Wichtige Erkenntnisse

  • Casper-FFG (Friendly Finality Gadget) ist die Konsenskomponente, die Ethereum seine Blockfinalität verleiht, und sie ist seit The Merge am 15. September 2022 aktiv.

  • Das aktive Konsensmechanismus von Ethereum heißt Gasper, eine Kombination aus Casper-FFG und LMD-GHOST, die zusammen bestimmen, welche Blöcke finalisiert werden und welche Kette kanonisch ist.

  • Unter Proof-of-Stake (PoS) müssen Validatoren mindestens 32 ETH einsetzen, um Blöcke vorzuschlagen und zu bestätigen, und können für unehrliches Verhalten bestraft (geslasht) werden.

  • Der Übergang von Proof-of-Work (PoW) hat den energieintensiven Mining-Prozess von Ethereum beseitigt; das Netzwerk benötigt jetzt erheblich weniger Energie für den Betrieb.

  • Casper-CBC, ein alternativer Ansatz, der von Vlad Zamfir vorgeschlagen wurde, spielte eine wichtige Rolle in der frühen PoS-Forschung, wird jedoch nicht mehr aktiv innerhalb von Ethereum entwickelt.

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Einführung

Casper ist der Name des Finalitätsmechanismus, der den Übergang von Ethereum von Proof-of-Work (PoW) zu Proof-of-Stake (PoS) unterstützt. Als Ethereum 2015 gestartet wurde, basierte es auf energieintensiven Mining zur Sicherung des Netzwerks. Die Entwickler planten bereits einen langfristigen Wechsel zu einem staking-basierten Modell, und Casper war das Protokoll, das diesen Wechsel möglich machte.

Dieser Übergang ist kein Fahrplanpunkt mehr. Am 15. September 2022 vollendete Ethereum The Merge, das Upgrade, das das PoW-Mining dauerhaft zurückzog und die PoS-Konsensschicht aktivierte. Casper-FFG (Friendly Finality Gadget) ist nun ein lebendiges, operatives Element des Ethereum-Netzwerks.

Casper FFG und Casper CBC

Zwei Casper-Implementierungen wurden während der Forschungsphase von Ethereum parallel entwickelt.

Casper FFG (Friendly Finality Gadget)

Casper-FFG wurde von Vitalik Buterin, Mitbegründer von Ethereum, als Finalitäts-Overlay für die PoS-Kette vorgeschlagen. Seine Rolle besteht darin, Epochen-Checkpoint-Blöcke auf den Status "justifiziert" zu überführen, wenn zwei Drittel der gestakten ETH dafür stimmen, und dann auf den Status "finalisiert", sobald ein nachfolgender Checkpoint ebenfalls justifiziert ist. Das Umkehren finalisierter Blöcke würde erfordern, dass mindestens ein Drittel aller gestakten ETH zerstört wird, was solche Angriffe extrem kostspielig macht.

Casper-FFG ist die Version, die in die Produktion ging. In Kombination mit der LMD-GHOST-Fork-Wahlregel bildet es Gasper, den live Konsensmechanismus von Ethereum seit The Merge.

Casper CBC (Correct-by-Construction)

Casper-CBC wurde von Vlad Zamfir, einem Forscher der Ethereum Foundation, vorgeschlagen. Der Ansatz konzentrierte sich darauf, PoS-Protokolle zu konstruieren, die durch Design nachweislich sicher sind und eine breitere Familie von Konsensmodellen abdecken. Während Casper-CBC erheblich zur frühen PoS-Forschung beigetragen hat, wird es nicht mehr aktiv innerhalb des Kernprotokolls von Ethereum entwickelt. Seine Ideen beeinflussen jedoch weiterhin die Forschung zu Blockchain-Konsens im weiteren Sinne.

Wie Gasper funktioniert

Der aktuelle Konsensmechanismus von Ethereum heißt Gasper und kombiniert Casper-FFG (Finalität) mit LMD-GHOST (Fork-Wahl). Zusammen bestimmen sie, welche Kette kanonisch ist und wann Blöcke unwiderruflich werden.

Validatoren und Staking

Um am Konsens teilzunehmen, müssen Nutzer mindestens 32 ETH in einen Einzahlungsvertrag einsetzen, der einen Validator aktiviert. Validatoren sind dafür verantwortlich, alle 12 Sekunden neue Blöcke vorzuschlagen und zu bestätigen. Hunderttausende von aktiven Validatoren sichern derzeit das Ethereum-Netzwerk.

Diejenigen, die ihre Pflichten ehrlich erfüllen, verdienen Staking-Belohnungen. Diejenigen, die versuchen zu betrügen – zum Beispiel durch doppeltes Abstimmen oder das Vorschlagen widersprüchlicher Blöcke – werden geslasht, was bedeutet, dass ein Teil ihrer gestakten ETH zerstört wird und sie schließlich gezwungen sind, das Validator-Set zu verlassen.

Finalität und Epoch-Checkpoints

Die Zeit auf Ethereum ist in Slots (jeweils 12 Sekunden) und Epochen (32 Slots, etwa 6,4 Minuten) unterteilt. Am Ende jeder Epoche wird ein Checkpoint-Block nominiert. Wenn zwei Drittel der Validatoren einen Checkpoint bestätigen, wird er gerechtfertigt. Wenn der nächste Checkpoint ebenfalls gerechtfertigt ist, wird der frühere finalisiert.

Finalisierte Blöcke gelten unter normalen Netzwerkbedingungen als permanent. Ihr Umkehren würde erfordern, dass ein Angreifer mehr als ein Drittel aller gestakten ETH kontrolliert und bereit ist, sie durch Slashing zu verlieren.

Inaktivitätsleck

Wenn das Netzwerk keine Blöcke finalisieren kann, weil zu viele Validatoren offline sind, aktiviert Casper-FFG ein Inaktivitätsleck. Im Laufe der Zeit wird der Einsatz der offline Validatoren allmählich abgezogen, wodurch ihr Anteil am Gesamteinsatz reduziert wird, bis die aktive Mehrheit wieder die zwei Drittel-Schwelle erreichen kann, die für die Finalität erforderlich ist. Dieser Mechanismus soll der Kette helfen, sich auch in schweren Störungsszenarien zu erholen.

Eine kurze Geschichte von Casper

Die Ursprünge von Casper-FFG reichen zurück zu 2014–2015, als Vitalik Buterin begann, einen PoS-Finalitätsgadget zu formalisieren. Die Beacon Chain, eine dedizierte PoS-Kette, die Gasper ausführt, wurde am 1. Dezember 2020 als lebende Parallelkette zu Ethereums bestehendem PoW-Hauptnetz gestartet. Dies gab der Ethereum-Community fast zwei Jahre Zeit, um das Design vor The Merge auf Herz und Nieren zu prüfen.

Am 15. September 2022 fusionierte das Ethereum-Hauptnetz mit der Beacon Chain und vollendete den Übergang von PoW zu PoS. Der Wechsel beendete das Ethereum-Mining vollständig. Validatoren ersetzten Miner als Blockproduzenten des Netzwerks, und der Energieverbrauch sank um schätzungsweise 99 % im Vergleich zur PoW-Ära. Das "Ethereum 2.0"-Label, das einst zur Beschreibung des PoS-Upgrade-Fahrplans verwendet wurde, wurde nach The Merge offiziell von der Ethereum Foundation zurückgezogen.

Vorteile von Casper und Ethereum PoS

Deutlich geringerer Energieverbrauch

Proof-of-Work-Systeme erfordern, dass Miner spezialisierte, energieintensive Hardware rund um die Uhr betreiben. Unter PoS sind die Validator-Knoten vergleichsweise leichtgewichtig. Der Übergang zu einem konsensorientierten Ansatz auf Basis von Casper reduzierte den Energieverbrauch von Ethereum drastisch und machte das Netzwerk ressourceneffizienter, ohne die Sicherheit zu gefährden.

Stärkere wirtschaftliche Sicherheit

Casper-FFG verbindet die Netzwerksicherheit direkt mit den wirtschaftlichen Einsätzen. Validatoren, die gegen die Regeln des Protokolls handeln, verlieren echten Wert durch Slashing. Um die Finalität zu stören, müsste ein Angreifer mehr als ein Drittel aller gestakten ETH kontrollieren, und um bösartige Blöcke zu finalisieren, wären zwei Drittel erforderlich. In jedem Fall würde der Angreifer diesen Einsatz durch Slashing verlieren, wodurch großangelegte Angriffe wirtschaftlich unattraktiv werden.

Deterministische Finalität

Unter PoW ist die Blockfinalität probabilistisch: Ein Block wird erst als "final" betrachtet, nachdem genügend Bestätigungen gesammelt wurden. Casper-FFG bietet deterministische Finalität: Sobald ein Block finalisiert ist, würde das Umkehren einen erheblichen Teil der gestakten ETH erfordern. Dies gibt Anwendungen und Nutzern stärkere Garantien bezüglich der Permanenz von Transaktionen.

Breitere Teilnahme von Validatoren

PoW-Mining erfordert erhebliche Anfangsinvestitionen in Hardware, was die Teilnahme tendenziell unter gut finanzierten Betrieben konzentriert. PoS öffnet die Teilnahme für jeden, der den Mindestanteil von 32 ETH erfüllen kann. Für Nutzer, die diese Schwelle nicht erreichen, ermöglichen Pool-Staking-Dienste und liquide Staking-Protokolle die Teilnahme mit kleineren Beträgen, obwohl jeder eigene Risikoprofile mit sich bringt.

Einschränkungen

Casper-FFG ist darauf angewiesen, dass eine Supermehrheit der Validatoren online und ehrlich ist. Wenn mehr als ein Drittel der Validatoren gleichzeitig kolludieren oder offline gehen, kann die Finalität ins Stocken geraten. Der Inaktivitätsleck-Mechanismus adressiert dieses Szenario, führt jedoch zu einer Phase der Unsicherheit, während das Netzwerk sich erholt.

Die Sicherheit skaliert auch mit dem Gesamtwert der gestakten ETH. Wenn das Staking in großen Pools konzentrierter wird, könnten die Annahmen über die Dezentralisierung im Laufe der Zeit unter Druck geraten. Forscher setzen sich weiterhin mit Angriffsszenarien und Randfällen auseinander, während ständige Verfeinerungen der Gasper-Spezifikation vorgenommen werden.

Liquide Staking-Protokolle sind zu einer gängigen Methode geworden, damit Nutzer teilnehmen, ohne 32 ETH einzuschließen, obwohl liquides Staking eigene Smart-Contract- und Konzentrationsrisiken mit sich bringt, die vor der Teilnahme zu verstehen sind.

Abschließende Gedanken

Casper-FFG ist kein Forschungsvorschlag mehr – es ist der lebendige Finalitätsmechanismus, der Ethereum heute antreibt, betrieben durch das Gasper-Konsenssystem zusammen mit LMD-GHOST. The Merge vollendete, was Jahre der Forschung und die Beacon Chain vorbereitet hatten: einen vollständigen Übergang von Proof-of-Work zu Proof-of-Stake.

Das Verständnis von Casper bedeutet, zu verstehen, wie Ethereum zu einer Einigung gelangt, warum finalisierte Blöcke als permanent gelten und welches Risiko Validatoren eingehen, wenn sie teilnehmen. Während Ethereum sich durch zukünftige Upgrades weiterentwickelt, bleiben die Grundlagen von Casper-FFG zentral dafür, wie das Netzwerk funktioniert.

Weiterführende Lektüre

  • Was ist Proof of Stake (PoS)?

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

  • Was ist Krypto-Staking und wie funktioniert es?

  • Das Merge Ethereum Upgrade: Alles, was Sie wissen müssen

  • Was ist Liquid Staking?

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