Warum vertrauenswürdige Ausführungsumgebungen ein wesentlicher Bestandteil von Proof-of-Stake-Blockchains sein werden

Seit der Erfindung von Bitcoin haben wir in der offenen Gemeinschaft einen enormen Ausbruch von Informatikkreativität erlebt. Trotz seines offensichtlichen Erfolgs hat Bitcoin mehrere Mängel. Es ist zu langsam, zu teuer, der Preis ist zu volatil und die Transaktionen sind zu öffentlich.

Verschiedene Kryptowährungsprojekte im öffentlichen Raum haben versucht, diese Herausforderungen zu lösen. Es besteht ein besonderes Interesse in der Community, die Skalierbarkeitsherausforderung zu lösen. Der Proof-of-Work-Konsensalgorithmus von Bitcoin unterstützt nur sieben Transaktionen pro Sekunde Durchsatz. Auch andere Blockchains wie Ethereum 1.0, die ebenfalls auf den Proof-of-Work-Konsensalgorithmus setzen, zeigen eine mittelmäßige Performance. Dies wirkt sich negativ auf die Transaktionsgebühren aus. Die Transaktionsgebühren variieren je nach Verkehrsaufkommen im Netzwerk. Manchmal können die Gebühren niedriger als 1 $ und manchmal höher als 50 $ sein.

Auch Proof-of-Work-Blockchains sind sehr energieintensiv. Zum jetzigen Zeitpunkt verbraucht der Prozess der Bitcoin-Erstellung jährlich rund 91 Terawattstunden Strom. Das ist mehr Energie, als Finnland verbraucht, eine Nation mit etwa 5,5 Millionen Einwohnern.

Während ein Teil der Kommentatoren dies als notwendige Kosten für den sicheren Schutz des gesamten Finanzsystems und nicht nur als Kosten für den Betrieb eines digitalen Zahlungssystems betrachtet, gibt es einen anderen Teil, der der Meinung ist, dass diese Kosten durch abgeschafft werden könnten Entwicklung von Proof-of-Stake-Konsensprotokollen. Proof-of-Stake-Konsensprotokolle liefern auch viel höhere Durchsätze. Einige Blockchain-Projekte zielen darauf ab, mehr als 100.000 Transaktionen pro Sekunde zu liefern. Auf diesem Leistungsniveau könnten Blockchains mit zentralisierten Zahlungsabwicklern wie Visa konkurrieren.

Die Verschiebung hin zum Proof-of-Stake-Konsens ist ziemlich signifikant. Tendermint ist ein beliebtes Proof-of-Stake-Konsens-Framework. Mehrere Projekte wie Binance DEX, Oasis Network, Secret Network, Provenance Blockchain und viele mehr verwenden das Tendermint-Framework. Ethereum entwickelt sich zu einem Proof-of-Stake-basierten Netzwerk. Ethereum 2.0 wird voraussichtlich 2022 auf den Markt kommen, aber das Netzwerk hat bereits über 300.000 Validatoren. Nachdem Ethereum den Übergang vollzogen hat, ist es wahrscheinlich, dass mehrere Ethereum Virtual Machine (EVM)-basierte Blockchains folgen werden. Darüber hinaus gibt es mehrere Nicht-EVM-Blockchains wie Cardano, Solana, Algorand, Tezos und Celo, die einen Proof-of-Stake-Konsens verwenden.

Proof-of-Stake-Blockchains führen neue Anforderungen ein

Da sich Proof-of-Stake-Blockchains durchsetzen, ist es wichtig, sich eingehender mit den sich abzeichnenden Veränderungen zu befassen.

Erstens gibt es kein „Mining“ mehr. Stattdessen gibt es „Staking“. Staking ist ein Prozess, bei dem die native Blockchain-Währung aufs Spiel gesetzt wird, um das Recht zur Validierung von Transaktionen zu erhalten. Die gesteckte Kryptowährung wird für Transaktionen unbrauchbar gemacht, dh sie kann nicht für Zahlungen oder die Interaktion mit Smart Contracts verwendet werden. Validatoren, die Kryptowährungen staken und Transaktionen verarbeiten, verdienen einen Bruchteil der Gebühren, die von Unternehmen gezahlt werden, die Transaktionen an die Blockchain übermitteln. Staking-Renditen liegen oft im Bereich von 5 % bis 15 %.

Zweitens ist der Proof-of-Stake im Gegensatz zum Proof-of-Work ein abstimmungsbasiertes Konsensprotokoll. Sobald ein Validator Kryptowährung einsetzt, verpflichtet er sich, online zu bleiben und über Transaktionen abzustimmen. Wenn aus irgendeinem Grund eine beträchtliche Anzahl von Validierern offline geht, wird die Transaktionsverarbeitung vollständig eingestellt. Dies liegt daran, dass eine übergroße Mehrheit an Stimmen erforderlich ist, um neue Blöcke zur Blockchain hinzuzufügen. Dies ist eine ziemliche Abkehr von Proof-of-Work-Blockchains, bei denen Bergleute kommen und gehen konnten, wie sie wollten, und ihre langfristigen Belohnungen von der Menge an Arbeit abhängen würden, die sie während der Teilnahme am Konsensprotokoll geleistet haben. In Proof-of-Stake-Blockchains werden Validator-Knoten bestraft und ein Teil ihres Einsatzes wird weggenommen, wenn sie nicht online bleiben und über Transaktionen abstimmen.

Drittens, in Proof-of-Work-Blockchains, wenn ein Miner sich schlecht benimmt, zum Beispiel indem er versucht, die Blockchain zu forken, schadet er sich selbst. Mining auf einem falschen Block ist eine Zeitverschwendung. Dies gilt nicht für Proof-of-Stake-Blockchains. Wenn es einen Fork in der Blockchain gibt, wird ein Validator Node tatsächlich dazu angeregt, sowohl die Hauptkette als auch den Fork zu unterstützen. Dies liegt daran, dass es immer eine kleine Chance gibt, dass sich die gegabelte Kette langfristig als Hauptkette herausstellt.

Bestrafung von Blockchain-Fehlverhalten

Frühe Proof-of-Stake-Blockchains ignorierten dieses Problem und verließen sich darauf, dass Validator-Knoten ohne Fehlverhalten am Konsens teilnahmen. Aber das ist auf lange Sicht keine gute Annahme, und so führen neuere Designs ein Konzept namens „Slashing“ ein. Falls ein Validierungsknoten beobachtet, dass sich ein anderer Knoten falsch verhalten hat, indem er beispielsweise für zwei separate Blöcke auf derselben Höhe gestimmt hat, kann der Beobachter den böswilligen Knoten zerschneiden. Der geslashte Node verliert einen Teil seiner gestaketen Kryptowährung. Die Größe einer gekürzten Kryptowährung hängt von der jeweiligen Blockchain ab. Jede Blockchain hat ihre eigenen Regeln.

Viertens können Fehlkonfigurationen in Proof-of-Stake-Blockchains zu Slashing führen. Eine typische Fehlkonfiguration ist eine, bei der mehrere Validatoren, die derselben Entität gehören oder von derselben betrieben werden können, am Ende denselben Schlüssel zum Validieren von Transaktionen verwenden. Es ist leicht zu erkennen, wie dies zu Schnittverletzungen führen kann.

Schließlich hatten frühe Proof-of-Stake-Blockchains eine feste Grenze dafür, wie viele Validatoren am Konsens teilnehmen konnten. Dies liegt daran, dass jeder Validator einen Block zweimal signiert, einmal während der Vorbereitungsphase des Protokolls und einmal während der Commit-Phase. Diese Signaturen summieren sich und könnten ziemlich viel Platz im Block einnehmen. Dies bedeutete, dass Proof-of-Stake-Blockchains stärker zentralisiert waren als Proof-of-Work-Blockchains. Dies ist ein schwerwiegendes Problem für Befürworter der Dezentralisierung, und folglich verlagern sich neuere Proof-of-Stake-Blockchains zu neueren Kryptosystemen, die die Signaturaggregation unterstützen. Beispielsweise unterstützt das Kryptosystem Boneh-Lynn-Shacham (BLS) die Signaturaggregation. Unter Verwendung des BLS-Kryptosystems können Tausende von Signaturen so aggregiert werden, dass die aggregierte Signatur nur den Platz einer einzigen Signatur einnimmt.

Wie vertrauenswürdige Ausführungsumgebungen integraler Bestandteil von Proof-of-Stake-Blockchains sein können

Während sich die Kernphilosophie von Blockchains um das Konzept der Vertrauenslosigkeit dreht, können vertrauenswürdige Ausführungsumgebungen ein wesentlicher Bestandteil von Proof-of-Stake-Blockchains sein.

Sichere Verwaltung langlebiger Prüfschlüssel

Für Proof-of-Stake-Blockchains müssen Validierungsschlüssel sicher verwaltet werden. Idealerweise sollten solche Schlüssel nie im Klartext vorliegen. Sie sollten in vertrauenswürdigen Ausführungsumgebungen generiert und verwendet werden. Außerdem müssen vertrauenswürdige Ausführungsumgebungen Disaster Recovery und Hochverfügbarkeit gewährleisten. Sie müssen immer online sein, um den Anforderungen von Validierungsknoten gerecht zu werden.

Sichere Ausführung kritischen Codes

Vertrauenswürdige Ausführungsumgebungen können heute mehr als sicheres Schlüsselmanagement. Sie können auch verwendet werden, um kritischen Code bereitzustellen, der mit hoher Integrität arbeitet. Bei Proof-of-Stake-Validatoren ist es wichtig, dass widersprüchliche Nachrichten nicht signiert werden. Das Signieren widersprüchlicher Nachrichten kann gemäß mehreren Proof-of-Stake-Blockchain-Protokollen zu wirtschaftlichen Strafen führen. Der Code, der den Blockchain-Status verfolgt und sicherstellt, dass Validatoren keine widersprüchlichen Nachrichten signieren, muss mit hoher Integrität ausgeführt werden.

Schlussfolgerungen

Das Blockchain-Ökosystem verändert sich auf sehr grundlegende Weise. Es gibt eine große Verlagerung hin zur Verwendung von Proof-of-Stake-Konsens, da es im Vergleich zu einem Proof-of-Work-Konsensalgorithmus eine höhere Leistung und einen geringeren Energieverbrauch bietet. Das ist keine unwesentliche Änderung.

Validator-Knoten müssen online bleiben und werden bestraft, wenn sie offline gehen. Schlüssel sicher und immer online zu verwalten, ist eine Herausforderung.

Damit das Protokoll in großem Maßstab funktioniert, haben mehrere Blockchains Strafen für Fehlverhalten eingeführt. Validator-Knoten erleiden weiterhin diese Strafen aufgrund von Fehlkonfigurationen oder böswilligen Angriffen auf sie. Um die groß angelegte verteilte Natur von Blockchains beizubehalten, werden neue Kryptosysteme eingeführt. Vertrauenswürdige Ausführungsumgebungen, die Notfallwiederherstellung und Hochverfügbarkeit bieten, neue Kryptosysteme wie BLS unterstützen und die Ausführung von benutzerdefiniertem Code mit hoher Integrität ermöglichen, werden wahrscheinlich ein wesentlicher Bestandteil dieser Verlagerung von Proof-of-Work zu Proof-of-Stake sein Blockchains.

Pralhad Deshpande, Ph.D., ist leitender Lösungsarchitekt bei Fortanix.