6 Min. LesezeitKonsensmechanismen spielen eine entscheidende Rolle in der Blockchain-Technologie aufgrund ihrer dezentralen Natur. Sie validieren Transaktionen, sorgen dafür, dass das gesamte Netzwerk denselben Ledger teilt, und schützen vor Angriffen, indem sie verantwortungsvolles Verhalten unter den Teilnehmern fördern.
Einer der am häufigsten verwendeten Konsensmechanismen ist Proof of Stake (PoS). Dieser Artikel beleuchtet PoS anhand von Ethereum, dem zweitgrößten Protokoll nach Marktkapitalisierung, und erklärt, wie es das Netzwerk absichert.
Grundlagen der Blockchain-Sicherheit
Drei Prinzipien bilden das Fundament der Blockchain-Sicherheit:
Unveränderlichkeit: Niemand kann Transaktionen, die auf einer Blockchain verarbeitet und aufgezeichnet wurden, ändern oder modifizieren. Jeder Block enthält einen Hash, der alle Transaktionen dieses und des vorherigen Blocks repräsentiert. Ein Hash ist eine festgelegte Zeichenfolge, die durch einen kryptografischen Algorithmus erstellt wird.
Dezentralisierung: Kein einzelnes Organ kontrolliert das Netzwerk. Teilnehmer, die als Knoten bekannt sind, sind für die Validierung und Aufzeichnung von Transaktionen verantwortlich. Selbst wenn mehrere Knoten ausfallen, kann das Netzwerk weiterarbeiten.
Konsens: Das gesamte Netzwerk muss sich auf den aktuellen Stand des Ledgers einigen, was durch einen Konsensmechanismus erreicht wird.
Ein PoS-Konsensmechanismus erfordert, dass Knoten, die als Validatoren bezeichnet werden, eine bestimmte Menge des nativen Tokens eines Protokolls in einem Smart Contract „staken“ (sperren), um die Chance zu erhalten, zufällig ausgewählt zu werden, um den nächsten Block von Transaktionen zu verarbeiten. Je höher der Einsatz eines Validators, desto größer seine Chancen, ausgewählt zu werden. Andere Knoten, die als Genehmigende bezeichnet werden, bestätigen die Gültigkeit jedes Blocks.
Ethereum wechselte im September 2022 vom Proof of Work (PoW) Mechanismus zu PoS. Der Hauptgrund für den „Merge“, wie ihn die Krypto-Community nannte, war die Verbesserung der Skalierbarkeit und die Reduzierung des Energieverbrauchs des Protokolls. Der Mindesteinsatz für Validatoren bei Ethereum beträgt 32 Ether und das Netzwerk verwendet einen Algorithmus zur Generierung zufälliger Zahlen, um alle 12 Sekunden einen neuen Validator auszuwählen.
Sicherheitsmechanismen in Ethereum 2.0
Ethereum fördert gutes Verhalten, indem es Blockbelohnungen zahlt, die Validatoren für die Teilnahme am Konsensmechanismus und zur Sicherung des Netzwerks verdienen. Die Vergütungen stehen im Verhältnis zum Einsatz eines Validators und kommen in zwei Formen:
Konsens-Prämien: Der Konsensmechanismus zahlt Belohnungen an Validatoren, Genehmigende und Sync Committees, die sicherstellen, dass alle Knoten die neueste Version des Ledgers besitzen. Diese Belohnungen sind die Hauptquelle neu ausgegebener Ether.
Ausführungsprämien: Validatoren verdienen Ausführungsprämien durch Transaktionsgebühren (Gas-Gebühren), „Trinkgelder“, die Nutzer zahlen, um die Aufnahme ihrer Transaktion in den nächsten Block zu fördern, und durch die Erfüllung von Anfragen zum maximal extrahierbaren Wert (MEV), um Transaktionen in einem Block einzuschließen, auszuschließen oder neu anzuordnen.
Erfahre mehr über die Staking-Renditen von Ethereum.
Das Protokoll bestraft auch Validatoren, um Fehlverhalten zu verhindern. Knoten zahlen kleinere Strafen für Inaktivität, aber schwerwiegendere Verstöße können zu „Slashing“ führen, wobei ein Teil des Einsatzes eines Validators, beginnend ab einem Ether, aus dem Umlauf entfernt oder „verbrannt“ wird. Diese Strafen können letztendlich den gesamten Einsatz eines Validators kosten.
Drei Verstöße führen zu Slashing:
Vorschlagen und Signieren von zwei verschiedenen Blöcken im selben Slot (dem 12-Sekunden-Slot, in dem ein Validator einen neuen Block von Transaktionen vorschlägt)
Genehmigen eines Blocks, der den Aufzeichnungen in einem früheren Block widerspricht
Genehmigen von zwei verschiedenen Blöcken für einen Slot
Um Absprachen zu verhindern, kann das Netzwerk eine zusätzliche Strafe verhängen, wenn mehrere Validatoren denselben Verstoß innerhalb weniger Tage begehen.
Erhöhung der Sicherheit in Ethereum 2.0
Zwei Metriken, die zur Messung der Dezentralisierung eines Proof-of-Stake (PoS)-Mechanismus und damit seiner Sicherheit verwendet werden, sind die Anzahl der Validatoren und der Prozentsatz des gesamten zirkulierenden Angebots des nativen Tokens, der gestakt ist (Netzwerke mit einem höheren Prozentsatz sind schwerer zu hacken). Laut dem Datenanalysten Dune hat Ethereum 1 074 669 Validatoren (Stand: 10. September 2024), und diese Zahl ist seit dem „Merge“ stetig gestiegen. Dune schätzt außerdem, dass 28,07% des zirkulierenden Angebots an Ether gestakt sind (Stand: 10. September 2024).
Im Vergleich zu anderen PoS-Blockchains ist Ethereum in Bezug auf die Anzahl der Validatoren stark dezentralisiert, weist jedoch einen vergleichsweise niedrigen Anteil an gestakten nativen Token auf.
Ein weiterer Weg, wie Ethereum seine Sicherheit aufrechterhält, ist die regelmäßige Aktualisierung des Netzwerks. Das neueste Upgrade, Dencun, das im März 2024 veröffentlicht wurde, zielte auf Verbesserungen bei Skalierbarkeit und Effizienz ab. Es implementierte mehrere Ethereum Improvement Proposals (EIPs), die ein Schlüsselelement des Governance-Rahmens des Protokolls darstellen, da Community-Mitglieder diese einreichen, diskutieren und über deren Implementierung einen Konsens erzielen. Der wichtigste dieser Vorschläge war EIP-4844, das Proto-Danksharding einführte, den ersten Schritt zur Hinzufügung von „Blobs“ zu Blöcken.
Ethereum führt auch regelmäßige Audits durch, um die Sicherheit des Netzwerks zu testen. Kürzlich ging es eine Partnerschaft mit der Web3-Bug-Bounty-Plattform Immunefi ein, um einen Belohnungspool von über 500.000 US-Dollar für Forscher bereitzustellen, die Schwachstellen im Protokoll aufdecken.
Häufige Missverständnisse ansprechen
Eine häufige Kritik am Proof-of-Stake (PoS) ist, dass einige finanzstarke Validatoren den Konsensmechanismus dominieren könnten, was die Zentralisierung des Netzwerks erhöhen würde. Ethereum hat jedoch ein Einsatzlimit von 32 Ether, das sowohl das Mindest- als auch das Maximaleinsatzlimit darstellt. Dadurch müssen selbst die größten Teilnehmer, wie Lido (ein Staking-Pool, der 28,37% des gestakten Ethers ausmacht), mehrere Validatoren einrichten, was die Dezentralisierung fördert.
Dieses Limit stellt auch sicher, dass die Belohnungen im Laufe der Zeit gleichmäßig verteilt werden. Anders als beim Proof-of-Work (PoW)-Konsensmechanismus von Bitcoin, der teure Rechenleistung erfordert, bietet Ethereums PoS-Protokoll eher gleiche Chancen. Die Einstiegshürden in Bezug auf Rechenressourcen sind niedrig und Validatoren erhalten Belohnungen proportional zum Limit, unabhängig von der Größe ihrer Gesamtbestände. Darüber hinaus basieren die Belohnungen auf einem Performance-Standard, der relativ leicht zu erreichen ist: Verantwortungsvolles Verhalten (Validatoren, die keine Strafen erhalten, haben eine bessere Chance, ausgewählt zu werden) und die Aufrechterhaltung der Betriebszeit.
Fazit
Ethereum hat im September 2022 von PoW auf PoS umgestellt ist nun das bekannteste PoS-Protokoll. Validatoren müssen 32 Ether staken, um das Recht zu erhalten, zufällig ausgewählt zu werden, um Transaktionen zu verarbeiten. Im Gegenzug erhalten sie Blockbelohnungen proportional zum Wert ihres Einsatzes. Das Protokoll bestraft auch Fehlverhalten.
Dezentralisierung ist der Schlüssel zur Sicherheit von Ethereum. Im Vergleich zu konkurrierenden PoS-Protokollen schneidet es bei der Anzahl der Validatoren gut ab, während der Anteil des gestakten Ethers vergleichsweise gering bleibt. Diese zwei Kriterien sind Metriken zur Messung der Dezentralisierung. Weitere Maßnahmen, durch die Ethereum die Sicherheit aufrechterhält, umfassen regelmäßige Netzwerk-Updates und Audits.
Einer der Hauptkritikpunkte an Ethereum ist die potenzielle Zentralisierung durch einige dominante Validatoren. Doch das Limit von 32 Ether wirkt der Zentralisierung entgegen und sorgt gleichzeitig für eine faire Verteilung der Belohnungen.
