Warum plant Ethereum den Wechsel zu Proof of Stake?

Die ursprüngliche Version von Ethereum (Frontier) verwendet einen Proof of Work-basierten Konsensalgorithmus, aber ich sehe, dass es Pläne gibt, einen Proof of Stake-basierten Konsensalgorithmus namens „Casper“ in einer zukünftigen Version von Ethereum zu implementieren. Was ist die Motivation für den Schritt, Proof of Stake in Ethereum zu implementieren, wenn derzeit keine andere große Blockchain diese Technologie verwendet?

Decred ist eine große Blockchain, die derzeit PoS verwendet.
Cosmos ist eine weitere Blockchain, die PoS verwendet (unter Verwendung des Tendermint-Konsenses).

Antworten (5)

Der grundlegende Fehler von Proof of Work (PoW) besteht darin, dass die Kosten für einen Angriff auf das System den Ausgaben für den Betrieb des Systems entsprechen . Hohe Sicherheit ist somit nur mit hohen Betriebskosten zu erreichen. Die Idee ist, dass die ehrlichen Teilnehmer die unehrlichen einfach übertreffen.

Das ist schon heute höchst ineffizient, funktioniert aber bei Bitcoin. Sobald die Blocktochter Null erreicht, wird das Verhältnis zwischen der Marktkapitalisierung und den Kosten für den Angriff auf Bitcoin kritisch. Einzelheiten werden hier vorgestellt .

Warum Proof-of-Stake?

  • Kosten

Proof of Stake (PoS) verspricht, dieses Problem zu lösen. Von einem ehrlichen Validator werden im Vergleich zu den Kosten, die einem Angreifer entstehen würden, sehr geringe Kosten erwartet .

  • Weniger Zensur

Ein weiteres Problem, das Casper zu lösen versucht, besteht darin, Zensur zu verhindern. Das PoW-Schema von Bitcoin ist mehr oder weniger ein Nullsummenspiel. Das bedeutet, wenn ein Miner einen Block verliert (er wird nicht in die Hauptkette aufgenommen/er wird zensiert), profitieren alle anderen Miner von seinem Verlust. PoS für Ethereum wird kein Nullsummenspiel sein, sondern ein Koordinationsspiel, bei dem die Belohnungen für alle am höchsten sind, wenn jeder Teilnehmer seine Blöcke einbringen kann.

  • Skalierbarkeit

Schließlich können einige Skalierbarkeitsprobleme mit PoS einfacher angegangen werden.

Geben Sie bei der erstmaligen Einführung einer Abkürzung immer die vollständige Form an: Proof of Work (PoW)
Ich stimme dieser Aussage zum Proof-of-Work-Algorithmus "Hohe Sicherheit ist also nur mit hohen Betriebskosten zu erreichen. Die Idee ist, dass die ehrlichen Teilnehmer die unehrlichen einfach übertreffen.". Um PoW zu kompromittieren, braucht man eine Gruppe unehrlicher Teilnehmer, die nicht nur die ehrlichen übertreffen, sondern auch eine vollständige Zusammenarbeit untereinander erreichen und durchsetzen können. Dies ist viel schwieriger zu erreichen, als ehrliche zu übertreffen, wenn nicht gar unmöglich.

Es gibt zwei Hauptmotive für den Wechsel zu Proof of Stake:

  1. Ethereum-Entwickler und -Forscher glauben, dass auf Proof of Stake (PoS) basierende Konsensalgorithmen im Vergleich zu Proof of Work (PoW) Konsensalgorithmen ein höheres Maß an Sicherheit für einen bestimmten Ressourcenaufwand bieten können .
  2. Ethereum-Entwickler und -Forscher glauben, dass ein neues Design namens Casper die wichtigen verbleibenden Probleme mit dem aktuellen „Stand der Technik“ im Proof-of-Stake-Design löst. Zu diesen Problemen gehören die unvollkommene Dezentralisierung und die Anfälligkeit für bestimmte Arten von Angriffen sowie andere wirtschaftliche und Leistungsaspekte.

Beide Themen berühren Themen, die es wert sind, in ihren eigenen Fragen und Antworten näher ausgeführt zu werden, daher werde ich auf andere Fragen verweisen, wenn ich die Hauptgründe für diese beiden Beweggründe zusammenfasse.

Haftungsausschluss: Ich habe auf ein paar kleine, indirekte Weisen zu den Forschungsbemühungen von Casper beigetragen. Ich habe jedoch keine formelle Beziehung zum Ethereum-Projekt und denke, dass meine Antwort hier auf jeden Fall ziemlich objektiv ist. Änderungsvorschläge sind willkommen.

Warum sollte Proof of Stake mehr Sicherheit für eine bestimmte Investition von Ressourcen bieten als Proof of Work?

Zunächst ist etwas Hintergrund nützlich. Das Ziel eines Konsensalgorithmus in einem öffentlichen Blockchain-Netzwerk ist es, viele verschiedene Benutzer über den aktuellen Zustand der Blockchain einigen zu lassen , obwohl sie einander oder einer zentralen Autorität nicht vertrauen . Dies ist ein herausforderndes Problem, und bis das Bitcoin-Netzwerk es 2008 erstmals durch die Verwendung von Proof of Work (auch bekannt als "Mining", alias "Hashing") löste, waren keine wirklich guten Lösungen bekannt. Die "Leistung" des Algorithmus war also ursprünglich nicht so wichtig - die Tatsache, dass es überhaupt möglich war, war beeindruckend genug.

Nachdem Bitcoin gezeigt hatte, dass eine Lösung für den öffentlichen Konsens möglich ist, tauchten neue Ideen wie „Proof of Stake“ auf . Eine vollständige Erklärung der Unterschiede zwischen PoW- und PoS-Konsens finden Sie hier . Sobald neue Algorithmen vorgeschlagen wurden, wandte sich die Frage von "funktioniert es?" zu "funktioniert A besser als B?"

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, diese Frage zu beantworten. Eine Möglichkeit, einen Einblick in das potenzielle Potenzial von PoS-Protokollen zu erhalten, besteht darin, insbesondere vier Faktoren zu berücksichtigen:

  1. Die Kosten für die Zusammenarbeit "ehrlicher Knoten" ohne feindlichen Angriff
  2. Die Kosten für die Zusammenarbeit "ehrlicher Knoten" während eines feindlichen Angriffs
  3. Die Kosten für den Angriff auf "feindliche Knoten", wenn ihr Angriff erfolglos ist
  4. Die Kosten für den Angriff auf "feindliche Knoten", wenn ihr Angriff erfolgreich ist

Indem wir diese Kosten mit Blockierungsbelohnungen und anderen potenziellen Gewinnen vergleichen, können wir die Menge an „ehrlichen Knoten“-Ressourcen abschätzen, die erforderlich sind, um sowohl das Netzwerk zu betreiben als auch einen Angreifer einer bestimmten Größenordnung abzuwehren. Dies bietet eine einigermaßen faire Möglichkeit, das Sicherheitsniveau zu vergleichen, das von zwei verschiedenen Konsensprotokollen bereitgestellt wird.

Das ist ein sehr kompliziertes Thema.

Wird als Proof-of-Work-Energieverschwendung angesehen, um die Sicherheit eines öffentlichen, zensurresistenten Konsensbuchs aufrechtzuerhalten. Obwohl es eine lange Debatte über diesen Punkt gibt. Sie können selbst sehen, dass Bitcoin mehr als 1 Mio. USD Wert pro Tag verbraucht . Der Energieverbrauch bei Hash-Berechnungen wird auf etwa den Energieverbrauch Islands geschätzt. Das ist der Grund, warum viele kluge Köpfe versuchen, das mit Proof-of-Stake zu lösen. Es gibt einen langen technischen Artikel von Vitalik, um dieses Thema tiefer zu verstehen.

Neben dem Stromverbrauch in PoW werden wir auch auf eine weitere Ressourcenverschwendung stoßen, da die zum Mining in PoW verwendeten Grafikkarten entsorgt werden. Da ich zustimme, dass das Problem nicht direkt mit dem Betrieb von PoS zusammenhängt, ist es notwendig, alle Aspekte des Wechsels zwischen PoW und PoS zu betrachten, um mit dem umweltfreundlichen Ziel von PoS kohärent zu sein. Siehe auch ethereum.stackexchange.com/a/3541/405 zu diesem Problem.
@NicolasMassart Sicherlich könnten die Grafikkarten zum Schürfen anderer Kryptowährungen verwendet werden und müssen daher nicht in den Müll geworfen werden?
@Malone Zum Zeitpunkt des Schreibens gebe ich zu, dass mir das Golem-Projekt nicht bekannt war. Schauen Sie es sich an, es ist eine nette Möglichkeit, die GPU zu verwenden, ohne Rechenleistung zu verschwenden.

Die obigen Antworten enthalten gute Argumente für den Nachteil von PoW

  • Skalierbarkeit: PoW-Schemata erfordern die Weitergabe neuer Kandidatenblöcke an alle Bergleute auf der ganzen Welt, und gelegentlich teilen sich Bergleute und arbeiten an einer Kette, die am Ende verwaist / nicht die längste ist. Dies geschieht die ganze Zeit über für kurze Momente, und in Ethereum helfen diese „Beinahe-Blöcke“ dabei, die Kette als „Onkel“ zu sichern und eine geringere Blockbelohnung an Onkel-Finder zu verteilen, im Gegensatz zu Bitcoin-Blöcken, die nur einen Vorgänger haben und nur den belohnen Miner, der den neuesten Block findet.
  • Umwelt-/Klimabedenken: PoW-Systeme verbrauchen viel elektrische Energie, von der ein Teil durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe erzeugt wird, was Ihren sozialen Werten widersprechen kann

Ich werde Ihre andere Sorge beantworten: Warum hat Bitcoin PoS nicht von Anfang an verwendet, und warum verwenden die meisten anderen Coins es nicht?

Proof-of-Stake ist formal, im theoretischen Informatik / mathematischen Sinne, schwieriger umzusetzen und seine Korrektheit nachzuweisen. Es gibt eine Münze, NXT (jetzt Ardour), die seit 2014 Proof-of-Stake verwendet, aber sie hat eine kleine Anzahl von Bergleuten und ist nicht so bekannt wie andere Ketten. Proof-of-Work selbst war vor 10 Jahren ein großes Wagnis und ein großer Sprung, aber wenn Satoshi Nakomoto gewusst hätte, wie man Proof-of-Stake auf sichere Weise für Bitcoin implementiert, hätte er es wahrscheinlich getan. Bitcoin war zu dieser Zeit eine unbekannte Münze im Wert von Bruchteilen eines Pennys. Wenn also das Netzwerk mit einem 51-%-Angriff kompromittiert wurde, ging nur sehr wenig verloren, also ist es in Ordnung, einfach YOLO zu sein und Ihren Code in die Welt zu schicken.

Die Mehrheit aller Altcoins verwendet einen Fork der Bitcoin-Codebasis und hat nur sehr wenig daran geändert, außer dass sie einen neuen PoW-Algorithmus einwechseln, die Blockzeit ändern usw. Sie profitieren von einer 10-jährigen Erfolgsbilanz in Bezug auf Sicherheit, zögern aber auch „rocken das Boot“, indem sie etwas signifikant Neues hinzufügen, so dass sie auch mit den Problemen und unbeabsichtigten Designproblemen von Bitcoin belastet sind.

Ethereum ist jetzt zu aktuellen Preisen ein Multi-Milliarden-Dollar-Netzwerk, daher sind seine regierende Stiftung und seine Benutzer vorsichtiger und ziehen viel mehr Ausfallszenarien in Betracht. Abgesehen davon arbeiten mindestens 5 verschiedene Teams an kompatiblen Ethereum 2.0-Clients, die kürzlich (September 2019) in der Lage waren, sich auf demselben Testnetz in Ontario zu synchronisieren, mit einem angestrebten Startdatum für das Ethereum 2.0-Mainnet (die Beacon-Kette) in Januar 2020.

Die Ethereum-Community hat in der Vergangenheit gezeigt, dass sie in der Lage ist, sich von Hacks und Ausfällen zu erholen, daher wird dieser Start meiner Meinung nach nur eine weitere Periode des fortgesetzten Testens, Lernens, Entdeckens von Problemen und Verbesserungen sein. In 10 weiteren Jahren werden sich StackOverflow-Benutzer fragen: „Warum halten einige Kryptowährungen so lange am Proof-of-Work fest, wenn wir jetzt eine deutlich bessere Alternative haben?“

Um Transaktionen zu validieren und Blöcke zu erstellen, muss ein Fälscher zunächst seine eigenen Coins „aufs Spiel“ setzen. Stellen Sie sich das so vor, als würden ihre Bestände auf einem Treuhandkonto aufbewahrt: Wenn sie eine betrügerische Transaktion validieren, verlieren sie ihre Bestände sowie ihre Rechte, sich in Zukunft als Fälscher zu beteiligen. Sobald der Fälscher seinen Einsatz getätigt hat, kann er am Fälschungsprozess teilnehmen, und da er sein eigenes Geld eingesetzt hat, hat er theoretisch jetzt einen Anreiz, die richtigen Transaktionen zu validieren.

Proof-of-Stake-Systeme sind umweltfreundlicher und effizienter, da die Strom- und Hardwarekosten viel geringer sind als die Kosten, die mit dem Mining in einem Proof-of-Work-System verbunden sind. Eine größere Anzahl von Menschen wird ermutigt, Nodes zu betreiben und sich zu beteiligen, da es einfach und erschwinglich ist, an diesem System teilzunehmen; dies führt zu mehr Dezentralisierung.