Proof-of-Stake (PoS)

Proof-of-Stake (PoS) liegt Ethereums Konsensmechanismus zugrunde. Ethereum hat seinen Proof-of-Stake-Mechanismus im Jahr 2022 aktiviert, da er im Vergleich zur vorherigen Proof-of-Work (PoW)-Architektur sicherer, weniger energieintensiv und besser für die Implementierung neuer Skalierungslösungen ist.

Voraussetzungen

Um diese Seite besser zu verstehen, empfehlen wir Ihnen, sich zunächst über Konsensmechanismen zu informieren.

Was ist Proof-of-Stake (PoS)?

Proof-of-Stake ist eine Möglichkeit zu beweisen, dass Validatoren etwas von Wert in das Netzwerk eingebracht haben, das zerstört werden kann, wenn sie unehrlich handeln. Beim Proof-of-Stake von Ethereum staken Validatoren explizit Kapital in Form von ETH in einen Smart Contract auf Ethereum. Der Validator ist dann dafür verantwortlich, zu überprüfen, ob neue Blöcke, die über das Netzwerk verbreitet werden, gültig sind, und gelegentlich selbst neue Blöcke zu erstellen und zu verbreiten. Wenn sie versuchen, das Netzwerk zu betrügen (zum Beispiel, indem sie mehrere Blöcke vorschlagen, wenn sie nur einen senden sollten, oder widersprüchliche Attestierungen senden), kann ein Teil oder ihr gesamtes gestaktes ETH zerstört werden.

Validatoren

Um als Validator teilzunehmen, muss ein Benutzer 32 ETH in den Einzahlungsvertrag einzahlen und drei separate Softwarekomponenten ausführen: einen Ausführungsclient, einen Konsens-Client und einen Validator-Client. Mit der Einzahlung ihrer ETH reiht sich der Benutzer in eine Aktivierungswarteschlange ein, die die Rate neuer Validatoren begrenzt, die dem Netzwerk beitreten. Sobald sie aktiviert sind, erhalten Validatoren neue Blöcke von Peers im Ethereum-Netzwerk. Die im Block gelieferten Transaktionen werden erneut ausgeführt, um zu überprüfen, ob die vorgeschlagenen Änderungen am Zustand von Ethereum gültig sind, und die Block-Signatur wird überprüft. Der Validator sendet dann eine Stimme (eine sogenannte Attestierung) zugunsten dieses Blocks über das Netzwerk.

Während beim Proof-of-Work (PoW) das Timing der Blöcke durch die Mining-Schwierigkeit bestimmt wird, ist das Tempo beim Proof-of-Stake festgelegt. Die Zeit im Proof-of-Stake-Ethereum ist in Slots (12 Sekunden) und Epochen (32 Slots) unterteilt. In jedem Slot wird zufällig ein Validator als Block-Proposer ausgewählt. Dieser Validator ist dafür verantwortlich, einen neuen Block zu erstellen und ihn an andere Knoten im Netzwerk zu senden. Ebenfalls in jedem Slot wird zufällig ein Komitee von Validatoren ausgewählt, deren Stimmen verwendet werden, um die Gültigkeit des vorgeschlagenen Blocks zu bestimmen. Die Aufteilung der Validatoren in Komitees ist wichtig, um die Netzwerklast überschaubar zu halten. Komitees teilen die Validatoren so auf, dass jeder aktive Validator in jeder Epoche attestiert, aber nicht in jedem Slot.

Wie eine Transaktion im Ethereum-PoS ausgeführt wird

Im Folgenden wird durchgehend erklärt, wie eine Transaktion im Proof-of-Stake von Ethereum ausgeführt wird.

Ein Benutzer erstellt und signiert eine Transaktion mit seinem privaten Schlüssel. Dies wird normalerweise von einer Wallet oder einer Bibliothek wie Ethers.js (opens in a new tab), web3js (opens in a new tab), web3py (opens in a new tab) usw. gehandhabt, aber intern stellt der Benutzer eine Anfrage an einen Knoten über die Ethereum-JSON-RPC-API. Der Benutzer definiert die Menge an Gas, die er bereit ist, als Prioritätsgebühr an einen Validator zu zahlen, um ihn zu ermutigen, die Transaktion in einen Block aufzunehmen. Die Prioritätsgebühren werden an den Validator gezahlt, während die Grundgebühr verbrannt wird.
Die Transaktion wird an einen Ethereum-Ausführungsclient übermittelt, der ihre Gültigkeit überprüft. Das bedeutet, dass sichergestellt wird, dass der Absender über genügend ETH verfügt, um die Transaktion auszuführen, und dass er sie mit dem richtigen Schlüssel signiert hat.
Wenn die Transaktion gültig ist, fügt der Ausführungsclient sie seinem lokalen Mempool (Liste der ausstehenden Transaktionen) hinzu und überträgt sie auch an andere Knoten über das Gossip-Netzwerk der Ausführungsschicht. Wenn andere Knoten von der Transaktion erfahren, fügen sie diese ebenfalls ihrem lokalen Mempool hinzu. Fortgeschrittene Benutzer könnten darauf verzichten, ihre Transaktion zu übertragen, und sie stattdessen an spezialisierte Block-Builder wie Flashbots Auction (opens in a new tab) weiterleiten. Dies ermöglicht es ihnen, die Transaktionen in kommenden Blöcken für maximalen Profit (MEV) zu organisieren.
Einer der Validator-Knoten im Netzwerk ist der Block-Proposer für den aktuellen Slot, nachdem er zuvor pseudozufällig mittels RANDAO ausgewählt wurde. Dieser Knoten ist dafür verantwortlich, den nächsten Block zu erstellen und zu übertragen, der der Ethereum-Blockchain hinzugefügt werden soll, und den globalen Zustand zu aktualisieren. Der Knoten besteht aus drei Teilen: einem Ausführungsclient, einem Konsens-Client und einem Validator-Client. Der Ausführungsclient bündelt Transaktionen aus dem lokalen Mempool in eine „Ausführungs-Payload“ und führt sie lokal aus, um eine Zustandsänderung zu generieren. Diese Informationen werden an den Konsens-Client weitergegeben, wo die Ausführungs-Payload 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 dem Ausführungs- und dem Konsens-Client wird detaillierter unter Verbindung von Konsens- und Ausführungsclients beschrieben.
Andere Knoten empfangen den neuen Beacon-Block über das Gossip-Netzwerk der Konsensschicht. Sie leiten ihn an ihren Ausführungsclient weiter, wo die Transaktionen lokal erneut ausgeführt werden, um sicherzustellen, dass die vorgeschlagene Zustandsänderung gültig ist. Der Validator-Client attestiert dann, dass der Block gültig ist und aus seiner Sicht der Chain der logische nächste Block ist (was bedeutet, dass er auf der Chain mit dem größten Gewicht an Attestierungen aufbaut, wie in den Fork-Choice-Regeln definiert). Der Block wird der lokalen Datenbank in jedem Knoten hinzugefügt, der ihn attestiert.
Die Transaktion kann als „endgültig“ betrachtet werden, wenn sie Teil einer Chain mit einer „Supermehrheits-Verbindung“ zwischen zwei Checkpoints geworden ist. Checkpoints treten zu Beginn jeder Epoche auf und existieren, um der Tatsache Rechnung zu tragen, dass nur eine Teilmenge der aktiven Validatoren in jedem Slot attestiert, aber alle aktiven Validatoren über jede Epoche hinweg attestieren. Daher kann eine „Supermehrheits-Verbindung“ nur zwischen Epochen nachgewiesen werden (hierbei stimmen 66 % des gesamten gestakten ETH im Netzwerk über zwei Checkpoints überein).

Weitere Details zur Endgültigkeit finden Sie unten.

Endgültigkeit

Eine Transaktion hat in verteilten Netzwerken „Endgültigkeit“, wenn sie Teil eines Blocks ist, der sich nicht ändern kann, ohne dass eine große Menge an ETH verbrannt wird. Im Proof-of-Stake-Ethereum wird dies mithilfe von „Checkpoint“-Blöcken verwaltet. Der erste Block in jeder Epoche ist ein Checkpoint. Validatoren stimmen für Paare von Checkpoints ab, die sie für gültig halten. Wenn ein Paar von Checkpoints Stimmen anzieht, die mindestens zwei Drittel des gesamten gestakten ETH repräsentieren, werden die Checkpoints hochgestuft. Der neuere der beiden (das Ziel) wird „gerechtfertigt“. Der frühere der beiden ist bereits gerechtfertigt, da er das „Ziel“ in der vorherigen Epoche war. Nun wird er auf „endgültig“ hochgestuft. Dieser Prozess der Hochstufung der Checkpoints wird von Casper the Friendly Finality Gadget (Casper FFG) (opens in a new tab) abgewickelt. Casper FFG ist ein Block-Endgültigkeits-Tool für den Konsens. Sobald ein Block endgültig ist, kann er nicht rückgängig gemacht oder geändert werden, ohne dass ein mehrheitliches Slashing der Staker erfolgt, was es wirtschaftlich unrentabel macht.

Um einen endgültigen Block rückgängig zu machen, würde ein Angreifer das Commitment eingehen, mindestens ein Drittel des gesamten Angebots an gestaktem ETH zu verlieren. Der genaue Grund dafür wird in diesem Blogbeitrag der Ethereum Foundation (opens in a new tab) erklärt. Da die Endgültigkeit eine Zweidrittelmehrheit erfordert, könnte ein Angreifer das Netzwerk daran hindern, Endgültigkeit zu erreichen, indem er mit einem Drittel des gesamten Stakes abstimmt. Es gibt einen Mechanismus, um sich dagegen zu verteidigen: das Inaktivitätsleck (opens in a new tab). Dieses wird aktiviert, wenn die Chain für mehr als vier Epochen nicht endgültig wird. Das Inaktivitätsleck entzieht den Validatoren, die gegen die Mehrheit stimmen, nach und nach das gestakte ETH, sodass die Mehrheit wieder eine Zweidrittelmehrheit erlangen und die Chain endgültig machen kann.

Kryptoökonomische Sicherheit

Einen Validator zu betreiben, ist ein Commitment. Vom Validator wird erwartet, dass er über ausreichende Hardware und Konnektivität verfügt, um an der Blockvalidierung und am Vorschlag teilzunehmen. Im Gegenzug wird der Validator in ETH bezahlt (sein gestaktes Guthaben steigt). Andererseits eröffnet die Teilnahme als Validator den Benutzern auch neue Wege, das Netzwerk zum persönlichen Vorteil oder zur Sabotage anzugreifen. Um dies zu verhindern, entgehen Validatoren ETH-Belohnungen, wenn sie nicht teilnehmen, wenn sie dazu aufgerufen werden, und ihr bestehender Stake kann zerstört werden, wenn sie sich unehrlich verhalten. Zwei primäre Verhaltensweisen können als unehrlich angesehen werden: das Vorschlagen mehrerer Blöcke in einem einzigen Slot (Equivocation) und das Einreichen widersprüchlicher Attestierungen.

Die Menge an ETH, die dem Slashing unterliegt, hängt davon ab, wie viele Validatoren etwa zur gleichen Zeit ebenfalls geslasht werden. Dies ist als „Korrelationsstrafe“ (opens in a new tab) bekannt und kann geringfügig sein (~1 % Stake für einen einzelnen Validator, der alleine geslasht wird) oder dazu führen, dass 100 % des Stakes des Validators zerstört werden (Massen-Slashing-Ereignis). Sie wird auf halbem Weg durch eine erzwungene Austrittsperiode verhängt, die mit einer sofortigen Strafe (bis zu 1 ETH) an Tag 1, der Korrelationsstrafe an Tag 18 und schließlich dem Ausschluss aus dem Netzwerk an Tag 36 beginnt. Sie erhalten jeden Tag geringfügige Attestierungsstrafen, da sie im Netzwerk präsent sind, aber keine Stimmen abgeben. All dies bedeutet, dass ein koordinierter Angriff für den Angreifer sehr kostspielig wäre.

Fork-Choice

Wenn das Netzwerk optimal und ehrlich funktioniert, gibt es immer nur einen neuen Block an der Spitze der Chain, und alle Validatoren attestieren ihn. Es ist jedoch möglich, dass Validatoren aufgrund von Netzwerklatenz oder weil ein Block-Proposer equivociert hat, unterschiedliche Ansichten über die Spitze der Chain haben. Daher benötigen Konsens-Clients einen Algorithmus, um zu entscheiden, welchen sie bevorzugen sollen. Der im Proof-of-Stake-Ethereum verwendete Algorithmus heißt LMD-GHOST (opens in a new tab) und funktioniert, indem er den Fork identifiziert, der das größte Gewicht an Attestierungen in seiner Historie aufweist.

Proof-of-Stake und Sicherheit

Die Bedrohung durch einen 51%-Angriff (opens in a new tab) besteht beim Proof-of-Stake (PoS) weiterhin, genau wie beim Proof-of-Work (PoW), aber es ist für die Angreifer noch riskanter. Ein Angreifer würde 51 % des gestakten ETH benötigen. Er könnte dann seine eigenen Attestierungen verwenden, um sicherzustellen, dass sein bevorzugter Fork derjenige mit den meisten angesammelten Attestierungen ist. Das „Gewicht“ der angesammelten Attestierungen wird von Konsens-Clients verwendet, um die korrekte Chain zu bestimmen, sodass dieser Angreifer in der Lage wäre, seinen Fork zum kanonischen zu machen. Eine Stärke von Proof-of-Stake gegenüber Proof-of-Work ist jedoch, dass die Community Flexibilität bei der Durchführung eines Gegenangriffs hat. Zum Beispiel könnten die ehrlichen Validatoren beschließen, weiter auf der Minderheits-Chain aufzubauen und den Fork des Angreifers zu ignorieren, während sie Apps, Börsen und Pools ermutigen, dasselbe zu tun. Sie könnten auch beschließen, den Angreifer gewaltsam aus dem Netzwerk zu entfernen und sein gestaktes ETH zu zerstören. Dies sind starke wirtschaftliche Verteidigungen gegen einen 51%-Angriff.

Über 51%-Angriffe hinaus könnten böswillige Akteure auch andere Arten von bösartigen Aktivitäten versuchen, wie zum Beispiel:

Long-Range-Angriffe (obwohl das Endgültigkeits-Gadget diesen Angriffsvektor neutralisiert)
Short-Range-„Reorgs“ (obwohl Proposer-Boosting und Attestierungsfristen dies abschwächen)
Bouncing- und Balancing-Angriffe (ebenfalls durch Proposer-Boosting abgeschwächt, und diese Angriffe wurden ohnehin nur unter idealisierten Netzwerkbedingungen demonstriert)
Avalanche-Angriffe (neutralisiert durch die Regel der Fork-Choice-Algorithmen, nur die neueste Nachricht zu berücksichtigen)

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

Vor- und Nachteile

Vorteile	Nachteile
Staking macht es für Einzelpersonen einfacher, sich an der Sicherung des Netzwerks zu beteiligen, was die Dezentralisierung fördert. Ein Validator-Knoten kann auf einem normalen Laptop ausgeführt werden. Staking-Pools ermöglichen es Benutzern zu staken, ohne 32 ETH zu haben.	Proof-of-Stake ist jünger und im Vergleich zu Proof-of-Work weniger praxiserprobt.
Staking ist dezentraler. Skaleneffekte gelten nicht in der gleichen Weise wie beim PoW-Mining.	Proof-of-Stake ist komplexer zu implementieren als Proof-of-Work.
Proof-of-Stake bietet eine größere kryptoökonomische Sicherheit als Proof-of-Work.	Benutzer müssen drei Softwarekomponenten ausführen, um am Proof-of-Stake von Ethereum teilzunehmen.
Es ist eine geringere Emission von neuem ETH erforderlich, um Netzwerkteilnehmer zu incentivieren.

Vergleich mit Proof-of-Work

Ethereum verwendete ursprünglich Proof-of-Work, wechselte aber im September 2022 zu Proof-of-Stake. PoS bietet gegenüber PoW mehrere Vorteile, wie zum Beispiel:

bessere Energieeffizienz – es ist nicht nötig, viel Energie für Proof-of-Work-Berechnungen aufzuwenden
niedrigere Eintrittsbarrieren, reduzierte Hardwareanforderungen – es ist keine Elite-Hardware erforderlich, um eine Chance zu haben, neue Blöcke zu erstellen
reduziertes Zentralisierungsrisiko – Proof-of-Stake sollte dazu führen, dass mehr Knoten das Netzwerk sichern
aufgrund des geringen Energiebedarfs ist eine geringere ETH-Emission erforderlich, um die Teilnahme zu incentivieren
wirtschaftliche Strafen für Fehlverhalten machen Angriffe im 51%-Stil 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 Verteidigungen überwinden sollte.