Proof of Work (PoW) vs. Proof of Stake (PoS) – Die Unterschiede

Die Bedeutung von PoW und PoS

Auf die Grundlagen der Blockchain und die Sicherheit und Transparenz sind wir bereits näher eingegangen. Deshalb wird im Folgenden das eine oder andere Wissen über die Blockchain-Technologie vorausgesetzt.

Mit der Frage nach dem Unterschied zwischen Proof of Work (PoW) und Proof of Stake (PoS) gehen wir mehr ins Detail. Beides sind sogenannte Konsensmechanismen, die uns im Zusammenhang mit der Blockchain zwangsläufig begegnen. Sie werden verwendet, um Transaktionen zu validieren. Mit PoW und PoS wird also geprüft, ob eine Transaktion gültig ist. Werden alle Anforderungen erfüllt, wird sie bestätigt.

Proof of Work vs. Proof of Stake: Wo liegen die Unterschiede? Und für welches System sollte man sich entscheiden? Darum soll es in diesem Text gehen.

Was sind Konsensmechanismen?

Damit das Ganze greifbarer wird, gehen wir zunächst auf den Begriff des Konsensmechanismus ein. Diese Mechanismen sind wichtig, um die Integrität und Sicherheit eines Blockchain-Netzwerks aufrechtzuerhalten und sicherzustellen, dass alle Teilnehmer:innen über den aktuellen Zustand der Blockchain informiert sind.

Neben Proof of Work und Proof of Stake, auf die wir gleich näher eingehen, gibt es noch andere Konsensmechanismen. Diese möchten wir nur kurz anreißen, damit Sie eine Vorstellung von den verschiedenen Möglichkeiten bekommen.

Delegated Proof of Stake (DPoS) ist eine der beliebtesten Varianten von Proof of Stake. Es ist etwas demokratischer aufgebaut als PoS. Alle Teilnehmer:innen eines Netzwerks haben eine Stimme und wählen damit eine gewisse Anzahl von Zeug:innen und Delegierten. Je mehr Token jemand im Wallet hat, desto mehr Gewicht hat die Stimme desjenigen.

Bei DPoS sind die Zeug:innen dafür verantwortlich, Transaktionen zu verifizieren und neue Datenblöcke zu generieren. Die Delegierten achten auf die Sicherheit. Also darauf, dass sich die Beteiligten an die Regeln des Netzwerks halten. Auch die Wartung des Netzwerks gehört zu ihren Aufgaben.

Der Konsensmechanismus Proof of Authority (PoA) wurde 2017 in Bezug auf die Ethereum-Blockchain entwickelt. Hierbei werden diejenigen, die Transaktionen validieren, nach ihrer Reputation ausgewählt. Dafür muss deren Identität zweifelsfrei festgestellt werden.

Dann gibt es den Proof of Elapsed Time (PoET). Wie der Name schon sagt, ist hier der Zeitfaktor wichtig. Dieser Konsensalgorithmus wurde von Intel entwickelt und ist eher ungewöhnlich. Jeder Knoten innerhalb des Blockchain-Netzwerks muss eine gewisse Zeit lang warten. Der Knoten mit der kürzesten Wartezeit darf den neuen Block valideren. Wichtig ist, dass die Wartezeit immer wieder aufs Neue zufällig ist.

Hinter der Idee von Proof of Burn (PoB) steckt ein gewisses Risiko für diejenigen, die die Blöcke validieren. Damit sie die Berechtigung bekommen, Transaktionen zu validieren und neue Datenblöcke zu erstellen, müssen sie einen Teil ihrer Kryptowährung verbrennen. Wer belegen kann, dass er eine gewisse Menge Coins vernichtet hat, bekommt das Vertrauen des Netzwerks und kann einen neuen Block validieren. Beziehungsweise ist es keine wirkliche Vernichtung, sondern die Coins werden auf ein spezielles Konto transferiert.

Was ist Proof of Work?

Der Konsensmechanismus Proof of Work (PoW) ist ein wichtiger Bestandteil vieler Blockchain-Netzwerke. Er wird zum Beispiel bei der Kryptowährung Bitcoin verwendet. Um Transaktionen validieren und der Blockchain neue Blöcke hinzufügen zu können, müssen die Teilnehmer:innen des Netzwerks komplexe mathematische Probleme lösen. Das erfordert viel Rechenleistung und Energie.

Der Name des Mechanismus rührt daher, dass das Lösen dieser Aufgaben viel Arbeit ist. Die Teilnehmer:innen müssen eine Menge Zeit, Energie und Ressourcen investieren. Deshalb geht man automatisch davon aus, dass die Mitglieder ehrlich und nicht schädlich für das Netzwerk sind.

Wie funktioniert PoW?

Grundsätzlich gilt: Diejenigen, die ein komplexes Mathematikproblem zuerst lösen, werden belohnt. Im Bitcoin-Netzwerk mit BTC, in anderen dementsprechend mit der dort gültigen Kryptowährung. Dieser Prozess wird als Mining bezeichnet, die Teilnehmer:innen als Miner.

1. Miner versuchen, das Problem zu lösen.
2. Ist eine Lösung da, wird sie von anderen Minern im Netzwerk überprüft.
3. Ist die Lösung gültig, werden die Transaktionen in dem Block, um den es geht, bestätigt.
4. Der Block wird der Blockchain hinzugefügt.
5. Der Miner, der den Block erstellt hat, bekommt einen bestimmten Betrag der jeweiligen Kryptowährung als Belohnung.

Das ist auch der Grund, aus dem es Mining-Farmen gibt. Riesige Lagerhallen, die mit massenhaft Hardware vollgestopft sind, um z. B. möglichst viele Bitcoin zu schürfen. Auch das ist allerdings nicht mehr ganz so einfach wie zu Beginn des Hypes. Man muss sich an Gesetze halten, die Konkurrenz ist groß und wer nicht die neueste Hardware hat, hat gegen andere kaum eine Chance.

Die Vorteile

PoW hat einige Vorteile gegenüber anderen Konsensmechanismen. Einer der wichtigsten ist die Sicherheit. Es ist schwierig, die mathematischen Probleme zu lösen. Dementsprechend ist es auch schwierig, die Blockchain zu manipulieren. PoW-Systeme sind gegenüber Angriffen ziemlich resistent.

Wichtig ist auch die Dezentralisierung. Jeder Miner hat die Möglichkeit, die Probleme zu lösen und Transaktionen zu validieren. Es gibt also keine zentrale Autorität, die die Kontrolle über das Netzwerk hat. Das macht das Netzwerk ebenfalls sehr robust.

Die Tatsache, dass jeder die Möglichkeit hat mitzumischen, sorgt auch für eine gewisse Fairness dieses Mechanismus. Die Teilnahmechancen sind gleich.

Nicht zuletzt ist PoW erfolgserprobt, weil es schon seit vielen Jahren eingesetzt wird. Das zeigt, dass es in der Praxis tatsächlich funktioniert.

Die Nachteile

Ein Nachteil von Proof of Work ist der hohe Energieverbrauch. Ein Grund, aus dem dieses Verfahren häufig kritisiert wird. Das Mining verbraucht so viel Energie, dass die Stromkosten extrem hoch sein können und das Ganze zum Problem für die Umwelt werden kann.

Dazu kommt, dass die 51 %-Attacke zum Problem werden könnte. Das Netzwerk ist zwar sicher, aber nicht unangreifbar. Hat eine Gruppe mehr als 50 % der Rechenleistung, könnte sie das Netzwerk destabilisieren und z. B. Transaktionen rückgängig machen.

Und: PoW ist sehr von der Hardware abhängig. Wenn eine neuere und effizientere Technologie entwickelt wird, könnten ältere Hardware-Modelle obsolet werden und den Wert der Investitionen in Mining-Hardware verringern.

Was ist Proof of Stake?

Proof of Stake ist neben PoW das zweite sehr bekannte Verfahren, um in Blockchain-Netzwerken einen Konsens zu erzielen. Es kann auch in Bezug auf Kryptowährungen eingesetzt werden, wie beispielsweise bei Ethereum.

Das war allerdings nicht immer so: Das Ethereum-Netzwerk hat den Konsensmechanismus erst im September 2022 von PoW auf PoS umgestellt.

Wie funktioniert PoS?

Bei Proof of Stake bringen alle Teilnehmer:innen eines Netzwerks eine bestimmte Anzahl von Coins (Kryptowährungseinheiten) als Stake (Einsatz) ein. Nur so können sie überhaupt dafür infrage kommen, Transaktionen zu validieren.

Wie bei Proof of Work müssen auch hier mathematische Berechnung durchgeführt werden. Die sind allerdings nicht ganz so komplex und verbrauchen dementsprechend nicht so viel Energie.

Bei Ethereum wird der Stake, also das Kapital, zum Beispiel in Form von ETH in einen Smart Contract eingebracht. Das dient als Sicherheit. Verhält sich der Validierer nicht regelkonform, kann sein Kapital vernichtet werden. Je mehr Coins jemand besitzt, desto größer ist sein Einfluss auf das Netzwerk.

Das heißt, dass bei PoS nicht jeder dieselbe Chance hat. Die Auswahl desjenigen, der Transaktionen bestätigen und Blöcke anhängen darf, hängt von der Höhe des Einsatzes ab. Je höher der Stake, desto höher auch die Wahrscheinlichkeit, im Staking-Prozess als Validierer ausgelost zu werden. Das Ganze passiert via Zufallsverfahren. Quasi eine Auslosung unter denen, die infrage kommen.

Einige PoS-Systeme verwenden auch einen Mechanismus namens "Coin Age". Dabei wird die Wahrscheinlichkeit, ausgewählt zu werden, dadurch erhöht, wie lange man Coins bereits besitzt. Wenn Teilnehmer:innen ihre Coins also schon lange halten, werden sie bevorzugt.

Die Vorteile

Im Gegensatz zu PoW braucht es bei Proof of Stake keine hohe Rechenleistung, um die mathematischen Probleme zu lösen. Der Energieverbrauch ist also deutlich geringer. Das Staking-Verfahren, bei dem Teilnehmer:innen ihre Coins als Einsatz hinterlegen, ist damit besser für die Umwelt.

Auch hier gibt es keine zentrale Autorität. Jede:r im Netzwerk kann am Staking teilnehmen. Somit ist es ebenfalls schwierig, das Netzwerk zu attackieren oder zu manipulieren.

Im Allgemeinen ist die Skalierbarkeit bei PoS höher als bei PoW. Dadurch, dass keine hohe Rechenleistung benötigt wird, kann das Netzwerk einfacher skaliert und die Anzahl der Transaktionen erhöht werden.

Da Validatoren bei PoS auf Basis ihres Einsatzes ausgewählt werden, ist die Wahrscheinlichkeit eines 51 %-Angriffs eher gering. Zumindest wäre es sehr kostspielig und schwierig, die Mehrheit der gesicherten Währung im Netzwerk und somit die Kontrolle zu bekommen.

Die Nachteile

Trotz Dezentralisierung kann es bei PoS zumindest leichte Zentralisierungstendenzen geben. Warum? Dadurch, dass Teilnehmer:innen mit einem hohen Einsatz eine größere Chance haben, als Validatoren ausgewählt zu werden. Das kann zur Folge haben, dass einige wenige aufgrund ihres Stakes eine dominierende Rolle im Netzwerk einnehmen.

Das kann einen weiteren Nachteil in Form einer Ungleichheit beim Reichtum nach sich ziehen. Wer validiert, bekommt eine Belohnung. Und wer mehr hat, wird mit höherer Wahrscheinlichkeit validieren dürfen. Kurz: Die Reichen werden reicher.

Allerdings können diejenigen, die mehr besitzen, auch mehr verlieren. Wer gegen die Regeln verstößt oder unzuverlässig ist, kann seinen Einsatz verlieren und aus dem Pool derjenigen ausgeschlossen werden, die Transaktionen bestätigen und Datenblöcke anhängen dürfen.

Es kann auch ein Nachteil sein, dass die Teilnehmer:innen dazu angehalten werden, ihre Coins möglichst lange zu halten. Zumindest für Wachstum und Verwendung von Kryptowährungen könnte das unter Umständen negativ sein.

Es gibt auch eine Debatte darüber, ob PoS wirklich sicherer ist als PoW. Unter anderem, weil die mathematischen Berechnungen nicht so komplex sind und es theoretisch trotzdem noch möglich ist, eine Mehrheit im Netzwerk zu erlangen.

Die Umstellung der Ethereum-Blockchain

Wie bereits erwähnt, ist die Ethereum-Blockchain von Proof of Work auf Proof of Stake umgestellt worden. Die zentralen Gründe waren:

1. Energieeffizienz verbessern.
2. Dezentralisierung stärken.

Um das Problem mit der hohen CO2-Belastung anzugehen, hat die Ethereum-Community beschlossen, das Konsensverfahren zu ändern. Es hat sich zwar länger hingezogen als ursprünglich geplant, Mitte September 2022 war es dann aber so weit.

Dass das Ganze in der Form umgesetzt wurde, liegt wohl nicht zuletzt an Ethereum-Gründer Vitalik Buterin. Auch er hatte sich für die Umstellung eingesetzt und die Vorteile von Proof of Stake betont. Da er als einer der führenden Experten und Visionäre in der Krypto-Branche einen enormen Einfluss auf die Community und ihre Entscheidungen hat, war es fast klar, dass Proof of Work bei Ethereum früher oder später ausgedient hat.

Buterin hatte sich damals mit den Möglichkeiten von Bitcoin auseinandergesetzt. Im Zuge dessen hatte er erkannt, dass es einen Bedarf für eine Blockchain-Plattform gab, die mehr kann als nur eine Kryptowährung zu unterstützen. Deshalb ist Ethereum eine flexible Plattform, auf der Entwickler:innen zum Beispiel auch Anwendungen erstellen und hosten können.

Proof of Work (PoW) vs. Proof of Stake (PoS)

Proof of Work vs. Proof of Stake: Was ist jetzt also besser? Fakt ist, dass es nicht die eine Methode gibt, die zwangsläufig besser ist. Auch innerhalb der Kryptogemeinde wird immer noch viel darüber diskutiert, welcher Konsensmechanismus die Nase vorn hat - und so wirklich scheint man nicht auf einen Nenner zu kommen.

Jeder Konsensmechanismus hat seine Stärken und seine Schwächen. Sowohl PoW als auch PoS sind nicht neu und somit erprobt. Dass sie funktionieren, steht deshalb außer Frage. Letztendlich gilt es für jede Plattform herauszufinden, welcher besser funktioniert und im Gesamt-Zusammenhang sinnvoller ist.

Proof of Work ist ein sehr sicheres und dezentralisiertes System. Es ist äußerst schwierig, die Blockchain zu manipulieren. Die größten Nachteile sind der hohe Energieaufwand und hohe Stromkosten.

Proof of Stake ist hingegen sehr energieeffizient. Der Mechanismus braucht keine hohe Rechenleistung, um zu funktionieren. Er hat aber den Nachteil, dass es Tendenzen dahingehend gibt, dass einzelne Mitglieder mit mehr Kapital einen größeren Einfluss haben.

Zusammenfassend kann man sagen, dass die Wahl des Konsensmechanismus von den Anforderungen und Zielen des jeweiligen Blockchain-Netzwerks abhängt. Einige benötigen möglicherweise mehr Sicherheit und Dezentralisierung, während andere mehr auf Energieeffizienz und Skalierbarkeit setzen.

Dazu kommt, dass die Technologien sich weiterentwickeln. Es gibt keinen Stillstand, sondern immer wieder neue Fortschritte und Innovationen. Das heißt, dass sich auch andere Mechanismen herauskristallisieren und als mögliche Lösungen in Betracht gezogen werden können. Es ist wichtig, die verschiedenen Optionen zu verstehen und sorgfältig zu evaluieren. Nur so kann am Ende die beste Wahl für das jeweilige Blockchain-Netzwerk getroffen werden.

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