Was ist Proof of Activity und wie funktioniert dieser Konsensmechanismus?

Was ist Proof of Activity?

Proof of Activity ist ein hybrider Konsensmechanismus für Krypto, bei dem Proof of Work und Proof of Stake gemeinsam darüber entscheiden, ob ein neuer Block abgeschlossen wird. Einfach gesagt: Miner starten den Prozess mit Rechenleistung, danach helfen ausgewählte Coinholder dabei, den Block zu bestätigen.

Das ursprüngliche Design erschien 2014 und wurde von Iddo Bentov, Charles Lee, Alex Mizrahi und Meni Rosenfeld entwickelt. Die Idee dahinter ist, dass du dich nicht vollständig auf eine einzige Gruppe verlässt. Mining liefert zunächst ein Ergebnis, das schwer zu fälschen ist. Dieses Ergebnis bestimmt danach auf zufällige Weise, welche Staker mitmachen dürfen.

Ein Miner findet dabei zuerst einen Blockheader. Das ist ein kleiner Informationsblock, der unter anderem auf den vorherigen Block verweist. Du kannst ihn als den ersten Nachweis für einen neuen Block sehen. Auf Basis dieses Headers wählt das System Coinholder aus, die den Block unterzeichnen sollen.

Wichtig zu wissen: Proof of Activity wird oft als PoA abgekürzt, aber das gilt auch für Proof of Authority. Letzteres ist ein ganz anderer Konsensmechanismus, bei dem vorab bekannte Parteien Blöcke validieren.

Wichtigste Erkenntnisse

• Proof of Activity kombiniert Proof of Work mit Proof of Stake.
• Miner starten die Blockproduktion mit Rechenleistung.
• Danach werden Coinholder ausgewählt, um den Block zu unterzeichnen.
• Die Auswahl der Staker hängt im ursprünglichen Design vom gefundenen Blockheader ab.
• Proof of Activity ist trotz derselben Abkürzung PoA etwas anderes als Proof of Authority.

Wie funktioniert Proof of Activity?

Im ursprünglichen Vorschlag beginnt Proof of Activity mit Mining. Miner versuchen mit Proof of Work, einen gültigen, nahezu leeren Blockheader zu finden. Dafür müssen sie sehr viele Hashes berechnen, bis einer dem Schwierigkeitsgrad des Netzwerks entspricht.

Danach folgt die Staking-Phase. Der gefundene Header weist mit einer Methode namens Follow-the-Satoshi eine Anzahl pseudorandom ausgewählter Stakeholder zu. Pseudorandom bedeutet hier: Das Ergebnis wirkt zufällig, folgt aber festen Regeln, die jeder überprüfen kann.

Die Wahrscheinlichkeit, ausgewählt zu werden, hängt von der Anzahl der Coins ab, die eine Person besitzt. Wer mehr Coins hat, hat also häufiger die Chance, ausgewählt zu werden. Die zuerst ausgewählten Stakeholder unterzeichnen den Header. Der zuletzt ausgewählte Teilnehmer sammelt die Transaktionen, erstellt den vollständigen Block und sendet ihn an das Netzwerk.

Dieser vollständige Block heißt im ursprünglichen Vorschlag ein Wrapped Block. Es ist im Grunde der leere Header des Miners, ergänzt um Transaktionen und die nötigen Signaturen der Staker.

Beispiel: Stell dir vor, ein Miner findet einen gültigen Header und das Protokoll wählt vier Stakeholder aus. Drei von ihnen unterzeichnen den Header. Der vierte fügt Transaktionen hinzu, setzt alles in einen vollständigen Block und unterzeichnet ihn ebenfalls. Erst dann kann der Block ausgesendet werden.

Nodes prüfen anschließend, ob alles den Regeln entspricht. Für die Wahl zwischen verschiedenen Versionen der Blockchain folgt das ursprüngliche Design der Chain mit der höchsten aufsummierten PoW-Schwierigkeit, ähnlich wie Bitcoin.

Sind ausgewählte Stakeholder offline? Dann kann dieser Header möglicherweise nicht fertiggestellt werden. Andere Miner können dann neue Header finden, wodurch das System andere Stakeholder auswählt. Wie viele Signaturen genau nötig sind und wie Belohnungen verteilt werden, unterscheidet sich je nach Protokoll.

Welche Rolle spielen Mining und Staking bei Proof of Activity?

Mining und Staking haben bei Proof of Activity jeweils eine eigene Aufgabe. Mining übernimmt die PoW-Phase: Miner nutzen Rechenleistung, um einen gültigen Header oder einen Kandidatenblock zu finden. Staking übernimmt danach die PoS-Phase: Ausgewählte Coinholder prüfen und unterzeichnen das Ergebnis.

Dadurch nutzt das Design zwei Arten wirtschaftlicher Ressourcen für die Sicherheit:

• Hashrate: die gesamte Rechenleistung, die Miner einsetzen.
• Stake: Coins, die bestimmen, wie groß die Chance ist, ausgewählt zu werden.

Die Idee dahinter ist ziemlich logisch. Jemand, der nur viel Mining-Hardware kontrolliert, kann in diesem Design nicht allein jeden Block abschließen. Dafür ist auch die Teilnahme ausgewählter Staker nötig. Umgekehrt können Staker ohne die Mining-Phase keinen neuen Block starten.

Die genauen Regeln unterscheiden sich allerdings stark je nach Blockchain. Decred ist ein bekanntes Beispiel für ein hybrides PoW/PoS-System, das von Proof of Activity inspiriert ist, technisch aber nicht exakt so funktioniert wie der ursprüngliche Vorschlag.

Bei Decred erstellen PoW-Miner Blöcke. Anschließend stimmen fünf zufällig ausgewählte Staking-Tickets on-chain über diese Blöcke ab. Mindestens drei Stimmen sind erforderlich. Für ein solches Ticket wird DCR vorübergehend gesperrt. Stimmt das Ticket erfolgreich mit ab, erhält der Besitzer die eingesetzten DCR zurück plus eine PoS-Belohnung. Ist das Ticket nicht verfügbar, wenn es aufgerufen wird, verpasst es die Stimme und auch die Belohnung.

Staking bedeutet also nicht automatisch, dass jeder Holder immer validiert. Du musst ausgewählt werden und in manchen Designs auch zum richtigen Zeitpunkt online sein.

Was ist der Unterschied zwischen Proof of Activity und Proof of Work?

Der große Unterschied ist, dass reines Proof of Work nur auf Rechenleistung setzt, während Proof of Activity nach dem Mining zusätzlich ausgewählte Staker braucht, um einen Block abzuschließen.

Bei reinem PoW konkurrieren Miner miteinander darum, einen neuen Block zu finden. Der Miner mit einem gültigen Ergebnis darf den Block hinzufügen. Im ursprünglichen Proof-of-Activity-Design erledigt Mining weiterhin diese erste Arbeit, danach kommt aber eine zusätzliche Prüfschicht durch Coinholder hinzu.

Proof of Activity macht Mining also nicht überflüssig. Miner müssen weiterhin Hardware einsetzen und Hashes berechnen. Die Energie- und Hardwarekosten von PoW verschwinden dadurch nicht.

Ziel ist allerdings, dass ein Angreifer nicht nur die Hashrate berücksichtigen muss, sondern auch den Stake der ausgewählten Teilnehmer. Wie viel zusätzlichen Schutz das tatsächlich bringt, hängt von der Verteilung von Hashrate und Coins, davon ab, wie viele Staker online sind, und von den Regeln des Protokolls.

Das ursprüngliche Design hatte das Ziel, möglicherweise weniger PoW-Sicherheit zu benötigen als bei einem vollständig auf PoW basierenden System. Dadurch könnte der Energieverbrauch niedriger ausfallen. Das ist aber kein automatisches Ergebnis: Ein hybrides Design bleibt von Mining abhängig und kann daher weiterhin viele Ressourcen verbrauchen.

Was ist der Unterschied zwischen Proof of Activity und Proof of Stake?

Bei reinem Proof of Stake sind Validatoren über ihren Stake für die Blockproduktion verantwortlich, während Proof of Activity zuerst einen Miner braucht, um den Prozess zu starten.

In einem PoS-System sperren Validatoren Coins als Sicherheit und werden nach den Regeln des Netzwerks ausgewählt, um Blöcke zu erstellen oder zu prüfen. Für jeden Block ist keine PoW-Mining-Phase nötig.

Bei Proof of Activity läuft es in zwei Schritten anders. Zuerst findet ein Miner mit Rechenleistung einen gültigen Header. Dieser Header bestimmt dann, welche Stakeholder den Block unterzeichnen und abschließen. Proof of Activity kombiniert also Mining-Kosten mit Teilnahme auf Basis von Stake.

Proof of Stake ist übrigens kein festes Rezept. Ethereum nutzt zum Beispiel Gasper. Validatoren sperren dort ETH, stimmen über Blöcke ab und können bei bestimmten böswilligen Handlungen einen Teil ihres Einsatzes verlieren. Das nennt man Slashing.

Auch Decred ist keine reine PoS-Blockchain. Dort erstellen Miner die Blöcke und ausgewählte Tickets stimmen darüber ab. Genau deshalb lässt sich Decred besser als hybrides PoW/PoS-Design einordnen.

Was sind die Vorteile von Proof of Activity?

Ein Vorteil von Proof of Activity ist, dass die Kontrolle über die Blockproduktion auf Miner und Stakeholder verteilt werden kann. Das Netzwerk verlässt sich dadurch nicht ausschließlich auf Parteien mit viel Rechenleistung und auch nicht nur auf große Staker.

Im ursprünglichen Design muss jemand, der eine alternative Chain erstellen will, nicht nur minen können. Diese Person muss auch genügend Einfluss auf den ausgewählten Stake haben oder ausgewählte Teilnehmer dazu bringen, mitzuarbeiten. Unter den Annahmen des Designs kann das einen Angriff teurer und schwieriger machen.

Die Staking-Phase kann Coinholdern außerdem Anreize geben, Online-Nodes verfügbar zu halten. Miner haben in der Regel Kosten für Hardware und Energie. Staker haben nach dem ursprünglichen Modell niedrigere Betriebskosten, wodurch das Verhältnis zwischen Sicherheit und Belohnungen möglicherweise günstiger ausfallen kann.

Ein hybrides System kann außerdem zusätzliche Funktionen mit Staking verknüpfen. Decred zeigt das: Ausgewählte Tickets validieren nicht nur von Minern erstellte Blöcke, sondern können auch über vorab festgelegte Änderungen der Konsensregeln abstimmen.

Bei Decred können Ticketstimmen außerdem Einfluss auf die Belohnung der Miner haben. Lehnt eine Mehrheit der ausgewählten Tickets den vorherigen Block ab, kann der Miner dafür die Belohnung verlieren. So erhalten Staker innerhalb dieses Protokolls eine Möglichkeit, problematisches Mining-Verhalten wie das Minen leerer Blöcke zu bremsen.

Das sind allerdings Eigenschaften eines bestimmten Designs oder Protokolls. Das Label Proof of Activity allein sagt nicht automatisch, wie viel Energie eine Blockchain verbraucht oder wie schwer ein Angriff genau wird.

Was sind die Einschränkungen und Risiken von Proof of Activity?

Proof of Activity nimmt die Nachteile von Mining nicht vollständig weg. Weil die PoW-Phase bestehen bleibt, gibt es weiterhin Energiekosten, Hardwarekosten und einen Druck in Richtung größerer Miner, die sich mehr Ressourcen leisten können.

Auch die Konzentration von Stake bleibt ein Thema. Im ursprünglichen Follow-the-Satoshi-Design haben Teilnehmer mit mehr Coins häufiger die Chance, als Unterzeichner ausgewählt zu werden. Dadurch können sie häufiger Belohnungen erhalten und mehr Einfluss gewinnen.

Verfügbarkeit ist ein zweites praktisches Risiko. Wenn ein ausgewählter Staker offline ist, kann er nicht unterzeichnen. Im ursprünglichen Design kann ein Header dann manchmal nicht abgeschlossen werden. Bei Decred führt ein offline Ticket bei einem Aufruf zu einer verpassten Stimme ohne Belohnung. Ob eine Blockchain dadurch langsamer wird, hängt von der benötigten Anzahl an Stimmen und den Fallback-Regeln ab.

Die Regeln sind außerdem komplexer als bei einem einzelnen Konsensmechanismus. Du hast Mining, Stake-Auswahl, Signaturen, Belohnungen und Regeln für verschiedene Versionen der Blockchain. Das erfordert sorgfältigen Code, Audits und klare Vereinbarungen innerhalb des Protokolls.

Bei Decred können Nutzer Tickets an Voting Service Provider, auch VSPs genannt, delegieren. Ein solcher Dienst kann theoretisch anders abstimmen als vom Ticketbesitzer gewünscht. Das wäre sichtbar und Nutzer könnten zu einem anderen Dienst wechseln, aber es bleibt ein Risiko rund um Delegation und Zentralisierung.

Kurz gesagt: Ein hybrides Modell kann zusätzliche Hürden für Angreifer schaffen, behält aber auch die Risiken von Mining und Staking bei.

Wo wird Proof of Activity eingesetzt?

Decred ist eine funktionierende Blockchain mit einem PoW/PoS-Hybridmodell, das von Proof of Activity und einem früheren Design namens MC2 inspiriert ist. Es setzt das ursprüngliche Proof-of-Activity-Protokoll nicht exakt um, zeigt aber gut, wie Mining und Staking in einem System zusammenarbeiten können.

Seit Block 4.096, der am 21. Februar 2016 gemined wurde, verarbeitet jeder Decred-Block Stimmen von mindestens drei Tickets. Diese Stimmen bestätigen den Inhalt des vorherigen Blocks. Miner erstellen also Blöcke, brauchen für die Validierung aber die Teilnahme der Ticketbesitzer.

Der Unterschied zum ursprünglichen Vorschlag liegt vor allem in der Auswahl. Decred arbeitet mit einem Pool bereits gekaufter Tickets, die zunächst reifen müssen. Das ursprüngliche Design wählt Stakeholder über Follow-the-Satoshi auf Basis des Headers aus, den ein Miner gerade gefunden hat.

Neben Decred wird Espers manchmal als Anwendung von Proof of Activity genannt. Die aktuelle Funktionsweise und die genaue Nähe zum ursprünglichen Design sind jedoch nicht klar. Deshalb ist es nicht richtig zu sagen, dass Proof of Activity heute in großem Umfang genutzt wird.

Fazit

Proof of Activity ist eine hybride Methode, um Konsens in Krypto zu organisieren. Miner starten die Blockproduktion mit Proof of Work, danach helfen ausgewählte Staker dabei, den Block zu prüfen und abzuschließen.

Das kann die Macht über eine Blockchain stärker verteilen als bei nur Mining oder nur Staking. Gleichzeitig bleibt das System von Mining-Hardware, verfügbaren Stakern und sorgfältig gewählten Regeln abhängig. Decred zeigt, wie ein solcher hybrider Ansatz in der Praxis funktionieren kann, auch wenn er technisch vom ursprünglichen Proof-of-Activity-Vorschlag abweicht.

Für dich ist vor allem das wichtig: Proof of Activity ist kein Standardmodell, das du überall findest, sondern ein interessantes Design, in dem zwei bekannte Formen des Konsenses zusammenkommen.