Proof-of-Stake (PoS)

Proof-of-Stake (PoS) ist die Basis für Ethereums Konsensmechanismus. Ethereum wechselte 2022 zum Proof-of-Stake-Mechanismus, da dieser sicherer und weniger energieintensiv ist sowie sich besser für die Implementierung neuer Skalierungslösungen eignet als die frühere Proof-of-Work-Architektur.

Voraussetzungen

Um diese Seite besser zu verstehen, empfehlen wir dir, zuerst einen Blick auf Konsensmechanismen zu werfen.

Was ist Proof-of-Stake (PoS)?

Proof-of-Stake ist eine Methode, mit der nachgewiesen wird, dass Validatoren einen gewissen Wert in das Netzwerk eingebracht haben, der zerstört werden kann, wenn sie unehrlich handeln. Im Proof-of-Stake-Verfahren auf Ethereum setzen die Validatoren explizit Kapital ein, und zwar in Form von ETH in einen Smart Contract. Es ist dann die Aufgabe des Validatoren, zu prüfen, ob neue Blöcke, die über das Netzwerk propagiert wurden, gültig sind. Die Validatoren sind auch dafür verantwortlich, gelegentlich selbst neue Blöcke zu erstellen und über das Netzwerk zu propagieren. Wenn sie versuchen, das System zu täuschen (beispielsweise durch das Vorschlagen mehrerer Blöcke, wenn sie nur einen versenden sollen, oder das Abgeben widersprüchlicher Attestierungen) könnten Teile oder alle ETH, die sie als Kapital eingesetzt haben, zerstört werden.

Validatoren

Um als Validator teilzunehmen, muss ein Nutzer 32 ETH im Einzahlungsvertrag hinterlegen und drei separate Softwarekomponenten ausführen: einen Ausführungs-Client, einen Konsens-Client und einen Validator-Client. Wenn der Nutzer seine ETH hinterlegt, tritt er in eine Aktivierungswarteschlange ein, die die Anzahl neuer Validatoren begrenzt, die dem Netzwerk beitreten. Nach der Aktivierung erhalten Validatoren neue Blöcke von Peers im Ethereum-Netzwerk. Die im Block enthaltenen Transaktionen werden erneut ausgeführt, um zu prüfen, ob die vorgeschlagenen Änderungen am Ethereum-Status gültig sind. Zusätzlich dazu erfolgt die Überprüfung der Blocksignatur. Der Validator versendet dann ein Votum (genannt Attestierung) zugunsten dieses Blocks über das Netzwerk.

Bei Proof-of-Work war das Timing der Blocks durch die Schwierigkeit des Minings bestimmt. Bei Proof-of-Work ist das Tempo hingegen festgelegt. Die Zeit wird bei Proof-of-Stake-Ethereum in Slots (12 Sekunden) und Epochen (32 Slots) unterteilt. Ein Validator wird in jedem Slot zufällig für das Vorschlagen eines Blocks ausgewählt. Es ist die Aufgabe dieses Validators, einen neuen Block zu erstellen und ihn an andere Knoten im Netzwerk zu versenden. In jedem Slot wird außerdem zufällig ein Komitee aus Validatoren ausgewählt, das per Abstimmung über die Gültigkeit des vorgeschlagenen Blocks entscheidet. Die Aufteilung des Validatoren-Sets in Komitees ist wichtig, um die Netzwerkbelastung in einem kontrollierbaren Rahmen zu halten. Die Komitees teilen das Validatoren-Team so auf, dass jeder aktive Validator in jeder Epoche Attestierungen abgibt, jedoch nicht in jedem Slot.

Wie eine Transaktion auf Ethereum PoS ausgeführt wird

Der folgende Abschnitt enthält eine End-to-End-Erklärung, wie eine Transaktion auf Ethereum Proof of Stake ausgeführt wird.

1. Ein Nutzer erstellt und signiert eine Transaktion mit seinem privaten Schlüssel. Diese wird üblicherweise von einer Wallet oder einer Library wie ether.js(opens in a new tab), web3js(opens in a new tab), web3py(opens in a new tab) ect. gehandhabt, aber in Wirklichkeit nutzt der Anwender die JSON-RPC API von Ethereum, um einen Knoten anzufragen. Der Nutzer setzte die Menge an Gas fest, die er als Trinkgeld an den Validator abgeben würde, um ihn dazu anzuregen, die Transaktion in einen Block aufzunehmen. Das Trinkgeld wird an den Validator gezahlt, wohingegen die Basisgebühr verbrannt wird.
2. Die Transaktion wird an einen Ethereum Ausführungsclient übermittelt, der deren Gültigkeit verifiziert. Das bedeutet, sicherzustellen, dass der Sender über genügend ETH verfügt, um die Transaktion zu erfüllen, und dass er sie mit dem richtigen Schlüssel signiert hat.
3. Wenn die Transaktion gültig ist, fügt der Ausführungsclient sie seinem lokalen Mempool (Liste der ausstehenden Transaktionen) hinzu und versendet sie über die Ausführungsebene im Gossip-Netzwerk an andere Knoten. Wenn andere Knoten von der Transaktion erfahren, fügen sie sie ebenfalls ihrem lokalen Mempool hinzu. Erfahrene Nutzer könnten davon absehen, ihre Transaktionen zu versenden, und sie stattdessen an spezialisierte Blockersteller weiterleiten, wie z. B. die Flashbots Auction(opens in a new tab). Dies ermöglicht es Ihnen, die Transaktionen in kommenden Blöcken so zu organisieren, dass maximaler Profit (MEV) erzielt wird.
4. Einer der Validatoren-Nodes im Netzwerk ist der Block-Proposer für den aktuellen Slot, der zuvor mittels RANDAO pseudozufällig ausgewählt wurde. Dieser Knoten ist dafür verantwortlich, den nächsten Block zu erstellen und zu übertragen, der zur Ethereum-Blockchain hinzugefügt wird, und dafür, den globalen Status zu aktualisieren. Der Knoten setzt sich aus drei Teilen zusammen: einem Ausführungsclient, einem Konsensclient und einem Validatorenclient. Der Ausführungsclient bündelt Transaktionen aus dem lokalen Mempool zu einer „Ausführungsnutzlast“ und führt sie lokal aus, um eine Zustandsänderung herbeizuführen. Diese Informationen werden an den Konsensclient weitergeleitet, wo die Ausführungsnutzlast als Teil eines „Beacon-Blocks“ verpackt wird, der auch Informationen über Belohnungen, Strafen, Slashings, Attestierungen usw. enthält, die es dem Netzwerk ermöglichen, sich auf die Reihenfolge der Blöcke an der Spitze der Chain zu einigen. Die Kommunikation zwischen den Ausführungs- und Konsensclients wird in Konsens- und Ausführungsclients miteinander verbinden näher beschrieben.
5. Andere Knoten empfangen den neuen Beacon-Block über das Gossip-Netzwerk auf der Konsensebene. Sie leiten ihn an ihren Ausführungs-Client weiter, wo die Transaktionen erneut lokal ausgeführt werden, um sicherzustellen, dass die vorgeschlagene Zustandsänderung gültig ist. Der Validator-Client attestiert dann die Gültigkeit des Blocks und dass er den logisch nächsten Block in seiner Sicht auf die Chain darstellt (d. h. er baut auf der Chain mit dem größten Gewicht an Attestierungen auf, o wie es in den Abspaltungsregeln definiert ist). Der Block wird zur lokalen Datenbank in jedem Knoten hinzugefügt, der ihn attestiert.
6. Eine Transaktion kann als „finalisiert“ angesehen werden, wenn sie Teil einer Chain geworden ist, wobei zwischen zwei Checkpoints eine „Supermajority-Verbindung“ besteht. Zu Checkpoints kommt es zu Beginn jeder Epoche. Sie sollen der Tatsache Rechnung tragen, dass in jedem Slot nur eine bestimmte Teilmenge der aktiven Validatoren Attestierungen abgibt, wohingegen über die gesamte Epoche gesehen alle aktiven Validatoren Attestierungen abgeben. Deshalb kann eine „Supermajority-Verbindung“ nur zwischen Epochen nachgewiesen werden (hier stimmen 66 % der gesamten eingesetzten ETH im Netzwerk über zwei Checkpoints überein).

Weitere Details zur Finalität finden Sie unten.

Endgültigkeit

Eine Transaktion hat in verteilten Netzwerken „Finalität“, wenn sie Teil eines Blocks ist, der nicht geändern werden kann, ohne dass eine große Menge ETH verbrannt wird. Auf Proof-of-Stake-Ethereum wird dies mithilfe von „Checkpoint“-Blöcken verwaltet. Der erste Block jeder Epoche ist ein Checkpoint. Validatoren stimmen für Paare von Checkpoints ab, die sie als gültig einstufen. Wenn ein Paar von Checkpoints Stimmen auf sich vereint, die mindestens zwei Drittel der gesamten eingesetzten ETH repräsentieren, werden die Checkpoints aktualisiert. Der aktuellere der beiden (Ziel) wird „berechtigt“. Der frühere der beiden ist bereits berechtigt, da er in der vorherigen Epoche das „Ziel“ war. Jetzt wird er auf „finalisiert“ aktualisiert.

Um diesen Vorgang für einen finalisierten Block rückgängig zu machen, müsste ein Angreifer sich dazu bereit erklären, mindestens ein Drittel der Gesamtmenge an eingesetzten ETH zu verlieren. Der genaue Grund dafür wird in diesem Ethereum Foundation-Blogbeitrag(opens in a new tab) erklärt. Da für die Finalität eine Zwei-Drittel-Mehrheit erforderlich ist, könnte ein Angreifer verhindern, dass das Netzwerk Finalität erreicht, indem er mit einem Drittel des gesamten Einsatzes abstimmt. Es gibt einen Mechanismus, um sich dagegen zu verteidigen: das Inactivity Leak(opens in a new tab). Dieses tritt immer dann in Kraft, wenn die Chain in mehr als vier Epochen nicht finalisiert wird. Das Inactivity Leak entzieht den Validatoren die eingesetzten ETH, die gegen die Mehrheit stimmen, wodurch die Mehrheit wieder eine Zwei-Drittel-Mehrheit erreichen und die Chain finalisieren kann.

Kryptoökonomische Sicherheit

Das Ausführen eines Validators ist ein Commitment. Vom Validator wird erwartet, dass er ausreichend Hardware und Konnektivität aufrechterhält, um an Blockvalidierung und -vorschlägen teilzunehmen. Im Gegenzug wird der Validator in ETH bezahlt (sein eingesetztes Guthaben erhöht sich). Auf der anderen Seite ergeben sich aus der Teilnahme als Validator auch neue Möglichkeiten für Nutzer, das Netzwerk aus Motiven der persönlichen Vorteilnahme oder Sabotage anzugreifen. Um dies zu verhindern, profitieren Validatoren nicht von ETH-Belohnungen, wenn sie trotz Aufforderung nicht teilnehmen. Außerdem kann ihr bestehender Stake bei unehrlichen Handlungen zerstört werden. Zwei primäre Verhaltensweisen können als unehrlich betrachtet werden: das Vorschlagen mehrerer Blöcke in einem einzelnen Slot (Äquivokation) und das Einreichen widersprüchlicher Attestierungen.

Die Höhe der geslashten ETH hängt davon ab, wie viele Validatoren ungefähr zur gleichen Zeit geslasht werden. Dies wird als „Korrelationsstrafe“(opens in a new tab) bezeichnet. Sie kann geringfügig ausfallen (~1 % des Stakes, wenn ein einzelner Validator alleine geslasht wird) oder dazu führen, dass der gesamte Stake des Validators vernichtet wird (bei einem Massen-Slashing-Ereignis). Sie wird zur Hälfte der Zeit einer erzwungenen Austrittsperiode verhängt und beginnt mit einer sofortigen Strafe (bis zu 1 ETH) an Tag 1, setzt sich mit der Korrelationsstrafe an Tag 18 fort und führt schließlich zum Rauswurf aus dem Netzwerk an Tag 36. Sie erhalten täglich geringfügige Strafen für Attestierungen, da sie im Netzwerk präsent sind, aber keine Stimmen abgeben. All das bedeutet, dass ein koordinierter Angriff für den Angreifer sehr teuer wäre.

Auswahl abgeben

Wenn das Netzwerk optimal und auf ehrliche Weise funktioniert, gibt es immer nur einen neuen Block an der Spitze der Chain und alle Validatoren bestätigen dies durch ihre Attestierungen. Es ist jedoch möglich, dass Validatoren aufgrund der Netzwerklatenz oder mehrdeutiger Aussagen eines Block-Vorschlagenden unterschiedliche Ansichten über Spitze der Chain haben. Daher benötigen Konsens-Clients einen Algorithmus, um zu entscheiden, welchen sie bevorzugen sollen. Der für Proof-of-Stake-Ethereum verwendete Algorithmus heißt LMD-GHOST(opens in a new tab). Er funktioniert so, dass er die Fork identifiziert, die das größte Gewicht an Attestierungen in ihrer Historie hat.

Proof-of-Stake und Sicherheit

Die Gefahr eines 51 %-Angriffs(opens in a new tab) besteht genauso unter Proof-of-Stake, wie sie unter Proof-of-Work bestand. Allerdings ist das Risiko für die Angreifer höher. Ein Angreifer müsste über 51 % der eingesetzten ETH verfügen. Er könnte dann seine eigenen Attestierungen einsetzen, um sicherzustellen, dass seine gewünschte Fork diejenige mit den meisten kumulierten Attestierungen ist. Das „Gewicht“ der kumulierten Attestierungen wird von Konsens-Clients verwendet, um die richtige Chain zu bestimmen. Ein Angreifer mit 51 % der eingesetzten ETH hätte also die Möglichkeit, seine Fork zur kanonischen zu machen. Ein Vorteil von Proof-of-Stake gegenüber Proof-of-Work besteht allerdings darin, dass die Community Flexibilität bei der Durchführung einer Gegenattacke hat. Zum Beispiel könnten die ehrlichen Validatoren beschließen, weiterhin auf der Minderheits-Chain aufzubauen und gleichzeitig die Fork des Angreifers zu ignorieren, während sie Apps, Börsen und Pools ermutigen, es ihnen gleichzutun. Sie könnten auch beschließen, den Angreifer gewaltsam aus dem Netzwerk zu entfernen und seine eingesetzten ETH zu vernichten. Diese Maßnahmen stellen starke wirtschaftliche Verteidigungsmechanismen gegen einen 51 %-Angriff dar.

Neben 51 %-Angriffen könnten böswillige Akteure auch versuchen, andere Arten von schädlichen Aktivitäten durchzuführen, wie zum Beispiel:

• Langstreckenangriffe (obwohl das Finalitäts-Gadget diesen Angriffsvektor neutralisiert)
• Kurzstrecken-'Reorgs' (werden durch Proposer-Boosting und Fristen für Attestierungen abgeschwächt)
• Bouncing- und Balancing-Angriffe (ebenfalls durch das Proposer-Boosting abgeschwächt; diese Angriffe wurden ohnehin nur unter idealisierten Netzwerkbedingungen demonstriert)
• Lawinenangriffe (neutralisiert durch die Regel des Fork-Wahl-Algorithmus, die besagt, dass nur die neueste Nachricht berücksichtigt wird)

Es hat sich insgesamt gezeigt, dass Proof-of-Stake, wie es auf Ethereum implementiert ist, wirtschaftlich sicherer ist als Proof-of-Work.

Vor- und Nachteile

Vergleich mit Proof-of-Work

Ethereum nutzte ursprünglich Proof-of-Work, wechselte jedoch im September 2022 zu Proof-of-Stake. PoS bietet zahlreiche Vorteile gegenüber PoW, wie zum Beispiel:

• bessere Energieeffizienz – es besteht keine Notwendigkeit, viel Energie für Proof-of-Work-Berechnungen aufzuwenden
• niedrigere Eintrittshürden, reduzierte Hardwareanforderungen – es besteht für Benutzer keine Notwendigkeit für Elite-Hardware, damit sie eine Chance haben, neuen Blöcke zu erstellen
• reduziertes Zentralisierungsrisiko – Proof-of-Stake sollte zu mehr Nodes führen, die das Netzwerk sichern
• aufgrund des niedrigen Energiebedarfs ist eine geringere ETH-Ausgabe erforderlich, um Anreize für die Teilnahme zu schaffen
• wirtschaftliche Strafen für Fehlverhalten machen 51 %-Stil-Angriffe für einen Angreifer im Vergleich zu Proof-of-Work kostspieliger
• die Community kann auf die „soziale Wiederherstellung“ einer ehrlichen Chain zurückgreifen, falls ein 51 %-Angriff die kryptoökonomischen Abwehrmechanismen überwinden sollte.

Weiterführende Informationen

• Proof of Stake FAQ(opens in a new tab) Vitalik Buterin
• Was ist Proof-of-Stake(opens in a new tab) ConsenSys
• Was Proof of Stake ist und warum sie wichtig ist(opens in a new tab) Vitalik Buterin
• Why Proof of Stake (Nov 2020)(opens in a new tab) Vitalik Buterin
• Proof of Stake: How I Learned to Love Weak Subjectivity(opens in a new tab) Vitalik Buterin
• Proof-of-stake Ethereum attack and defense(opens in a new tab)
• A Proof of Stake Design Philosophy(opens in a new tab) Vitalik Buterin
• Video: Vitalik Buterin erklärt Lex Fridman die Funktionsweise von Proof-of-Stake(opens in a new tab)

Verwandte Themen

• Proof of work
• Proof-of-authority