Ethereum goes PoS: Aufgabe der Dezentralisierung und Sicherheit?

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Okay, der Stromverbrauch für den Proof-of-Work (PoW) Konsens-Mechanismus beim Bitcoin Mining ist hoch. Das ist definitiv ein Fakt. 
Bitcoin-Mining ist mittlerweile auch ein Business Case, was auch die Haltung DER Miner gegenüber der Energie bzw. ihres Verbrauchs stark beeinflußt. 

Der starke Energieverbrauch ist der Preis, den wir für die Sicherheit und das Vertrauen in ein dezentrales und verteiltes Ökosystem zahlen.

Das besondere an PoW ist, dass für die Sicherheit des Netzwerkes bei jeder Blockerstellung ein mathematisches Rätsel gelöst werden soll, damit Transaktionen sicher durchgeführt und gespeichert werden können.
Der Miner, der das Rätsel hierfür zuerst löst, wird vom System belohnt.

Was ist das Rätsel?

Es geht also um die Sicherung von Daten oder Informationen. Um Informationen sicher in der Blockchain zu speichern und sie vor Fälschungen und Fälschungsversuchen zu schützen, erzeugt man aus den Informationen in einem Block einen kryptografischen Hash, die in der Blockchain als Block gespeichert werden. 
Informationen können sein:

• Werte oder monetäre Transaktionen wie z.B. Bitcoin-Transaktionen von Nutzer A nach B.

• Auch Smart Contracts und entsprechende Vertragsdaten können in einer Blockchain verarbeitet werden, wie es die ehemalige PoW Ethereum Blockchain konnte.

Side-Note: Das geht im übrigen auch mit Bitcoin, wobei andere Protokolle (rsk), Blockchains (Stacks) oder Taro als weiterer Layer oder unter Einsatz von verbindenden „Brücken“ mit Bitcoin zusammen interagieren.

Bleiben wir aber bei der Wertetransaktion wie folgt:
Das Rätsel nutzt die Kryptographie als Hilfsmittel. Für die Kryptographie wird der sogenannte Algorithmus SHA256-Hash verwendet.
SHA256 erzeugt eine Zusammenfassung der Informationen oder digitalen Fingerabdruck einer Information, so dass diese nicht manipuliert werden kann, ohne den entsprechenden Hash zu verändern. Die Information und ihrdigitaler Fingerabdruck werden zusammen in einem Block abgespeichert. Außerdem sind SHA256-Hashes Einwegfunktionen, was bedeutet, dass man die Informationen, aus denen der Hash generiert wurde, nicht vom Hash aus ableiten kann.

Sicher ist sicher.

Um die Blöcke in einer Kette sicher und chronologisch zu verbinden, wird der Hash des Vorgängerblocks in den neuesten Block, der abgebaut wird, integriert.
Auf DemoBlockchain.org wird dies sehr deutlich dargestellt. In der Abbildung unten sehen Sie den Verweis auf Block #1 unter „Prev“ in Block #2.

Sicher ist sicher.

Das Rätsel wird jedoch erst durch die folgende Herausforderung zu einem Rätsel: Der Hash muss unter einem bestimmten Wert liegen (typischerweise „beginnend mit einer bestimmten Anzahl von Nullen“), wie im Bitcoin-Protokoll festgelegt. Das macht es natürlich schwieriger, den Hash zu erraten.
Und genau diese Berechnung treibt die Rechenleistung noch einmal in die Höhe. Und hohe Rechenleistung erfordert mehr Energie, also Strom.

Für den Betrieb einer PoW-Blockchain werden also im Wesentlichen Arbeitszeit (Rechenleistung in Hashrates gerechnet) und Energie (Strom) benötigt. Sowohl starke Rechenleistung (in Form von Hardware) als auch Energie sind teuer. Das bedeutet, dass die Rentabilität ein sehr wichtiges Thema für Miner ist. „Wie hoch sind meine Kosten im Vergleich zu meinem Ertrag (Belohnung für das Schürfen eines Blocks)“. Was kann ein Miner also zu seiner Rentabilität beitragen? 

Die Vernachlässigung der Stromkosten ist ganz bestimmt keine nachhaltige Betriebsweise für Miner, denn die Stromkosten machen laut Arcanes Report ca. 80% der Betriebskosten aus. Mittlerweile sind die Strompreise im Jahr 2022 enorm angestiegen, so dass man sich als Miner damit beschäftigen muss, wie man an günstigeren Strom herankommt, damit sich das Geschäft überhaupt noch lohnt. Und wenn man sich mit günstigen Strom beschäftigt, dann kommt man nicht an regenerativen Stromquellen vorbei.
Daher wird ein Miner schnell damit konfrontiert, ob er bei den Stromkosten auf die teuereren, fossilen oder günstigeren, nachhaltigen Ressourcen zugreift.
Wenn man sich dies vor Augen hält, dann kommt man schnell zu dem Gedanken, daß PoW-Mining aufgrund ihrer Nachfrage die Energiewirtschaft beeinflussen kann.
Mining kann für beide Seiten ein lukratives Geschäft sein:
für Miner ist dies der Fall, wenn die Energiekosten gering sind,
und für die Energieanbieter ist es der Fall, wenn das Geschäftsmodell Mining für die entsprechende Nachfrage an regenerativen Energiequellen fördert. 

Bitcoin-Mining und die Energiewirtschaft

Bitcoin-Mining kann die Energiewirtschaft positiv beeinflussen und das tut es auch schon.
Arcane Research hat hierzu das interessantes Papier „How Bitcoin mining can transform the energy industry“ herausgebracht. 
Hier werden 4 Thesen aufgestellt.

1. Stärkung der Stromnetze durch Bitcoin-Mining
Die kontinuierliche Nachfrage nach Strom durch das Mining kann Stromnetze, insbesondere Wind und Sonne, stabilisieren.
Bisher konnte in fossilen Stromnetzen das Angebot für die Nachfrage flexibel gesteuert werden, auch „Demand Response“ genannt.
Demand Response ist bei Wind und Sonne nicht mehr so flexibel zu steuern. Wind- oder Sonnenaufkommen läßt sich nicht so gut planen, wie das verbrennen von Kohle, Gas oder Öl. Und wenn dann noch die Nachfrage an Strom variiert, dann kommt der Kreislauf ins Schwanken und wird instabil.
Je kontinuierlicher die Nachfrage ist, desto stabiler ist das Stromnetz. Das kann man zum Beispiel dadurch schaffen, dass man Rigs an den entsprechenden Stellen der Stromgenerierung bereitstellt (s.o.).
Das macht Sonnen- und Wind-Netzwerke stabiler und wirtschaftlicher. 

2. Verbesserung der Ökonomie erneuerbarer Energien durch Bitcoin-Mining
Durch Mining kann der Bedarf kontinuierlich bedient werden. Energieüberschüsse, die durch Wind und Sonne entstehen, können durch Bitcoin-Mining konstant abgenommen werden. Regenraative Energiequellen haben durch das Mining einen dankbaren Abnehmer und fördern die Ökonomie erneuerbarer Energiequellen.

3. Effizienz beim Aufkommen von Erdgas in der Ölförderung durch Bitcoin-Mining
Ölproduzierende Länder sorgen im Prozess der Ölgewinnung für Emissionen, in dem sie die durch den Prozess generierten Gase einfach nutzlos verbrennt (Gas Flaring gennant). Das dadurch entstehende Methan wird einfach in die Atmosphäre freigegeben. 
Um die Verschwendung beim Gas Flaring in eine effizienter Nutzung umzuwandeln, bieten nun  Ölfirmen an, die Gasverbrennung mit einem Stromgenerator zu verbinden, so dass der Strom für das Bitcoin-Mining verwendet werden kann.

4. Wiederverwendung von Abwärme aus Bitcoin-Mining
Bitcoin-Mining verursacht auch Wärme durch die Gerätschaften, die das Mining erledigen. Nun haben Bitcoin-Mining-Unternehmen auch die Wärmerückgewinnung für sich entdeckt. Diese Innovation passiert insbesondere in kälteren Breitengraden, wie zum Beispiel Kanada oder Skandinavien, wie Arcane berichtet. Somit läßt sich aus dem Bitcoin-Mining durch die Bereitstellung von Wärme (Fernwärme) oder Senkung der Stromkosten für Wärmeerzeugung ein zusätzliches rentables Geschäft entstehen läßt.

Damit das Mining also rentabel bleibt, ist das Mining auch ein Treiber bei Geschäftsmodellen rund um das Thema Energieeffizienz.

Von PoW zu PoS – was bedeutet eigentlich das Ethereum Upgrade?

Wir wissen nun, das dem PoW Konsens-Mechanismus die Kryptografie zugrunde liegt. Mathematik ist also die Grundlage der Funktionalität des Algorithmus. Die Kontrolle zur Richtigkeit von Transaktion auf einer PoW Blockchain wird dezentral auf alle Netzwerkknoten verteilt. 
Bitcoin nutzt PoW. Ethereum wurde mit dem PoW-Konsens.-Mechanismus aufgebaut, aber hat mit einem Upgrade am 15.09.2022 auf Proof-of-Stake (PoS) gewechselt.  
Es gibt einige Punkte oder Argumente, die für PoS sprechen: PoS benötigt für den Konsens keine Hardware oder Energie. Der Energieverbrauch bei Ethereum wurde durch den Wechsel um 99% gesenkt. Wow, das ist viel. Doch was heisst das noch?

Das heißt, dass der Kostenfaktor den ein PoS-Netzwerkknoten (Staker genannt) tragen muss, nicht vorhanden ist. Staker sind das Äquivalent zu Minern im PoW. Sie bearbeiten die entsprechende Transaktion auf der PoS-Blockchain. Damit sie Staker werden und Transaktionen freigeben können, müssen Staker Stakes (Anteile) an einem PoS-Netzwerk erwerben.

Die Auswahl eines  Stakers im PoS-Konsens-Mechanismus wird zufällig durch einen Algorithmus ausgewählt. 
Je mehr Anteile, also Stakes ich am Netzwerk habe, desto größer ist die Chance, das der Algorithmus mich aus wählt und ich Transaktionen freigeben kann. Die Mindestanzahl an Stakes, die man benötigt um am Konsens beteiligt sein zu dürfen, liegt momentan knapp über 30 ETH. Meiner Ansicht nach bewegt sich Ethereum dadurch in einen Elitarismus oder in eine Oligopol-ähnliches Konstrukt.

Das wird zusätzlich dadurch gefördert, daß PoS-Blockchain auf Cloudsystemen wie aws (Amazon) gehostet werden. Das gibt solchen Service-Dienstleistern eine enorme Machtstellung. Theoretisch können sie jederzeit die Blockchain abschalten.

Viele Menschen sind wegen des gesenkten Energieverbrauchs verständlicherweise begeistert. Viele Menschen sind auch begeistert, dass die Transaktionsdauer gesenkt werden konnte.
Das hört sich erst einmal sehr gut an.
Auf ethereum.org wird gesagt, dass das Upgrade dafür sorgt, dass die Blockchain skalierbarer ist. Skalierbarkeit ist bei PoW ein Problem.

Aber ist das wirklich langfristig zu Ende gedacht?
Staker, die viele Stakes besitzen müssen, um überhaupt erst am Konsens Mechanismus teilnehmen zu können, und die technischen Dienstleister können das Vorgehen auf der Blockchain stark beeinflussen.
Das ist alles sehr gegenläufig zur Idee der Dezentralisierung und Sicherheit des PoW. Das ist ein hoher Preis.
Es gibt bereits interessante Anwendunge (z.B. rsk, Taro oder Stacks), die über Brückenverbindungen mit Bitcoin laufen. Sie nutzen die Absicherung durch Bitcoin, um die entsprechenden Anwendungen sicher zu managen und durchführen zu können. Zusätzlich wird dadurch der Energieaufwand, den Bitcoin benötigt, effizient für die Absicherung von DApps bzw. Smart Contracts genutzt.

Es ist gut, dass man auf den hohen Energieverbrauch bei PoW schat, denn das schafft Potential für neue, effizient und nachhaltige Ideen. Die Nachfrage für Nachhaltigkeit und damit verbundenen niedrigeren Kosten, beeinflussen die Energiewirtschaft für besser Lösungen des Problem.

Wir sollten uns damit beschäftigen,

1. wie wir Bitcoin Mining so schnell wie möglich an nachhaltige Quellen anschließen
2. wie wir dem Prozess des Minings weitere Mehrwerte hinzufügen, z.B. Effizienz in der Stromgeneration für das Mining oder für das Heizen durch Fernwärme
3. wie wir Dezentralismus und Sicherheit in der Bitcoin-Blockchain aufrecht erhalten und ohne dabei die Kontrolle an einige wenige aufzugeben
4. wie man einfach zu bedienende und erfahrbare Knotenschnittstellen oder Software entwickelt, um durch Erhöhung der Anzahl der Knoten, gleichzeitig die Sicherheit des Netzes zu erhöhen.

Sicher ist sicher.

Und zum Abschluss, hier der Quartals-Report des Bitcoin Mining Council mit Michael J. Saylor. Das ist mittlerweil der 5. Report, so daß jetzt auch ein Jahresvergleich möglich ist.
Themen sind die Entwicklung in der Daten Aggregation, im Storm Status in Texas, im Effekt Bitcoins auf seinen Preis und Netzwerk Effizienz, in der Vielfäligkeit des Angebots der Energie Ökonomie im Kontext des Bitcoin Minings und in der Analyse und Entkräften der FUDs (Fear, Uncetainty and Doubt = Angst, Unsicherheit und Zweifel).

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Dieser Artikel dient der allgemeinen Information und ist nicht als Rechts- oder Anlageberatung gedacht und sollte auch nicht als solche verstanden werden. Die hier geäußerten Ansichten, Gedanken und Meinungen sind die des Autors und spiegeln nicht unbedingt die Ansichten und Meinungen BitCoelns wider.

Eine englische Verion des Posts findet man unter blockchaininformer.com