Auf dem Weg in die Zukunft von Ethereum mit Proof-of-Stake

Die Wahl einer zentralen Autorität in Distributed-Ledger-Systemen

In Distributed-Ledger-Systemen gibt es keine einzelne, vorher festgelegte zentrale Autorität (CA), die über den Zustand der Welt entscheidet. Wenn das System diese Rolle dauerhaft einem bestimmten Netzwerkteilnehmer zuweist, kann dieser einseitig Transaktionen zensieren und sogar das Netzwerk anhalten. Um dieses Zentralisierungsproblem zu entschärfen, sollte die Auswahl der CA nicht deterministisch sein. In Blockchain-Systemen beispielsweise muss ein Mechanismus nach dem Zufallsprinzip einen Teilnehmer als Zertifizierungsstelle für jeden neuen Block auswählen, der vorgeschlagen wird. Bei der zufälligen Auswahl eines Netzwerkteilnehmers muss jedoch sichergestellt werden, dass niemand seine Chance, ausgewählt zu werden, erhöhen kann, indem er neue Identitäten erstellt (d. h. Sybil-Angriff), da dies normalerweise kostenlos ist. Daher muss die Wahrscheinlichkeit, ausgewählt zu werden, an eine knappe Ressource gebunden sein.

Um einen Mechanismus zur Auswahl von Blockvorschlägen zu schaffen, der nicht anfällig für Sybil-Angriffe ist, verwendet Ethereum Proof-of-Work (PoW). Bei PoW ist die knappe Ressource Rechenleistung. Um der nächste Block-Proposer (oder „Miner“, wie es in PoW-Systemen heißt) zu werden, muss ein Teilnehmer ein komplexes Hash-Puzzle lösen, das beweist, dass Rechenleistung aufgewendet wurde. Der Miner, der dieses Rätsel als erster löst und seinen Block im Netzwerk verbreitet, erhält die Blockbelohnung (2 ETH fixe Belohnung + Transaktionsgebühren). Aufgrund dieses wirtschaftlichen Anreizes ist das Mining eine beliebte Aktivität in der Ethereum-Gemeinschaft. Derzeit erzeugt die kumulierte Rechenleistung der Ethereum-Miner etwa 900 Terahashes pro Sekunde. Dies hat jedoch schädliche Auswirkungen auf die Umwelt, da die Berechnungen auf der Mining-Hardware eine große Menge an Energie benötigen. Nach Angaben von Digiconomist beträgt der derzeitige Kohlenstoff-Fußabdruck von Ethereum etwa 43,24 Millionen Tonnen pro Jahr, was mit dem jährlichen Kohlenstoff-Fußabdruck von Hongkong vergleichbar ist. Außerdem ist der jährliche Stromverbrauch von Ethereum ähnlich hoch wie der jährliche Verbrauch von Chile (77 Terawattstunden).

Ein alternativer Ansatz

Wie PoW ist Proof-of-Stake (PoS) ein weiterer Mechanismus, den Blockchains nutzen, um den nächsten Block-Vorschlagenden auf eine gegen Sybil-Angriffe resistente Weise auszuwählen. Bei PoS müssen die Netzwerkmitglieder, die an der Blockproduktion teilnehmen wollen, Geld in das Protokoll einzahlen. Im Gegensatz zu PoW müssen die Teilnehmer bei PoS keine komplexen Rätsel lösen. Es wird also keine Mining-Hardware benötigt. Stattdessen sind die Teilnehmer finanziell beteiligt (im Falle von Fehlverhalten kann das Protokoll den Einsatz kürzen). Aus diesem Grund verbrauchen PoS-Blockchains deutlich weniger Energie als PoW-Blockchains.

Die Vision von Ethereum

Im Jahr 2015 wurde Ethereum als dezentrale, skalierbare und sichere Kette gestartet. Mit der wachsenden Nachfrage stiegen die Transaktionsgebühren, und der für den Betrieb eines Ethereum-Clients benötigte Speicherplatz nahm rapide zu. Die Aufrechterhaltung der Sicherheit der Kette mit PoW ist aufgrund der schädlichen Auswirkungen auf die Umwelt ebenfalls zu einem Problem geworden. Eine Möglichkeit, zu skalieren, ohne die Sicherheitsgarantien aufzugeben, wäre eine stärkere Zentralisierung gewesen. Ethereum wollte jedoch seine Dezentralität nicht gefährden, die für die Transparenz und Vertrauenswürdigkeit des Netzwerks entscheidend ist. 

Um dieses durch das Trilemma der Skalierbarkeit begrenzte Problem anzugehen, hat Ethereum einen ausgeklügelten Upgrade-Plan entwickelt. Während das Skalierbarkeitsproblem mit Sharding und Layer-2-Lösungen (z. B. Rollups) angegangen wird, um eine nachhaltige und sichere Kette zu erreichen, beschloss Ethereum, zu PoS zu wechseln. Die Verwendung von PoS war eigentlich von Anfang an das Ziel, wurde aber aufgrund der Komplexität und Bootstrapping-Probleme zunächst nicht angenommen (siehe dieser Artikel von Vitalik Buterin aus dem Jahr 2014). Mit PoS will Ethereum die folgenden Ziele erreichen:

• Ethereum grüner zu machen, indem der Energieverbrauch um 99,95% reduziert wird
• Mehr Sicherheit gegen geheime Angriffe (z.B. 51%-Angriff) durch den Slashing-Mechanismus
• Erhöhung der Beteiligung am Protokoll durch Senkung der Einstiegshürde (der Betrieb von Mining-Hardware erfordert mehr Aufwand und kann schnell teurer werden als das Staking)
• Senkung der ETH-Ausgabe um 90% (im Vergleich zu PoW-Ethereum), um Ethereum deflationär zu machen und so seinen Wert mit der Zeit zu erhöhen (diese Bewegung begann bereits mit EIP-1559)

Hinweis: PoS allein wird keine dramatische Verbesserung des Transaktionsdurchsatzes von Ethereum bewirken, da sich die Blockzeit nicht signifikant ändern wird. Allerdings wird damit die Infrastruktur geschaffen, die die Umsetzung der geplanten Skalierungslösungen ermöglicht.

Die Beacon Chain und der Merge

Ethereum plante den Übergang zu PoS aufgrund der Bedeutung der Veränderung in zwei Schritten statt in einem einzigen großen Schritt. Der erste dieser Schritte war der Start der Beacon Chain im Dezember 2020. Die Ethereum-Community hat die Beacon Chain als separate, vom Mainnet von Ethereum unabhängige Kette eingeführt. Die Beacon Chain ist eine PoS-Kette, die die neue Konsensschicht von Ethereum werden soll. Im Rahmen der neuen Architektur wird die Beacon Chain für die Erzeugung von Blöcken und die Einigung über den korrekten Zustand der Kette verantwortlich sein, während die Transaktionen und Verträge (d.h. EVM-Operationen) auf dem aktuellen Ethereum Mainnet ausgeführt werden, das zur Ausführungsschicht wird. 

Im September 2022 wird das Ethereum Mainnet mit der Beacon Chain verschmolzen, wobei alle historischen Transaktions- und Zustandsdaten übernommen werden. Die Verschmelzung wird durch das Erreichen einer bestimmten Gesamt-Terminal-Schwierigkeit und nicht durch die Blockhöhe ausgelöst, um zu verhindern, dass böswillige Entitäten leere Blöcke schürfen, um das Verschmelzungsdatum früher als geplant zu erreichen. Sobald der Merge stattfindet, wird das aktuelle Mainnet aufhören, PoW zu betreiben und nur noch Transaktionen ausführen, während die Beacon Chain die neue Konsensmaschine von Ethereum wird. Dies wird jedoch keinen Einfluss darauf haben, wie Nutzer mit Ethereum interagieren. Diese Trennung von Ausführungs- und Konsensus-Ebene soll eine bessere Modularität ermöglichen.

In den letzten 1,5 Jahren hat die Beacon Chain unabhängig vom Ethereum Mainnet gearbeitet, indem sie Blockproposer (so genannte „Validatoren“) sammelte und so Einsätze sammelte. Die Beacon Chain wurde früher gestartet, als sie voll genutzt werden konnte, so dass genügend Zeit für Einsätze und umfangreiche Tests zur Verfügung stand, ohne das Mainnet zu stoppen (man bedenke, dass Bootstrapping eines der Hauptprobleme bei PoS ist). Mit der zunehmenden Anzahl von Validatoren und der Gesamtsumme der Einsätze verbessert sich auch die Sicherheit des Ethereum-Protokolls, da die Dezentralisierung besser wird und die finanzielle Beteiligung am Netzwerk wächst. Um ein Validator auf der Beacon Chain zu werden, muss man 32 ETH für das Protokoll einsetzen. Im Gegenzug werden Validatoren für die Erstellung neuer Blöcke und die Bestätigung von Blöcken, die von anderen Validatoren erstellt wurden, belohnt. Basierend auf den Zahlen von BeaconScan, dem Block-Explorer von Etherscan für die Beacon Chain, gibt es 423.431 aktive Validierer und 13 Millionen ETH (> 22 Milliarden Dollar), die im Protokoll gesperrt sind.

Blockproduktion und Sicherheit nach dem Merge

Im aktuellen Ethereum Mainnet hängt die Blockzeit von der Schwierigkeit des Mining-Puzzles ab.¹ Nach dem Merge wird die Blockzeit auf 12 Sekunden festgelegt. Um diese Eigenschaft zu erreichen, unterteilt Ethereum die Zeit in Epochen und Slots, wobei jede Epoche 32 Slots enthält und jeder Slot 12 Sekunden dauert. Das Protokoll wählt nach dem Zufallsprinzip einen Validator für jeden Slot aus, um einen Block vorzuschlagen. Bei Fehlverhalten, z. B. dem Vorschlagen mehrerer Blöcke in einem einzigen Zeitfenster, wird der betreffende Prüfer bestraft (d. h. sein Einsatz wird gekürzt). Außerdem wird in jedem Slot eine Gruppe von Validierern (Komitee) gewählt, die über die Gültigkeit des vorgeschlagenen Blocks abstimmen (mindestens 2/3 müssen zustimmen). Jeder Bewerter, der widersprüchliche Stimmen abgibt, wird ebenfalls bestraft. Ein Block wird nach zwei Epochen abgeschlossen.

Während der neue Mechanismus Verbesserungen gegenüber PoW-Ethereum aufweist (z. B. schnellere, deterministische Finalität, Widerstandsfähigkeit gegenüber Fehlverhalten usw.), hat er auch seine Probleme. Eines davon ist die Zentralisierung der Validatoren. Derzeit halten Börsen und Staking-Pools (Lido, Coinbase, Kraken und Binance) den größten Anteil an dem neuen Protokoll. Laut den Zahlen auf Glassnode besitzt Lido etwa 1/3 des gesamten Anteils. Theoretisch stellt dies eine echte Bedrohung für die Konsensstabilität von Ethereum dar, da Lido potenziell zu einer CA werden und seine Macht nutzen könnte, um MEV durch Umschreiben der Geschichte oder Zensur zu extrahieren.² In der Praxis ist jedoch nicht zu erwarten, dass sich Lido oder andere wichtige Akteure aufgrund ihres Rufs und ihrer Macht bösartig verhalten. 

Wie geht es mit Ethereum weiter?

Sobald der Übergang zu PoS abgeschlossen ist, umfasst die Roadmap von Ethereum bedeutende Upgrade-Pakete, die parallel stattfinden. Eine davon ist der Surge, der auf eine bessere Skalierbarkeit abzielt, indem die Hauptkette in viele kleinere Ketten aufgeteilt wird (d. h. Sharding). Derzeit ist Danksharding eine der diskutierten Aktualisierungen von Sharding auf Ethereum. Wenn es umgesetzt wird, ermöglicht es kostengünstige Layer-2-Lösungen und damit einen besseren Transaktionsdurchsatz. 

Der Verge ist ein weiteres Upgrade-Paket in der Roadmap von Ethereum, mit dem die Verkle-Treeseingeführt werden. Ein Verkle-Tree ähnelt einem Merkle-Tree, ist aber aufgrund der geringen Größe der Beweise, die er liefert, effizienter. Durch Verkle-Bäume will Ethereum zustandslose Clients ermöglichen, die nicht den gesamten Ethereum-Zustand speichern müssen, sondern lediglich Beweise für die Blockausführung und -validierung verwenden. Dieses Upgrade wird zur Dezentralisierung von Ethereum beitragen, indem es die Kosten für den Betrieb eines vollständigen Knotens senkt.

Die anderen beiden Upgrade-Paketen sind der Purge und der Splurge. Während es bei letzterem um verschiedene interessante Upgrades geht (z. B. Proposer Builder Separation (PBS)), werden bei ersterem die über ein Jahr alten historischen Daten gelöscht. Die Bereinigung wird die Überlastung des Netzwerks verringern und die Hardwareanforderungen für den Betrieb eines vollständigen Knotens senken. Mit leichteren und schnelleren Clients plant Ethereum, die Anzahl der Transaktionen, die es pro Sekunde verarbeitet, zu erhöhen. Da die historischen Daten für einige Anwendungen wie Block-Explorer (und für eine konsistente Historie) weiterhin benötigt werden, sucht Ethereum nach Off-Chain-Lösungen, um die bereinigten Daten zugänglich zu machen. Obwohl die Diskussion noch nicht abgeschlossen ist (siehe EIP-4444), gibt es Alternativen wie die Verwendung des InterPlanetary File System (IPFS) oder Torrent-Magnetlinks.

Abschließende Worte

Ethereum strebt ein sicheres und skalierbares Netzwerk an, ohne dabei seine Dezentralität zu gefährden. Der Übergang zu PoS ist der erste bedeutende Schritt zur Verwirklichung dieses Plans (siehe Vitaliks Roadmap). Nach dem Merge stehen noch eine Reihe von Upgrades an. Als Community sollten wir uns darüber im Klaren sein, was vor uns liegt, da diese Änderungen die Zukunft von Ethereum und möglicherweise auch die Zukunft des Blockchain-Ökosystems prägen werden.

¹ Derzeit beträgt die Blockzeit etwa 13-14 Sekunden.

² Um ein Problem wie dieses zu entschärfen, schlägt Vitalik vor, dass die ehrliche Community einer Minderheitskette folgen und die böswillige Entität aus dem System entfernen kann, indem sie von den Benutzern aktiviert wird.