/ Buch

Proof of Stake verstehen

TL:DR Ein paar prominente Altcoins setzen ganz oder teilweise auf proof-of-stake statt proof-of-work und funktionieren damit grundsätzlich anders als Bitcoin. Blockzeiten von einer Minute und keine Probleme beim Stromverbrauch sind das Ergebnis. Hier geht es darum, was proof-of-stake ist, wo es proof-of-work überlegen ist und welche Schwäche es dennoch hat. Am Schluss wird es philosophisch.

Dein Versuch, den Artikel vorab zusammenzufassen in allen Ehren, aber das versteht doch nun wirklich niemand mehr

Hallo Dirk! Für dich gibt es noch einmal eine kurze Einführung.

Neben Bitcoin gibt es eine Reihe von Kryptowährungen, die ähnliches versprechen: gemeinhin unabhängiges, inflationssicheres Geld, aber mit Mega-Ultra. Mit Bitcoin als Platzhirsch reihen sich die Alternativen als die sogenannten Altcoins ein, die jeweils große oder geringe Ähnlichkeit zu Bitcoin haben.

Ein interessanter Altcoin ist NextCoin, häufiger: NXT, weil da Bitcoins proof-of-work, kurz: POW, durch sogenanntes proof-of-stake ersetzt wird. Proof-of-Stake, kurz: POS, bedeutet in etwa “Nachweis von Anteilen”. Da der Stromverbrauch von Bitcoin mit POW zusammenhängt, verspricht NXT schlank und effizient zu sein.

Welche Bedeutung hat denn NXT real?

NXT war der Pionier von POS und ist bis heute einer der wichtigsten Altcoins, die pures POS implementieren. Daneben setzten Peercoin, Blackcoin und Gridcoin auf POS. Was aber wichtiger ist: Der zweitgrößte Coin, Ethereum, basiert noch auf POW und plant aber eine schrittweise Einführung von POS.

Diese Abkürzungen jetzt überall … Gib mir einen Moment, um mich daran zu gewöhnen. POW = proof of work = was Bitcoin macht, POS = proof of stake

Die potenziellen Vorteile sind nämlich zu verlockend, als dass man POS einfach ignorieren könnte. Neben Ethereum gibt es noch NEM und NEO — derzeit in den Top 10 der Altcoins nach Marktkapitalisierung, die im weitesten Sinne mit Varianten von POS arbeiten.

Jetzt habe ich gerade erst proof-of-work verstanden und du kommst mit was Neuem um die Ecke. lst das pädagogisch irgendwie durchdacht?

Ja ist es, denn wir haben jetzt die Gelegenheit uns noch einmal mit ein paar kritischen Aspekten von Bitcoins proof-of-work auseinanderzusetzen. Wir werden z.B. die Frage anschauen, ob der exorbitante Stromverbrauch des Bitcoin-Netzwerks einen tieferen Sinn hat. Und außerdem: wer sich einbildet vorausschauend in das Kryptogeld der Zukunft zu investieren, der will sich hoffentlich auch mit zukunftsweisenden Konzepten auseinandersetzen.

Wiederholung ist wichtig. Nenn doch mal die Probleme von Bitcoins proof-of-work

Warum nicht einfach proof-of-work und gut is?

Aus der Reihe Kryptogeld wirklich verstehen wissen wir, dass es bei Bitcoin einen Wettbewerb der Miner gibt, in dem diese in einem Wettrüsten um die meiste Rechenpower um den block reward konkurrieren. Zu den Konsequenzen daraus, den Externalitäten, gehört zum Einen der hohe Stromverbrauch des gesamten Netzwerks und zum Anderen die Sicherheit des Netzwerks gegen Manipulation.

Ob das erreichte Maß an Sicherheit überhaupt ausreichend ist und ob man nicht ein mindestens genauso sicheres System haben könnte, das effizienter ist, wissen wir nicht hundertprozentig. Wir wissen nur, dass bisher alle Teilnehmer ihre Rechenpower tendenziell dazu genutzt haben, um sich ehrlich den block reward zu verdienen, anstatt sich Bitcoins zu ergaunern oder gar das System zu sabotieren und das ist schon mal was.

Probleme mit proof-of-work

Den Stromverbrauch mal außen vor gelassen gibt es die folgenden dringenden Probleme bei Bitcoin.

Erstens beträgt die Blockzeit im Schnitt zehn Minuten. Das zusammen mit der Faustregel, dass ich nach sechs Blöcken = sechs confirmations Sicherheit habe, dass meine Transaktion final ist, macht Bitcoin für eine Klasse von Anwendungsfällen unbenutzbar.

Aber liegt das denn an proof-of-work? Ethereum nutzt ja aktuell auch proof-of-work und hat Blockzeiten unter einer Minute

Ethereum holt noch einmal alles aus POW raus, was möglich ist. Der Grund für Bitcoins langer Blockzeit hängt aber direkt mit Bitcoins Umsetzung von POW um. Und zwar ist es wichtig, dass alle Miner auf der Suche nach einem Block mehr oder weniger gleichzeitig starten. Da es im Schnitt aber um 20 Sekunden dauert, bis alle Nodes über den zuletzt gefundenen Block Bescheid wissen, haben Miner, die physisch nah beieinander sind einen Vorteil. 20 Sekunden auf zehn Minuten ist noch vernachlässigbar. Bei geringeren Blockzeiten hat aber immer der Miner, der den letzten Block gefunden hat einen Startvorteil gegenüber allen anderen.

Zweitens zahlt der Bitcoin-Nutzer die extravagante Stromrechnung der Miner. Sowohl der block reward als auch die Transaktionskosten werden vom Nutzer getragen. Auch hier ist die Sache leider wieder komplizierter und POW ist nicht alleine schuld.

Klar, die Transaktionskosten zahlt der Nutzer … und der block reward geht letztlich auch auf Kosten der Nutzer, weil der den Kurs drückt und den Wert meiner Coins mindert oder so

Jo. Der Grund für die aktuell extrem hohen Transaktionskosten ist Bitcoins Skalierungsproblem bzw. konkret die Begrenzung der Blockgröße und somit Knappheit bei den Transaktionen. Wer es in den Block schaffen will, muss zahlen. Langfristig sind die Transaktionskosten die einzige Einnahmequelle der Miner und das heißt, diese müssen die Sicherheit des Netzwerks finanzieren. Ein optimales Verhältnis zwischen den Kosten und der resultierenden Sicherheit ist entscheidend, wenn Bitcoin als Bezahlmethode eine Rolle spielen soll.

Willst du damit sagen Bitcoins POW ist also nicht optimal von der Effizienz her betrachtet?

Wahrscheinlich nicht. Alternativen müssen aber auch erst einmal ausprobiert werden und den Test der Zeit bestehen. POS ist so eine Alternative.

Was also ist proof of stake?

NXT hat damals maßgeblich zur Popularität von POS beigetragen. Gegenüber anderen Altcoins hat NXT eine echte Innovation versprochen. Dirk, du erinnerst dich noch an das Problem, das durch POW gelöst wird?

Ja … die Blockchain liegt redundant vor bei jedem Node. Und die Nodes müssen sich aber immer einig sein, wer wie viele Bitcoins besitzt. Das bedeutet, wenn widersprüchliche Informationen im Netzwerk rumgeistern, müssen die Nodes konvergieren. Dank proof-of-work gibt es ein objektives Kriterium, wohin das Netzwerk konvergiert. Und das ganze funktioniert alles super-fluffig, solange der Großteil der Rechenpower in den Händen ehrlicher Miner ist

Gesprochen wie ein wahres Wunderkind. Und vor Allem: auch gegen einen bösen Angreifer, der absichtlich widersprüchliche Transaktionen verbreitet, muss das Netzwerk resistent sein.

Du redest hier von der Double-Spending-Attacke

Exakt. Diese Problem löst NXT jetzt auch, aber anders.

Die Idee hinter Proof-of-Stake

NXT arbeitet mit Blöcken und einer Blockchain genauso wie Bitcoin. Nur gilt bei NXT: nicht die Rechenpower bestimmt, wer den nächsten Block generiert, sondern die Coins, die sich in meinem Besitz befinden. Je mehr Coins ich besitze, desto höher die Wahrscheinlichkeit, dass ich den nächsten Block schmiede. ln der einfachsten Variante ist das ein gewichtetes Losverfahren. Viele coins = viel stake bzw. viele Anteile an der Währung.

Wie bitte? lch schmiede jetzt Blöcke?

Bei POS spricht man nicht vom Schürfen (engl. mining) sondern vom Schmieden (engl. to forge) oder prägen (engl. to mint), wahrscheinlich weil schürfen mit mehr Arbeit verbunden ist und ein forger eben keine vergleichbare Arbeit leisten muss.

Die Logik dahinter ist jetzt die: solange die Mehrheit der NXTCoins in den Händen ehrlicher Nutzer ist, konvergiert die Blockchain …

… genauso wie bei Bitcoin, wenn die Mehrheit der Rechenpower in den Händen ehrlicher Nodes ist.

Es könnte klarer nicht sein! Das hat jetzt handfeste Vorteile.

Das Wettrüsten der Miner gibt es nicht mehr, auch keine ASIC-Fabriken und keinen eskalierenden Stromverbrauch.

Potenziell ist POS sogar viel sicherer als POW, weil die Kosten für eine 50%-Attacke größer sind. Über 50% der Coins zu verfügen, dürfte teurer sein, als zeitweilig über 50% der Rechenpower zu verfügen.

Die Blockzeit kann drastisch verkürzt werden. Bitcoins zehn Minuten verhindern dass ich keine Benachteiligung hab durch Latenz im Netzwerk. NXT arbeitet mit einem Block pro Minute. Je nach Implementierung von POS gibt es gar keine Notwendigkeit überhaupt zu warten (Leider kenn ich die genauen Gründe für NXTs Blockzeit nicht). Das heißt auch: lch kann meinen Kaffee wieder mit Kryptogeld bezahlen und genauso meinen Schützenpanzer aus dem Darknet.

Und warum ist der Kurs von NXT dann nicht durch die Decke geschossen und stattdessen quälen wir uns immer noch mit Bitcoin rum?

Das hat etwas zu tun mit den …

Grenzen von Proof of Stake

Nach Marktkapitalisierung liegt NXT aktuell auf Platz 72 und der Kursverlauf war dem eines Shitcoins nicht unähnlich: Hype am Anfang und Fall in die Bedeutungslosigkeit danach — bis vor Kurzem zumindest. NXT ist alles andere als tot.

Ahem … Deine Darstellung des NXT-Preises in US-Dollar täuscht den Leser darüber hinweg, dass NXT im Vergleich zu Bitcoin nicht wirklich gut abgeschnitten hat. Wie der Beginn eines Siegeszuges sieht mir das nicht aus

Das könnte damit zu tun haben, dass es sowas gibt wie …

Grundsätzliche Kritik an Proof-of-Stake

NXT baut auf purem POS auf, was einerseits elegant ist, andererseits nicht jedem sinnvoll scheint. Bei POS gibt es ein Szenario, das Anlass zu Zweifel an der langfristigen Verlässlichkeit gibt, und das geht so.

Ausgangspunkt ist der Versuch einer Double-Spending-Attacke. Der Angreifer besitzt Coins — aber weit unter 50% aller Coins — und verbreitet zwei widersprüchliche Transaktionen im Netzwerk. Der Einfachheit halber sprechen wir einfach von den Transaktionen TX1 und TX2. Der Angreifer schickt TX1 ganz regulär los, aber sobald er an die Reihe kommt, einen Block zu schmieden, hat er die Gelegenheit TX2 einzubauen in einen Block — Block2, der mit Block1 konkurriert. Das ist der Moment, wo es zum forkkommt, und nun gibt es also die chain1 mit TX1 und die chain2 mit TX2 darin.

Und wenn das Netzwerk lang genug auf chain1 bleibt, dann aber doch noch auf chain2 umschwenkt, hat der Angreifer erfolgreich den Empfänger von TX1 betrogen

So sieht es aus! Der Trick bei Bitcoin war jetzt, die ehrlichen Miner schürfen auf derjenigen chain, die am meisten proof-of-work hat — die dominante chain, und das hat zur Folge, dass das Netzwerk schnell konvergiert und der Angreifer mit seinem Versuch, die schwächere chain am Leben zu erhalten, allein dasitzt.

Jetzt schauen wir uns mal genau die Interessenlage eines ehrlichen Bitcoin-Nodes an — seine Anreizstruktur: Von einem ehrlichen Miner verlangen wir eigentlich nur, dass er nicht mit dem Angreifer unter einer Decke steckt, denn dann handelt er komplett eigennützig, wenn er auf der dominanten chainarbeitet.

Ein verwirrter Bitcoin-Miner, der auf der schwachen chain arbeitet und die Double-Spending-Attacke unterstützt, hat davon in der Regel nichts. Er hat dem Angreifer geholfen, den fork länger aufrecht zu erhalten, aber wenn das Netzwerk dann ggf. etwas später konvergiert — auf die dominante chain — sind die block rewards des verwirrten Miners futsch.

Mal zur Klarstellung: Das Netzwerk konvergiert also in einer gewissen Zeit auf jeden Fall auf eine dominante chain, weil wir annehmen, dass der Angreifer — auch mit verwirrtem Miner — nicht die 50% der gesamten Rechenpower erreicht?

Ja. Bei einer 50%-Attacke könnte ein Angreifer das Netzwerk beliebig lenken, darüber reden wir hier nicht.

Wir halten fest: durch das Prinzip der dominanten chain trägt ein Bitcoin-Node aus Eigennutz zur Stabilität des Netzwerks bei und dient eigennützig dem Gemeinwohl. lst das nicht schön?

Für einen Sozialisten unvorstellbar

Das hast du gesagt. Nun zurück zu NXT.

Das Nothing-at-Stake-Problem

Ein gewöhnlicher NXT-Node, der nicht mit dem Angreifer unter einer Decke steckt, hat die Wahl auf chain1 oder chain2 zu schmieden. lm typischen Angriffsfall ist eine der chains länger als die andere. Dann hat der NXT-Node nichts davon auf der kurzen chain zu schmieden.

Aber ein NXT-Node kann auch einfach auf beiden chains schmieden. Au weia!

Das war für Bitcoin-Nodes keine Option …?

Ein Bitcoin-Node müsste dafür ja seine teure Rechenpower aufteilen. Das ist bei NXT anders. lch hab ja gar keine Rechenpower und kann völlig kostenlos hier und da schmieden. Meine coins, die ich zum Schmieden brauche, liegen doppelt auf der langen und auf der kurzen chain. Zusätzlich auf der kurzen chain zu schmieden, verursacht keine Extrakosten. Der Bitcoin-Miner riskiert, seine Rechenpower auf der falschen chain zu verschwenden. Für den NXT-Node gibt es das Risiko nicht, für ihn ist bei der Wahl der chain nothing at stake. Deswegen wird das Problem etwas verwirrend das Nothing-at-Stake-Problem genannt.

Aber wie real ist das Problem wirklich? Kann man von einem NXT-Node nicht erwarten dass er im Sinne der Stabilität nur auf einer chain schmiedet?

Das ist exakt die Frage. Bitcoin-Nodes sind eigennützig und das reicht, NXT-Nodes müssten in diesem Sinne altruistisch sein. lm Falle einer bösen Attacke mag das noch alles übersichtlich wirken: man wird wohl so viel Gemeinsinn erwarten dürfen, dass niemand opportunistisch den Angreifer unterstützt, nur weil ihn das nichts kostet. Irgendwo wäre das eine ziemliche Troll-Aktion.

Aber anstelle eines Angreifers kann es auch durch ganz andere Gründe zu forks kommen. Es gibt schließlich auch Bugs und Software-Updates. Für die Nodes ist die eigennützige Strategie dann immer, auf allen chains zu schmieden, was aber bedeuten würde, das Netzwerk konvergiert nicht. Unterm Strich: NXTs reines POS-Netzwerk ist nicht robust.

Was sagen denn die NXT-Leute dazu

Meines Wissens belächeln die das Nothing-at-Stake-Problem ein wenig. Bisher lief alles glatt und da alle NXT-User den offiziellen Client benutzen, ist es gar nicht möglich auf mehreren chains zu schmieden. Bevor das Problem real wird müsste sich erst einmal ein NXT-Client verbreiten, der nicht nach dem Prinzip Altruismus programmiert ist, sondern nach dem Prinzip Eigennutz.

Zum Abschluss wird es noch einmal tiefgründiger. Es gibt nämlich eine …

Tiefsinnige Implikation aus POS vs. POW

Bild nicht relatiert

Wir haben gesehen, die zuverlässige Konvergenz des Bitcoin-Netzwerks hängt letztlich damit zusammen, dass ein Miner im Falle eines forks seine Rechenpower nicht beliebig auf mehreren chains doppelt verwenden kann. Das hängt letztlich auch damit zusammen, dass diese Rechenpower etwas physisches ist, was außerhalb der Blockchain existiert in Form von Server-Farmen, die realen Strom verbrauchen und reale Kosten (in Euro und Dollar) verursachen.

Umgekehrt läuft die Grundsatzkritik an NXT darauf hinaus, dass mein Besitz von coins, die bei POS ausschlaggebend sind, sich im Falle eines forks auf jede chain überträgt — also anders als die Rechenpower eben doch verdoppelt wird.

Der Punkt ist, dass es beim POS-Schmieden im Gegensatz zum POW-Mining nichts Physisches gibt, nichts außerhalb der Blockchain. Das macht NXT so unglaublich schlank und effizient — aber eben auch irgendwie wabbelig und virtuell.

Umgotteswillen du willst sagen, am Ende sind es die Stromkosten, die Bitcoin zu einer harten Währung machen

Witzig oder? Bitcoin ist eine virtuelle Währung, aber im Vergleich zu NXT ist Bitcoin eine Art Goldmünze und NXT von der Realität entkoppeltes virtuelles Geld.

Man kann sich bei Bitcoin auch genau die Schnittstelle zwischen der sehr virtuellen Blockchain und der physischen Welt angucken: Es ist das Rätsel, das die Miner lösen:

SHA256 ( SHA256 ( BLOCK_HEADER ) ) < TARGET

Weil es sich um eine sehr übersichtliche Gleichung handelt, kann man eine Lösung mit geringstem Aufwand auf Richtigkeit überprüfen, wie es für eine virtuelle Blockchain erforderlich ist. An eine Lösung kommt man wiederum aber nur durch brute force — also mit der Rechenpower realer Computer.

Mind blown. NXT kaufen oder nicht kaufen?

Wie du meine große Mission Proof-of-Stake zu erklären jetzt mit so einer profanen Frage abwertest!

Das ist noch nicht einmal ein deutscher Satz! Ich dachte, deine Artikel sollen auch praktischen Nutzen haben

OK. Wie zu Anfang erwähnt, ist die Technologie POS sehr relevant — bei mehreren Altcoins. Mir persönlich gefällt auch NXT im Konkreten und ARDOR, eine Erweiterung von NXT vom gleichen Team. Jetzt muss ein Siegeszug von POS lange nicht bedeuten, dass NXT wieder an Relevanz gewinnt. Das ist ein gutes Beispiel dafür, dass es bei Altcoins inzwischen mehr um Unternehmensstrategie geht als um Technologie: NXT oder sonst ein Coin muss zur richtigen Zeit mit seinen Konzepten am Start sein und sich erfolgreich vermarkten. Viele Leute schauen auch statt auf die Technologien direkt auf das Team hinter dem Altcoin.

Alle technischen Infos in diesem Artikel sind in Vitalik Buterins “On Stake”auf englisch zu finden.

Liebe Leser

Es bleibt anspruchsvoll. Wir setzen unsere Reise fort in die Welt der Altcoins. Die vielfältigen Lösungen, die dort entwickelt werden, sind leider zunehmend komplex. Mein Eindruck ist, dass die meisten Altcoins auch in Zukunft Bedeutung haben werden. Je früher man sich also mit den Konzepten beschäftigt desto besser.

Weiterlesen Bitcoin (e)skaliert: Die Blocksize-Debatte

Du bist hier Proof of Stake verstehen

Voriger Artikel Der Wettbewerb der Miner

Zurück zur Inhaltsübersicht