Casper “The Friendly Ghost” – Das Ethereum-Proof-of-Stake-Protokoll


Das Äther blockchain wird ein Hard Fork-Upgrade seines Konsensmechanismus implementieren, der den Codenamen trägt Kasper (Wie in "The Friendly Ghost"). Die Casper-Protokolle verschieben die Ethereum-Blockchain von Proof-of-Work (PoW) zu Proof-of-Stake (PoS). Dies ändert die Art und Weise, wie das native Token von Ethereum geändert wird Äther wird verteilt. Der Zweck des Upgrades bestand darin, Probleme mit Blockchains der zweiten Generation wie Effizienz und Skalierbarkeit zu beheben.

Die Einschränkungen von PoW

PoW ist auch der Konsensmechanismus der Bitcoin Blockchain. Durchschnittlich wird alle 10 Minuten ein Block für Bitcoin und alle 20 Sekunden für Ethereum übertragen. In PoW werden Knoten aufgerufen Minenarbeiter konkurrieren, um ein kryptografisches Rätsel zu lösen. Der erste Bergmann, der den Wert entdeckt, heißt nonce, überprüft den Block, der dann zur Blockchain hinzugefügt wird. Der Bergmann erhält eine Belohnung für seinen Beitrag.

Es ist zwar eine effektive Lösung, aber eher ineffizient und nicht skalierbar genug für Workloads mit höherem Volumen. Es ist ineffizient, weil es aufgrund der in Hashes pro Sekunde (h / s) gemessenen Berechnungen viel Strom verbraucht. Es gibt auch Skalierungsprobleme, da der Konsens nicht mehr Transaktionen pro Sekunde verarbeiten kann (Bitcoin 3–7 tps, Ethereum 15 tps). Insgesamt hat sich PoW als effektiv erwiesen, ist jedoch recht langsam, da es nicht skalierbar ist, ineffizient aufgrund der für die Validierung eines Blocks erforderlichen Energiemenge und teuer aufgrund der Stromkosten (in einigen Bereichen).

Da die Anforderungen an den Bergbau gestiegen sind, sind Bergleute mit geringeren Ressourcen benachteiligt. Dies bedeutet, dass Bergleute entweder einem Bergbaupool beitreten oder mehr Ressourcen bereitstellen müssen. Dies erfordert höhere Kosten für die Investition in spezialisierte Geräte, die Hashing-Leistung bereitstellen. Infolgedessen wird der Bergbau in einigen wenigen großen Bergbaupools zentraler. Aufgrund dieser im Bergbau geforderten höheren Standards gibt es mehr Eintrittsbarrieren für neue Bergleute.

Einige würden argumentieren, dass die Kooperation von Knoten das Netzwerk sicherer macht, obwohl es langsam und ineffizient ist. Das ist der Grund, warum PoW für Bitcoin effektiv ist. Das Problem besteht jedoch darin, dass das Netzwerk mehr Transaktionen verarbeiten muss, die nicht skaliert werden können. Es gibt auch das Problem, dass der Bergbau immer zentraler wird, da nur wenige große Bergbaupools den größten Teil des Bergbaus kontrollieren.

Der Umzug zum PoS

Zu diesem Zeitpunkt entschied sich die Ethereum-Community für die Implementierung eines Nachfolgers für PoW, nämlich PoS. Dies ist ein allgemeines Merkmal geworden, das im Konsens von Blockketten der dritten Generation (z. B. EOS, Tron, Tezos) verwendet wird. Die Entwickler, die den Umstieg auf PoS vorschlugen, wollten einige der folgenden Probleme beheben:

In PoS müssen Knoten nicht mehr abgebaut werden, um Blöcke im Netzwerk zu validieren. Stattdessen steckt ein Knoten einen Teil seines Geldes in einem speziellen Portemonnaie. Die Knoten werden als bezeichnet stakers. Jeder Staker setzt dann a Wette auf einem Block, den sie validieren möchten. Wenn der Block an die Blockchain angehängt wird, erhalten die Staker eine Belohnung, die proportional zu ihren Einsätzen ist.

Es gibt Konsequenzen, wenn der Staker versucht, das Netzwerk mit böswilliger Absicht anzugreifen. Eine Angriffsart wird genannt "Nichts auf dem Spiel". In einer Blockchain können während des Mining- oder Absteckvorgangs verschiedene Ketten parallel zur Kette des Hauptnetzwerks gebildet werden. Die Kette, deren Blöcke validiert werden, wird dann Teil der Hauptkette. Als Staker, der versucht, einen Block zu validieren, können Sie einfach Ihr Geld gleichzeitig in eine beliebige Kette stecken. Die Idee dabei ist, dass Sie, egal was passiert, immer gewinnen und nichts zu verlieren haben.

Um dieses Problem anzugehen, enthielt das Protokoll eine Möglichkeit, Staker zu tadeln, die dies versuchen. In diesem Fall verliert der Staker das eingesetzte Geld, sodass er seinen Einsatz nicht auf zwei oder mehr Ketten gleichzeitig setzen kann. Staker werden für böswillige Absichten bestraft, um sie davon abzuhalten, das Netzwerk anzugreifen. Wenn Staker Absprachen treffen, gefährden sie ihren eigenen Einsatz, den sie verlieren können. Dies ist eine Form der Richtlinie zum Schutz des Netzwerks.

Ein weiteres wichtiges Merkmal von PoS besteht darin, zu viel Zentralisierung zu vermeiden. Dieses Problem wird in PoS aus einem Grund vollständig gemindert: In PoS müssen Knoten einen Anteil investieren. Knoten, die zusammengelegt werden, um mehr wertvolle Gelder zu stecken, funktionieren nicht. Ein Knoten ist ein Knoten in einer 1: 1-Beziehung. Einsätze sind ein Eins-zu-Eins-Verhältnis zur Höhe der Einsätze. Eine Beteiligung kann nicht gemacht werden zusammen durch einen Pool von Knoten. Das Abstecken von Pools kann weiterhin durchgeführt werden, jedoch von einem Knoten oder Staker, der von mehreren Personen oder Organisationen unterstützt werden kann, die zu einem Einsatz beitragen. Die Höhe der Validierungsleistung basiert auf dem Einsatz eines Knotens und nicht auf der Hashleistung.

In PoS entspricht der gesetzte Betrag der Hashing-Leistung. Der Hauptunterschied besteht darin, dass das Setzen nicht so viel Energie benötigt, um einen Block zu erzeugen. Laut Definition für PoS: (Bergmann und Staker sind austauschbar)

Auf diese Weise kann ein PoS-Miner, anstatt Energie für die Beantwortung von PoW-Rätseln zu verwenden, nur einen Prozentsatz der Transaktionen abbauen, der seinem Anteil entspricht. Zum Beispiel kann ein Bergmann, der 3% der verfügbaren Bitcoin besitzt, theoretisch nur 3% der Blöcke abbauen.

Was PoS in der Ethereum-Blockchain ermöglicht, ist eine Anreizwirkung für Knoten, die auf ihrem Eigentum an dem eingesetzten digitalen Vermögenswert basieren.

Der Staker, der einen Block validieren darf, wird nicht nur durch den gesetzten Betrag bestimmt. Andernfalls wäre dies für den Rest des Netzwerks nicht fair, da der Knoten, der den höchsten Einsatz tätigt, immer gewinnt. Stattdessen gibt es verschiedene Methoden, die verwendet werden können. Eine Technik verwendet die Randomisierter Block Auswahl Methode. Dies kann Staker auswählen, indem nach Knoten mit einer Kombination aus dem niedrigsten Hash-Wert und dem höchsten Einsatz gesucht wird. Es muss ein wirklich zufälliger Prozess sein, der den höchsten Einsatz bevorzugt, aber nicht immer denselben Staker bevorzugt, um anderen Stakern eine Chance zu geben.

PoS entfernt sich von a Nullsummenspiel Theorie im Bergbau zu einem mehr Koordinationsspiel dynamisch mit dem Abstecken. Wenn ein Bergmann im Bergbau einen Block verliert (Bergleute können Fehler machen, wenn sie einen Block erstellen), werden sie während des Prozesses zensiert. Der Bergmann profitiert nicht, aber der Rest der Bergleute profitiert. Beim Einsatz sind die Belohnungen für alle am höchsten, wenn alle Einsätze enthalten sind. Dies liegt daran, dass die Staker zusammenarbeiten müssen, um einen Block zu validieren. Aufgrund der Hashing-Fähigkeit wird niemand mehr zensiert. Sie wird randomisiert, um mehr Fairness bei der Auswahl der Prüfer zu gewährleisten. Dieses Thema kann durch das Verständnis der Koordinationsspieltheorie näher erläutert werden.

Die Eiszeit und die Schwierigkeitsgradbombe des Äthereums

Während des Übergangsprozesses wird Ethereum nach der Casper-Gabelung eine sogenannte „Eiszeit“ durchlaufen. Während dieser Zeit sind PoW und PoS im Netzwerk zulässig. Knoten können immer noch meine, haben aber jetzt die Option zu setzen. Die Eiszeit führt eine Schwierigkeitsanpassung bei der Validierung von Blöcken im Netzwerk durch. Dies wird die Schwierigkeit für den Abbau von Blöcken allmählich erhöhen, wobei mehr Anreize für den Einsatz von Blöcken geschaffen werden.

Dies ist eine Möglichkeit, mehr Knoten als meine zum Einsatz anzuregen. Dies wird zu der „Schwierigkeits-Bombe“ des Ethereums führen, in der es so schwierig sein wird, nach Blöcken zu graben, dass Knoten vom Bergbau abgehalten werden. Es wird so schwierig, dass das Netzwerk durch weitere Bergbautätigkeiten „eingefroren“ wird. Dies zielt darauf ab, das Abstecken als Blockvalidierung für den Konsens zu betrachten.

Das Folgende ist ein Auszug aus einer Mining-Schwierigkeits-Simulation:

Durch die Zunahme des Schwierigkeitsgrades wird die durchschnittliche Blockzeit auf einen Punkt gebracht, an dem es so schwierig wird, dass es „unendlich“ unmöglich ist, Blöcke zu produzieren.

Die zwei Caspers

Es gibt zwei vorgeschlagene Versionen von Casper, weshalb ich sie als Protokolle bezeichne (Pluralform). Diese Protokolle wurden von Ethereum-Entwicklern entwickelt, um Verbesserungen an der Blockchain zu erzielen.

Casper FFG (Friendly Finality Gadget)
Der FFG-Code wurde erstmals im Mai 2018 zur Begutachtung freigegeben. Dies wurde als erster Übergang des Hauptnetzwerks von PoW zu PoS angesehen. Die FFG schlug ein hybrides PoW / PoS-Modell vor. Bestehende PoW-Mechaniken werden verwendet, um neue Blöcke zu erstellen, während Casper, das FFG, mithilfe eines intelligenten Vertrags darüber geschichtet wird. Jeder 50. Block im Netzwerk durchläuft einen PoS-Checkpoint, an dem die Finalität von einem Netzwerk von Validatoren bewertet wird. Dies zielt darauf ab, einen reibungslosen Übergang zu PoS und stärker zu ermöglichen Endgültigkeit wenn es darum geht, die Validierung zu blockieren.

Laut Vitalik Buterin (Gründer von Ethereum) gibt es drei Hauptgründe, warum Casper FFG eine stärkere Finalität als PoW bietet:

Casper CBC (Correct By Construction)
Diese Version basiert auf einem Sicherheitsorakel, das auch als "idealer Gegner" bezeichnet wird. Dies dient zur ständigen Feinabstimmung eines teilweise erstellten PoS-Protokolls, bis das System fertiggestellt ist. CBC verwendet die Idee eines idealer Gegner um eine Art Sandbox-Umgebung für die Entwicklung zu erstellen. Es ist keine endgültige Lösung für PoS, sondern eine, die ständig weiterentwickelt wird. Auf diese Weise können Entwickler Fehler im Prozess identifizieren und Lösungen zu deren Behebung einführen.

Nach ethstaking:

CBCs Validator Slashing Trilemma Die Lösung soll einen vernünftigen Kompromiss zwischen diesen erzwingen Zamfirs Dreieck (Benannt nach Vlad Zamfir, Erfinder von CBC)

ein. Finality Latency: Wie lange dauert es, bis das Netzwerk einen vorgeschlagenen Block abgeschlossen hat?
b. Ressourcenaufwand: Wie viele Blöcke pro Sekunde müssen die Prüfer überprüfen?
c. Dezentralisierung: Wie viele Validatoren können im Netzwerk vorhanden sein?

Das Ziel der Lösung besteht darin, ein optimales Gleichgewicht (ein Kompromiss zwischen „Sie können nicht alles haben“) zwischen drei miteinander konkurrierenden gewünschten Ergebnissen zu schaffen:

ein. Hohe Angriffskosten (Verteidigung)
b. Hohe Bewertungsrendite (maximale Belohnungen)
c. Low ETH Issuance (Inflationskontrolle)

Das endgültige Protokoll

Die Implementierung oder das endgültige Release von Casper wird beide Versionen FFG und CBC verwenden, es können jedoch immer weitere Entwicklungen auftreten. Was sicher ist, ist, dass dies ein Teil der Ethereum-Roadmap war, um Ethereum von PoW zu PoS zu verlagern. In diesem Bereich herrscht viel Aufregung, was sich sicherlich auf die Anlagespekulationen über den Ätherpreis auswirkt. Die Technologie muss jedoch von der Spekulation getrennt werden.

Es gibt immer noch Herausforderungen in PoS, die von Kritikern in Frage gestellt werden. Dies schließt die Sicherheit ein, bei der auf die Schwachstellen des PoS hingewiesen wurde, nämlich das mit dem Abstecken verbundene Risiko. Diese werden sicherlich von den Entwicklern angesprochen, da es sich nicht um etwas handelt, das für das gesamte Netzwerk zu vernachlässigen ist.

Die Verbesserung der Netzwerkeffizienz, -skalierung und -sicherheit hat immer Priorität. Wenn Ethereum Casper erfolgreich implementiert und langsam zu PoS übergeht, werden wir sehen, wie gut die Entwickler auf diese Probleme vorbereitet waren.

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