Kernaussagen
Hybrider PoW/PoS-Konsens kombiniert Proof-of-Work (PoW)-Mining mit Proof-of-Stake (PoS)-Staking, um die Sicherheit und Governance von Blockchains zu verbessern.
In hybriden Systemen spielen sowohl Miner als auch Token-Inhaber eine Rolle bei der Validierung von Blöcken, wodurch es für keine einzelne Partei so leicht ist, das Netzwerk zu kontrollieren.
Der Hauptvorteil von hybridem Konsens besteht darin, dass er die Governance-Macht der Miner begrenzt und es Token-Inhabern ermöglicht, Blöcke abzulehnen oder über Protokolländerungen abzustimmen.
Hybride Systeme fügen im Vergleich zu reinen PoW- oder reinen PoS-Netzwerken zusätzliche Komplexität hinzu, was sich auf die Akzeptanz und den Zugang für Entwickler auswirken kann.
Einführung
Der Konsensalgorithmus einer Blockchain ist der Regelkatalog, der bestimmt, wer neue Blöcke hinzufügen darf und wie das Netzwerk sich auf den aktuellen Zustand des Ledgers einigt. Die zwei etabliertesten Ansätze sind Proof-of-Work und Proof-of-Stake; beide haben bekannte Stärken und Schwächen.
Hybride PoW/PoS-Systeme versuchen, die Vorteile beider Ansätze zu nutzen. Indem sowohl Miner als auch Token-Inhaber an der Blockvalidierung teilnehmen müssen, können diese Netzwerke die Entscheidungsfindung breiter verteilen und bestimmte Angriffsvektoren reduzieren. Dieser Artikel erklärt, wie hybrider Konsens funktioniert, wobei Decred als primäres Beispiel dient.
So funktioniert Proof-of-Work
In einer reinen Proof-of-Work-Blockchain konkurrieren Miner darum, ein mathematisches Rätsel zu lösen. Wer als Erster eine gültige Lösung findet, erhält das Recht, den nächsten Block hinzuzufügen und eine Blockbelohnung zu erhalten. Das Netzwerk akzeptiert die Kette mit der größten Menge an angesammelter Rechenleistung als die legitime Version.
Dieses Design bedeutet, dass Miner erheblichen Einfluss auf das Netzwerk haben. Jede Änderung an den Konsensregeln des Protokolls erfordert die Unterstützung durch eine Mehrheit der Miner. Eine Soft Fork benötigt genug Mining-Leistung dahinter, um sicherzustellen, dass Transaktionen korrekt verarbeitet werden. Eine Hard Fork teilt das Netzwerk, wobei Miner effektiv entscheiden, welche Kette überlebt.
Das größte Sicherheitsrisiko in reinem PoW ist der 51%-Angriff. Wenn eine Entität mehr als 50% der Hashing-Leistung des Netzwerks kontrolliert, kann sie potenziell die jüngste Transaktionshistorie umschreiben, indem sie eine alternative Kette im Verborgenen mined und später veröffentlicht. Das ist in großen Netzwerken wie Bitcoin zwar teuer, bleibt aber bei kleineren Chains ein Anliegen.
So funktioniert Proof-of-Stake
Beim Proof-of-Stake (PoS)-Konsens wird das Recht, einen neuen Block hinzuzufügen, durch die Menge an Kryptowährung bestimmt, die ein Teilnehmer „gestaked“ hat oder als Sicherheit gesperrt hat. Das eliminiert zwar energieintensives Mining, führt jedoch zu einem anderen Satz an Abwägungen (Trade-offs).
Ein häufiges Bedenken bei reinem PoS ist das Problem „nothing at stake“. In einem Fork-Szenario haben PoS-Validatoren wenig zu verlieren, wenn sie mehrere konkurrierende Ketten validieren, weil das sie fast nichts kostet. Das kann die Fähigkeit des Netzwerks untergraben, einen einzigen vereinbarten Zustand zu erreichen.
Ein weiterer Aspekt ist die Token-Verteilung. PoW-Miner verkaufen typischerweise einen Teil ihrer Belohnungen, um Kosten für Hardware und Strom zu decken, wodurch die Coins im Markt zirkulieren. PoS-Validatoren haben deutlich niedrigere Kosten und können im Zeitverlauf einen wachsenden Anteil der zirkulierenden Versorgung ansammeln.
Wie sie sich in einem hybriden System ergänzen
Hybride Systeme legen Proof-of-Stake-Validierung auf eine Proof-of-Work-Basis. Anstatt sich für das eine oder das andere zu entscheiden, nutzen diese Blockchains beide Mechanismen zusammen. Ein hilfreicher Vergleich beider Ansätze findet sich im Artikel „Proof-of-Work vs. Proof-of-Stake“.
In Decreds Design findet ein PoW-Miner mithilfe von Rechenarbeit einen gültigen Block, aber dieser Block wird nicht sofort zur Kette hinzugefügt. Zuerst muss er Genehmigungsstimmen von einer Gruppe zufällig ausgewählter PoS-Ticket-Inhaber erhalten. Ein Block gilt als gültig, wenn er mindestens 3 Stimmen aus 5 zufällig ausgewählten Tickets erhält.
Dadurch entsteht eine Art Checks-and-Balances-Struktur. Miner können nicht einseitig Änderungen durchsetzen oder Transaktionen zensieren, ohne dass Staker zustimmen. Gleichzeitig sorgt die PoW-Ebene dafür, dass der energiebezogene Aufwand erhalten bleibt, der das Umschreiben der Kette teuer macht.
Das Decred-Beispiel
Decred gehört zu den prominentesten Implementierungen von hybridem PoW/PoS-Konsens. Sein PoS-Teil erfordert, dass die Teilnehmer DCR-Tokens sperren, um „Tickets“ zu kaufen. Der Ticketpreis wird über einen Markmechanismus festgelegt, der auf 40.960 live Tickets zu jedem Zeitpunkt abzielt.
Wenn ein PoW-Miner einen gültigen Block produziert, werden 5 Tickets zufällig ausgewählt, um über diesen Block abzustimmen. Wenn mindestens 3 von 5 für die Genehmigung stimmen, wird der Block zur Kette hinzugefügt. Wenn eine Mehrheit ablehnt, werden die regulären Transaktionen des Blocks in den Mempool zurückgegeben. Wichtig ist: PoS-Wähler können den Minern ihre Blockbelohnung entziehen, ohne ihre eigene Belohnung zu verlieren, wodurch ihre Fähigkeit eingeschränkt wird, gegen die Interessen des Netzwerks zu handeln.
Im Juni 2023 genehmigten Decred-Interessenträger zwei bedeutende Konsensänderungen über den On-Chain-Abstimmungsprozess. DCP-0011 aktualisierte den PoW-Hashing-Algorithmus von BLAKE-256 auf BLAKE3 und führte den ASERT-Schwierigkeitsgrad-Anpassungsalgorithmus ein. DCP-0012 passte die Aufteilung der Blockbelohnung so an, dass 1% an PoW-Miner gehen, 89% an PoS-Wähler und 10% an das Treasury.
Dies ist eine erhebliche Abweichung von der ursprünglichen 60/30/10-Aufteilung und spiegelt die Vorliebe der Community für ein stärker von PoS dominiertes Governance-Modell wider.
Decreds Governance erstreckt sich außerdem über die Blockvalidierung hinaus. Interessenträger stimmen über Protokoll-Upgrades über einen On-Chain-Ratifizierungsprozess ab: Eine Änderung kann erst aktiviert werden, wenn mindestens 75% der Abstimmungstickets sie über einen Zeitraum von vier Wochen genehmigen. Entscheidungen über Ausgaben auf Projektebene nutzen das Politeia-Vorschlagssystem, das durch die 10%-Treasury-Zuweisung finanziert wird.
Sicherheitsvorteile des hybriden Konsenses
Das hybride Modell erhöht die Kosten eines Mehrheitsangriffs erheblich. In einem reinen PoW-Netz muss ein Angreifer mehr als 50% der Hashing-Leistung kontrollieren. In einem hybriden System muss der Angreifer außerdem einen großen Anteil der aktiven Staking-Tickets kontrollieren.
In Decreds Fall ist es schwierig, genügend Tickets zu erwerben, um die PoS-Abstimmung konsequent zu überstimmen. Tickets können nur in begrenzten Mengen pro Block gekauft werden, und der Kauf großer Mengen lässt den Ticketpreis steigen. Sobald gekauft, sind die verwendeten Mittel gesperrt, bis das Ticket abstimmt oder abläuft. Das macht den Angreifer gegenüber jeder Abwertung von DCR verwundbar, die aus einem fehlgeschlagenen Angriff resultiert.
Ein weiterer Sicherheitsvorteil ist Transparenz. Da jeder Block gesendet und von zufällig ausgewählten Ticket-Inhabern abgestimmt werden muss, können Miner keine Kette im Verborgenen aufbauen. Das beseitigt die Möglichkeit des „Private-Mine, Release-Later“-Angriffs, der der zentrale Mechanismus eines PoW-Double-Spends ist.
Einschränkungen und Überlegungen
Hybride Systeme erhöhen die architektonische Komplexität. Entwickler, die auf eine hybride PoW/PoS-Chain aufbauen oder sie integrieren, müssen die zusätzliche Validierungsebene berücksichtigen, die die Entwicklung verlangsamen und den Pool an verfügbaren Tools und Fachwissen verkleinern kann.
Die Zwei-Faktor-Anforderung kann außerdem Latenz verursachen. Blöcke müssen warten, bis Ticket-Abstimmungen erfolgt sind, bevor sie finalisiert werden, was zu etwas längeren Bestätigungszeiten führen kann als bei einer vergleichbaren reinen PoW-Chain.
Darüber hinaus umfasst hybrider Konsens als Designkategorie eine breite Palette an Implementierungen. Ein Masternode-Netzwerk kombiniert beispielsweise PoW-Mining mit einer staking-ähnlichen Rolle für spezielle Knoten, funktioniert aber anders als Decreds Ansatz. Nicht alle hybriden Systeme bieten die gleichen Governance-Eigenschaften oder Sicherheitsgarantien.
FAQ
Was ist hybrider PoW/PoS-Konsens?
Hybrider PoW/PoS-Konsens ist ein Blockchain-Design, das sowohl Miner (die Rechenarbeit nutzen) als auch Staker (die Tokens als Sicherheit sperren) dazu verpflichtet, an der Blockvalidierung teilzunehmen. Ziel ist es, die Sicherheitseigenschaften von Proof-of-Work mit den Governance-Vorteilen von Proof-of-Stake zu kombinieren.
Welche Blockchain nutzt hybriden PoW/PoS-Konsens?
Decred ist das bekannteste Beispiel. Sein Design erfordert, dass PoW-Miner gültige Blöcke finden und PoS-Ticket-Inhaber über diese Blöcke abstimmen, bevor sie zur Kette hinzugefügt werden. Im Jahr 2023 stimmten Decred-Interessenträger dafür, die Blockbelohnung auf 1% PoW, 89% PoS und 10% Treasury zu verschieben.
Wie verbessert hybrider Konsens die Sicherheit?
Indem hybride Systeme sowohl Mining-Leistung als auch Staking-Tickets benötigen, um einen gültigen Block hinzuzufügen, erhöhen sie die Kosten eines Mehrheitsangriffs. Ein Angreifer muss gleichzeitig einen erheblichen Anteil beider Ressourcen kontrollieren, was deutlich teurer ist als die Kontrolle nur einer Ressource.
Delegated Proof-of-Stake nutzt Token-Inhaber, um eine feste Menge an Blockvalidatoren zu wählen, ohne einen Mining-Baustein. Hybrides PoW/PoS behält die energieintensive Mining-Ebene bei und ergänzt darüber PoS-Abstimmung, wodurch Interessenträger den Minern ein Vetorecht geben. Die Governance-Strukturen und Sicherheitsannahmen unterscheiden sich zwischen beiden Ansätzen.
Abschließende Gedanken
Hybrider Proof-of-Work/Proof-of-Stake-Konsens stellt einen Ansatz dar, um Miner- und Stakeholder-Macht in der Blockchain-Governance auszubalancieren. Indem diese Systeme beide Mechanismen kombinieren, können sie einem Teil bestimmter Angriffstypen stärker widerstehen und mehr demokratische Upgrade-Prozesse ermöglichen als reine PoW-Chains.
Weiterführende Informationen
Was ist Proof of Work (PoW)?
Was ist Proof of Stake (PoS)?
Proof of Work (PoW) vs. Proof of Stake (PoS)
Was ist ein Blockchain-Konsensalgorithmus?
Was ist ein 51%-Angriff?
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