Proof of Stake: Das ändert sich bei Ethereum

Ethereum steigt von Proof of Work auf Proof of Stake um. Damit endet das Mining, Ethereum wird so umweltfreundlicher, schneller und sicherer.

Bald beginnt die Proof of Stake-Ära

Das Kryptoprojekt Ethereum befindet sich eigentlich laufend im Wandel. Die Core-Entwickler rund um Vitalik Buterin, dem Erfinder von Ethereum, arbeiten ständig an der Verbesserung der Ethereum-Plattform und der zugehörigen Kryptowährung Ether. Eine der größten und gleichzeitig revolutionärsten Änderungen steht aber erst bevor: die Umstellung der Konsens-Mechanismus von Proof of Work auf Proof of Stake. Sie läutet eine neue Ära bei Ethereum ein. Doch warum ist genau diese eine Änderung so revolutionär und wichtig? Was ändert sich im Detail und wie beeinflusst das das Ethereum-Projekt in Zukunft? Das wollen wir uns in diesem Artikel anschauen.

Ethereum heute: begrenzte Möglichkeiten, hoher Stromverbrauch

Vitalik Buterin hat Ethereum und die Kryptowährung Ether erfunden, um ein wesentliches Potenzial in der Kryptografie zugänglich zu machen. Die Ethereum-Plattform ist nicht nur eine digitale Währung wie Bitcoin, sondern kann über Smart Contracts auch Verträge abwickeln. Vollautomatisch, ohne Anwalt, Notar oder Bank als Mittelsmann. Möglich ist das wie bei anderen Kryptowährungen durch den Einsatz einer Blockchain als zentrales Element. Auf Ethereum bauen wichtige Finanzplattformen auf, aber auch Dinge wie NFTs basieren auf dem Netzwerk.

Der Flaschenhals: Proof of Work

Die grundlegende Blockchain-Architektur ist dabei noch nicht wirklich besonders. Eine Blockchain ist wie ein zentrales Kassenbuch, in dem alle Transaktionen festgeschrieben sind. Die Blockchain ist für jeden öffentlich einseh- und somit auch nachvollziehbar, das ganze Netzwerk ist dezentral. Das bedeutet, dass es nicht von einer zentralen Komponente, etwa einem Server bei einer Bank, abhängig, sondern als großer Peer to Peer-Netzwerk angelegt ist. Der Clou liegt nun darin, wie diese Blöcke überhaupt entstehen und das Netzwerk absichern. Hier kommt der Konsens-Mechanismus ins Spiel. Dieser ist bei Ethereum Proof of Work, vielen wohl eher als „Mining“ bekannt. Die Arbeit besteht darin, einen zufälligen Wert zu erraten, mit dem der nächste Block bestätigt werden kann. Dieser Wert heißt Nonce. Ist der Nonce-Wert korrekt, kann der Miner, der den Wert zuerst gefunden hat, den nächsten Block bestätigen und an die Blockchain anhängen. Alle anderen Miner können den Block mit dem Nonce-Wert sehr einfach verifizieren.

Der Miner erhält daraufhin die mit dem Block entstandenen zwei Ether und einen Teil der Transaktionsgebühren, da mit jedem Block auch Transaktionen bestätigt werden. Die Miner sichern das Ethereum-Netzwerk durch die quasi verrichtete „Hardware-Arbeit“ und somit ihren Hardware-Einsatz ab. Nur wer über 50 Prozent der Miner kontrollieren kann, könnte auch das Netzwerk manipulieren. Die aktuelle Gesamtleistung aller Miner beträgt rund 886,6 TH/s (Terahash pro Sekunde)¹Stand: 19.6.2022, Quelle: 2Miners.com, was ungefähr 8,86 Millionen Nvidia GeForce RTX 3080 entspricht – davon die Hälfte zu kontrollieren ist eine schier unmögliche Aufgabe.

Warum setzt Ethereum überhaupt auf Proof of Work?

Dieser Ansatz brachte Ethereum zu Beginn den Vorteil, dass das Netzwerk verhältnismäßig günstig und sehr wirkungsvoll abgesichert werden konnte. Proof of Work war durch die Verwendung bei Bitcoin bereits erprobt und bekannt. Ein weiterer Faktor ist die Liberalisierung von Ethereum. Möglichst jeder sollte mitmachen können. Durch viele, auch kleine und nicht institutionelle Teilnehmer, ist Ethereum deutlich besser abgesichert.

Langfristig stößt das Ethereum-Projekt damit aber an seine Grenzen. Einerseits ist Mining eine sehr energieintensive Angelegenheit. Das ganze Ethereum-Netzwerk braucht aufs Jahr gerechnet aktuell so viel Strom wie Hong Kong²Stand: 19.6.2022, Quelle: Digiconomist. Auch eine einzelne Ethereum-Transaktion ist energiehungrig: 122,92 Kilowattstunden Strom braucht eine Transaktion aktuell, das ist so viel wie der Stromverbrauch eines einzelnen US-Haushalts – für 4,15 Tage³Stand: 19.6.2022, Quelle: Digiconomist. Vor der derzeit stattfindenden Korrektur waren die Werte fast doppelt so hoch. Ethereum ist durch den Proof of Work-Ansatz damit alles andere als nachhaltig. Andererseits lässt der alte Konsensmechanismus eine einfache Skalierung nicht zu. Es kommt daher immer wieder zu Transaktionsstaus, lange Wartezeiten bei der Transaktionsbestätigung und hohen Transaktionsgebühren.

Proof of Stake löst mehrere Probleme auf einmal

Genau hier kommt jetzt aber Proof of Stake ins Spiel. Bei Proof of Stake handelt es sich um einen alternativen Konsensmechanismus. Wie bei Proof of Work wird das Ethereum-Netzwerk dabei durch möglichst viele verschiedene Teilnehmer abgesichert. Statt Rechenleistung ist der Einsatz diesmal aber ein anderer: mindestens 32 Ether pro Staker. Das Sicherheitsprinzip ist grundlegend das Gleiche wie bei Proof of Work: es ist nahezu unmöglich, eine so große Anzahl an Stakern zu kontrollieren, um Einfluss zu nehmen. Dabei verschärft Proof of Stake durch das zufällige Auswählen der Validatoren die Schwierigkeit noch einmal immens. Gezielte Manipulation ist so praktisch ausgeschlossen. Aber auch für den Versuch gibt es weitere Sicherheitsmechanismen. Sollte ein Staker absichtlich versuchen, das Netz zu manipulieren, haftet er mit den hinterlegten 32 Ether – zum Zeitpunkt dieses Artikels sind das gut 32.000 Euro. Selbst ein Versuch wird so sehr kostspielig und verbrennt Werte im Milliarden-Bereich.

Durch den Umstieg fällt auch das stromhungrige Mining vollständig weg. Bei Proof of Work bedeutete mehr Rechenleistung potenziell auch immer eine höhere Rendite. Das Netzwerk kann also nur vertikal skalieren. Das ist bei Proof of Stake nicht mehr der Fall. Mehr Rendite gibt es nur durch den Einsatz von mehr Ether und das Betreiben von mehr Validatoren (horizontale Skalierung). Diese brauchen aber fast keinen Strom – selbst ein Raspberry Pi 4 reicht schon aus, um gleich mehrere Validator-Nodes zu betreiben. Der Stromverbrauch soll beim Umstieg so auf einen Schlag um 99,95% im Vergleich zu Proof of Work sinken⁴Quelle: Carl Beekhuizen, ethereum.org. Carl Beekhuizen brachte dazu auch einen bildlichen Vergleich mit Bitcoin: während der Bitcoin-Stromverbrauch der Höhe des Burj Khalifas in Dubai entspricht, ist Ethereum mit Proof of Work der schiefe Turm von Pisa, mit Proof of Stake nur eine kleine Schraube.

Proof of Stake bildet aber auch die Basis für die nächste große Änderung im Ethereum-Netzwerk: dem Sharding. Shard bedeutet so viel wie Scherbe und ist ein Weg, das Ethereum-Netzwerk durch das Hinzufügen von weiteren parallelen Chains zu skalieren. Durch Sharding kann das Netzwerk quasi beliebig vergrößert werden. Transaktionen werden dadurch nicht nur spottbillig, auch die Geschwindigkeit nimmt stark zu. Der geringere Stromverbrauch und die Geschwindigkeit macht das Ethereum-Netzwerk dadurch sogar schneller, günstiger und nachhaltiger als den Kreditkartenanbieter VISA⁵Quelle: Moritz Draht, btc-echo.de.

Wann findet der Umstieg auf Proof of Stake statt?

Der Umstieg auf Proof of Stake ist schon lange beschlossene Sache. Als ich selbst Ende 2016 mit dem Mining angefangen habe, gab es bereits die ersten Warnungen, dass eine Investition in Equipment sinnlos sein – bis Mitte 2017 ist PoW ja schon Geschichte und durch PoS ersetzt worden. Das war auch der initiale Plan⁶Quelle: Vitalik Buterin, ethereum.org von Vitalik Buterin und seinen Mitstreitern – geklappt hat es nur nicht.

Mittlerweile ist die Roadmap aber deutlich konkreter geworden. Mit dem London-Hardfork im April 2021 wurde die Umstellung langsam eingeleitet. Bereits 2020 startete die Beacon Chain, eine separate Blockchain, auf der bereits der sogenannte Consensus-Layer mit echtem Ether läuft. Wer umsteigen möchte, muss 32 Ether gemeinsam mit weiteren Daten an einen Smart Contract schicken. Durch die Daten kann anschließend mit einem Key ein Validator Node auf der Beacon Chain aktiviert werden.

Sobald alles bereit ist kommt es dann zum sogenannten Merge, dem Verschmelzen der Beacon Chain mit dem Mainnet, also dem heutigen Ethereum-Netzwerk. Der ursprüngliche Termin für den Merge war im zweiten Quartal 2022 angesetzt, hat sich aber noch einmal geringfügig nach hinten verschoben⁷Quelle: Tim Beiko, Twitter. Der gesamte Ethereum-Merge samt Difficulty Bomb und dem Ende von Proof of Work soll nun im dritten oder vierten Quartal 2022 stattfinden. Ab 2023 startet dann mit Sharding das nächste Kapitel.

Quellen

• 1
  Stand: 19.6.2022, Quelle: 2Miners.com
• 2
  Stand: 19.6.2022, Quelle: Digiconomist
• 3
  Stand: 19.6.2022, Quelle: Digiconomist
• 4
  Quelle: Carl Beekhuizen, ethereum.org
• 5
  Quelle: Moritz Draht, btc-echo.de
• 6
  Quelle: Vitalik Buterin, ethereum.org
• 7
  Quelle: Tim Beiko, Twitter