In einem zentralen System, wie es bei Visa, Paypal oder Banken Anwendung findet, muss einer Instanz oder Firma vertraut werden, weil diese die gesamte Transaktionshistorie besitzen. Man spricht auch von einen Centralized Ledger.
Wenn ein Teilnehmer eine Transaktion durchführen will, muss diese zuvor von der zentralen Instanz verifiziert werden. Angenommen Bob hat 1000€ auf dem Konto und möchte sich davon ein Fahrrad kaufen. Dann sorgt diese zentrale Instanz dafür, dass Bob die 1000€ nur einmal ausgeben kann.
In einem dezentralen System, wie es bei der Blockchain der Fall ist, besitzt durch die Dezentralisierung jeder Teilnehmer eine eigene Kopie der Transaktionshistorie. Diese Technik nennt man auch Distributed Ledger. In diesem Fall gibt es keine zentrale Instanz, der vertraut werden muss. Folglich bedarf es einem Mechanismus, der es erlaubt, dass das Netzwerk Transaktionen bestätigen kann.
Was ist Proof of Work (PoW)?
Proof of Work ist eine Möglichkeit diesen Mechanismus umzusetzen und einen Konsensus zwischen den Teilnehmern zu schaffen. Das Konzept Proof of Work ist erstmals im
Jahr 1993 vorgestellt worden, um den Versand von Spam E-Mails zu erschweren. Das Prinzip dahinter war recht simpel. Wenn jemand eine E-Mail abschicken wollte,
musste zuvor eine Aufgabe gelöst werden. Das führte dazu, dass der Computer des Nutzers Zeit zum Verarbeiten der Aufgabe benötigte.
Dies reduzierte die Menge an Mails, die in einem bestimmten Zeitrahmen verschickt werden konnten. 2009 hat Satoshi Nakamoto dieses Konzept aufgegriffen, um mit Bitcoin eine Kryptowährung mit einer abgewandelten Version des ursprünglichen Proof of Work Konzepts einzuführen.
Hier wurde Proof of Work in einem Algorithmus implementiert, der dafür sorgt, dass Transaktionen in Blöcken verifiziert und der Blockchain hinzugefügt werden. Seitdem findet dieser Mechanismus in vielen verschiedenen Kryptowährungen Anwendung.
Um der Blockchain einen neuen Block und somit die darin enthaltenen Transaktionen hinzuzufügen, muss dieser zuvor verifiziert werden. Dies geschieht durch Proof-of-Work indem die
Miner versuchen die Transaktionen in einem Block zusammenzufassen.
Dazu konkurrieren Miner untereinander beim Versuch ein kryptografisches Puzzle zu lösen, wozu sehr viel Rechenleistung benötigt wird. Das Überprüfen der richtigen Lösung hingegen
ist sehr schnell möglich. Der Miner, der das Puzzle als erstes löst, veröffentlicht es in der Blockchain, wo alle anderen Miner seine Lösung kontrollieren und verifizieren können. Danach wird der Miner für seinen Aufwand belohnt. Die Belohnung besteht aus einer festen Menge an Bitcoins und den Transaktionsgebühren aus dem Block.
Die Tatsache, dass theoretisch jeder Teilnehmer des Netzwerks Mining betreiben kann, indem eine Anwendung auf seinem Computer die Berechnungen zur Lösung des Puzzles durchführt, macht das Netzwerk so sicher. Nur durch die richtige Lösung für das Puzzle, kann ein Block der Blockchain hinzugefügt werden. Deshalb nennt sich das Konzept auch Proof of Work, zu deutsch: Arbeitsnachweis. Da ein Angreifer sehr viel Rechenleistung und Zeit für die Berechnungen benötigen würde, können viele Angriffe auf das Netzwerk verhindert werden. Das liegt daran, dass der Aufwand eines Angriffs größer als die letztendliche Ausbeute wäre.
Das Problem von Proof-of-Work ist der erhebliche Energiebedarf für die Berechnungen der Miner zum Lösen des Puzzles. Während Proof-of-Work zwar dezentral für die Sicherheit des Netzwerks sorgt, kostet das Mining durch den ineffizienten konkurrierenden Arbeitsstil der Miner sehr viel Strom. Jeder Meiner, der die Aufgabe nicht als erstes löst hat die Berechnungen umsonst durchgeführt. Um die Chance zu erhöhen einen Block als erstes abzuschließen, sind Mining-Rechner durchgehend in Betrieb, welche jede Sekunde mehrere tausende Berechnungen durchführen. Der Stromverbrauch ist über die letzten Jahre so stark angestiegen, dass Bitcoin im Jahr 2019 mit 119 TWh bereits mehr Strom als die Niederlande verbraucht hat.
Was ist Proof of Stake (PoS)?
Eine weitere Möglichkeit die ursprüngliche Problematik der Verifikation von Transaktionen durch das Netzwerk zu lösen ist Proof of Stake. Proof of Stake wurde erstmals 2012 vorgestellt, um das Problem des enorm hohen Energieverbrauchs von Proof of Work zu lösen. Hier gibt es keine Miner, die sich um das Verifizieren von Transaktionen kümmern, sondern Validatoren. Diese Validatoren müssen Coins staken, was so viel bedeutet, wie im Netzwerk hinterlegen, um die Chance zu bekommen den nächsten Block zu verifizieren. Der prozentuale Anteil der hinterlegten Coins spiegelt die Wahrscheinlichkeit wider, zum Verifizierer des nächsten Blocks gewählt zu werden.
Angenommen es gibt drei Validatoren. Alice hinterlegt 20, Bob 50 und Charlie 30 Coins. Dann hat Alice somit 20% des gesamten Geldes hinterlegt und dadurch eine 20%-ige Chance den nächsten Block zu verifizieren. Falls Alice trotz des kleinsten Stakes ausgewählt wird, den nächsten Block zu verifizieren, kontrolliert sie, ob alle Transaktionen im Block valide sind. Wenn das der Fall ist, bestätigt Alice den Block, welcher im Anschluss an die Blockchain angehängt wird. Als Belohnung bekommt Alice die Transaktionsgebühren in Verbindung mit den Transaktionen innerhalb des Blocks.
Wie können andere Teilnehmer Alice vertrauen, dass sie auch wirklich nur richtige Transaktionen bestätigt? Hier kommen die hinterlegten Coins ins Spiel. Damit ausschließlich korrekte Transaktionen bestätigt werden, wurde der „Slashing“-Mechanismus implementiert. Falls Alice invalide Transaktionen verifizieren sollte, würde sie einen Teil ihrer hinterlegten Coins verlieren. Damit Validatoren keinen Anreiz zur fälschlichen Bestätigung invalider Transaktionen haben, müssen mehr Coins hinterlegt sein als sie als Belohnung bekommen würden. Dieses Konzept ist deutlich energiesparsamer als Proof-of-Work, da die Verifizierung der Transaktionen effizienter möglich ist, indem sich immer nur ein zuvor ausgewählter Validator darum kümmert.
Was ist der Unterschied zwischen Proof of Work vs. Proof of Stake?
Zum Schluss nochmal eine kurze Zusammenfassung von Proof of Work und Proof of Stake: Proof of Work beinhaltet den Mining-Prozess, wodurch Miner dafür sorgen, dass die Transaktionen dezentral verifiziert und der Blockchain hinzugefügt werden. Dazu benötigen sie viel Rechenleistung und im Umkehrschluss viel Energie. Als Belohnung bekommen sie eine Blockbelohnung und die Transaktionsgebühren des Blocks. Für einen möglichen 51% Angriff auf das System benötigt der Angreifer mindestens 51% der gesamten Rechenleistung des Netzwerks. 
Bei Proof of Stake gibt es keine Miner sondern Validatoren. Im Gegensatz zu Proof of Work steigt die Chance den nächsten Block zu verifizieren nicht mit der Rechenleistung, sondern mit den im Netzwerk hinterlegten Coins. Als Belohnung bekommen Validatoren ausschließlich die Transaktionsgebühren des Blocks. Durch den effizienteren Validierungsmechanismus kann der Energieverbrauch deutlich gesenkt werden. Um den 51% Angriff durchzuführen, benötigt der Angreifer 51% der gesamten Kryptowährungsanteile die zu diesem Zeitpunkt im Umlauf sind, was bei großen Kryptowährungen sehr unwahrscheinlich wäre.
Folglich gibt es einige Punkte in denen Proof of Stake besser abschneidet als Proof of Work. Allerdings gibt es auch einige neue Gefahren, die mit Proof of Stake verbunden sind. Ein Beispiel wäre das Nothing at stake Problem, auf welches aber in diesem Video nicht genauer eingegangen wird. Bisher hat sich Proof of Stake nicht in der Weise bewährt, wie es Proof of Work getan hat. Somit bleibt es interessant zu sehen, welcher Konsensalgorithmus in der Zukunft vorrangig Verwendung finden wird.
Ich hoffe, ich konnte dir in diesem Beitrag einen kurzen Überblick zu beiden Konsensalgorithmen verschaffen. Wenn du dich für Videos zum Thema Kryptowährungen interessierst, kannst du gerne mal auf meinem YouTube Kanal vorbeischauen.
Vielen Dank fürs Lesen!
