Het was even spannend voor ETH-bezitters maar op 15 september 2022 was het dan eindelijk zover: Ethereum ging over van Proof of Work (PoW) naar Proof of Stake (PoS). Deze gebeurtenis die bekend staat als The Merge (de fusie) zorgde ervoor dat crypto-miners niet langer transacties konden valideren op de Ethereum-blockchain en tevens ook geen blokbeloningen meer konden ontvangen. Ruim 7 jaar na de lancering van Ethereum kwam er een einde aan de mijnbouw op het platform.

Betere schaalbaarheid en duurzamer

The Merge (die ook wel de Parijs-upgrade wordt genoemd) werd uitgevoerd bij het bereiken van een Total Terminal Difficiculty (moeilijkheidsgraad) van 58750000000000000000000. Dit is een vooraf bepaald punt (ook wel de TTD-waarde genoemd) waarbij het minen van ETH in principe onmogelijk werd gemaakt en de blokketen automatisch overschakelde naar Proof of Stake. The Merge duurde iets langer dan 12 minuten. Tijdens The Merge legden de cryptohandelsbeurzen de handel in ETH en andere ERC-20 tokens uit voorzorg even stil, voor het geval dat de fusie niet goed zou verlopen. De overstap van Ethereum van PoW naar PoS was noodzakelijk omdat het blockchainnetwerk steeds drukker wordt. Niet alleen particuliere gebruikers weten Ethereum steeds beter te vinden, maar ook bedrijven onderzoeken steeds vaker de mogelijkheden van blockchaintoepassingen. The Merge legt in principe een belangrijke basis voor het vergroten van de schaalbaarheid van het platform. Daarnaast is het PoS-validatiesysteem een veel milieuvriendelijker alternatief voor het PoW-validatiesysteem, omdat er bij het validatieproces veel minder energie wordt verbruikt. PoS is in meerdere opzichten dan ook een veel duurzamer consensusmodel.

And we finalized!

Happy merge all. This is a big moment for the Ethereum ecosystem. Everyone who helped make the merge happen should feel very proud today.

— vitalik.eth (@VitalikButerin) September 15, 2022

Bellatrix-upgrade

De Proof of Work-blockchain (ook wel het ‘Ethereum-Mainnet’ genoemd) en de Proof of Stake-blockchain (de Beacon Chain) werkten sinds 2020 parallel aan elkaar. Om The Merge succesvol te laten verlopen werd 9 dagen eerder (op 6 september 2022) de zogenaamde ‘Bellatrix-upgrade’ uitgevoerd. De Bellatrix hard fork – die de blokketen in feite voorbereidde op de Parijs-upgrade – werd gecodificeerd in de codebase bij epoch 144.896 op de Beacon Chain. Epoch is een periode van crypto-mining en 1 epoch is de tijd die nodig is om 30.000 blokken te valideren. Een epoch neemt toe met iedere 30.000 blokken voor alle ETH-coins. Kort na de Bellatrix-upgrade steeg de prijs van ETH met 5,7% ten opzicht van de USD en had de cryptomunt een waarde van 1700 USD.

De stake

Door The Merge zal de Ethereum-blockchain anders functioneren en wordt de transactiesnelheid verhoogd. Bovendien kunnen er nieuwe veilige token-standaarden op het platform worden geïntroduceerd. Bij het Proof of Stake-validatiemodel worden alle transacties binnen het blockchainnetwerk bevestigd door adressen die een bepaalde hoeveelheid crypto-activa hebben ingezet (de stake). Daarbij wordt de stake verpand aan een smart contract dat binnen het netwerk wordt uitgevoerd. In principe geldt daarbij: hoe hoger de inzet (de hoeveelheid ETH dat een gebruiker in bezit heeft), hoe hoger de beloningen die de gebruikers kunnen ontvangen. Na The Merge blijft alles voor gebruikers in principe hetzelfde. Er verandert niets aan adressen, crypto-wallets of transacties en alles blijft hetzelfde werken als daarvoor.

Smart contracts

Transacties op de Ethereum-blockchain gaan momenteel nog vaak gepaard met hoge kosten. The Merge biedt echter geen oplossing voor de hoge GAS-prijzen binnen het netwerk. Ethereum-GAS is een meeteenheid die de rekeningspanning vertegenwoordigt, die nodig is om een bepaalde transactie binnen het netwerk uit te voeren. The Merge moet in feite worden beschouwd als de basis voor een reeks volgende upgrades, die er uiteindelijk wel voor moeten gaan zorgen dat de transacties op de Ethereum-blockchain een stuk goedkoper worden. Na The Merge kunnen gebruikers onder meer smart contracts uitvoeren op het Ethereum-Mainnet, met behulp van PoS in plaats van met PoW. Voor de crypto-miners die jarenlang transactieblokken hebben gevalideerd zal het wel even wennen zijn. Waarschijnlijk zullen de meeste van hen overstappen naar andere Proof of Work-blockchainnetwerken, waar ze het crypto-minen weer kunnen oppakken. Voor de grote mining-farms is het echter een hard gelag, want zij zullen hun hele bedrijfsmodellen moeten aanpassen. Verwacht wordt dat veel van de ETH-miners zullen overstappen naar Ethereum Classic (ETC), een afsplitsing van Ethereum.

Hoe werkt Proof of Stake op de Ethereum-blockchain?

Proof of Stake ligt aan de basis van het consensus-protocol van het Ethereum-netwerk. Consensus-protocollen zijn zogenaamde fouttolerante mechanismen (algoritmen) die worden gebruikt in blockchain-ecosystemen. De algoritmen zorgen voor het bereiken van de noodzakelijke overeenstemming (consensus) over een enkele gegevenswaarde of een enkele status van het blockchainnetwerk, tussen gedistribueerde processen of systemen met behulp van nodes (knooppunten) in het netwerk. Bij het Proof of Work-mechanisme was de inzet van rekenkracht vereist, waardoor crypto-miners ingewikkelde puzzels konden oplossen en op die manier blokken konden valideren en aan de blokketen toevoegen. Het mining-proces zorgde er tegelijkertijd voor dat het netwerk werd beveiligd en onderhouden. Bij Proof of Stake wordt de consensus binnen het netwerk op een andere manier bereikt.

Validators

Bij PoS zetten zogenaamde ‘validators’ een bepaalde hoeveelheid ETH in, met behulp van een smart contract op de Ethereum-blockchain. Deze ETH – die als onderpand wordt ingezet – kan worden vernietigd als een validator zich oneerlijk of op een andere ongewenste manier gedraagt. Dat bekent dus dat ze hun ETH kunnen kwijtraken als ze zich verdacht gedragen. De validators moeten controleren of nieuwe transactieblokken in het blockchainnetwerk geldig zijn en af en toe ook zelf nieuwe transactieblokken creëren en distribueren. Proof of Stake zorgt niet alleen voor minder energieverbruik, maar verlaagt ook de toegangsdrempels om aan het validatieproces te kunnen deelnemen . Omdat er geen zware berekeningen meer hoeven te worden uitgevoerd die enorm veel stroom vreten, verdwijnt de noodzaak van dure geavanceerde hardware.

Minder risico van centralisatie

Ook zou met PoS het risico van ‘centralisatie’ aanzienlijk kunnen worden verminderd. Bij Proof of Work ligt dit risico op de loer doordat veel crypto-miners hun krachten bundelen en samenwerken in grote mining-pools, waardoor ze gezamenlijk veel invloed binnen het netwerk kunnen krijgen. Deze situatie kan leiden tot een 51%-aanval. Omdat Proof of Stake meestal leidt tot meer nodes binnen het netwerk, kan het centralisatie-risico sterk worden gereduceerd. Om validator te worden moeten gebruikers 32 ETH in het depositocontract storten en de volgende 3 afzonderlijke softwareprogramma’s uitvoeren:

• uitvoeringsclient
• consensusclient
• Validator

Activeringswachtrij

Bij het storten van de ETH sluiten de validators zich aan bij een zogenaamde ‘activeringswachtrij’, die het aantal nieuwe validators die willen deelnemen aan het validatieproces binnen de Ethereum-blockchain beperkt. Als een validator eenmaal is geactiveerd, dan ontvangen zij nieuwe blokken van de andere nodes in het netwerk De transacties die in het blok worden geleverd, worden vervolgens opnieuw uitgevoerd en de intrinsieke blokhandtekening wordt nauwkeurig gecontroleerd, om te verifiëren of het desbetreffende blok ook daadwerkelijk geldig is. Vervolgens verzendt de validator een ‘getuigenis’ ten gunste van het te valideren blok over het blockchainnetwerk.

Slots en epochs

In tegenstelling tot PoW – waarbij de timing van transactieblokken wordt bepaald door de TTD-waarde (de moeilijkheidsgraad) van het mining-proces – ligt de snelheid waarmee blokken worden gegenereerd bij PoS vast. De timing bij PoS op de Ethereum-blockchain is verdeeld in zogenaamde ‘slots’ van 12 seconden en ‘epochs’ (tijdperken) van 32 slots. In ieder afzonderlijk slot wordt op willekeurige wijze 1 validator door het blockchain-protocol geselecteerd als blokaanbieder. Deze geselecteerde blok-validator is verantwoordelijk voor maken van een nieuw transactieblok en het verzenden van het blok naar de andere nodes binnen het Ethereum-netwerk. In ieder slot van 12 seconden wordt willekeurig een ‘commissie van validators’ gekozen. De stemmen van deze gekozen commissie worden vervolgens gebruikt, om de geldigheid van een aan het netwerk voorgesteld transactieblok te bepalen. Wanneer een blok door het netwerk wordt geaccepteerd, dan bereikt de transactie zogenaamde ‘finaliteit’. Op dat moment kan een blok in principe niet meer worden veranderd zonder dat daarbij een grote hoeveelheid aan ETH wordt verbrand.

De juiste hardware en voldoende connectiviteit

Aan de validators worden bepaalde eisen gesteld. Zo moeten ze beschikken over de juiste hardware en voldoende connectiviteit om aan het validatieproces deel te nemen. In ruil voor hun bijdragen ontvangen de validators een bepaalde hoeveelheid ETH van het netwerk, waardoor hun ETH-saldo toeneemt. Wanneer de validators worden opgeroepen om aan het validatieproces deel te nemen, dan zijn zij daartoe ook altijd verplicht. Geven ze geen gehoor aan die oproep dan ontvangen ze geen ETH-beloningen, maar bovendien lopen ze het risico dat hun ETH-inzet (de stake) wordt vernietigd, als ze zich op een oneerlijke manier gedragen. Het PoS-protocol zorgt ervoor dat het niet loont om de Ethereum-blockchain aan te vallen of doelbewuste sabotageacties binnen het netwerk uit te voeren voor persoonlijk gewin of andere motieven.

Correlatiestraf

Er zijn verschillende manieren waarop een validator zich oneerlijk zou kunnen gedragen. Zo zou een validator meerdere blokken in 1 slot kunnen voorstellen, waarbij een blok ‘dubbelzinnig’ wordt gemaakt. Daarnaast kunnen validators tegenstrijdige ‘getuigenissen’ indienen. In dat geval wordt er een zogenaamde ‘correlatiestraf’ uitgedeeld. Daarbij is de hoeveelheid ETH van de malafide validator die wordt verlaagd afhankelijk van hoeveel validators er binnen het netwerk in diezelfde periode ook worden gestraft. In het gunstigste geval wordt de inzet van een enkele validator verlaagd met één procent van de totale stake, maar het oneerlijke gedrag kan er ook toe leiden dat de volledige stake wordt vernietigd. Deze economische straf wordt opgelegd halverwege een gedwongen ‘uitstapperiode’. Op dag 1 van de uitstapperiode wordt door het netwerk aan de malafide validators een boete opgelegd die kan oplopen tot 0,5 ETH. Op dag 18 (op de helft) van de uitstapperiode volgt de correlatieboete en op dag 36 volgt uiteindelijk een verwijdering uit het Ethereum-blockchainnetwerk.

Attestboetes

Bovendien ontvangen de malafide validators iedere dag kleine zogenaamde ‘attestboetes’, omdat ze wél op het blockchainnetwerk aanwezig zijn, maar geen bijdrage meer leveren. Deze attestboetes en de andere economische straffen zorgen er dus mede voor, dat een gecoördineerde aanval op het netwerk voor oneerlijke validators een duur grapje wordt. De financiële sancties na een aanval doen de mogelijk te behalen persoonlijke winsten teniet, waardoor de motieven om het validatieproces op de een of andere manier te compromitteren worden weggenomen. Wanneer het Ethereum-blockchainnetwerk op de juiste manier en eerlijk functioneert, dan kan er bij een normale situatie in principe maar 1 nieuw transactieblok bovenaan de keten staan, dat door alle geselecteerde validators wordt bevestigd.

LMD-GHOST-algoritme en Casper-FFG

Er kan zich echter een situatie binnen het netwerk voordoen waarbij de validators geen overeenstemming bereiken over het nieuwe blok van de blokketen. Dat kan bijvoorbeeld komen door vertragingen binnen het netwerk, maar ook doordat een bepaalde blokaanbieder ‘dubbelzinnig’ is geworden. Bij dubbelzinnigheid worden meerdere blokken in 1 slot voorgesteld. Daarom heeft het Ethereum-netwerk een algoritme nodig om te bepalen welk nieuw blok de voorkeur heeft. Dit algoritme heet LMD-GHOST en is in staat om de juiste blokketen te identificeren. De juiste blokketen is de keten die het grootste gewicht aan ‘transactie-getuigenissen’ in zijn volledige geschiedenis heeft. Daarnaast maakt Ethereum Proof of Stake gebruik van het algoritme Casper-FFG (Casper the Friendly Finality Gadget). Casper-FFG zorgt ervoor dat de transactieblokken binnen het netwerk de status krijgen van ‘afgerond’, zodat de nodes binnen het netwerk er zeker van kunnen zijn dat ze de juiste legitieme blokketen synchroniseren. LMD-GHOST en Casper-FFG zorgen er gezamenlijk voor dat het Proof of Stake consensus-protocol veilig en op de juiste wijze verloopt. Ook vormen ze samen het mechanisme dat beslist hoe de validators op de Ethereum-blockchain precies moeten worden beloond of moeten worden gestraft met crypto-economische sancties.

51%-aanvallen

Ondanks The Merge bestaat er binnen het Ethereum-netwerk nog steeds de mogelijkheid tot een 51%-aanval. Echter is een dergelijke aanval voor de aanvallers nu veel riskanter geworden, omdat ze al hun ETH kunnen verliezen. Voor het uitvoeren van een 51%-aanval binnen het PoS-netwerk is altijd meer dan helft van alle ingezette ETH nodig. Malafide validators zouden hun eigen attesten (stemmen) kunnen gebruiken om ervoor te zorgen dat hun favoriete fork (blokketen), de specifieke fork is met de meest verzamelde stemmen. Het gewicht van de verzamelde stemmen is wat ‘consensusclients’ gebruiken om de legitieme blokketen aan te wijzen. Op deze manier is een aanvaller in staat om van zijn favoriete blokketen de primaire keten maken. Dit kan echter door de eerlijke validators binnen het netwerk worden voorkomen, door de blokketen van de aanvaller volledig te negeren en gezamenlijk verder te gaan met de als ‘niet-primaire keten’ aangewezen blokketen. Vervolgens kunnen de eerlijke validators alle andere deelnemers binnen het netwerk aanmoedigen om zich ook op de niet-primaire blokketen (de zogenaamde minderheidsketen) te richten en de malafide keten links te laten liggen.

Meer crypto-economische veiligheid

De eerlijke validators kunnen echter ook een actievere rol spelen en de aanvallers direct uit het blockchainnetwerk verwijderen en vervolgens al hun gestaakte ETH vernietigen. Naast 51%-aanvallen zijn er ook andersoortige aanvallen op het blockchainnetwerk mogelijk, dus ook Proof of Stake is nog niet volledig bestand tegen dergelijke kwaadaardige activiteiten. Desondanks is inmiddels wel aangetoond dat PoS zoals het na The Merge werd geïmplementeerd op de Ethereum-blockchain, in economisch opzicht een stuk veiliger is dan PoW. Proof of Stake maakt het voor Ethereum-gebruikers eenvoudiger om validator te worden en een bijdrage te leveren aan de beveiliging van het blockchainnetwerk. Iedere validator-node kan in principe op een gewone computer – zoals bijvoorbeeld een laptop – worden uitgevoerd. De implementatie van PoS is wellicht complexer dan de implementatie van PoW, maar PoS biedt meer decentralisatie, meer crypto-economische veiligheid en er is nauwelijks sprake van CO₂-uitstoot.

Schaalvergroting door shard chains

Ethereum bereidt zich nu voor op de volgende upgrades die de capaciteit en de transactiesnelheid van het netwerk moeten gaan verhogen. Daarvoor worden de zogenaamde shard chains geïntroduceerd, die het netwerk uiteindelijk zullen uitbreiden naar 64 blokketens. Daarbij is het de bedoeling dat de shard chains worden ondersteund door verschillende ‘layer-2-technologiën’ Deze layer-2-schaaloplossingen zijn gemaakt om decentrale applicaties te helpen schalen door bloktransacties buiten het Ethereum-Mainnet (layer 1) te verwerken, terwijl hetzelfde veiligheidsprotocol en dezelfde mate van decentralisatie van het Mainnet worden gehanteerd. Deze layer-2-schaaloplossingen dragen niet alleen bij aan het verhogen van de transactiesnelheid, maar kunnen ook de GAS-kosten aanzienlijk verlagen. Dat komt omdat de crypto-activa (zoals ETH en andere ERC-20 tokens) tijdelijk worden overgezet naar een andere blokketen. Hierdoor kan het rekenwerk binnen het netwerk tegen een fractie van de huidige kosten plaatsvinden.

Shanghai-upgrade

Nu The Merge heeft plaatsgevonden kan Ethereum verder bouwen aan zijn platform. Blockchain-engineers binnen de Ethereum-community zullen de komende tijd gezamenlijk moeten bepalen welke functionaliteiten ze willen opnemen in de eerstvolgende upgrade van Ethereum. Daarover is echter nog geen consensus binnen de community. Een van de voorstellen richt zich op de mogelijkheid voor Ethereum-validators om hun ETH in te trekken als zij dat willen. Op dit moment kan de ETH alleen worden gestort in het ‘stake-protocol’ van Ethereum en niet worden opgenomen. Momenteel zit er voor ruim 21 miljard USD aan ETH in het netwerk van Ethereum. Wanneer in de Shanghai-upgrade de mogelijkheid tot intrekking van ETH wordt opgenomen, dan kan dat grote gevolgen voor het netwerk hebben.

Upgrade van de EVM

In de Shanghai-upgrade worden waarschijnlijk ook een aantal nieuwe functies voor de Ethereum Virtual Machine (EVM) opgenomen. De EVM is een essentieel onderdeel van het Ethereum-netwerk, omdat deze virtuele machine de precieze regels definieert, die bepalen hoe transactieblokken binnen de blokketen met elkaar communiceren. Een van de mogelijke aanpassingen aan de EVM is EIP-4895. EIP staat voor Ethereum Improvement Proposals. Dit zijn verbeteringsvoorstellen die standaarden beschrijven voor de Ethereum-blockchain, inclusief kernprotocolspecificaties, client-API’s en smart contract-standaarden. EIP-4895 biedt een manier om validator-opnamen van de beacon chain te integreren met de Ethereum Virtual Machine, waardoor de validators een bepaalde hoeveelheid ETH uit het staking-contract kunnen intrekken.

EVM Object Format

Een andere toevoeging die mogelijk binnen de Shanghai-upgrade wordt geïntegreerd is het zogenaamde EVM Object Format (EVM-objectindeling). Dit verbeteringsvoorstel is opgenomen in EIP-3540. De EVM-objectindeling is een uitbreidbaar containerformaat met versiebeheer voor EVM-bytcode, met een eenmalige validatie tijdens de implementatie. EIP-3540 geeft alle smart contracts een specifieke identificatie op basis van welke versie van de Ethereum Virtual Machine ze zijn ingezet. Daarnaast zou dit verbeteringsvoorstel de scheiding van code en data ‘on-chain’ mogelijk moeten maken. Bloktransacties op de Ethereum-blockchain worden permanent binnen het netwerk vastgelegd en smart contracts kunnen niet meer worden gewijzigd, nadat ze binnen het digitale ecosysteem zijn geïmplementeerd. Wanneer iemand probeert om een smart contract te wijzigen, dan is de kans groot dat het contract ‘breekt’. Een smart contract binnen de EVM dat eenmaal is verbroken kan niet meer worden gerepareerd.

EIP-3540 maakt de EVM flexibeler

EIP-3540 biedt de mogelijkheid om smart contracts in twee verschillende categorieën in te delen: de zogenaamde EVM Objectindeling-geformatteerde smart contracts en de zogenaamde legacy-contracten. Door deze opzet zouden nieuwe wijzigingen in de Ethereum Virtual Machine kunnen worden toegepast op de EVM Objectindeling-geformatteerde smart contracts en zouden de legacy-contracten onaangetast blijven. EIP-3540 maakt de EVM als het ware flexibeler en biedt tegelijkertijd bescherming tegen oudere contracten, die niet zijn geoptimaliseerd voor onvoorziene wijzigingen in de virtuele machine. Verwacht wordt dat de Shanghai-upgrade begin 2023 wordt uitgevoerd. Of EIP-3540 en EIP-4895 ook daadwerkelijk in de upgrade worden opgenomen is nog onduidelijk.

Toename van het aantal gebruikers

The Merge heeft de efficiëntie van de Ethereum-blockchain aanzienlijk verhoogd en verwacht wordt dat er de komende tijd een flinke toename zal zijn van het aantal gebruikers, ontwikkelde decentrale applicaties (dApps) en smart contracts op het netwerk. De precieze gevolgen voor de ETH-prijs zullen we nog even moeten afwachten.

Terug naar boven ↑

Op de hoogte blijven van de ontwikkelingen op het gebied van blockchaintechnologie? Meld je dan nu aan voor de blogpost!