Ethereum Merge – Deel 1

Dit is het eerste deel van een tweeluik waarbij we één van de meest geanticipeerde events in de cryptowereld van de laatste jaren onder de loep nemen: de Ethereum Merge.
In deel 1 nemen we een diepe duik  in het technische aspect van de Ethereum Merge. Wat is de Merge? Welke gevolgen brengt de Ethereum Merge met zich mee?
Deel 2 zal zich volgende keer meer toespitsen op de speculatieve en financiële kant van dit verhaal.

Ethereum Merge Vitalik Tweet
Vitalik Buterin, co-founder Ethereum, is in de wolken na de succesvolle Ethereum Merge

‘t Is gebeurd! Op 15 September, enkele minuten voor 9u ‘s ochtends is de Ethereum Merge succesvol geïmplementeerd.
De langverwachte update aan het Ethereum netwerk lag eigenlijk al van bij het prille begin, in 2015, op de tekentafel. Er zijn echter enkele jaren van ontwikkeling, voorbereiding en testen nodig geweest alvorens deze update uit te voeren was.
Met deze Merge is de overgang van Ethereum van een Proof-of-Work consensus algoritme naar een Proof-of-Stake consensus algoritme voltooid.

Proof of Stake vs. Proof of Work - Consensus Algoritme

 Het consensus algoritme is een essentieel proces van de blockchain. Dit algoritme zorgt voor de keuze van de miners die een nieuw block van transacties mogen toevoegen aan de ketting van voorgaande transactie-blocks. De miners zijn deelnemers van een blockchain, die een zeer belangrijke rol hebben. Door het cryptografisch linken van de transactie blocks, verzekeren en beveiligen miners de digitale transacties en “state” van het blockchain netwerk. De state is de precieze stand van zaken oftewel de boekhouding van de blockchain: het laatste overzicht van welke accounts (wallets enz.) en smart contracts welke precieze hoeveelheid coins of digitale tokens bezitten.

Proof-of-Work

Net als Bitcoin, maakte Ethereum, tot voor de Merge, gebruik van een Proof-of-Work algoritme. Hierbij moeten de miners  een complexe mathematische puzzel zo snel mogelijk oplossen. De miner die als eerste deze puzzel oplost, mag dan het volgende transactieblock aanmaken dat wordt toegevoegd aan de blockchain. In ruil hiervoor ontvangt de miner een block reward en de transaction fees onder de vorm van digitale tokens of coins (bvb. ETH of bitcoin). Omdat de miner een grote hoeveelheid computer-rekenkracht nodig heeft om de puzzel op te lossen spreekt men van Proof-of-Work (PoW).
Dit mechanisme  zorgt er ook voor dat de blockchain beveiligd wordt. De grote hoeveelheid computerkracht die nodig is om een blockchain als Bitcoin te kapen maakt het quasi onmogelijk voor een hacker om dit te realiseren.

Bitcoin Mining
Proof-of-Stake
Werking

Bij Proof-of-Stake (PoS) zijn er geen miners meer, maar heten deze “validators”. De validators moeten op voorhand een bepaalde hoeveelheid digitale tokens vastzetten in een smart contract. Dit proces noemen we “staking”. Bij Ethereum ben je als validator verplicht om 32 ETH te staken.
Het PoS  consensus algoritme kiest dan bij elke block willekeurig een groep validators die de transacties moeten valideren. Deze goedgekeurde transactie-blocks worden dan toegevoegd aan de Ethereum blockchain. Indien 2/3 van deze groep validators de transacties goedkeurt, worden deze transacties als gevalideerd beschouwd.
In ruil hiervoor krijgen alle validators van het netwerk een vergoeding onder de vorm van ETH. Deze vergoeding is variabel en hangt af van een aantal factoren als aantal gebruikers en aantal validators/stakers op dat moment. Momenteel komt dit overeen met een 4-5% interest op jaarbasis. Deze interest ook “yield” genoemd wordt continu toegevoegd aan het gestakede saldo.

Slashing - Beveiliging van een Proof-of-Stake blockchain

Een validator zou potentieel ook het netwerk kunnen aanvallen voor persoonlijk gewin of sabotage.
Om dit te voorkomen, moeten er in de eerste plaats voldoende validators zijn die elkaar kunnen controleren. Om deze reden lopen validators ETH-beloningen mis als ze niet deelnemen aan het validatie-proces wanneer hen transactieblocks worden toegewezen.
Indien een validator betrapt wordt op oneerlijk gedrag, bvb. door een transactie dubbel uit te voeren (double-spending), kan hun stake deels of zelfs volledig worden vernietigd, dit fenomeen heet “slashen”. Men hoopt op deze manier de veiligheid van de blockchain te garanderen.

De Merge zelf

Wat is er nu exact gebeurd tijdens de Ethereum Merge op 15 September?
De feitelijke Ethereum Merge is de samenvoeging van de execution en application layer van het Ethereum Mainnet met de Beacon Chain.
De application layer is het deel van de blockchain waar alle applicaties (Dapps), smart contracts en regels van de blockchain leven. De Beacon Chain was de aparte blockchain van Ethereum die in 2020 is opgericht.  Ze was voorzien van het nieuwe PoS consensus algoritme en validators konden hun ETH hier al enige tijd staken.

Sinds deze Merge worden nieuwe blocks op het Ethereum Mainnet dus niet meer gemined maar zijn de validators verantwoordelijk voor het valideren van deze nieuwe blocks.

De Ethereum Merge

Waarom Proof-of-Stake?

Energieverbruik

Omwille van de grote computer-rekenkracht die een PoW algoritme vereist, verbruiken de miners van de blockchain een grote hoeveelheid energie. Naast deze energiekosten zijn er ook significante kosten verbonden ivm de aankoop van de nodige miner hardware.
De Merge zorgt ervoor dat Ethereum 99,9% minder energie zal verbruiken dan voorheen. Gezien de wereldwijde energiecrisis en algemene focus op duurzaamheid, is dit een enorme vooruitgang.
Ook wordt de prijsdruk op de chipsets van grafische kaarten significant verlaagd door de Ethereum Merge. Het zijn namelijk deze GPU kaarten die gebruikt voor het minen van Ethereum.
Dit maakt het gebruik van deze kaarten dan weer voordeliger voor andere toepassingen. Overal waar artificiële intelligentie nodig is, heeft men deze kaarten ook nodig om de AI modellen te trainen en uit te voeren. Alsook in de entertainment en videogame wereld om 3D virtuele werelden te maken en weer te geven.

Schaal en performantie

De Merge is ook een serieuze stap vooruit in het schaalprobleem waar Ethereum sinds enkele jaren mee worstelt.
Sinds de populariteit van de Cryptokitties NFT game in 2017 en enkele populaire NFT-releases in 2021 is gebleken dat het Ethereum netwerk in zijn huidige vorm niet performant genoeg is. In periodes van drukte worden de transacties niet tijdig verwerkt, met vertragingen en zeer dure transacties als gevolg. Dit is nadelig voor een goede gebruikerservaring van de Ethereum blockchain.
De Merge maakt het mogelijk in de toekomst “sharding” toe te gaan passen op deze blockchain, een techniek die zal toelaten om het aantal transacties per seconde (TPS) op te schalen van het huidige 10 TPS naar enkele 10 000en TPS.
Dit in combinatie met het extern bundelen van transacties via Layer 2 blockchains (bvb. Arbitrum en Optimism) van Ethereum, belooft in de toekomst van Ethereum een veel performantere blockchain te zullen maken.

Risico's van de Ethereum Merge

Veiligheid

Het overstappen van een Proof-of-Work algoritme naar een Proof-of-Stake algoritme is niet zonder risico’s. Proof-of-Work heeft zich al meer dan een decennium bewezen als veilige wijze om een blockchain en zijn transacties te zekeren en beveiligen. Bitcoin is gedurende die tijd nog nooit met succes aangevallen of gehackt, en nooit stilgelegd, zelfs niet voor korte tijd.
Proof-of-Stake daarentegen heeft zich nog bewijzen op dat vlak en bevindt zich eerder in een experimentele fase.

Centralisatie

Momenteel is 65% van de gestakte ETH in handen van vijf grote partijen.
Eindgebruikers kunnen namelijk gebruik maken van deze partijen om hun ETH bij hen te staken (“Pooled Staking“) en zo aanspraak te maken op deel van de interest zonder de volledige 32 ETH te moeten staken en de nodige validator hard- en software op te zetten. 
De vraag stelt zich, wat er zou gebeuren als deze partijen verplicht worden, bvb. door een overheid, om bepaalde transacties te blokkeren of om bepaalde nieuwe Ethereum Improvement Proposals (EIP’s), voorstellen met updates, weg te stemmen? 
Hier was er onlangs een precedent, waarbij een gedecentraliseerde applicatie (dapp), Tornado Cash, op een Amerikaanse sanctielijst van het OFAC werd geplaatst. Waarna sommige andere dapps op Ethereum de adressen begonnen te bannen die in het verleden gebruik gemaakt hadden van Tornado Cash. (Lees hier meer over deze gebeurtenis.)
Deze grote partijen trachten in sommige gevallen wel enkele mechanismes in te bouwen om centralisatie te voorkomen. Zo tracht Lido zijn bestuur te decentraliseren met een governance token: LDO. Maar dat verschuift dan ook weer de decentralisatie-vraag naar de distributie van deze token (die spijtig genoeg op dit moment nog vrij geconcentreerd is  in de handen van enkele Ethereum adressen).
Het is een complexe en terechte zorg die PoS met zich meebrengt: is deze werking bestand tegen censuur?
Dit is een belangrijke eigenschap van een werkelijke gedecentraliseerde blockchain en heet censorship-resistance.

Eth Staking Concentration
Yield

 Een ander zorg is er omwille van de yield (interest) die de stakers ontvangen. Gezien deze yield verdeeld wordt over de validators volgens het percentage van de totale stake van die validator, rijst de vraag of dit op langere termijn niet zal bijdragen tot de concentratie van ETH  in de handen van de entiteiten die reeds van bij het begin grotere hoeveelheden ETH staken.
Dit maakt het mogelijks moeilijker en minder interessant voor nieuwe participanten die op een later tijdstip willen instappen als validator.
Bij een grondige en werkelijke decentralisatie wil je zoveel mogelijk participanten, en wil je dat het aantal actieve blockchain-participanten (miners/nodes/validators) zich uitbreidt met de tijd.

Bitcoin Mining Pools
Bitcoin Mining Pools
Parallellen met Bitcoin Mining Pools

We kunnen ook de vergelijking maken met het Proof-of-Work algoritme van Bitcoin, en dan zien we wel een aantal parallellen: de Bitcoin Miners poolen namelijk ook mining resources samen in grote Mining Pools, en verdelen de block rewards over de participanten van deze pools. De instapkost om bitcoin te minen is reeds enige tijd aan de hoge kant, omwille van de gespecialiseerde hardware die hiervoor nodig is, en is voor de meeste individuen niet meer rendabel, tenzij je toegang hebt tot zeer goedkope energie.
Ondanks deze zaken, zijn er toch voldoende verschillende miners (en nodes) en is er geografisch ook voldoende spreiding van de miners  dat we kunnen 
we besluiten dat Bitcoin een werkelijk gedecentraliseerd netwerk is met een zeer hoge censorship-resistance.
Hopelijk blijft dit ook zo voor Ethereum na de Merge en overgang naar een Proof-of-Stake werking van de blockchain.

Conclusie

Indien we de bedenkingen en risico’s die de overgang van een PoW naar PoS algoritme even buiten beschouwing laten, is men in het algemeen erover eens dat de Merge een ongelooflijke prestatie is. De vlotte overgang spreekt boekdelen over de capaciteiten en executie van de Ethereum core ontwikkelaars.

De Merge heeft ook de weg vrijgemaakt voor verdere schaalbaarheidsupgrades die niet mogelijk waren onder proof-of-wor. Het brengt Ethereum een stap dichter bij het bereiken van de oorspronkelijke Ethereum visie: het groeien van een performant, veilig en duurzaam Smart Contract Platform tot globale schaal.
Deze upgrade kan de positie van Ethereum als marktleider in de markt van Smart Contract platformen nog verder bestendigen. Zelfs in een markt die in 2021 enorm geboomd is en steeds competitiever wordt.

De vraag of PoS al dan niet nadelig is voor de decentralisatie en censor-ship resistance van deze blockchain zal zich met de tijd uitwijzen.
Daarom is het net ideaal dat de twee grootste publieke blockchains van dit moment: Bitcoin en Ethereum. Elk maakt gebruik van een ander type consensus algoritme.
De roep van organisaties als Greenpeace om het Bitcoin consensus algoritme ook te switchen naar een PoS algoritme lijkt dus veel te voorbarig. Bitcoin heeft bovendien een andere functie (Bitcoin is geen Smart Contract platform) en legt andere prioriteiten en mag dus ook niet 1-op-1 vergeleken worden met een blockchain als Ethereum.

Chad Vitalik Buterin
The Chad: Vitalik Buterin - Co-founder Ethereum