockchain verarbeiten konnte (15), war dennoch wesentlich weniger, als das Netzwerk benötigt. 

Genau wie Ethereum in der Vergangenheit, nutzten auch andere Blockchains manchmal eine Variation des Proof-Of-Work Algorithmus, indem sie die Art & Weis des Algorithmus anpassten, um den Transaktionsvalidierungsprozess zu verbessern. Andere Blockchains, die Proof-Of-Work installiert haben, sind Bitcoin Cash und Litecoin.

Ethereum und auch weitere beliebte Kryptowährungen nutzen jetzt Proof-Of-Stake. Eines davon ist Dash, oder auch NEO mit dem Benutzer in nur wenigen Sekunden Geld senden und empfangen können.

Proof-Of-Work: Wie werden Transaktionen verifiziert?

Also.. Bitcoin-Transaktionen dauern 10 Minuten, bevor sie als gültig bestätigt werden. In jedem 10-Minuten-Intervall wird ein sogenannter neuer „Block“ erstellt.

Jeder Block enthält verschiedene Transaktionen, die jeweils unabhängig verifiziert werden müssen. Damit das Bitcoin-Netzwerk dies ohne Dritte erreichen kann, muss jemand seine Rechenleistung einsetzen, um einen kryptografischen Algorithmus zu lösen, der auch als Proof-Of-Work (PoW) bekannt ist.

Sobald dies erreicht ist, wird die Transaktion nicht nur als gültig markiert, sondern auch für alle sichtbar in der öffentlichen Blockchain veröffentlicht. Du fragst Dich vielleicht, warum jemand Hardware kauft und viel Strom verbraucht, nur um Blockchain-Transaktionen zu bestätigen. Tja, mehr davon hier… Siehe Dir das an: Crypto-Mining Experiment

Nun, die einfache Antwort ist, dass die Leute für ihre Bemühungen mit zusätzlichem Bitcoin (oder dem Proof-Of-Work der Kryptowährung, der bestätigt wird) belohnt werden. Aber man muss wissen, dass nicht jeder eine Belohnung erhält. Tausende einzelne Geräte konkurrieren alle darum, als erste den kryptografischen Algorithmus zu lösen. Wer zuerst dort ankommt, gewinnt die Belohnung.

Aufgrund der Art und Weise, wie das kryptografische Rätsel erstellt wird, kann es nur durch Try&Error gelöst werden. Das folgende Beispiel (erheblich vereinfacht) dient dazu, um zu verstehen was gemeint ist. Verschlüsselungsmethoden sind sehr viel komplexer als das folgende Beispiel.

Auch hier nochmal der Hinweis… Der Ergebnis ist bekannt – Es geht darum die Formel kryptografisch zu lösen.

Aufgabe: Das Ergebnis ist 12

Challenge: Es gewinnt der der zuerst die Aufgabe löst.

Miner_1

Versuch 1: 5+7 = 10 *Falsch*

Versuch 2: 5+7 = 13 *Falsch*

Versuch 3: 5+7 = 9 *Falsch*

Miner_2

Versuch 1: 5+7 = 17 *Falsch*

Versuch 2: 5+7 = 8 *Falsch*

Versuch 3: 5+7 = 12 *Richtig*

Wie man sieht, es war Miner_2, der beim dritten Versuch die richtige Antwort erraten hat. Das bedeutet, dass er die Mining-Belohnung erhält! In der realen Welt können Computer Millionen verschiedener Kombinationen pro Sekunde erraten, was auch der Grund ist das eine so große Menge an Strom erforderlich ist.Im Allgemeinen gilt: Je leistungsfähiger die Hardware ist oder je mehr Hardwaregeräte verfügbar sind, desto größer ist die Chance, das Rätsel zuerst zu lösen. Darauf werde ich gleich näher eingehen, aber aus diesen Gründen ist es kein faires System.

Proof-Of-Stake: Wie werden Transaktionen verifiziert?

Ein Konsens wird im Gegensatz zur Proof-of-Work-Methode bei Proof-Of-Stake nicht durch lösen komplexer Aufgaben die Transaktionen validiert, sondern hier wird durch eine gewichtete Zufallszahl festgelegt, welcher Teilnehmer den nächsten Block erzeugen darf. Die Gewichte setzen sich aus Teilnehmeranzahl sowie Teilnehmerdauer und/oder Vermögen („stake“) zusammen.

Vorteile daraus sind, dass die Validierung sehr viel schneller geht und viel weniger Energieintensiv ist. Und anders als beim Proof-Of-Work, kann das Netzwerk nicht durch hohe Rechenleistung beeinflusst werden.

Technisch gesehen wird hier also auch kein mining betrieben, denn im Proof-Of-Stake Verfahren ist kein Block-Reward (Belohnung zur Lösung der Aufgabe) vorgesehen. Die Beteiligten werden durch dieTransaktion-Fee bezahlt welche sich auf diejenigen aufteilt.

Wie funktioniert das nun eigentlich? Es ist nicht gerade einfach zu verstehen – das gebe ich zu – und es ist noch weniger einfach das zu erklären 

Also um ein „Stakeholer“ zu werden – also derjenige der einen Block erzeugen darf, muss ich eine bestimmte Menge an Coins vorhalten (auf einem bestimmten Wallet einzahlen). Dieser Wallet friert diese Coins ein, sodass diese zum „staking“ des Netzwerkes verwendet werden können. Wie hoch diese Menge ist, hängt von der Mindestanzahl des Netzwerkes ab. Das kann unterschiedlich sein. 

Aber das ist nicht irrelevant, aber nachgelagert… denn der aufmerksame Leser hat sicherlich an der Stelle bereits bemerkt das man je mehr Coins man dort vorhält (das „stake“) die größere Chance hat einen Block zu erzeugen. Also ist es Vorteilhaft, wenn man hier eine große Investition tätigt.

Beispiel: Nur um es mal darzustellen, was das bedeutet… Um Transaktionen für das Dash-Netzwerk zu validieren, müsste man mindestens 1.000 Dash-Coins einsetzen und einfrieren. Während des Allzeithochs der Kryptowährung im Dezember 2017, als Dash mehr als 1.500 US-Dollar pro Coin erreichte, hätte es den realen Gegenwert von 1,5 Millionen US-Dollar gehabt

Unter der Annahme das man unter Berücksichtigung der Mindestanzahl an Staking teilnehmen möchte, ist die Chance auf den Gewinn der Belohnung (Transaktion-Fee) an den Gesamtprozentsatz der gehaltenen Coins gekoppelt. Das bedeutet:

  • Die Blockchain hat 1.000 Coins im Umlauf
  • Man setzt 100 Coins ein (werden eingefroren auf dem Wallet)
  • Bedeutet das man eine 10%ige Chance hat jede Prämie zu gewinnen

Beim Proof-Of-Work müssen alle Miner versuchen, eine komplexe Summe zu lösen, wobei der Gewinner von der Person bestimmt wird, die über die leistungsstärksten/meisten Hardwaregeräte verfügt.

Das Proof-of-Stake-Modell wählt den Gewinner nach dem Zufallsprinzip basierend auf dem eingesetzten Betrag aus.

Was macht das Proof-Of-Stake Verfahren sicherer?

Im Proof-of-Stake-Konsensmechanismus werden nur die Unterstützer des Netzwerkes belohnt, die alles richtig machen. Warum ist das so? Nun jeder Unterstützer haftet mit seinem „Stake“. Versucht jemand das Netz zu kompromittieren (hacken oder böswillige Transaktionen zu verarbeiten)verliert er seinen gesamten Einsatz („Stake“)

Deshalb funktioniert das Modell so gut. Je mehr man einsetzt, desto mehr verdient man. Aber gleichzeitig verliert man umso mehr, wenn man gegen das System verstößt.

48 Kommentare

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