Proof-of-Work vs. Proof-of-Stake

Proof-of-Work (PoW) und Proof-of-Stake (PoS) sind die beiden gängigsten Konsensmechanismen, die von öffentlichen Blockchain-Netzwerken verwendet werden. Diese Systeme sorgen für die Sicherheit des Netzwerks und motivieren eine dezentrale Gruppe von Teilnehmern zur Zusammenarbeit zum Wohle des gesamten Netzwerks.

Jeder auf der Welt kann an einem öffentlichen Blockchain-basierten System teilnehmen. Kein einzelnes Unternehmen, keine Zentralbank und keine Regierung kontrolliert die Funktionsweise dieser Netzwerke. Das bedeutet, dass niemand die direkte Kontrolle über beliebte Blockchains wie Bitcoin, Ethereum, Dogecoin oder Monero hat.

Das liegt daran, dass diese Technologien dezentral sind. Ähnlich wie das Internet gibt es keine einzelne Person oder Gruppe, die für ihre Wartung und Pflege verantwortlich ist. Stattdessen wird diese Verantwortung von Tausenden von Menschen auf der ganzen Welt gemeinsam getragen. Doch mit der Dezentralisierung stellen sich auch einige wichtige Fragen:

1. Wie schafft man ein robustes, vertrauenswürdiges System, das gegen böswillige Akteure widerstandsfähig ist?
2. Wie fördert man ehrliche Teilnahme und schreckt schlechte Akteure ab, wenn jeder einem Netzwerk beitreten kann?
3. Wer darf in einem System ohne zentrale Verwaltung Daten auf der Blockchain vorschlagen, überprüfen und speichern?

Genau hier kommen Proof-of-Work (PoW) und Proof-of-Stake (PoS), allgemein bekannt als Blockchain-Konsensmechanismen, ins Spiel.

Konsens bezieht sich auf die Übereinstimmung über eine bestimmte Information innerhalb eines Systems oder einer Gruppe von Menschen.

Bei einem Blockchain-Konsens handelt es sich um einen Zustand der Übereinstimmung zwischen einem dezentralen Netzwerk von Computern über die Reihenfolge und Gültigkeit von Informationen, die in einer gemeinsamen Datenbank gespeichert sind.

Die Bitcoin-Blockchain und andere Blockchains, die folgten, waren revolutionär, weil sie ein seit langem bestehendes Problem lösten, das so genannte Problem der byzantinischen Generäle. 

Das Problem der byzantinischen Generäle ist ein klassisches Problem in der dezentralen Datenverarbeitung, das sich mit der Frage des Vertrauens befasst. Es geht um ein Konsensproblem zwischen verteilten Truppeneinheiten, bei dem mehrere Generäle versuchen, einen Angriff auf eine Stadt zu koordinieren. Bei diesem Problem können die Generäle nicht direkt miteinander kommunizieren und einige der Generäle könnten Verräter sein, die falsche Nachrichten an die anderen Generäle senden.

Im Kontext von Blockchains ist das Problem der byzantinischen Generäle ein Problem der Einigung. In einem Blockchain-Netzwerk gibt es mehrere Nodes, die versuchen, einen Konsens über den Zustand des Hauptbuchs zu erzielen. Einige der Nodes können jedoch böswillig sein und versuchen, falsche Informationen an die anderen Nodes zu senden. Das Problem besteht darin, dass die anderen Nodes den Informationen, die sie erhalten, vertrauen müssen, um einen Konsens zu erreichen.

Blockchains lösen das Problem der byzantinischen Generäle mithilfe eines Konsensalgorithmus, der alle Teilnehmer im Netzwerk dazu anreizt, sich auf eine einzige Version der Wahrheit zu einigen. Dazu validiert jede Node im Netzwerk die Transaktionen und erzielt eine Einigung über die Gültigkeit der Transaktion. Das System zeichnet diesen Konsens dann in der Blockchain auf und schafft dadurch eine unveränderliche, sichere und gemeinsam genutzte Quelle der Wahrheit. Der Konsensmechanismus stellt sicher, dass alle Teilnehmer im Netzwerk dieselbe Version der Wahrheit haben und dass die Transaktion gültig ist.

Informatiker haben sich in den 1980er Jahren mit diesem Problem beschäftigt, aber die zugrunde liegenden Konzepte stammen aus einem älteren Wirtschaftszweig, der Spieltheorie genannt wird. Die Mathematiker John von Neumann und Oskar Morgenstern leisteten 30 Jahre vor dem Problem der byzantinischen Generäle Pionierarbeit in der Spieltheorie. Ihre Forschung analysierte die Ergebnisse von Spielen basierend auf dem individuellen Verhalten der Spieler, den Gewinnen und den Strafen.

Konsensmechanismen von Blockchains stützen sich auf diese theoretischen Grundsätze. Teilnehmer an einem Blockchain-Netzwerk haben einen Anreiz, sowohl für sich selbst als auch zum Wohle des gesamten Netzwerks ehrlich zu handeln. Böswillige Akteure hingegen werden für unehrliches Verhalten bestraft.

Interessant ist, wie PoW- und PoS-Systeme auf völlig unterschiedliche Weise einen vertrauenswürdigen Konsens erreichen.

Proof-of-Work (PoW) ist eine Art Konsensmechanismus, bei dem Netzwerkbenutzer, sogenannte „Miner“, Rechenleistung bereitstellen müssen, um eine Aufgabe zu erfüllen.

Der PoW-Konsensmechanismus entstand in den frühen 1990er Jahren als System zur Verhinderung von E-Mail-Spam. Bei dieser Methode mussten Benutzer eine kryptografische Aufgabe lösen, bevor sie eine E-Mail senden konnten.

Für legitime Benutzer, die nur wenige E-Mails versendeten, war das Lösen dieses einzelnen kryptografischen Rätsels eine einfache Aufgabe. Für unehrliche Akteure, die massenhaft Spam-Mails versenden wollten, war der dafür benötigte Rechenaufwand jedoch wesentlich kostspieliger.

Im Januar 2009 veröffentlichte der pseudonyme Autor des Bitcoin-Whitepapers, Satoshi Nakamoto, das Bitcoin-Protokoll. Dieses Peer-to-Peer-Electronic-Cash-System enthielt eine angepasste Version des PoW-Mechanismus, um das bereits erwähnte Problem der byzantinischen Generäle zu lösen..

Der im Bitcoin-Protokoll verwendete PoW-Konsensmechanismus beinhaltet einen auf Kryptografie basierenden Wettbewerb. Benutzer konkurrierenmit ihren Computern um das Recht, neue Einträge für das Hauptbuch vorzuschlagen.

Durch das Bitcoin-Mining erzeugen Miner zufällige Codes mit fester Länge, sogenannte Hashes. Sie erstellen diese Hashes, indem sie Eingaben zufällig durch einen kryptografischen Hashing-Algorithmus leiten. Dies führt zu einzigartigen, 64 Zeichen langen hexadezimalen Codes (Codes, die nur die Ziffern 0-9 und die Buchstaben A-F enthalten).

Miner generieren so lange Hashes nach dem Zufallsprinzip, bis einer die gleiche oder eine höhere Anzahl von Nullen am Anfang aufweist als der Ziel-Hash.

Der Ziel-Hash ist eine Zahl, die vom Schwierigkeitsanpassungsalgorithmus des Blockchain-Protokolls festgelegt wird.

Wenn ein erfolgreicher Miner den Ziel-Hash knackt, erhält er das Recht, einen neuen Block mit Transaktionen für die Blockchain vorzuschlagen. Wenn das Netzwerk den vorgeschlagenen Block als gültig betrachtet, erhält der Miner für seinen Einsatz eine Blockbelohnung. Stellt das Netzwerk fest, dass der Block ungültig oder betrügerisch ist, wird er von den Nodes abgelehnt und die Arbeit des Miners war umsonst.

Wenn du mehr über die Kryptografie hinter Kryptowährungen erfahren möchtest, dann sieh dir unseren Einsteiger-Leitfaden Wie nutzen Kryptowährungen Kryptografie? an.

Als Gegenleistung für ihre Bemühungen erhalten erfolgreiche Miner neu geprägte Bitcoins und alle Gebühren für die Transaktionen, die sie dem neuen Block hinzugefügt haben. Diese Belohnung wird als Blockbelohnung (Block Reward) bezeichnet.

Einzelne Miner können ihre Rechenleistung in Mining-Pools zusammenlegen, um ihre Gewinnchancen im Mining-Wettbewerb zu erhöhen. Alle verdienten Blockbelohnungen werden dann proportional unter den Pool-Teilnehmern aufgeteilt.

Blockbelohnungen folgen in der Regel einer strengen, vordefinierten Geldpolitik, bei der die Belohnungen im Laufe der Zeit systematisch reduziert werden. Bitcoin zum Beispiel halbiert die Anzahl der neu geprägten Coins, die pro Block vergeben werden, alle 210.000 Blöcke (etwa alle vier Jahre). Diese Reduzierung, bekannt als Bitcoin-Halving, drosselt die Ausgabe neuer Coins, die im Laufe der Zeit in Umlauf kommen.

Weitere Informationen zu Bitcoin-Halvings findest du in unserem Kraken Intelligence Bericht „The Halving: Trends & Implikationen des Inflationsmechanismus von Bitcoins Angebot.

Sobald ein neuer Block mit Transaktionen vom siegreichen Miner vorgeschlagen wurde, überprüfen die übrigen Miner im Netzwerk diese Transaktionen dann unabhängig voneinander. Sobald sie einen Konsens über die Gültigkeit der im Block gespeicherten Informationen erreichen, wird der Block dauerhaft in die Blockchain aufgenommen.

Da alle Benutzer im Netzwerk vorgeschlagene Transaktionen vor ihrer Finalisierung unabhängig bestätigen müssen, ist es fast unmöglich, ein Guthaben doppelt auszugeben. Die Möglichkeit, dieselben Coins zweimal auszugeben, wird nur dann zur Bedrohung, wenn 51 % oder mehr der Validatoren unehrlich sind. Die Durchführung eines solchen Angriffs wird jedoch mit wachsendem Blockchain-Netzwerk exponentiell schwieriger.

Wenn der Mining-Wettbewerb für einen neuen Block beendet ist, beginnt der nächste, basierend auf der Blockzeit, auf die jedes Protokoll programmiert ist. Bei Bitcoin werden etwa alle 10 Minuten neue Blöcke entdeckt, die Blockzeiten variieren jedoch zwischen den Kryptowährungen. Kryptowährungen wie Litecoin und ZCash erstellen alle 2,5 Minuten bzw. alle 75 Sekunden neue Blöcke.

Dieses Feature sorgt nicht nur für die Sicherheit des Netzwerks, sondern gewährleistet auch, dass neue Einheiten der Kryptowährung mit einer festen, vorgegebenen Rate in Umlauf gebracht werden.

Ein Vorteil der Verwendung eines PoW-Systems ist die Sicherheit. Betrügerische Transaktionen auf etablierten PoW-Blockchains erfordern für ihre Ausführung massive Rechenleistung.

Unehrliche Akteure können nur dann Betrug begehen, wenn sie die Mehrheit, also mehr als 50 Prozent, der Rechenleistung des Netzwerks kontrollieren. Diese Schwachstelle wird als 51 %-Attacke bezeichnet. Wenn jemand mehr als 51 % des Netzwerks kontrollieren würde, könnte er Transaktionen neu zuordnen, Guthaben doppelt ausgeben und bestimmte eingehende Zahlungen blockieren. 

PoW-Systeme sind schwer anzugreifen, da spezielle Ausrüstung und enorm viel Energie erforderlich ist, um das Netzwerk auszunutzen.

Der Energieverbrauch von PoW-basierten Blockchains ist auch ein häufiger Kritikpunkt unter Kryptogegnern. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass dieser Verbrauch ein beabsichtigtes Merkmal ist. In den meisten Fällen gilt: Je höher die Hash-Leistung, desto höher die Netzwerksicherheit.

Um die Fakten des Krypto-Minings von Falschinformationen zu trennen, lies unseren Leitfaden Mit Krypto-Mythen aufräumen: "Bitcoin zerstört die Umwelt" Leitfaden.

Um ihre Gewinne zu maximieren, müssen PoW-Miner letztendlich ihre Betriebskosten so gering wie möglich halten und günstige, zuverlässige Energie beziehen. Viele Miner nutzen einen nachhaltigen Energiemix, um ihre Kosten zu senken und Umweltbedenken zu minimieren.

• Bitcoin (BTC)
• Litecoin (LTC)
• Monero (XMR)
• Bitcoin Cash (BCH)
• Dash (DASH)
• Ethereum Classic (ETC)
• Dogecoin (DOGE)
• Siacoin (SC)

Im Gegensatz zum direkten Wettbewerb von Proof-of-Work verwendet Proof-of-Stake (PoS) andere Anreize, um sicherzustellen, dass sich Netzwerk-Teilnehmer ehrlich verhalten.

Drei Jahre nach der Einführung von Bitcoin entwickelten die beiden Entwickler Scott Nadal und Sunny King den PoS-Konsensmechanismus. Ihr Hauptziel war es, ein energieeffizienteres System als Proof-of-Work zu schaffen.

Bei Proof-of-Stake kaufen und sperren Netzwerk-Teilnehmer die nativen Token eines Protokolls, um neue Transaktionsblöcke zu validieren. Im Gegenzug können sie Staking-Prämien erhalten (in der Regel als Zinsen auf ihre gestaketen Assets ausgezahlt).

Viele führende PoS-Blockchains wie Ethereum, Cardano, Algorand und Polkadot verwenden ihre eigenen Auswahlalgorithmen, um zu bestimmen, welche Staker das Recht erhalten, neue Blöcke vorzuschlagen.

In der Regel ist es wahrscheinlicher, dass Teilnehmer mit mehr gestaketen Token neue Blöcke validieren. Allerdings ist in diese speziellen Algorithmen ein gewisser Grad an Zufälligkeit eingebaut.

Diese Zufälligkeit soll die Fairness verbessern und bedeutet, dass alle Staking-Teilnehmer die Chance haben, Prämien zu erhalten.

Ignite (früher Tendermint) ist ein weiterer beliebter PoS-Konsensmechanismus, bei dem Validatoren Prevote-, Precommit- und Commit-Stimmen für neue Blöcke abgeben, die zur Blockchain hinzugefügt werden sollen. Blöcke mit einer Zweidrittelmehrheit werden in die Blockchain aufgenommen.

PoS verwendet einen ähnlichen Ansatz wie PoW, um ehrliches Verhalten zu fördern, indem es von Validatoren verlangt, ihre eigenen Mittel zu investieren. Diese Kosten variieren stark zwischen Protokollen, einschließlich der Kosten für den Betrieb von Validierungsknoten.

Die Ausrüstung von PoS-Validierungsknoten ist im Allgemeinen wesentlich günstiger im Vergleich zur Ausrüstung, die für das profitable Mining von beliebten PoW-Kryptowährungen wie Bitcoin (BTC) benötigt wird.

Bei den meisten PoS-Blockchains werden Netzwerk-Validatoren ernannt, um Transaktionsblöcke zu verifizieren, anstatt gegeneinander anzutreten und neue Blöcke vorzuschlagen. Im Gegenzug erhalten die Validatoren für ihren Beitrag zur Sicherheit des Netzwerks Prämien, manchmal in Form von festen jährlichen Zinsen.

Personen, die nicht über das technische Know-how oder das erforderliche Mindestvermögen verfügen, um ein eigenständiger PoS-Validator zu werden, können ihr Kapital mit anderen Investoren zusammenlegen.

Mehrere kleinere Investoren können also eine Staking-Einheit bilden. Gewählte Personen oder Personengruppen mit speziellem Wissen warten und betreiben diese Staking-Pools. Investoren teilen dann die Gewinne anteilig unter sich und den Betreibern der Staking-Pools auf.

So wie PoS-Konsensmechanismen Validatoren einen Anreiz bieten, sich ehrlich zu verhalten, können sie sie auch für Verstöße gegen die Regeln des Protokolls bestrafen. Wenn ein Validator oder ein delegierter Staking-Pool-Betreiber betrügerisch handelt, können einige Protokolle die gestaketen Assets teilweise oder vollständig konfiszieren. Dieser als "Slashing" bekannte Mechanismus fördert zusätzlich gutes Verhalten im Netzwerk.

Um am Staking-Prozess teilnehmen zu können, verlangen die meisten PoS-Blockchain-Protokolle von Benutzern, dass sie zunächst einen Mindestbetrag an Token sperren, um sich zu qualifizieren.

Für die neue PoS-Blockchain von Ethereum sind 32 Ether – die native Kryptowährung der Blockchain – erforderlich, um Validator zu werden. Mittlerweile gibt es jedoch Liquid-Staking-Protokolle, um diese hohe Einstiegshürde drastisch zu senken.

Auf der PoS-Blockchain von Polkadot kann der Mindestbetrag für das Staking zwischen 10 DOT und 350 DOT liegen. DOT ist die native Kryptowährung von Polkadot.

Ähnlich wie PoW-basierte Blockchains muss das Netzwerk neu vorgeschlagene Transaktionsblöcke auf PoS-Blockchains unabhängig überprüfen, bevor sie in die Blockchain aufgenommen werden können.

PoS-Chains folgen ebenfalls einem transparenten Ausgabeplan, der es dem gesamten Netzwerk ermöglicht zu sehen, wie neue Coins in Umlauf kommen.

Der Hauptvorteil von Proof-of-Stake-Blockchains ist, dass sie deutlich energieeffizienter sind als PoW-Protokolle. Da PoS-Validatoren nominiert werden, um Blöcke zu validieren, anstatt mit teuren Geräten zu konkurrieren, verbrauchen sie weniger Energie.

Der größte Nachteil von PoS-Konsensmechanismen ist die mögliche Zentralisierung im Zusammenhang mit dem Staking.

Bei PoS-Blockchains bestimmt in erster Linie die Menge der Token, die eine Person staked, die Wahrscheinlichkeit, dass sie ausgewählt wird, um Transaktionsblöcke zu validieren und Prämien zu erhalten. Aus diesem Grund könnten PoS-Systeme Benutzer mit mehr Token gegenüber denen mit weniger gestaketen Assets bevorzugen – was nach Ansicht einiger zu einer Zentralisierung des Netzwerks führt.

Aufgrund dieses Mangels befürchten viele, dass eine kleine Anzahl großer Staking-Pools und „Whale“-Investoren die zentrale Kontrolle über die Blockvalidierung erlangen könnten. Dieser Faktor verstößt gegen die Grundprinzipien von Krypto und verringert die allgemeine Sicherheit des Netzwerks.

Ein weiteres Problem für einige PoS-Blockchains ist die mangelnde Liquidität. Manchmal können Benutzer erst dann auf ihre gestaketen Assets zugreifen, wenn eine Sperrfrist abgelaufen ist. Dieses Problem verringert die Marktliquidität der zugrundeliegenden Kryptowährung und verhindert, dass Investoren während kritischer Marktbewegungen auf ihre gestaketen Assets zugreifen können.

Beide Konsensmechanismen lösen das Problem der byzantinischen Generäle, jedoch auf sehr unterschiedliche Weise. Der PoW-Konsensmechanismus ist ein erprobtes System, das ein unglaublich hohes Maß an Sicherheit bieten kann. Auf der anderen Seite werden PoS-Konsensmechanismen aufgrund ihrer besseren Energieeffizienz und Skalierbarkeit immer beliebter.

• Ethereum (ETH)
• Polkadot (DOT)
• Algorand (ALGO)
• Avalanche (AVAX)
• Cardano (ADA)
• Cosmos (ATOM)
• Solana (SOL)
• The Graph (GRT)

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