Ethereums Umstellung von Proof-of-Work auf Proof-of-Stake gilt als äusserst wichtiger Meilenstein, da die Entwickler dies als entscheidende Voraussetzung für mehrere nachfolgende Entwicklungsziele betrachten. Der Merge und künftige Sharding-Upgrades bringen jedoch einige Kompromisse mit sich.
Bereits vor dem Start im Jahr 2015 hatten die Ethereum-Entwickler die Absicht, den Proof-of-Work (PoW)-Konsensmechanismus durch einen alternativen Mechanismus zu ersetzen: Proof-of-Stake (PoS). Obwohl es als technisch zu riskant angesehen wurde, das Netzwerk mit etwas anderem als PoW zu starten, war die letztendliche Umstellung auf PoS ein wichtiges Entwicklungsziel der Ethereum-Entwickler und ein lang erwarteter Meilenstein auf ihrer Roadmap.
Die Entwicklungs-Roadmap selbst wurde vor dem Start von Ethereum erstellt und existierte bereits, als sich das Netzwerk noch in der Testnetzphase befand. Viele der in der sich entwickelnden Roadmap beschriebenen Änderungen wurden umgesetzt, aber die Umstellung auf PoS, eine der anspruchsvollsten und aufwändigsten Änderungen, muss noch abgeschlossen werden und verzögert sich erneut.
Proof-of-Stake Verzögerungen in der Vergangenheit
Die Gründe für die Verzögerungen sind vielfältig und komplex, aber sie lassen sich mehr oder weniger darauf zurückführen, dass sich die sichere Implementierung von PoS als viel schwieriger erwies, als die Entwickler zunächst dachten. Es wurden viele Prototypen vorgeschlagen und bewertet, aber es traten immer wieder Probleme auf, so dass mehrere Jahre lang immer wieder Fehler behoben und neue Designs entwickelt werden mussten.
Wir können sogar die zeitlichen Verzögerungen der Migration, die oft als Merge bezeichnet wird, anhand von Blockchain-Daten beobachten. In der Gewissheit, dass die PoS-Implementierung immer in greifbarer Nähe ist, enthält das Ethereum-Protokoll einen fest einprogrammierten exponentiellen Anstieg der Mining-Schwierigkeit. Dieser Mechanismus wird als "Difficulty Bomb" (dt. = Schwierigkeitsbombe) bezeichnet und soll dazu führen, dass die Schwierigkeit des Minings und die Einnahmen nicht mehr übereinstimmen. So sind Miner gezwungen, die PoW-Kette aufzugeben und die alternative PoS-Kette bleibt als einzige lebensfähige Kette übrig.
In der obigen Abbildung sind drei verschiedene "Detonationen" der Schwierigkeitsbombe zu erkennen. Sie sind sowohl als exponentieller Anstieg der Blockzeiten als auch als schnelle Divergenzen zwischen Hash-Rate und Schwierigkeit sichtbar. Da PoS jedoch zum Zeitpunkt der Detonation (oder der bevorstehenden Detonation) noch nicht einsatzbereit war, haben die Ethereum-Entwickler die Schwierigkeitsbombe bei fünf verschiedenen Gelegenheiten wieder zurückgenommen.
Zwar gibt es zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Berichts noch kein konkretes Datum für den Merge (und der Merge wurde soeben erneut von H1 2022 auf H2 2022 verschoben). Doch gibt es Anzeichen, die vorsichtigen Optimismus rechtfertigen, dass die PoS-Einführung dieses Mal tatsächlich bevorstehen könnte.
Künftiges Sharding beruht auch auf dem Merge
Neben PoS (Merge) ist der zweite wichtige Teil der nächsten Phase von Ethereum die Einführung von Sharding. Sharding ist eine Technik zur Skalierung des Blockchain-Protokolls, bei der das Protokoll seinen Durchsatz erhöht, indem es die Blockchain in viele Blockchains (Shards) aufteilt. So können einzelne Computer wählen, an welcher der vielen Blockchains sie arbeiten wollen. Durch das Sharding kann der Gesamtdurchsatz des Protokolls erhöht werden, ohne dass der Rechenaufwand der einzelnen Computer, die daran arbeiten, steigt. Mit anderen Worten: Ethereum wird in der Lage sein, sehr viel mehr Informationen zu verarbeiten, während es sich weiterhin auf relativ gelegentliche Nutzer verlassen kann, die mit Hilfe von normalen Verbrauchercomputern verteilte Rechenleistung bereitstellen.
In der Welt der Informatik wird dies als horizontale Skalierungstechnik bezeichnet. Die horizontale Skalierung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Durchsatz/die Leistungsfähigkeit durch Hinzufügen weiterer einzelner Computer zu einem Netz erhöht wird. Die Alternative ist die vertikale Skalierung, bei der die Skalierung nur durch die Erhöhung des Durchsatzes/der Leistungsfähigkeit der einzelnen Netzwerkcomputer erreicht wird.
In der Welt der Blockchain-Protokolle sind die Erhöhung der Blockgrösse oder die Erhöhung der Blockfrequenz (Verringerung der angestrebten Zeit zwischen den Blöcken) Beispiele für vertikale Skalierung. Sie erfordern, dass alle teilnehmenden Computer sehr leistungsfähig sein müssen (was teuer ist). Umgekehrt ermöglicht Sharding zusätzlichen Durchsatz/Kapazität - d.h. die Fähigkeit, viel mehr Transaktionen und Smart Contracts pro Sekunde zu viel geringeren Kosten zu verarbeiten, indem mehr Netzwerkteilnehmer hinzugefügt werden. Dabei wird davon ausgegangen, dass sie sich alle um separate Shards kümmern werden.
Proof-of-Stake führt die Notwendigkeit von Vertrauen wieder ein
Die Einstellung des PoW-Minings ist mit erheblichen Kompromissen verbunden, die im Gegenzug zu einer drastischen Verringerung des Energieverbrauchs führen, was bei unserem derzeitigen globalen Stromproduktionssystem auch eine massive Verringerung der Kohlenstoffemissionen bedeutet. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Ethereum durch die Einführung von PoS die Resistenz gegen Zensur, die Minimierung von Vertrauen und die Dezentralisierung einbüssen oder ganz aufgeben wird. Ausserdem wird sich die Angriffsfläche aufgrund der erhöhten Komplexität des Codes stark vergrössern.
PoS führt wieder die Anforderung ein, anderen Netzwerkteilnehmern zu vertrauen, wenn man dem Netzwerk beitritt. Der Grund dafür ist, dass der Stake eine interne Grösse des Blockchain-Netzwerks ist. Das heisst, man kann nicht wissen, wer welchen Stake hat, solange man nicht weiss, welche Blockchain die richtige ist. Das bedeutet, dass ein Nutzer - bevor er überprüfen kann, ob die vor ihm liegende Blockchain korrekt ausgeführt wurde - zunächst jemandem vertrauen muss, der ihm sagt, was die Blockchain überhaupt ist. Dies ist ein Problem, wenn ein neuer oder wiederkehrender Nutzer vor die Wahl zwischen mehreren widersprüchlichen Blockchains gestellt wird, die ihm von einem böswilligen Akteur präsentiert werden. Da die Erstellung einer PoS-Blockchain nichts kostet, können unehrliche Teilnehmer massenweise gefälschte Datensätze erstellen und Aussenstehenden präsentieren.
Bei Proof-of-Work befindet sich der Beweis (Rechenleistung) hingegen ausserhalb des Systems. Das bedeutet, dass ein neuer oder wiederkehrender Nutzer, wenn er zwei sich widersprechende Blockchains vorfindet, ganz einfach anhand der angesammelten Arbeit bzw. Rechenleistung überprüfen kann, welche Blockchain die richtige ist (diejenige mit der meisten angesammelten Rechenleistung ist per Definition die richtige). In einem PoS-System ist die einzige Möglichkeit, dies zu umgehen, die Einführung von Kontrollpunkten. Dies setzt wiederum voraus, dass man sich auf andere Teilnehmer verlassen kann, die einem sagen, welche Blockchain zu verschiedenen Zeitpunkten in der Vergangenheit die richtige war. PoS schafft daher die Notwendigkeit, anderen Netzwerkteilnehmern auf mehreren neuen Wegen zu vertrauen, was es gegen seine Vorteile abwägen muss.
Zensurresistenz und Zentralisierung
PoS bietet auch den Nachteil, dass die Zensurresistenz vermindert wird. Zensurresistenz bedeutet in diesem Zusammenhang die Fähigkeit des Netzwerks, sich den Aktionen eines Netzwerkteilnehmers zu widersetzen, der versucht, die Aufnahme einiger oder aller Transaktionen in den Transaktionsdatensatz zu verhindern. Die einzige effektive Möglichkeit, dies zu tun, ist die Kontrolle über mehr als 51% der Blockproduzenten - Miner in einem PoW-System, Staker in einem PoS-System. Ein Unternehmen, das die Mehrheit der Blockproduzenten kontrolliert, kann sich einfach weigern, einige oder alle Transaktionen in die Blockchain einzutragen, und so eine oder alle Parteien effektiv zensieren.
In einem PoW-System müssen die Miner eine systemexterne Ressource verbrauchen und benötigen auch externes Kapital (Hardware). Dieses kann beschafft werden, ohne dass der Mehrheits-Miner etwas davon weiss, was bedeutet, dass es einen Mechanismus gibt, durch den ein Zensor seinen Platz als Mehrheits-Miner verlieren kann.
In einem PoS-System gibt es im Rahmen der Protokollregeln keinen solchen Rückgriff. Sobald eine Entität eine Mehrheitsbeteiligung am System erlangt hat, wird sie ihren Anteil an der Gesamtbeteiligung ständig erhöhen, und nichts kann sie dazu zwingen, einen Teil ihrer Beteiligung zu verkaufen. Das bedeutet, dass es unmöglich ist, ihre Position zu stören. Die einzige Möglichkeit, sich aus einer solchen Situation zu befreien, ist der Rückgriff auf einen "Hard Fork" im Rahmen eines sozialen Konsenses, was nichts anderes bedeutet als eine zentralisierte Verwaltung durch ein ausgewähltes Komitee - was per Definition das Gegenteil von Dezentralität ist.
Sharding verringert die Dezentralisierung weiter
Der Kompromiss zwischen der horizontalen Skalierung eines Blockchain-Netzwerks und der Beibehaltung eines niedrigen Durchsatzes besteht darin, dass das Netzwerk als Ganzes eher einem Client-Server-Netzwerk als einem Peer-to-Peer-Netzwerk ähnelt, wodurch wichtige Dezentralisierungsvorteile verloren gehen. Warum ist das so? Kurz erklärt: Um ein vollwertiger Peer in einem Blockchain-Netzwerk zu sein - d.h. jemand, der am Netzwerk teilnimmt, ohne einem anderen Netzwerkteilnehmer vertrauen zu müssen - muss ein Nutzer in der Lage sein, jedes einzelne Ereignis im Netzwerk, vollständig zu verifizieren.
Bei einer Vielzahl von Blockchains (oder einer einzigen grossen Blockchain), die verifiziert werden müssen, steigen die erforderlichen Rechen- und Bandbreitenressourcen für einen vollwertigen Peer dramatisch an, so dass sich immer weniger Nutzer das Privileg leisten können, vollwertige Peers zu sein. Dies führt zu einer Wiedereinführung des Vertrauens. Denn alle Nutzer, die nicht in der Lage sind, alle Shards (oder eine einzige grosse Blockchain) zu verifizieren, müssen darauf vertrauen müssen, dass andere Nutzer ihnen die Wahrheit darüber sagen, was auf anderen Shards (oder auf der grossen Blockchain, die sie nicht mehr selbst verifizieren können) passiert ist.
Ein hohes Mass an Dezentralisierung ist eine begehrte, aber traditionell schwer zu definierende Eigenschaft von Peer-to-Peer-Netzen. Der Grund dafür ist, dass ein Netzwerk mit möglichst vielen Peers aufgrund der grossen Anzahl von Teilnehmern, die alle abgeschaltet werden müssen, damit das Netzwerk vollständig gelöscht werden kann, unmöglich abzuschalten ist. Je teurer es also ist, ein vollwertiger Peer zu sein, desto weniger dezentralisiert wird ein Netzwerk im Allgemeinen sein, was zu geringerer Sicherheit im Austausch für höhere Skalierbarkeit führt; auch bekannt als das Blockchain-Trilemma.
