Was ist Nominated Proof of Stake und wie funktioniert das?

Was ist Nominated Proof of Stake?

Nominated Proof of Stake, meist abgekürzt als NPoS, ist eine Variante von Proof of Stake, bei der Tokenhalter Validator-Kandidaten nominieren und das Protokoll daraus ein aktives Validator-Set auswählt. Diese aktiven Validatoren übernehmen anschließend die technischen Aufgaben, die nötig sind, um die Blockchain abzusichern.

Bei Proof of Stake sperren Teilnehmer Tokens als wirtschaftlichen Einsatz. Dieser Einsatz heißt Stake. NPoS ergänzt das um eine klare Rollenverteilung: Validatoren betreiben die technische Infrastruktur, während Nominators festlegen, welche Validator-Kandidaten sie mit ihrem Stake unterstützen wollen.

Ein Nominator muss also keinen eigenen Validator-Node betreiben. Ein Node ist ein Computer, der sich mit dem Netzwerk verbindet und die Regeln der Blockchain ausführt. Der Nominator bindet Tokens und gibt an, welche Validator-Kandidaten vertrauenswürdig erscheinen. Das Protokoll nutzt diese Präferenzen bei einer Wahl.

NPoS ist vor allem von Polkadot und Kusama bekannt. Bei Polkadot ist NPoS nicht der komplette Konsensmechanismus. Es wählt das Validator-Set aus und sichert es wirtschaftlich ab. Danach produzieren Validatoren Blöcke mit BABE und sorgen mit GRANDPA für Finalität. Finalität bedeutet, dass ein Block endgültig bestätigt ist und nicht mehr durch eine andere Version der Blockchain ersetzt wird.

Wichtigste Erkenntnisse

• Nominated Proof of Stake ist eine Proof-of-Stake-Variante zur Auswahl von Validatoren.
• Nominators binden Tokens und nominieren Validator-Kandidaten, ohne selbst einen Validator-Node zu betreiben.
• Validatoren führen die technischen Konsens- und Sicherheitsaufgaben des Netzwerks aus.
• Das Protokoll bestimmt, welche Kandidaten aktiv werden und wie das Backing verteilt wird.
• Bei Polkadot wählt NPoS Validatoren aus, während BABE Blöcke produziert und GRANDPA die Finalität sicherstellt.

Wie funktioniert Nominated Proof of Stake?

NPoS funktioniert, indem es Präferenzen von Nominators und deren gebundene Tokens nutzt, um eine begrenzte Gruppe aktiver Validatoren zu wählen. Der Prozess läuft bei Polkadot grob so ab.

1. Ein Kandidat meldet sich als Validator an

   Ein Validator-Kandidat registriert, dass er oder sie teilnehmen möchte. Der Kandidat muss einen Node betreiben und in der Lage sein, die Aufgaben eines aktiven Validators zuverlässig auszuführen.

2. Nominators wählen Kandidaten aus

   Ein Nominator bindet Tokens und stellt eine begrenzte Liste von Validator-Kandidaten zusammen. Damit zeigt der Nominator, welche Kandidaten er oder sie für geeignet hält.

3. Das Protokoll führt eine Wahl durch

   Das Protokoll wählt eine begrenzte Anzahl aktiver Validatoren aus. Dabei zählt nicht nur, wie viel Backing ein Kandidat hat. Die Wahl versucht auch, das Backing innerhalb des gewählten Validator-Sets ausgewogener zu verteilen und die Präferenzen der Nominators proportional zu berücksichtigen.

4. Der Stake wird zugewiesen

   Eine Nominierung ist kein fester Auftrag, bei dem automatisch alle Tokens bei einem gewählten Kandidaten landen. Das Wahlergebnis bestimmt, welchen aktiven Validatoren der Stake eines Nominators in dieser Periode zugewiesen wird. Ein Teil der vom Nominator gewählten Kandidaten kann also aktiv werden, während andere Kandidaten nicht ausgewählt werden.

5. Das aktive Set übernimmt die Netzwerkrollen

   Bei Polkadot wird das aktive Validator-Set pro Era erneuert. Eine Era dauert dort ungefähr 24 Stunden. Dadurch kann sich die Zusammensetzung der aktiven Validatoren von Era zu Era verändern.

Die Wahl nutzt Methoden aus der Wahltheorie, die mit Phragmén verwandt sind. Das Ziel ist nicht einfach, die Kandidaten mit dem meisten rohen Backing auszuwählen. Das Protokoll versucht, möglichst viel Stake zu nutzen, den gewählten Validatoren ausreichend Backing zu geben und große Unterschiede in diesem Backing zu verringern.

Die Berechnung dieser umfangreichen Verteilung passiert außerhalb der Blockchain und wird danach auf der Blockchain eingereicht und überprüft. Dadurch muss die Blockchain nicht bei jedem Era-Wechsel alle rechenintensiven Schritte selbst ausführen.

Beispiel: Angenommen, ein Nominator nominiert drei Validator-Kandidaten. Wenn zwei dieser Kandidaten ausgewählt werden, kann das Protokoll die gebundenen Tokens dieses Nominators diesen zwei aktiven Validatoren zuweisen. Der Nominator muss diese Verteilung nicht manuell festlegen.

Welche Rolle spielen Nominators und Validatoren?

Nominators wählen Validator-Kandidaten mit ihrem Stake aus, während Validatoren die technischen Aufgaben übernehmen, die nötig sind, damit die Blockchain funktioniert. Beide Rollen sind wichtig, aber die Verantwortlichkeiten unterscheiden sich klar.

Ein Validator betreibt einen Node und nimmt am Konsens teil. Konsens ist der Prozess, mit dem Teilnehmer einer Blockchain gemeinsam festlegen, welche Blöcke und Transaktionen gültig sind. Bei Polkadot produzieren Validatoren unter anderem Blöcke, validieren Parachain-Blöcke und nehmen an der Finalität teil.

Ein Nominator betreibt normalerweise keinen Validator-Node. Stattdessen bindet der Nominator Tokens und wählt Kandidaten aus, die als zuverlässig gelten. Diese Auswahl beeinflusst die Chance, dass Kandidaten genug Backing erhalten, um aktiv zu werden.

Nominieren ist keine vollständig passive Form von Staking. Ein Nominator muss Validator-Kandidaten weiterhin bewerten. Wichtige Punkte sind unter anderem:

• die Leistung des Validators;
• der Provisionssatz;
• der eigene Stake des Validators;
• frühere Slashes;
• die Chance, dass der Validator aktiv wird;
• mögliche technische oder wirtschaftliche Verbindungen zwischen Validatoren.

Ein Slash ist eine Sanktion, bei der ein Protokoll nach einem qualifizierenden Verstoß einen Teil des Einsatzes einziehen kann. Validatoren tragen operative Risiken, zum Beispiel durch Ausfälle, eine falsche Konfiguration oder Double-Signing. Der Validator verwaltet die Node-Infrastruktur und Schlüssel. Der Nominator trägt vor allem Auswahl- und Allokationsrisiken: Eine falsche Wahl oder eine nicht aktive Nominierung kann bedeuten, dass keine Belohnung ausgezahlt wird.

Ein Nominator erhält Staking-Belohnungen nur, wenn der Stake tatsächlich einem aktiven, belohnenden Validator zugewiesen ist. Nur Tokens zu binden oder Kandidaten anzugeben, reicht also nicht.

Wie werden Belohnungen innerhalb von Nominated Proof of Stake verteilt?

Bei Polkadot werden Belohnungen zuerst pro aktivem Validator festgelegt und danach zwischen dem Validator und den aktiven Nominators hinter diesem Validator verteilt. Die Belohnung hängt nicht ausschließlich von der Menge des Backings eines Validators ab.

Aktive Validatoren erhalten grundsätzlich eine ähnliche Brutto-Belohnung innerhalb des Validator-Sets. Der genaue Betrag kann pro Era durch Era Points variieren. Era Points sind Punkte, die Validatoren für ausgeführte Aufgaben bekommen, zum Beispiel für das Produzieren von Relay-Chain-Blöcken und das Abgeben von Validitätsbestätigungen für Parachain-Blöcke.

Danach läuft die Verteilung in zwei Schritten ab:

1. Die Provision geht zuerst an den Validator

   Der Validator legt einen Provisionssatz fest. Dieser Satz wird zuerst von der Brutto-Belohnung abgezogen. Eine höhere Provision lässt also weniger Belohnung für die anderen Teilnehmer hinter diesem Validator übrig.

2. Der verbleibende Betrag wird anteilig verteilt

   Was nach der Provision übrig bleibt, wird pro rata verteilt. Das bedeutet, jeder Teilnehmer erhält einen Anteil, der zu seinem oder ihrem Anteil am Stake hinter diesem Validator passt. Der Validator selbst erhält ebenfalls einen Anteil auf Basis des eigenen aktiven Stakes.

Der Validator hat keine Custody über die Belohnungen der Nominators. Custody bedeutet die Kontrolle über die Krypto einer Person. Die Blockchain mintet und verteilt die Belohnungen direkt an die Anspruchsberechtigten, wenn ein Payout ausgeführt wird.

Transaktions-Tipps sind von diesen Staking-Belohnungen getrennt. Bei Polkadot gehen solche Tipps vollständig an den Validator, der sie erhält.

Beispiel: Ein aktiver Validator erhält eine Brutto-Belohnung. Zuerst wird die eingestellte Provision für den Validator abgezogen. Der verbleibende Teil wird zwischen dem Validator und den aktiven Nominators verteilt, basierend auf dem jeweiligen Anteil am Stake hinter diesem Validator.

Was sind die Vorteile von Nominated Proof of Stake?

NPoS macht es Tokenhaltern möglich, zur wirtschaftlichen Absicherung einer Blockchain beizutragen, ohne selbst einen Validator-Node zu betreiben. Das senkt die technische Hürde für Staking.

Die wichtigsten Vorteile sind:

• Zugänglichere Teilnahme: Nominators können Tokens binden und Kandidaten auswählen, ohne selbst die Hardware, Verbindung und Schlüssel eines Validator-Nodes zu verwalten.
• Streuung von Präferenzen: Ein Nominator kann mehrere Kandidaten nominieren. Dadurch ist der Nominator nicht vollständig von einem Kandidaten abhängig, der möglicherweise nicht aktiv wird.
• Ausgewogeneres Backing: Die Wahlmethoden sind darauf ausgelegt, das Backing über das gewählte Validator-Set besser zu verteilen. Das kann verhindern, dass das gesamte Backing automatisch zu einer kleinen Gruppe populärer Validatoren fließt.
• Proportionale Repräsentation: Die Wahl versucht, die Präferenzen der Nominators proportional zu berücksichtigen, wenn mehrere Validatoren ausgewählt werden.
• Geteilte wirtschaftliche Interessen: Validatoren und Nominators haben beide ein Interesse daran, dass das gewählte Validator-Set korrekt funktioniert. Gute Leistung kann Belohnungen bringen, während qualifizierendes Fehlverhalten Konsequenzen haben kann.

Bei Polkadot sorgt die Belohnungsstruktur außerdem dafür, dass ein Validator nicht automatisch eine höhere Brutto-Validator-Belohnung bekommt, nur weil er deutlich mehr Backing hat. Dieses Design macht es weniger attraktiv, den gesamten Stake auf eine kleine Zahl von Validatoren zu konzentrieren.

Diese Vorteile sind Designziele, keine Garantie. Auch ein NPoS-Netzwerk kann in der Praxis Konzentrationsrisiken haben, etwa wenn verschiedene Validatoren von derselben Partei oder demselben Anbieter von Infrastrukturleistungen betrieben werden.

Welche Risiken und Einschränkungen hat Nominated Proof of Stake?

NPoS senkt die technische Hürde für Staking, beseitigt Risiken aber nicht. Nominators bleiben verantwortlich für ihre Entscheidungen und dafür, die Regeln des Netzwerks einzuhalten.

Ein erstes Risiko ist, dass ein Nominator keine Belohnungen erhält. Das kann passieren, wenn keiner der ausgewählten Kandidaten aktiv wird oder wenn der Stake des Nominators keinem aktiven Validator zugewiesen wird. Bei Polkadot werden Nominators für den Wahleingang auf Basis des gebundenen Stakes priorisiert. Die minimum active bond ist dynamisch. Dadurch können Tokens zwar gebunden sein, ohne dass ein kleinerer Nominator aktiv ist oder Belohnungen erhält.

Außerdem ist das System technisch komplex. Die Wahl muss eine große Menge an Nominators und Validator-Kandidaten verarbeiten. Deshalb werden nicht zwingend alle Nominators in den Wahleingang aufgenommen. Die Berechnung findet außerhalb der Blockchain statt und muss anschließend innerhalb der Regeln der Blockchain überprüfbar sein.

Auch das Validator-Risiko bleibt wichtig. Ein Validator kann ausfallen, schlecht konfiguriert sein oder Konsensregeln verletzen. Beispiele für schweres Fehlverhalten sind Equivocation, bei der ein Validator widersprüchliche Nachrichten signiert, und ungültige Votes. Das Protokoll kann einen Validator dann deaktivieren oder einen Slash anwenden.

Außerdem können sich Provisionssätze und Leistung verändern. Eine niedrige Provision ist keine Garantie für einen zuverlässigen Betrieb, und eine bekannte Validator-Identität garantiert ebenso wenig ein gutes Ergebnis. Nominators sollten ihre Auswahl daher regelmäßig neu bewerten.

Mehrere Nominierungen bieten auch keinen vollständigen Schutz vor gekoppelten Risiken. Angenommen, mehrere ausgewählte Validatoren werden technisch vom selben Operator betrieben. Bei einer Störung könnten sie alle gleichzeitig ausfallen. Das Gleiche gilt, wenn mehrere Validatoren wirtschaftlich oder organisatorisch mit derselben Partei verbunden sind.

Zum Schluss schützt NPoS nicht vor allen Risiken rund um Krypto. Der Marktpreis des gestakten Tokens kann fallen. Auch der Verlust des Zugangs zu private keys, Probleme mit einer Krypto Wallet und Schwachstellen in Smart Contracts außerhalb des Staking-Protokolls fallen nicht unter den Schutz von NPoS.

Was ist der Unterschied zwischen Nominated Proof of Stake und anderen Konsensmechanismen?

NPoS unterscheidet sich von anderen Konsensmechanismen, weil es vor allem ein System zur Validator-Auswahl und wirtschaftlichen Absicherung ist, nicht eine vollständige Beschreibung aller Konsensschritte. Um den Vergleich sauber zu machen, ist es wichtig, zwei Ebenen auseinanderzuhalten.

Die erste Ebene bestimmt, wer Validator sein darf und welcher Stake hinter diesem Validator steht. Auf dieser Ebene arbeitet NPoS. Die zweite Ebene bestimmt, wie Blöcke produziert werden, welcher Chain gefolgt wird, wenn mehrere Blöcke existieren, und wann Blöcke endgültig sind. Das sind Blockproduktion, Fork Choice und Finalität.

Ein Protokoll kann NPoS mit anderen Algorithmen für diese zweite Ebene kombinieren. Bei Polkadot wählt NPoS das Validator-Set, BABE produziert Blöcke und GRANDPA sorgt für Finalität. Dadurch ist NPoS nicht eins zu eins mit einem vollständigen Konsens-Stack vergleichbar, der alle Aufgaben selbst umfasst.

Was ist der Unterschied zu Proof of Stake?

NPoS ist eine spezielle Form von Proof of Stake, während Proof of Stake eine breite Kategorie ist. Innerhalb von PoS hilft wirtschaftlicher Stake bei der Auswahl oder Teilnahme von Validatoren. Die genaue Umsetzung unterscheidet sich je nach Blockchain stark.

In einem einfachen, direkten PoS-Setup kann Stake direkt beeinflussen, welche Validatoren teilnehmen. NPoS fügt eine explizite Nominator-Rolle hinzu. Nominators stellen eine Liste vertrauenswürdiger Kandidaten zusammen, danach bestimmt ein Wahlalgorithmus sowohl die aktiven Validatoren als auch die Verteilung des Backings.

Das Ziel ist also nicht nur, Kandidaten mit dem meisten rohen Backing auszuwählen. NPoS versucht auch, das Backing über das gewählte Set zu balancieren und die Präferenzen der Nominators proportional zu repräsentieren.

Bei Polkadot hat Stake vor allem Einfluss vor den technischen Konsensrollen, während der NPoS-Wahl. Nachdem Validatoren ausgewählt sind, werden sie im BABE- und GRANDPA-Authority-Set gleichgewichtet behandelt. Ein höherer Stake gibt einem gewählten Validator dort also nicht dauerhaft mehr Stimmgewicht.

Was ist der Unterschied zu Delegated Proof of Stake?

NPoS und Delegated Proof of Stake, oder DPoS, ermöglichen es Tokenhaltern beide, Einfluss auf Block Producer oder Validatoren zu nehmen, aber es sind unterschiedliche Designs. Die Begriffe sind nicht austauschbar.

In klassischen DPoS-Systemen stimmen Tokenhalter typischerweise über eine relativ kleine Gruppe von Delegates oder Witnesses ab, die Blöcke produzieren. Das ist eine repräsentative, stake-gewichtete Wahl von Block Producern.

Bei NPoS auf Polkadot nominieren Nutzer mehrere Validator-Kandidaten. Anschließend führt das Protokoll eine proportionale Mehrgewinner-Wahl durch. Dabei berechnet es auch, wie das Backing der Nominators über die ausgewählten Validatoren verteilt wird.

Der wichtigste Unterschied ist das explizite Ziel von NPoS, Nominator-Präferenzen proportional zu repräsentieren und das Backing innerhalb des aktiven Validator-Sets zu balancieren. DPoS-Designs konzentrieren sich vor allem auf die Wahl von Delegates oder Witnesses. Die genauen Abstimmungs-, Auswahl- und Belohnungsregeln unterscheiden sich je nach DPoS-Blockchain.

Ein Nominator in NPoS übergibt die Kontrolle über die eigenen Tokens nicht automatisch an einen Validator. Der Nominator gibt Präferenzen für Kandidaten an, während das Protokoll danach bestimmt, welche aktive Allokation aus der Wahl folgt.

Fazit

Nominated Proof of Stake ist eine Proof-of-Stake-Variante, die Tokenhaltern über Nominierungen die Teilnahme an der Auswahl und wirtschaftlichen Absicherung von Validatoren ermöglicht. Nominators müssen keinen Node betreiben, sollten aber sorgfältig bewerten, welche Validator-Kandidaten sie nominieren.

Der Kern von NPoS ist die Wahl: Das Protokoll wählt ein aktives Validator-Set aus und verteilt das Backing der Nominators über dieses Set. Dieses Design soll die Teilnahme zugänglicher machen und das Backing ausgewogener verteilen, als wenn nur die größten Kandidaten dominieren würden.

Dem stehen klare Verantwortlichkeiten und Risiken gegenüber. Ein Nominator erhält nur bei einer aktiven Zuweisung Belohnungen, Provisionen und Leistung können sich ändern und gekoppelte Validatoren können gemeinsame Risiken verursachen. NPoS ist daher keine passive Methode, um Krypto zu binden, sondern ein Modell, in dem eine gute Validator-Auswahl und regelmäßige Kontrolle wichtig bleiben.