Die Zukunft des Blockchain-Konsenses ist keine Entscheidung zwischen Proof of Work und Proof of Stake

Die Entscheidung von Ethereum, das Mining aufzugeben, sollte eine der hartnäckigsten Debatten rund um die Blockchain beenden. Das Proof-of-Stake-Verfahren könnte ein großes öffentliches Netzwerk sichern, ohne dass Lagerhallen voller Spezialcomputer im Wettstreit um die Lösung kryptografischer Rätsel stehen. Das Umweltargument schien ausschlaggebend: Nach Abschluss des „Merge“ im September 2022 senkte Ethereum seinen jährlichen Stromverbrauch um mehr als 99,98 Prozent.

Dennoch hat dieser Wandel kein universelles Modell für den Konsens in der Blockchain hervorgebracht. Bitcoin nutzt weiterhin den Proof-of-Work. Ethereum passt derzeit noch an, wie seine Validatoren Blöcke vorschlagen, aufbauen und abschließen. Andere Netzwerke verteilen die Verantwortung auf Validatoren, Nominatoren, Collatoren, Sequenzierer und spezialisierte Sicherheitsebenen. Private Blockchains verzichten möglicherweise gänzlich auf eine offene Teilnahme und stützen sich stattdessen auf autorisierte Betreiber.

Die Debatte hat sich daher weiterentwickelt. Die Frage ist nicht mehr, ob „Proof of Stake“ effizienter ist als „Proof of Work“. Was den Energieverbrauch angeht, ist dies ganz klar der Fall. Die schwierigere Frage ist, welche Art von Sicherheit ein Netzwerk benötigt, wer diese bereitstellen darf und wie viel Konzentration die Nutzer im Austausch für Geschwindigkeit und Komfort in Kauf nehmen werden.

Konsens ist ein Wirtschaftssystem

Ein Konsensmechanismus ermöglicht es Computern, die einander nicht unbedingt vertrauen, sich über den Zustand eines Netzwerks zu einigen. Er legt fest, welche Transaktionen akzeptiert werden, wer den nächsten Block hinzufügen darf und was geschieht, wenn sich Teilnehmer unehrlich verhalten oder konkurrierende Versionen des Hauptbuchs auftreten.

Das „Proof-of-Work“-Verfahren macht Angriffe kostspielig, da es von den Minern verlangt, Rechenleistung und Strom einzusetzen. Die Blöcke von Bitcoin sind miteinander verknüpft, sodass eine Änderung einer früheren Transaktion erfordern würde, dass der Angreifer die Arbeit für diesen Block und jeden danach erstellten Block erneut verrichten müsste. Je mehr Blöcke hinzukommen, desto kostspieliger wird es, die Historie umzuschreiben.

Beim „Proof of Stake“ wird ein Großteil dieses materiellen Aufwands durch finanzielle Sicherheiten ersetzt. Validatoren hinterlegen Token, die bei Verstößen gegen die Regeln des Protokolls mit Strafen belegt oder vernichtet werden können. Ethereum beschreibt das Staking als Nachweis dafür, dass ein Validator etwas von Wert hinterlegt hat, das ihm bei unehrlichem Verhalten entzogen werden kann.

Diese Unterscheidung ist zwar wichtig, bedeutet jedoch nicht, dass eines der beiden Systeme automatisch dezentralisiert ist. Ein Proof-of-Work-Netzwerk kann von einer kleinen Anzahl großer Mining-Pools, Hardware-Herstellern oder Quellen für günstigen Strom abhängig werden. Ein Proof-of-Stake-Netzwerk kann Einfluss bei Börsen, Verwahrern, Liquid-Staking-Plattformen und professionellen Knotenbetreibern anhäufen.

Konsens ist daher nicht einfach nur Code. Er ist ein Markt für Sicherheit mit eigenen Kapitalanforderungen, Skaleneffekten und Machtkonzentrationen.

Proof-of-Stake hat ein Problem gelöst und andere aufgedeckt

Der Übergang von Ethereum hat gezeigt, dass eine große öffentliche Blockchain das Mining ersetzen kann, ohne die Transaktionshistorie des Netzwerks zu unterbrechen. Außerdem wurde dadurch der energieintensive Wettbewerb beseitigt, der das ursprüngliche Konsensmodell von Ethereum geprägt hatte.

Die Verbesserung ist erheblich. Ethereum schätzt, dass das Netzwerk nun jährlich etwa 0,0026 Terawattstunden Strom verbraucht, wobei die Schätzungen von Annahmen über die von den Validatoren verwendete Hardware und Infrastruktur abhängen.

Ein geringerer Stromverbrauch beseitigt jedoch nicht die Kosten für die Sicherheit. Er verändert lediglich deren Form.

Um einen unabhängigen Ethereum-Validator zu betreiben, sind eine Einlage von 32 ETH, geeignete Hardware und eine zuverlässige Internetverbindung erforderlich. Nutzer, denen das Kapital oder die technischen Voraussetzungen fehlen, um dies selbst zu tun, können sich Staking-Pools anschließen oder einen verwalteten Anbieter nutzen. Diese Dienste erleichtern die Teilnahme, bringen jedoch zusätzliche Vertrauensanforderungen, Risiken im Zusammenhang mit Smart Contracts und Gegenparteirisiken mit sich.

Liquid-Staking-Dienste gehen noch einen Schritt weiter. Sie geben handelbare Token aus, die die für das Staking gebundenen Vermögenswerte repräsentieren, sodass Nutzer Staking-Prämien verdienen können, während sie den abgeleiteten Token weiterhin anderweitig im Bereich der dezentralen Finanzen nutzen. Dies verbessert die Kapitaleffizienz, kann jedoch auch dazu führen, dass ein großer Teil des Stakes des Netzwerks auf eine kleine Anzahl von Protokollen und Betreibern konzentriert wird.

In der Dokumentation von Ethereum selbst wird diese Sorge anerkannt: Wenn einige wenige Organisationen einen großen Teil der gestakten Vermögenswerte verwalten, kann ihr Einfluss auf die Validierung zu einer Quelle systemischer Risiken werden.

Proof-of-Stake hat folglich das Umweltargument zugunsten der Blockchain verschoben und gleichzeitig eine Frage der Governance verschärft: Bleibt ein Netzwerk sinnvoll dezentralisiert, wenn die Teilnahme zwar technisch offen ist, die operative Kontrolle jedoch konzentriert ist?

Der nächste Wettbewerb dreht sich um die Blockproduktion

Die Auswahl der Validatoren ist nur ein Teil des Konsensverfahrens. Es muss auch entschieden werden, welche Transaktionen in einen Block aufgenommen werden und in welcher Reihenfolge.

Diese Reihenfolge kann von großem Wert sein. Ein Händler kann dafür bezahlen, dass eine Transaktion vor oder nach einem anderen Handel platziert wird. Ein Suchender kann eine Arbitragemöglichkeit zwischen dezentralen Börsen erkennen. Ein Blockproduzent kann eine Liquidation priorisieren oder Transaktionen neu ordnen, um zusätzliche Einnahmen zu erzielen.

Dieser Wert wird als „Maximal Extractable Value“ (MEV) bezeichnet. Er kommt sowohl in Proof-of-Work- als auch in Proof-of-Stake-Systemen vor, wobei auf Ethereum mittlerweile Validatoren anstelle von Minern die entsprechende Rolle einnehmen.

MEV ist nicht nur ein obskures technisches Problem. Es kann sich auf den Preis auswirken, den Nutzer erhalten, das Slippage erhöhen und Anreize für versierte Marktteilnehmer schaffen, die Blockbildung zu dominieren. Größere Staking-Organisationen verfügen möglicherweise über bessere Software, eine schnellere Infrastruktur und besseren Zugang zu spezialisierten Handelssystemen. Die zusätzlichen Einnahmen ermöglichen es ihnen, weiter in diese Kapazitäten zu investieren, wodurch ihr Vorteil noch verstärkt wird.

Ethereum reagiert darauf mit einer Trennung von „Proposer“ und „Builder“. Anstatt einen Validator zu beauftragen, den profitabelsten Block selbst zu erstellen und zu veröffentlichen, konkurrieren spezialisierte „Builder“ darum, Blöcke zusammenzustellen und sie den „Proposern“ anzubieten. Ziel ist es, den Vorteil vertikal integrierter Betreiber zu verringern und den Zugang zu wettbewerbsfähiger Blockerstellung einem breiteren Kreis zu ermöglichen.

Diese Regelung bringt eigene Abhängigkeiten mit sich. Sollte sich die Blockerstellung auf eine kleine Anzahl von Unternehmen oder Relays konzentrieren, könnte das Protokoll zwar eine Form der Zentralisierung verringern, gleichzeitig aber eine andere schaffen. Zukünftige Konsensmechanismen werden zunehmend anhand der gesamten Lieferkette der Blockerstellung beurteilt werden und nicht nur anhand der Anzahl der auf einem Dashboard sichtbaren Validatoren.

Schnellere Endgültigkeit hat ihren Preis

Nutzer möchten in der Regel, dass Transaktionen schnell unwiderruflich werden. Finanzinstitute, Zahlungsanbieter und kettenübergreifende Anwendungen können nicht reibungslos arbeiten, wenn sie lange warten müssen, bevor sie eine Transaktion als endgültig betrachten können.

Einige byzantinische fehlertolerante Systeme gewährleisten eine schnelle Finalität, indem sie eine festgelegte Gruppe von Validatoren auffordern, jeden Block zu genehmigen. CometBFT, das im Cosmos-Ökosystem zum Einsatz kommt, verzeichnet eine Einigung, sobald mehr als zwei Drittel der relevanten Stimmrechte einen Konsens erzielen.

Polkadot nutzt das „Nominated Proof of Stake“-Verfahren, bei dem Nominatoren Validatoren mit ihren Token unterstützen, während die Relay-Chain-Architektur eine gemeinsame Validierung und Finalität für verbundene Parachains gewährleistet.

Ethereum erforscht derzeit die „Single-Slot-Finality“, die es ermöglichen würde, einen Block innerhalb desselben Slots vorzuschlagen und abzuschließen, anstatt dass dafür etwa 15 Minuten benötigt würden. Die Schwierigkeit besteht darin, dass eine schnellere Finalität mehr Kommunikation zwischen den Validatoren, eine höhere Hardware-Leistung oder eine kleinere Gruppe aktiver Validatoren erfordern kann. Jede dieser Optionen kann die unabhängige Teilnahme erschweren.

Dies ist eine der zentralen Herausforderungen, mit denen sich Konsensingenieure konfrontiert sehen. Ein Protokoll kann zwar eine schnellere Bestätigung, geringere Anforderungen an die Knoten und eine sehr breite Beteiligung anstreben, doch ist es schwierig, alle drei Ziele gleichzeitig zu maximieren. Verbesserungen in der Kryptografie und im Netzwerkdesign können diesen Zielkonflikt zwar abmildern, ihn jedoch nicht vollständig beseitigen.

Für Unternehmen ist die “Anzahl der Transaktionen pro Sekunde” daher eine unzureichende Grundlage für den Vergleich von Netzwerken. Die Finalitätszeit, die Vielfalt der Validatoren, die Ausfallwiederherstellung und die Kosten für die unabhängige Überprüfung der Blockchain sind mindestens ebenso wichtig wie der angegebene Durchsatz.

Sicherheit wird modular

Frühere Blockchain-Netzwerke vereinten in der Regel Ausführung, Konsensbildung, Datenverfügbarkeit und Abwicklung in einem System. Neuere Architekturen trennen diese Funktionen zunehmend voneinander.

Eine Anwendung kann Transaktionen auf einer Ebene ausführen, Daten an eine andere Ebene weiterleiten und die endgültige Abrechnung von einem größeren Netzwerk übernehmen. Die Parachains von Polkadot führen beispielsweise ihre eigene Transaktionsverarbeitung durch, stützen sich dabei jedoch hinsichtlich der gemeinsamen Sicherheit auf das Validatorsystem der Relay-Chain.

Das „Restaking“ baut auf diesem Konzept auf. Vermögenswerte, die bereits zur Absicherung eines Protokolls gestaked wurden, können zur Unterstützung weiterer Netzwerke oder Dienste genutzt werden. Theoretisch kann eine neue Anwendung auf einen bereits bestehenden Pool an wirtschaftlicher Sicherheit zurückgreifen, anstatt eine völlig eigenständige Validator-Community aufbauen zu müssen.

Der Reiz liegt auf der Hand. Der Aufbau eines sicheren Netzwerks ist kostspielig, und ein Token mit geringem Marktwert bietet nur begrenzten Schutz vor Angriffen. Durch gemeinsam genutzte oder erneut gestakte Sicherheiten können kleinere Systeme Zugang zu größeren Sicherheiten und einer bestehenden Betreiberbasis erhalten.

Ebenso wichtig sind die Risiken. Validatoren können Verpflichtungen in mehreren Diensten mit unterschiedlicher Software, unterschiedlichen Regeln und unterschiedlichen Slashing-Bedingungen eingehen. Ein Ausfall in einem System könnte Strafen nach sich ziehen, die die Sicherheit anderer Systeme beeinträchtigen. In den Leitlinien von Ethereum wird zudem davor gewarnt, dass durch das Restaking der Einfluss auf eine begrenzte Anzahl von Betreibern konzentriert werden könnte und Kettenreaktionen entstehen könnten, wenn dieselbe Sicherheit mehrere Dienste absichert.

Die Modularität macht die Blockchain-Infrastruktur flexibler. Sie erschwert es jedoch auch, die Verantwortlichen ausfindig zu machen. Wenn eine Transaktion fehlschlägt, müssen Nutzer möglicherweise herausfinden, ob das Problem bei einem Sequenzer, einem Validator, einer Bridge, einem Anbieter für Datenverfügbarkeit, einem Restaking-Dienst oder der zugrunde liegenden Abwicklungsschicht liegt.

Der „Proof of Authority“ hat nach wie vor seine Berechtigung

In Diskussionen über öffentliche Blockchains wird oft davon ausgegangen, dass eine möglichst weitgehende genehmigungsfreie Teilnahme für jede Anwendung wünschenswert ist. Viele Unternehmen und öffentliche Einrichtungen haben jedoch andere Anforderungen.

Ein Konsortium aus Banken, Logistikunternehmen oder staatlichen Stellen benötigt möglicherweise identifizierbare Validatoren, vertragliche Haftung und die Möglichkeit, einen Betreiber, der gegen vereinbarte Regeln verstößt, auszuschließen. Proof-of-Authority-Systeme lösen dieses Problem, indem sie die Blockerstellung auf zugelassene Teilnehmer beschränken, deren Identität oder institutioneller Ruf bekannt ist.

Dies ist keine Dezentralisierung im gleichen Sinne wie bei Bitcoin oder Ethereum. Es handelt sich um ein genehmigungsbasiertes Governance-Modell, das mithilfe der Distributed-Ledger-Technologie umgesetzt wird. In der Dokumentation von Ethereum wird beschrieben, dass der „Proof of Authority“ auf autorisierten Unterzeichnern statt auf einer auf Einsätzen basierenden Beteiligung beruht, und es wird darauf hingewiesen, dass er in erster Linie für private Netzwerke, Testsysteme und lokale Entwicklungsumgebungen verwendet wird.

Diese Einschränkung kann durchaus sinnvoll sein. Eine kontrollierte Validatorengruppe kann für vorhersehbare Leistung und eine klarere Verantwortlichkeit sorgen. Der Fehler besteht darin, ein solches System als „trustless“ zu vermarkten, obwohl die Nutzer in Wirklichkeit einer definierten Gruppe von Institutionen vertrauen.

Was Netzwerk-Einkäufer prüfen sollten

Unternehmen, die eine Blockchain evaluieren, sollten sich zunächst mit den Folgen eines Ausfalls befassen und nicht mit der Bezeichnung des Konsensmechanismus.

Ein Zahlungs- oder Abwicklungsnetzwerk benötigt eine hohe Transaktionsendgültigkeit und eine glaubwürdige Lösung für widersprüchliche Transaktionen. Ein öffentliches Asset-Netzwerk legt möglicherweise größeren Wert auf Zensurresistenz und die Möglichkeit für normale Nutzer, das Ledger zu überprüfen. Ein Unternehmenskonsortium priorisiert möglicherweise Datenschutz, vertragliche Governance und identifizierbare Betreiber. Bei einer Verbraucheranwendung stehen niedrige Gebühren und schnelle Bestätigungen im Vordergrund, doch sie ist dennoch von einem zugrunde liegenden Netzwerk abhängig, dessen Sicherheit für die Nutzer kaum sichtbar ist.

Zu den relevanten Fragen gehören unter anderem: Wer kann Validator werden? Wie viel Kapital und Hardware sind für die Teilnahme erforderlich? Wo konzentrieren sich die Einsätze bzw. die Rechenleistung? Wer erstellt die Blöcke? Wie werden Betreiber bestraft? Und was passiert, wenn ein Drittel der Validatoren offline geht? Käufer sollten außerdem prüfen, ob das System von Brücken, Sequenzern oder externen Sicherheitsdiensten abhängt, die außerhalb des beworbenen Konsensprotokolls angesiedelt sind.

Die Umweltbilanz bleibt weiterhin Bestandteil der Bewertung, insbesondere bei Instituten mit Klimaschutzverpflichtungen. Sie sollte nicht als Ersatz für die Analyse der Unternehmensführung, der operativen Widerstandsfähigkeit und der Konzentration herangezogen werden.

Es wird keinen einzigen Gewinnmechanismus geben

Proof-of-Stake dürfte für viele programmierbare öffentliche Netzwerke weiterhin die bevorzugte Grundlage bleiben, da es kryptoökonomische Sicherheit bietet, ohne den Energieaufwand von Proof-of-Work zu erfordern. Es ist unwahrscheinlich, dass Bitcoin Proof-of-Work allein deshalb aufgeben wird, weil ein anderes Modell weniger Strom verbraucht: Seine Konsensregeln sind an eine andere Sicherheitsphilosophie, eine andere monetäre Geschichte und die Präferenzen der Community gebunden.

In genehmigungsbasierten Systemen werden weiterhin autorisierte Validatoren zum Einsatz kommen, wenn rechtliche Verantwortlichkeit Vorrang vor offener Teilnahme hat. Andere Netzwerke werden Staking mit byzantinisch fehlertoleranter Finalität, Nominierungssystemen, gemeinsamer Sicherheit oder spezialisierten Blockerstellern kombinieren.

Die entscheidenden Entwicklungen werden möglicherweise nicht mehr unter Bezeichnungen wie „Proof of Work“ oder „Proof of Stake“ laufen. Sie werden sich darauf beziehen, wie die Blockproduktion aufgeteilt wird, wie schnell Transaktionen endgültig werden, ob kleinere Netzwerke wirtschaftliche Sicherheit „mieten“ können und ob gewöhnliche Teilnehmer das System weiterhin überprüfen können, ohne sich auf eine Handvoll Vermittler verlassen zu müssen.

Der Konsens in der Blockchain wird immer effizienter, aber auch immer vielschichtiger. Die Netzwerke, die sich langfristig durchsetzen werden, sind nicht unbedingt diejenigen mit den schnellsten Blöcken oder der nominell größten Anzahl an Validatoren. Es werden diejenigen sein, die erklären können, worauf ihr Vertrauen letztendlich beruht, und die einer genauen Prüfung standhalten.