Was ist Proof-of-Work und wie funktioniert es?

Was ist Proof-of-Work?

Proof-of-Work (PoW) ist ein Konsens-Algorithmus, der von mehreren Blockchains verwendet wird, um Transaktionen zu validieren und neue Blöcke zur Blockchain hinzuzufügen. Das bekannteste Beispiel für eine Blockchain, die diesen Algorithmus verwendet, ist Bitcoin. Dies ist die erste Kryptowährung, die PoW verwendet hat. Später wurden neue Blockchains eingeführt, die ebenfalls dieses System nutzen, darunter Litecoin, Dogecoin und Ethereum (vor The Merge im Jahr 2022).

Proof-of-Work ist dezentralisiert, d.h. mehrere unabhängige Teilnehmer/innen helfen, Transaktionen zu validieren. Bei PoW wird dies von Minern erledigt, die 24 Stunden am Tag komplexe kryptografische und mathematische Formeln lösen. Wir nennen das Mining. Der erste Miner, der die richtige Zahl aus der Formel findet, darf den Block zur Blockchain hinzufügen und die Transaktionen in diesem Block validieren. Je mehr Miner im Netzwerk aktiv sind, desto dezentraler ist das Netzwerk und desto weniger anfällig ist es für Manipulationen. Eine böswillige Partei müsste nämlich mehr als 50% der Rechenleistung des Netzwerks kontrollieren, um Schaden anzurichten.

Ein Miner ist ein Computer, der seine Rechenleistung dem Netzwerk zur Verfügung stellt. Das erfordert eine Menge Rechenleistung und Energie. Deshalb erhält ein Miner eine Belohnung für den Einsatz seiner Rechenleistung. Die Belohnung besteht aus neuer Kryptowährung, die bei der Erstellung eines neuen Blocks in Umlauf gebracht wird. Der Miner erhält diese Belohnung. Die Höhe der Belohnung hängt von der Blockchain ab und wird bei vielen Blockchains von Zeit zu Zeit halbiert, um Knappheit zu schaffen. Mehr Akzeptanz und weniger neue Münzen sollten zu höheren Kursen führen, so die Erfinder.

Wichtigste Erkenntnisse

• Proof of Work ist ein zuverlässiger und erprobter Konsensmechanismus, der Transaktionen dezentral und sicher über kryptografische Rätsel validiert, die schwer zu lösen, aber leicht zu überprüfen sind.

• Ein großer Nachteil ist der hohe Energieverbrauch. Miner verwenden leistungsstarke Spezialhardware (ASICs), was zu Bedenken hinsichtlich der Umweltauswirkungen und der Nachhaltigkeit führt.

• Miner lösen komplexe mathematische Rätsel. Wer als erster erfolgreich ist, darf einen Block hinzufügen und erhält eine Belohnung in Form von neuer Kryptowährung, die einen finanziellen Anreiz zur Sicherung des Netzwerks bietet.

• Das Konzept des PoW geht auf die 1990er Jahre zurück und wurde später von Satoshi Nakamoto auf Bitcoin angewendet.

• PoW ist weniger skalierbar als alternative Systeme wie Proof of Stake, unter anderem aufgrund der langen Blockzeiten und des Energieverbrauchs. Außerdem führt die Dominanz großer Mining-Pools zu Zentralisierungsrisiken.

Wie kam es zu Proof-of-Work?

Proof-of-Work (PoW) wurde lange vor der Existenz von Bitcoin entwickelt, nämlich in den 1990er Jahren. Damals entwickelten die Kryptographen Cynthia Dwork und Moni Naor ein System zur Bekämpfung von Spam und Denial-of-Service (DoS)-Angriffen im Internet. Sie hatten die Idee, dass ein Nutzer oder eine Nutzerin eine kleine Menge an Rechenleistung bereitstellen muss, bevor er oder sie eine Nachricht über das Internet versenden kann. Das würde massiven Spam schwieriger und teurer machen.

Die Idee nahm 1997 mit der Einführung des Hashcash-Systems von Adam Back Gestalt an. In Backs whitepaper aus dem Jahr 2002, "Hashcash - A Denial of Service Counter-Measure ", wird beschrieben, dass ein Sender einer Nachricht zunächst eine Berechnung durchführen muss, die vom Empfänger leicht überprüft werden kann.

Seit 1999 hat das System dank Ari Juels und Markus Jakobsson, die den Begriff "Proof-of-Work" einführten, einen richtigen Namen.

Erster Einsatz von Proof-of-Work durch die Blockchain-Technologie

Satoshi Nakamoto (der anonyme Erfinder von Bitcoin) machte sich die Idee des Backs zu eigen und integrierte 2008 das Konzept des Proof-of-Work in seine eigene Schöpfung, nämlich das Bitcoin-Protokoll.

In seinem whitepaper "Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System " beschreibt er, wie Proof-of-Work zur dezentralen Konsensbildung genutzt werden kann, nämlich durch den Einsatz von Minern, die Rechenleistung bereitstellen. Nakamoto fügt noch etwas hinzu, nämlich die Ausgabe neuer digitaler Münzen während des Mining-Prozesses, die über das Netzwerk handelbar sind und für Zahlungen verwendet werden können. Damit führt Nakamoto ein sicheres und dezentralisiertes Zahlungssystem ein, bei dem die Kontrolle bei den Nutzern und nicht bei zentralisierten Parteien wie Banken liegt. Es ist seitdem ein grundlegender Bestandteil vieler Blockchains geworden.

Wie funktioniert Proof-of-Work?

Proof-of-Work funktioniert durch den Einsatz von Minern (auch nodes genannt) auf der ganzen Welt, die versuchen, komplexe kryptografische Rätsel zu lösen, um alle Transaktionen zu validieren. Der Miner, der eine Lösung findet, darf einen neuen Block zur Blockchain hinzufügen und erhält eine Mining-Belohnung, die in neuer Krypto ausgezahlt wird. Dieses System macht das Netzwerk fair, denn jeder hat die Chance, einen Block zu validieren, solange er über genügend Rechenleistung verfügt.

Sicherheit von PoW

Proof-of-Work (PoW) ist dank eines asymmetrischen Prinzips sicher: Die Ausführung der Rechenarbeit (der Mining-Prozess) erfordert viel Rechenleistung, während die Überprüfung dieser Arbeit relativ einfach ist. Das macht es böswilligen Minern schwer, Blöcke zu betrügen, während es für andere Miner einfach ist, Blöcke zu überprüfen. Das liegt daran, dass andere Miner nur überprüfen müssen, ob der Miner den richtigen hash (die richtige Antwort) gefunden hat.

Darüber hinaus bräuchte ein Angreifer mehr als 50 % der gesamten Rechenleistung (Hashrate) des Netzwerks, um die Kontrolle über das Netzwerk zu übernehmen. Dies wird auch als 51%-Angriff bezeichnet. Ein solcher Angriff wird immer schwieriger, je mehr Miner daran teilnehmen. Außerdem erfordert er sehr teure Hardware und die Energiekosten sind enorm. Das macht ihn in einem so großen Netzwerk wie dem von Bitcoin praktisch unmöglich.

Sollte es einer böswilligen Person dennoch gelingen, einen Block in der Blockchain zu verändern, steht sie vor folgendem Problem: Jeder Block ist kryptografisch mit dem vorherigen verbunden. Wenn jemand einen alten Block ändern wollte, müsste er alle nachfolgenden Blöcke mit mehr Rechenleistung als der Rest des Netzwerks neu minen.

Schwierigkeit des Minings

Proof-of-Work funktioniert durch das Lösen eines komplexen kryptografischen Rätsels. Die Lösung wird Hash genannt und ist eine Art digitale Signatur, die aus einer 64-stelligen Hexadezimalzahl besteht (Beispiel: 0000000000000000000a3b4c5d6e7f8a9b0c1d2e3f4a5b6c7d8e9f0a1b2c3d4e).

Wie du im Beispiel sehen kannst, besteht der Hash aus Zahlen und Buchstaben. Im System verwendest du:

• die Ziffern 0 bis 9

• und die Buchstaben a bis f (die für die Zahlen 10 bis 15 stehen)

Ein solcher hash enthält deshalb Buchstaben, weil das Hexadezimalsystem dies erfordert. Es ist ein effizienter Weg, um eine lange Folge von Bits darzustellen. Jedes Hexadezimalzeichen steht für 4 Bits.

Ein Rätsel ist gelöst, wenn ein Miner einen Hash findet, der klein genug ist, um einer vordefinierten Regel zu entsprechen. Je kleiner der Hash sein muss, desto schwieriger wird es, ihn zu finden. Dies wird durch den Schwierigkeitsgrad (difficulty) bestimmt. Je mehr Teilnehmer/innen, desto schwieriger wird der Hash. Auf diese Weise behält das Netzwerk die Kontrolle darüber, wie lange es dauert, einen neuen Block zu minen.

Der Schwierigkeitsgrad bestimmt, wie viele Nullen am Anfang des Hash stehen sollen. Zum Beispiel:

• Bei niedrigem Schwierigkeitsgrad kann ein hash mit 00af... beginnen.

• Bei höheren Schwierigkeitsgraden sollte ein hash mit 000000f1 beginnen...

In Bitcoin wird der Schwierigkeitsgrad etwa alle 14 Tage angepasst. Satoshi Nakamoto hat sich dies ausgedacht, um sicherzustellen, dass neue Blöcke und damit neue Bitcoins nicht zu schnell gemined werden können. Bitcoin verwendet SHA-256 Hashing, d.h. jeder Hash besteht aus 256 Bits, die durch genau 64 hexadezimale Zeichen dargestellt werden.

Je mehr Rechenleistung ein Miner besitzt, desto einfacher ist es, eine Lösung zu finden. Daher ist es viel wahrscheinlicher, dass du die Lösung mit hochentwickelter Hardware findest, als mit der Rechenleistung eines Handys.

Den richtigen hash finden

Um die Formel zu lösen und den richtigen Hash zu finden, ist eine Menge Rechenleistung nötig. Als Hilfsmittel verwenden die Miner eine zusätzliche Zahl, die "Nonce". Die Miner selbst passen die Nonce jedes Mal an: von 0, auf 1, auf 2 und so weiter. Ziffer für Ziffer suchen sie nach der richtigen Kombination von Blockdaten. Wenn der Hash eine 64-stellige Kombination ergibt, die den Anforderungen entspricht, ist der Block gültig. Die Nonce ist also eine Art Schätzzahl, die die Miner so lange ausprobieren, bis sie den richtigen Hash gefunden haben.

Um einen Block schließlich zu minen, muss der Miner auch den Hash des Blockheaders berechnen. Das ist eine Art Zusammenfassung der wichtigsten Daten eines Blocks. Er enthält unter anderem den Hash des vorherigen Blocks, den Zeitstempel und die Nonce.

Außerdem muss der Hash kleiner sein als das "Ziel". Das ist der Schwellenwert, der durch den Schwierigkeitsgrad bestimmt wird.

Ein Beispiel:

Angenommen, das Ziel lautet: 00000000ffffffffff...} Das bedeutet, dass der Hash des Blocks numerisch niedriger sein muss als dieses Ziel. Da Hexadezimalzahlen mit Ziffern und Buchstaben beginnen, kann man sich das so vorstellen, dass der Hash mit acht Nullen oder mehr beginnen muss. Je mehr Nullen am Anfang stehen, desto kleiner ist die Zahl.

Also:

• Ein hash wie 12bfa34d... ist zu groß

• Ein Hash wie 0000a9f2... ist immer noch zu groß

• Ein Hash wie 0000000037c4... ist klein genug

Der Miner versucht es so lange, bis er die richtige Kombination gefunden hat.

Das ist auch gleich der Grund, warum so viel Rechenleistung benötigt wird: Mehrere Miner arbeiten gleichzeitig.

Welche Blockchains nutzen den Proof-of-Work-Konsensmechanismus?

In der Kryptowelt ist Proof-of-Work ein beliebter Konsens-Mechanismus, der von mehreren großen Blockchains verwendet wird.

Bitcoin

Das bekannteste Beispiel für eine Proof-of-Work-Blockchain ist natürlich Bitcoin. Es ist die erste Blockchain, die diese Technologie verwendet. In den Anfangstagen von Bitcoin war es noch relativ einfach, neue Bitcoins zu minen, aber seit der hohen Verbreitung ist es schwieriger geworden, sich als kleiner Teilnehmer am Bitcoin-Mining zu beteiligen. Es ist zwar immer noch möglich, aber die Chancen, unabhängig einen Block zur Blockchain hinzuzufügen, sind sehr gering geworden. Das liegt daran, dass überall auf der Welt Bitcoin-Mining-Farmen entstanden sind, in denen Tausende von leistungsstarken Computern 24 Stunden am Tag Bitcoin minen. Unter anderem deshalb sind innerhalb des Netzwerks mehrere Mining-Pools entstanden: Zusammenschlüsse kleinerer Miner, die sich zusammenschließen, um mehr Rechenleistung bereitzustellen.

Dank dieser Mining-Pools und -Farmen wird manchmal behauptet, dass Bitcoin nicht mehr so dezentral ist, wie ursprünglich gedacht.

Ethereum

Bis 2022 verwendete Ethereum auch Proof-of-Work. Im Jahr 2021 wurde mit dem Upgrade auf Ethereum 2.0 der Wechsel zu Proof of Stake vollzogen, um mehr Skalierbarkeit zu erreichen und energieeffizienter zu werden. Denn mit einem Stake-Mechanismus wird keine schwere Hardware benötigt, um Transaktionen zu validieren; stattdessen setzen die Teilnehmer/innen ihre Token als Sicherheit für das Netzwerk ein.

Litecoin

Nicht lange nach der Geburt von Bitcoin wurde Litecoin als sogenannter Altcoin eingeführt. Obwohl Litecoin stark auf Bitcoin basiert, ist er kein direkter Hard Fork der Bitcoin-Blockchain, sondern ein Fork der Bitcoin-Codebasis. Die Absicht war, eine bessere Zahlungsmethode zu schaffen: schneller und billiger als Bitcoin. Zum Beispiel beträgt die Blockzeit von Litecoin 2,5 Minuten statt 10 Minuten, was eine schnellere Abwicklung von Transaktionen ermöglicht.

Außerdem verwendet Litecoin einen anderen Algorithmus für das Mining neuer Blöcke, nämlich den Scrypt-Algorithmus anstelle des SHA-256 von Bitcoin. Scrypt wurde entwickelt, um weniger anfällig für die Dominanz von ASICs zu sein, und ermöglichte es in den Anfangsjahren, mit normalen Computern zu minen. Dadurch war es zunächst weniger energieintensiv, obwohl heute auch für Scrypt optimierte ASICs verwendet werden.

Dogecoin

Auch Dogecoin verwendet Proof-of-Work. Im Jahr 2013 wurde die Kryptowährung als Scherz entwickelt, aber inzwischen ist Dogecoin (auch dank Elon Musk) eine der größten Kryptowährungen geworden. Dogecoin ist Litecoin technisch sehr ähnlich und verwendet daher denselben Mining-Algorithmus: Scrypt anstelle des SHA-256-Algorithmus von Bitcoin. Das macht das Mining mit billigerer und energieeffizienterer Hardware einfacher.

Bitcoin Cash

Auch Bitcoin Cash verwendet Proof-of-Work. Bitcoin Cash ist aus einem Hard Fork von Bitcoin hervorgegangen, nachdem es Unstimmigkeiten über das SegWit-Update gab. Bitcoin Cash ist Bitcoin sehr ähnlich, hat aber eine größere Blockgröße, wodurch es skalierbarer ist und mehr Transaktionen verarbeiten kann: nämlich zwischen 100 und 200 Transaktionen pro Sekunde (TPS), im Vergleich zu Bitcoin mit etwa 7 TPS.

Kritik an der Energienutzung von Proof-of-Work

Der Energieverbrauch von Proof-of-Work steht in der Kritik. Das liegt daran, dass dafür schwere und spezielle Hardware, sogenannte ASICs (Application-Specific Integrated Circuit), benötigt wird. Diese Systeme verbrauchen große Mengen an Energie. Kritiker/innen äußern vor allem Bedenken über die langfristigen Auswirkungen von PoW auf die Umwelt und halten das System im Hinblick auf die Nachhaltigkeit für ungeeignet. Dies ist einer der Gründe, warum andere Konsensmechanismen entwickelt wurden, wie z. B. Proof of Stake, Proof of History und Hybridformen.

Vorteile und Nachteile von Proof-of-Work

Proof-of-Work war vor allem in den Anfangstagen der Krypto einer der beliebtesten Konsens-Mechanismen und das nicht ohne Grund. Er hat sich als revolutionär erwiesen und hat viele Vorteile. Gleichzeitig gibt es aber auch Nachteile und Fragen zur Zukunftssicherheit des Mechanismus. Im Folgenden werden die wichtigsten Vor- und Nachteile aufgeführt:

Fazit

Proof-of-Work (PoW) ist eine der wichtigsten Innovationen in der Welt der Blockchain und der Kryptowährungen. Der Mechanismus, der unter anderem bei Bitcoin zum Einsatz kommt, hat sich in der Praxis als äußerst sichere und transparente Methode erwiesen, um Transaktionen ohne das Eingreifen einer zentralen Partei zu validieren. Die Stärke von PoW liegt in der Einfachheit der Idee: komplexe Rätsel, die schwer zu lösen, aber leicht zu verifizieren sind.

Doch PoW hat auch offensichtliche Nachteile. Der hohe Stromverbrauch, die Abhängigkeit von teurer und spezialisierter Hardware und die zunehmende Dominanz großer Mining-Pools setzen die ursprüngliche Vision einer vollständigen Dezentralisierung unter Druck. Außerdem führt die begrenzte Skalierbarkeit zu Verzögerungen und hohen Kosten bei hoher Auslastung, was es für einige Anwendungen weniger geeignet macht.

Trotz dieser Einschränkungen bleibt PoW relevant. Er bildet nach wie vor die Grundlage für einige der wertvollsten und einflussreichsten Blockchains der Welt. Gleichzeitig treibt die Kritik an Energieverbrauch und Zentralisierung die Entwicklung alternativer Systeme wie Proof of Stake voran. Die Zukunft wird wahrscheinlich eine Mischung aus verschiedenen Konsensmechanismen sein, die auf die Bedürfnisse der jeweiligen Netzwerke und Anwendungen zugeschnitten sind.