Proof of stake versus Proof of work

In einem kurzen Satz bedeutet Proof of Stake, dass Sie Coins erhalten, wenn Sie Coins in Ihrem Wallet halten.

Proof of Work bedeutet, dass Sie durch die Unterstützung eines Netzwerks und die Verfolgung der Blockchain Coins erhalten, wenn Sie ein schwieriges Rätsel lösen.

Was ist Proof of Work?

Da Sie nun die Kurzversionen kennen, werden wir etwas tiefer in die Materie einsteigen.

1993, in den Anfängen des Internets, gab es, genau wie heute, eine Menge Spamming. Das Problem war, dass Netzwerke durch verteilte Denial-of-Service-Angriffe (DDoS) zum Absturz gebracht werden konnten. Ein DDoS-Angriff bedeutet, dass Sie so viele Anfragen an einen Server senden, dass dieser seine Dienste nicht mehr anbieten kann und ausfällt.

Cynthia Dwork und Moni Naor hatten eine Lösung für dieses Problem gefunden. Sie verlangten von jemandem, der einen Dienst anfordert, "etwas Arbeit" zu leisten, um den Dienst auch zu bekommen. Diese "Arbeit" bestand aus der Rechenzeit des Computers. Diese einfache Methode machte es kostspielig, Netzwerke anzugreifen.

Die Terminologie "Proof of Work" wurde von Ari Juels und Markus Jakobsson im Jahr 1999 erfunden.

Im Jahr 2008 wurde das Bitcoin-Whitepaper von Satoshi Nakamoto verfasst, in dem er das Konzept des Proof of Work und seinen Konsensmechanismus beschrieb und wie es vom Bitcoin-Netzwerk verwendet wird.

Proof of Work war die erste Methode in der Welt der Kryptowährungen, um neue Coins zu erwerben. Sie erhielten diese Coins, indem Sie als Erster eine mathematische Summe in einem Netzwerk von verbundenen Computern lösten. Die eigentliche Arbeit, die Sie verrichteten, bestand darin, Transaktionen zu validieren und neue Blöcke auf einer Blockchain hinzuzufügen.

Eine Blockchain ist eine Kette von Blöcken, die sich im Laufe der Zeit um jeweils 1 Block pro Periode erweitert. Sie können sich das wie eine Kette von Blöcken in einer Reihe mit einer Verbindung zwischen ihnen vorstellen.

Bei Bitcoin wird alle 10 Minuten ein Block von Validatoren zur Blockchain hinzugefügt. Ein Block enthält alle Transaktionen und neuen Coins aus dem Netzwerk. Diese Validatoren werden Miner genannt. Sie versuchen, als erste ein schwieriges mathematisches Rätsel zu lösen und so das Recht zu erwerben, einen neuen Block zur Kette hinzuzufügen und Eigentümer der neu gemünzten Coins zu werden.

Es verwendet Hashcash, ein Proof of Work-System, das eigentlich entwickelt wurde, um Spam zu begrenzen und DDoS-Angriffen zu widerstehen. Dieses System stammt aus dem Jahr 1997 und wurde von Adam Back erfunden. Dieser Algorithmus sorgt dafür, dass sich die Schwierigkeit des Puzzles in Abhängigkeit von der Rechenleistung des gesamten Netzwerks ständig ändert.

Mindestens 51% der Miner oder Validatoren müssen zustimmen, dass der neue Block korrekt ist. Dies wird als Konsensalgorithmus bezeichnet.

Das in diesem Prozess verwendete kryptografische Protokoll ist Zero Knowledge Proof. Das bedeutet, dass ein Node bzw. Validator einem anderen Node beweist, dass er den Wert einer Aussage kennt, ohne weitere Informationen preiszugeben. Ein Node muss also beweisen, dass er den Zustand des Netzwerks kennt, ohne weitere Informationen weiterzugeben oder zu erhalten.

Lassen Sie uns einen kleinen Ausflug in die Anfänge des Bitcoin-Netzwerks machen. Wenn Sie der einzige Miner sind, erhalten Sie alle 10 Minuten alle neuen Coins. Wenn neue Miner eintreffen, ist das Rätsel, das es zu lösen gilt, immer noch einfach: Erraten Sie zum Beispiel innerhalb von zehn Minuten eine Zahl zwischen 1 und 1 Million. Der erste Computer, der sie errät, darf den neuen Block erstellen und erhält die neuen Coins.

Zu einem bestimmten Zeitpunkt arbeiten tausend Computer an der Lösung dieses Rätsels. Dann wird die Lösung sehr schnell gefunden und es werden zu viele neue Blöcke erstellt. Die Lösung, die Satoshi Nakamoto, der Schöpfer von Bitcoin, dafür vorschlug, war, die Summe immer schwieriger zu machen, so dass immer alle 10 Minuten ein neuer Block hinzukommt. Und so funktioniert es seit mehr als einem Jahrzehnt, ganz automatisch.

Wenn der Preis von Bitcoin steigt, kommen immer neue Miner hinzu und die Summe wird so schwierig, dass viele Miner sie nicht mehr als erstes lösen können und aufgeben. Es ist auch möglich, dass die Kosten höher sind als die Erträge.

Das Mining mit Proof of Work ist für Bitcoin sehr schwierig und teuer geworden, so dass nur noch die allerbesten Computer und die niedrigsten Stromtarife rentabel sind. Diese Computer sind nur für Leute mit viel Geld erschwinglich.

Das Mining von Bitcoin verbraucht bereits heute so viel Strom wie ganz Schweden in einem Jahr. Das stößt allmählich auf Kritik.

Übrigens kann auch der umgekehrte Fall eintreten. Wenn das Rätsel so schwierig wird, dass es seltener als einmal alle 10 Minuten gelöst wird, muss es einfacher werden. Denn wenn die Lösung nicht gefunden wird, dann wird kein neuer Block hinzugefügt. Und wenn kein neuer Block hinzugefügt wird, werden auch keine Transaktionen abgeschlossen.

Ein weiterer Grund dafür, dass es einfacher wird, die Lösung des Rätsels zu finden, ist, wenn es weniger Miner gibt. Dies kann der Fall sein, wenn der Bitcoin-Preis drastisch sinkt oder wenn die Preise für Ausrüstung und Strom das Mining unrentabel machen.

Wie funktioniert Proof of Work eigentlich?

Proof of Work sorgt für eine sichere und dezentralisierte Blockchain. Sie ist so sicher, weil so viele Miner mit dem Netzwerk Schritt halten. Sie ist dezentralisiert, weil jeder das Netzwerk verfolgen kann, wenn er will. Jeder, der einen Computer hat, kann sich dafür entscheiden und ist dann ein Node. Es gibt also keine zentrale Autorität, alles geschieht automatisch. Sie brauchen auch keine Erlaubnis von einer Behörde, um beizutreten.

Sobald ein Block zur Blockchain hinzugefügt wurde, kann er nicht mehr geändert werden. Dieser feste Zustand einer Blockchain wird in einem Hauptbuch aufgezeichnet und kann von jedem eingesehen werden. Dies nennt man ein verteiltes Hauptbuch. Alle Miner und Nodes haben Zugriff auf den Zustand dieses Netzwerks und des Ledgers. Diese dezentrale Speichermethode ist daher eine gute Sicherheit gegen Angriffe auf das Netzwerk oder Korruption.

Da jeder mitmachen darf, ist auch eine Zensur unmöglich. Allerdings können Regierungen beschließen, das Netzwerk oder den Coin selbst zu verbieten.

Beim Hinzufügen eines neuen Blocks wird die byzantinische Fehlertoleranz verwendet. Das bedeutet, dass die angeschlossenen Computer einander nicht vertrauen müssen, sondern sich darauf einigen, dass der neue Block korrekt ist, weil sie sich darauf verlassen, dass die Regeln, die sie anwenden, zuverlässig sind. Wenn 51% der Computer zustimmen, wird der neue Block genehmigt und dem Ledger hinzugefügt.

Jeder Block hat einen Hash, d.h. einen Code, der für den Block einzigartig ist. Dieser Hash wird zu einem neuen Block hinzugefügt und der Hash des vorherigen Blocks wird auch in den neuen Block geschrieben, so dass die Kette nicht gefälscht werden kann. Dieser Hash ist ein Code, der von einem Algorithmus berechnet wird.

Proof of Work benötigt so viel Computerleistung, dass es normalerweise zu kostspielig ist, das Netzwerk anzugreifen. Genau dafür wurde das Protokoll erfunden.

Varianten des Proof of Work

1. Proof of Elapsed time.

Miner werden ausgelost, um einen neuen Block hinzuzufügen und so die neuen Coins zu erhalten.

Dies wurde 2016 von der Intel Corporation erfunden und gemeinsam mit IBM und Linux entwickelt:

• Zufallszeit hatte KYC (Know Your Customer)

• Zufällige Zeit, in der ein Miner oder Node nichts tut

• Erlaubter Konsens statt erlaubnislos

• Der Gewinner der Lotterie ist der Miner, der die kürzeste

Ein Beispiel für eine Kryptowährung, die mit diesem Verfahren arbeitet, ist Hyperledger Sawtooth.

2. Delayed Proof of Work

Kleinere Kryptowährungsnetzwerke haben eine niedrige Hashrate oder leichter zu lösende Rätsel aufgrund der geringeren Rechenleistung im Netzwerk. Das macht sie anfällig für 51%-Angriffe, bei denen Angreifer versuchen, durch doppelte Ausgaben an Coins zu gelangen, die ihnen nicht zustehen, oder das gesamte Netzwerk lahmlegen wollen.

Beim Delayed Proof of Work wird die Hashrate eines starken Netzwerks, z.B. Bitcoin, verwendet, um das kleinere Netzwerk vor Angriffen zu schützen. Außerdem benötigt ein Angreifer jetzt 2/3 der Hash-Leistung, um das Netzwerk anzugreifen, statt der üblichen 51%.

Es wird regelmäßig ein Snapshot des Netzwerks als Backup gegen einen Angriff erstellt. Wenn es dann zu einem Angriff kommt, kann das ursprüngliche Netzwerk jederzeit aus diesem Backup wiederhergestellt werden.

Beispiel: Komodo, eine Abspaltung von ZCash.

3. Proof of Access

Bei dieser Variante wird ein Miner gefragt, ob er zusätzlich zum vorherigen Block auf ältere Blöcke zugreifen kann. Wenn er dies nachweisen kann, gibt es einen Konsens und er darf einen neuen Block zur Blockchain hinzufügen.

Ein Beispiel hierfür ist Arweave.

Was ist Proof of Stake?

Proof of Stake (Einzahlung) ist ein Konsensalgorithmus, der von Blockchain-Netzwerken verwendet wird, um neue Blöcke zu erstellen und Transaktionen zu validieren.

Validatoren behalten den Status der Blockchain im Auge. Ein Validator kann dem Netzwerk neue Coins hinzufügen und Transaktionen validieren, solange er seinen Stake gesetzt hat. Um Validator zu werden, muss er in der Regel eine beträchtliche Menge an Coins besitzen.

Diese Coins stehen auf dem Spiel. Wenn ein Validator seinen Pflichten nicht ordnungsgemäß nachkommt, kann er mit einer Geldstrafe belegt werden. Dies wird als "Slashing" bezeichnet. Ein Teil der auf dem Spiel stehenden Coins wird eingezogen, damit der Validator weiß, dass er dies nicht noch einmal tun soll.

Wenn zum Beispiel ein Validator zu oft offline ist, müssen andere Validatoren scheinbar die ganze Arbeit machen. Dafür wird ein Schrägstrich vergeben. Wenn falsche Transaktionen genehmigt werden, können Sie auch eine Strafe bekommen. Wenn Sie zu oft falsch liegen, können Sie sogar aus dem Netzwerk verbannt werden.

Wenn Sie Coins an einer Börse staken, sind Sie natürlich kein Validator. Das ist die Börse. Dort stehen viele Coins auf dem Spiel, und Sie dürfen zu einem meist günstigen Preis mitfahren. Es gibt kleine Unterschiede zwischen den Validatoren, wie viel Sie für Ihren Einsatz erhalten, so dass Sie mit etwas Recherche ein paar zusätzliche Coins bekommen können.

Die erste Kryptowährung, die mit Proof of Stake arbeitete, war der einzigartige Peercoin im Jahr 2012. Es folgte NXT im Jahr 2013. In den folgenden Jahren kamen weitere Proof of Stake-Netzwerke hinzu, bis der große Bruder Ethereum sogar damit zu arbeiten begann.

Andere bekannte Proof of Stake-Netzwerke sind Tezos, Cardano und Polkadot.

Proof of Stake könnte man als ein Verteilungssystem für Reiche bezeichnen. Je mehr Coins Sie haben, desto mehr Coins erhalten Sie. Die weniger Wohlhabenden unter uns können sich diesen Reichen in ihrem Schatten anschließen und hoffen, dass diese reichen Validatoren ihnen einen fairen Preis geben.

Auf der anderen Seite ist es in vielerlei Hinsicht ein faireres System als Proof of Work. Sie müssen kein Validator werden und können dennoch zusätzliche Coins erhalten, auch wenn Sie nur eine Handvoll Coins besitzen.

Ein Faktor, der ins Spiel kommt, ist, wie lange Sie ein Validator sind. Je länger Sie dies tun, desto wahrscheinlicher ist es, dass Sie einen neuen Block hinzufügen dürfen und die Transaktionsgebühr erhalten. Die Netzwerke versuchen auf diese Weise, zuverlässige Validatoren zu bekommen.

Proof of Stake funktioniert auch, indem Validatoren zufällig zugewiesen werden, um einen neuen Block hinzuzufügen, da sonst derjenige, der am längsten dabei ist, alle Blöcke machen würde.

Ein schöner Aspekt des Proof of Stake ist, dass ein 51%-Angriff nutzlos ist. Da Sie für Fehler bestraft werden, würden Sie auf diese Weise riesige Geldbeträge verlieren.

Welche Arten des Proof of Stake gibt es?

1. Delegated Proof of Stake

Bei dieser Form des Proof of Stake werden Validatoren damit beauftragt, dem Netzwerk Blöcke hinzuzufügen. Die Netzwerkteilnehmer stimmen darüber ab, wer die Validatoren sein werden, wie bei einer repräsentativen Vertretung.

Da es nur wenige Validatoren gibt, ist das Protokoll schnell und skalierbar.

Ein Validator wird alles tun, um seine "Wähler" bei Laune zu halten, damit er ein Delegierter bleibt. Schließlich verdient er damit sein Einkommen. Er tut dies, indem er seine Versprechen einhält, aber auch, indem er im Vergleich zu den übrigen Delegierten kommerziell attraktive Belohnungen anbietet.

Ein Nachteil dieses Systems ist, dass es zu Vetternwirtschaft führen kann. Einige Delegierte werden dann nicht aufgrund ihrer Leistungen für das Netzwerk ausgewählt, sondern aufgrund ihres umfangreichen Netzwerks. Im Extremfall kann eine solche Clique von Freunden sogar das gesamte Netzwerk in die Luft jagen, da sie nur ihren eigenen Interessen dienen oder sogar gemeinsam das Netzwerk angreifen.

Ein Beispiel für einen Coin mit diesem System ist EOS.

2. Effective Proof of Stake

Der Zweck dieses Konsensmechanismus ist es, eine Zentralisierung von gestapelten Coins zu verhindern. Dies geschieht durch eine Kombination von frühen Proof of Stake (wer sie am längsten hat, ist oft am zuverlässigsten), diese Stürmer erhalten die höchsten Belohnungen, zusätzlich zu einer niedrigeren Belohnung für spätere Investoren, die immer noch wirtschaftlich interessant ist.

Beispiel: Harmony.

3. Bonded Proof of Stake

Bei diesem Protokoll binden die Validatoren ihre Coins für eine bestimmte Zeit (Bonding) und erhalten dafür eine Gebühr für die Validierung neuer Blöcke.

Ein Nachteil dieses Systems ist, dass die Validatoren einem großen Risiko ausgesetzt sind, wenn das Netzwerk oder der Preis zusammenbricht.

Beispiel: Cosmos.

4. Pure Proof of Stake

Je mehr Coins Sie besitzen, desto wahrscheinlicher ist es, dass Sie einen neuen Block erstellen dürfen und die Coins erhalten.

Staker werden zwar zufällig und heimlich ausgewählt, um Blöcke zu validieren, aber wenn Sie mehr Coins im Einsatz haben, werden Sie schneller ausgewählt. Es ist wie bei einer Lotterie, bei der Sie häufiger gewinnen, wenn Sie mehr Lose haben. Eigentlich macht das sehr viel Sinn.

Es ist ein sehr dezentrales System, das typische Tricks wie das Anlegen vieler Konten oder die Bevorzugung von Delegierten unmöglich macht.

Beispiel: Algorand.

5. Proof of Stake Time

Je länger Sie einen Coin im Staking haben, desto mehr Rendite erhalten Sie. Dadurch erhalten Sie ein immer zuverlässigeres Netzwerk, da die Striker ihre Coins häufiger auf dem Staking lassen.

Ein Nachteil dieses Systems ist, dass sich die Coins immer mehr in den Händen von wenigen befinden. Außerdem gibt es dann so gut wie keinen Handel mit dieser Kryptowährung, was für den Preis nichts Gutes verheißt.

Beispiel: Vericoin.

6. Nominated Proof of Stake

Bei diesem Konsensprotokoll erzeugen die Validatoren neue Blöcke. Nominatoren nominieren Validatoren, die sie unterstützen. Je mehr Unterstützung die Validatoren in Form von Staking erhalten, desto wahrscheinlicher ist es, dass sie einen neuen Block erstellen dürfen.

Sowohl Validatoren als auch Nominatoren können aufgrund von Implementierungsfehlern aus dem Verkehr gezogen werden.

Beispiel: Polkadot.

7. Anonymous Proof of Stake

Hier können Sie anonym Stakes setzen und Belohnungen erhalten, ohne dass dies in der Außenwelt bekannt wird.

Beispiel: PIVX.

8. Leased Proof of Stake

Ein Validator benötigt ein Staking von einer guten Anzahl von Coins aus einem Netzwerk, um sich selbst als solchen bezeichnen zu können. Nodes können dann Coins leasen, um Blöcke zu erstellen und den Erlös mit dem Validator teilen, von dem Sie geleast haben.

Jeder Validator legt seine eigenen Bedingungen fest. Wenn Sie also mit wem leasen wollen, müssen Sie vorsichtig sein. Der Leasingnehmer kann jederzeit zu einem anderen Validator wechseln, also sollten auch die Validatoren darauf achten, dass sie gute Konditionen bieten.

Beispiel: Waves.

9. Hybrid Proof of Stake

Versucht, das Beste aus der Kombination von Proof of Work und Proof of Stake herauszuholen.

Beispiel: DASH.

10. Secure Proof of Stake

Bei diesem Protokoll werden die Validatoren nach dem Zufallsprinzip so ausgewählt, dass sie nicht beeinflusst werden können.

Es funktioniert mit der Anzahl der Coins, die auf dem Spiel stehen, aber auch mit einer Bewertung des Strikers selbst. Sobald ein Validator einen Fehler macht, sinkt Ihr Rating und Sie werden nicht mehr so leicht ausgewählt.

Beispiel: Elrond.

11. Delegated Proof of Contribution

Einige Netzwerke belohnen Menschen, die etwas für das Netzwerk tun. Personen mit Coins können für Personen stimmen, die dem Netzwerk geholfen haben, wobei sowohl die Wähler als auch die Nominierten eine Vergütung erhalten.

Beispiel: ICON.

12. Roll Delegated Proof of Stake

Roll steht hier für das Würfeln eines Würfels, also eines RNG (Zufallszahlengenerator).

Diese Variante des delegierten Proof of Stake versucht, die Unzulänglichkeiten dieses Protokolls zu vermeiden, indem die Delegierten einen neuen Block auf Zufallsbasis validieren.

Beispiel: IoTeX.

13. Proof of Stake

Ihre Coins sind beim Staking für eine bestimmte Zeit gesperrt, danach werden die Belohnungen ausgezahlt und Ihre Coins wieder freigeschaltet. Es gibt einen bestimmten Schwellenwert (Treshold), unterhalb dessen Sie keine Belohnungen erhalten, abhängig von der Anzahl der Teilnehmer und den Coins, die auf dem Spiel stehen.

Beispiel: NEAR.

Unterschiede zwischen Proof of Work und Proof of Stake

Aus dem obigen Text können Sie bereits eine Menge lernen, aber wir werden die Unterschiede noch einmal durchgehen, damit sie klar sind.

Beide Netzwerke verwenden einen Konsensmechanismus, um neue Coins zu prägen, aber Proof of Work verbraucht dabei sehr viel Strom.

Proof of Stake ist ein System, bei dem die Reichen noch reicher werden, aber Sie können zumindest noch mitmachen, wenn Sie sehr wenig haben, während bei Proof of Work der Miner allein für die meisten von uns zu teuer ist.

Beim Proof of Stake wird die Sicherheit des Netzwerks dadurch gewährleistet, dass ein abtrünniger oder schlechter Validator zerschlagen wird und somit Coins beim Staking verliert. Aus diesem Grund sorgen die Validatoren dafür, dass dies nicht geschieht.

Bei Proof of Work wird die Sicherheit des Netzwerks dadurch gewährleistet, dass die Kosten eines Angriffs so hoch sind, dass er mit der Zeit unrentabel wird.

Bei Proof of Work benötigen Sie ein gewisses Maß an technischem Wissen, um teilnehmen zu können. Bei Proof of Stake brauchen Sie hauptsächlich Geld.

Proof of Work-Netzwerke sind tendenziell langsamer als Proof of Stake, so dass es häufiger zu Verkehrsstaus kommt und die Teilnehmer auf die Validierung ihrer Transaktion warten müssen.

Bei Proof of Stake kann das Problem auftreten, dass Validatoren so viele Coins zusammenbekommen, dass sie anfangen, den Preis der Kryptowährung zu beeinflussen.

Bei Proof of Work besteht die Gefahr, dass einige Netzwerke so viel Rechenleistung anhäufen, dass sie einen 51%-Angriff starten können. Bei Bitcoin zum Beispiel gibt es einen Pool, der mehr als 20% der Rechenleistung des gesamten Netzwerks besitzt. Wenn die Pools zu nahe an 50% herankommen, werden sie oft aufgefordert, eine Aufteilung zu erzwingen, um eine Gefährdung des Netzwerks zu vermeiden.

Die Transaktionskosten für Proof of Work sind in der Regel viel höher als für Proof of Stake.

Proof of Work Coins können jederzeit verkauft werden. Wenn Ihre Coins auf dem Spiel stehen, können Sie das nicht. Dies kann in einem Crash oder Bärenmarkt ein Problem darstellen. Stop Losses sind nicht möglich, wenn Ihre Coins auf dem Spiel stehen.

Kleinere Netzwerke, die mit Proof of Work arbeiten, können schneller angegriffen werden, wenn die für einen Angriff benötigte Rechenleistung billiger ist als seine Kosten.

Bei Proof of Stake ist dies praktisch unmöglich, da ein 51%-Angriff eine große Anzahl von Coins erfordert, die auf dem Spiel stehen und bei denen der Angreifer große Verluste erleiden kann, wenn sein Verhalten offensichtlich wird. Hinzu kommt, dass der Preis seines Coins in diesem Fall deutlich sinkt. Der Proof of Stake Mechanismus basiert also auf einem offensichtlichen wirtschaftlichen Konzept.