Proof of what?

13.07.22

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Krypto

Proof of what…?

Proof of Work, Proof of Stake, Proof of Burn, Proof of Capacity… in der Blockchain-Welt gibt es zahlreiche unterschiedliche Methoden, um Transaktionen auf der Blockchain zu validieren. Doch wie funktionieren die verschiedenen – teils kuriosen – Validierungsmethoden und wo liegen die Vor- und Nachteile?

Damit Kryptonetzwerke dezentral funktionieren, braucht es möglichst viele Akteurinnen und Akteure, die über unterschiedliche Rechner an verschiedenen Orten der Welt sämtliche Transaktionen im Netzwerk überprüfen, validieren und protokollieren – also in das Blockchain-Protokoll einfügen. Diese User werden je nach Validierungsmethode Miner oder Validatoren genannt. Da der Prozess aufwendig ist, sind Anreize nötig, damit ausreichend viele User am Validierungsvorgang teilnehmen. Da die dafür notwendigen Rechenprozesse dezentral über viele unterschiedliche Rechner ausgeführt werden, müssen diese synchronisiert werden – sowohl zur Vorbeugung gegen zufällige Fehler als auch zum Schutz gegen gezielte Manipulation. Für die Synchronisierung wurden in der Blockchain-Welt zahlreiche Methoden – sogenannte Konsensmethoden – entwickelt. Einige von ihnen sind sehr bekannt – beispielsweise das auf der Bitcoin-Blockchain angewandte Verfahren Proof of Work oder Proof of Stake, das unter anderem für Blockchain-Projekte wie Cardano, Polkadot oder Ethereums ETH 2.0 genutzt wird.

Proof of Work und Proof of Stake sind die bekanntesten Beispiele für Konsensalgorithmen aus der Kryptowelt. Beide Verfahren bieten jedoch nicht nur Vor- sondern auch Nachteile, deshalb gibt es zahlreiche weitere Ansätze für Konsensverfahren, die Lösungen für die jeweiligen Probleme bieten sollen. Im Folgenden werden einige der bekannteren Verfahren vorgestellt.

Proof of Work – im Wettlauf um den passenden Hash

Jede Blockchain kann man sich wie ein ständig aktualisiertes Computerprotokoll vorstellen. Sämtliche Transaktionen, die innerhalb eines bestimmten Zeitraums im Netzwerk stattfinden, werden auf einem Block erfasst, der später in die Blockchain eingefügt wird. Bei der Konsensmethode Proof of Work müssen die Miner komplizierte mathematische Berechnungen durchführen, deren Ergebnis einem bestimmten Zahlenwert – dem Hashwert – des jeweiligen Blocks entspricht. Das Netzwerk überprüft die Ergebnisse der Miner, anschließend wird die Transaktion bestätigt und der Block in die Kette der vorherigen Blöcke eingereiht. Der Miner, der den Block erfolgreich validiert hat, bekommt eine Belohnung in Form einer bestimmten Menge netzwerkeigener Coins – also beispielsweise in Form von Bitcoin. Als nächstes wird der Vorgang mit dem nächsten Block in der Warteschleife wiederholt. Im Zuge dieses sogenannten „Minings“ werden nicht nur Transaktionen validiert, sondern auch neue Coins generiert. Der Wettbewerb unter den Minern führt dazu, dass die effektivsten Miner bevorzugt werden und so die Transaktionsgeschwindigkeit innerhalb des Netzwerkes konsistent bleibt.

Ein zentrales Problem von Proof of Work ist jedoch, dass die komplizierten Rechenprozesse äußerst viel Energie verbrauchen. Zwar nutzen Miner laut der Bitcoin Mining Council – einem Zusammenschluss wichtiger Akteurinnen und Akteure im Bitcoin-Netzwerk – zu großen Teilen Strom aus regenerativen Quellen, doch mit stetigem Wachstum des Netzwerks, steigt auch der Energiebedarf. Als Alternative zu Proof of Work wurde daher ein neues effizienteres Validierungsverfahren entwickelt, nämlich „Proof of Stake“.

Proof of Stake – wer den größten Stake hat, darf validieren

Beim Staking werden die Blöcke nicht von Minern mit besonders großer Rechenleistung bearbeitet, sondern einem so genannten Validator per Algorithmus zugewiesen. Validator:innen müssen eine bestimmte Mindestmenge an Token (den „Stake“) im Netzwerk hinterlegen. Dem Validator mit dem größten Stake weist der Algorithmus den nächsten Auftrag zu. Sobald das Netzwerk bestätigt hat, dass der zu validierende Block korrekt ist, wird er der Blockchain hinzugefügt und kann dann nicht mehr verändert werden. Die von den Validator:innen hinterlegten Token dienen dem Netzwerk dabei als Sicherheit gegen Betrug: Versucht ein Validator einen illegalen Block zur Blockchain hinzuzufügen, verliert er seine Validatoren-Funktion und seinen gesamten Stake. Genau wie beim Mining erhält der Validator für jeden erfolgreich validierten Block eine Belohnung.

Im Unterschied zu Proof of Work verbraucht Proof of Stake deutlich weniger Rechenleistung, denn anstelle des Um-die-Wette-Rechnens tritt der Wettbewerb um den größten Stake. ETH 2.0 beispielsweise, die geplante Weiterentwicklung der bei dApp-Entwicklern beliebten Ethereum-Blockchain, wird deshalb künftig Proof of Stake anwenden.

Proof of Burn – kurzfristiger Verlust im Tausch gegen langfristigen Gewinn

Eine Variante von Proof of Stake ist Proof of Burn. Proof of Burn funktioniert vom Prinzip her ähnlich, mit einem zentralen Unterschied: Anstatt, dass nur „schlechte“ User Token verlieren, verlieren alle, die am Staking teilnehmen, Token. Die Miner senden einen Bruchteil ihres Stakes an eine sogenannte Burner-Adresse. Die Token werden dort „verbrannt“, das heißt dem Krypto-Kreislauf entzogen. Das klingt erstmal kontraproduktiv. Doch beweisen die Miner so, dass sie bereit sind, kurzfristig einen Verlust in Kauf zu nehmen, um langfristig einen Gewinn zu machen. Denn wer die meisten Token „verbrennt“, erhöht langfristig seine Chancen, den nächsten Block zur Validierung zugewiesen zu bekommen. Für jeden validierten Block gibt es eine Belohnung in Form von Token. Im Gegensatz zu Proof of Work ist dieses Konsensverfahren energiesparsam, denn statt viel Rechenleistung braucht das System die Bereitschaft der Akteurinnen und Akteure, einen Teil ihres Vermögens zu verbrennen, um so die Chancen auf Gewinne zu erhöhen. Proof of Burn ist ein recht neuer Konsensmechanismus – er kommt daher noch nicht großflächig in Netzwerken zum Einsatz.

Proof of Capacity – Eine Variante von Proof of Work

Proof of Capacity ist ebenfalls als energieeffizientere Variante von Proof of Work gedacht. Anstatt ihre Rechenleistung zur Verfügung zu stellen, stellen die Miner freien Speicherplatz auf ihre Festplatte zur Verfügung, worauf dann Lösungen zu Hashing-Aufgaben gespeichert werden. Das Prinzip funktioniert also in gewisser Weise umgekehrt wie Proof of Work: Anstatt wiederholt Rechnungen in unterschiedlichen Variationen durchzuführen, um so den richtigen Rechenweg zum gesuchten Hash zu finden, wird eine Liste möglicher Lösungen auf dem Gerät des Miners gespeichert, bevor dieser überhaupt mit dem Mining beginnt. Je größer der Speicherplatz ist, den der Miner zur Verfügung stellt, desto mehr mögliche Lösungen können darauf gespeichert werden und desto höher auch die Chance, dass richtige Lösungen dabei sind.

Der Miner muss also nur noch die auf seiner Festplatte gespeicherten möglichen Lösungen in die Hash-Funktion einspeisen, anstatt im Wettbewerb mit den anderen Minern durch möglichst viele Rechenversuche in möglichst kurzer Zeit die richtigen Werte zu raten. Auf diese Weise spart Proof of Capacity im Vergleich zu Proof of Work viel Energie. Gegenüber Proof of Stake hat die Methode den Vorteil, dass es keinen Grund gibt, Kryptos für das Staking zu „bunkern“. Zu den Blockchains, die auf Kapazitätsnachweisen basieren, gehören unter anderem der dezentrale Cloudspeicher-Anbieter Storj und Burst – das erste aller Proof of Capacity-Projekte.

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