Wat is Proof of Work en hoe werkt het?

Wat is Proof of Work?

Proof of Work (PoW) is een consensus algoritme dat wordt gebruikt door verschillende blockchains voor het valideren van transacties en toevoegen van nieuwe blokken aan de blockchain. Het bekendste voorbeeld van een blockchain die hiervan gebruikmaakt, is Bitcoin. Dit is de eerste cryptocurrency die PoW gebruikte. Later zijn er nieuwe blockchains gelanceerd die ook gebruikmaken van dit systeem, waaronder Litecoin, Dogecoin en Ethereum (voor The Merge in 2022).

Proof of Work is decentraal, wat betekent dat meerdere onafhankelijke deelnemers helpen met het valideren van transacties. Dit gebeurt bij PoW door miners die 24 uur per dag bezig zijn met het oplossen van complexe cryptografische en wiskundige formules. Dit noemen we minen of mining. De eerste miner die het juiste getal van de formule vindt, mag het blok toevoegen aan de blockchain en de transacties in dit blok valideren. Hoe meer miners er actief zijn op het netwerk, hoe decentraler het netwerk is en daarmee hoe minder vatbaar het is voor manipulatie. Een kwaadwillende zou namelijk meer dan 50% van de rekenkracht van het netwerk in handen moeten hebben om schade te kunnen aanrichten.

Een miner is een computer die zijn rekenkracht inzet voor het netwerk. Dit kost veel rekenkracht en energie. Daarom krijgt een miner een beloning voor het inzetten van zijn rekenkracht. De beloning bestaat uit nieuwe cryptocurrency die tijdens het aanmaken van een nieuw blok in circulatie wordt gebracht. De miner ontvangt deze beloning. De hoogte van de beloning hangt af van de blockchain en wordt door veel blockchains eens in de zoveel tijd gehalveerd, om schaarste te creëren. Meer adoptie en minder nieuwe munten moeten volgens de makers leiden tot hogere koersen.

Korte samenvatting

• Proof of Work is een betrouwbaar en goed getest consensusmechanisme dat transacties op een decentrale en veilige manier valideert via cryptografische puzzels die moeilijk op te lossen maar eenvoudig te controleren zijn.

• Een belangrijk nadeel is het hoge energieverbruik. Miners gebruiken krachtige, gespecialiseerde hardware (ASICs), wat leidt tot zorgen over milieu-impact en duurzaamheid.

• Miners lossen ingewikkelde wiskundige puzzels op. De eerste die dit lukt, mag een blok toevoegen en ontvangt een beloning in de vorm van nieuwe cryptocurrency, wat zorgt voor een financieel incentive om het netwerk te beveiligen.

• Het concept van PoW stamt uit de jaren 90 en werd later toegepast in Bitcoin door Satoshi Nakamoto.

• PoW is minder schaalbaar dan alternatieve systemen zoals Proof of Stake, mede door lange bloktijden en energieverbruik. Bovendien leidt de dominantie van grote miningpools tot risico's op centralisatie.

Hoe is Proof of Work ontstaan?

Proof of Work (PoW) is ontwikkeld ver voordat Bitcoin bestond, namelijk in de jaren 90. Toen ontwikkelden de cryptografen Cynthia Dwork en Moni Naor een systeem om spam en Denial-of-Service (DoS)-aanvallen op het internet tegen te gaan. Zij kwamen met het idee dat een gebruiker een kleine hoeveelheid rekenkracht moet leveren voordat hij een bericht kan versturen via het internet. Dit zou maseten sale spam moeilijker en duurder maken.

Het idee kreeg in 1997 vorm door de introductie van het systeem Hashcash door Adam Back. In Backs whitepaper uit 2002, "Hashcash – A Denial of Service Counter-Measure", wordt omschreven dat een verzender van een bericht eerst een berekening moet uitvoeren die door de ontvanger gemakkelijk te controleren is.

Sinds 1999 kreeg het systeem pas echt een naam, dankzij Ari Juels en Markus Jakobsson, die de terminologie “Proof of Work” introduceerden.

Eerste gebruik van Proof of Work door blockchaintechnologie

Satoshi Nakamoto (de anonieme uitvinder van Bitcoin) omarmde het idee van Back en integreerde in 2008 het concept van Proof of Work in zijn eigen creatie, namelijk het Bitcoin-protocol.

In zijn whitepaper "Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System" wordt omschreven hoe Proof of Work gebruikt kan worden voor het bereiken van consensus op decentrale wijze, namelijk door het gebruik van miners die rekenkracht leveren. Nakamoto voegt hier iets aan toe, namelijk de uitgifte van nieuwe digitale munten tijdens het miningproces, die via het netwerk verhandelbaar zijn en gebruikt kunnen worden voor het doen van betalingen. Hiermee introduceert Nakamoto een veilig en decentraal betalingssysteem, waarbij de controle ligt bij de gebruikers in plaats van bij gecentraliseerde partijen zoals banken. Sindsdien is het een fundamenteel onderdeel geworden van veel blockchains.

Hoe werkt Proof of Work?

Proof of Work werkt door middel van het inzetten van miners (ook wel nodes genoemd) over de hele wereld die complexe cryptografische puzzels proberen op te lossen om zo alle transacties te kunnen valideren. De miner die een oplossing vindt, mag een nieuw block aan de blockchain toevoegen en ontvangt een mijnbeloning, uitbetaald in nieuwe crypto. Dit systeem maakt het netwerk eerlijk, aangezien iedereen kans maakt op het valideren van een blok, zolang er maar voldoende rekenkracht wordt geleverd.

Beveiliging van PoW

Proof of Work (PoW) is veilig dankzij een asymmetrisch principe: het uitvoeren van rekenwerk (het miningproces) kost veel computerkracht, terwijl het controleren van dat werk relatief eenvoudig is. Dit maakt het voor kwaadwillenden moeilijk om te sjoemelen met blokken, terwijl het voor andere miners makkelijk is om blokken te controleren. Andere miners hoeven namelijk alleen te controleren of de miner de juiste hash (het juiste antwoord) heeft gevonden.

Daar komt bij dat een aanvaller meer dan 50% van de totale rekenkracht (hashrate) van het netwerk nodig zou hebben om controle over het netwerk te kunnen overnemen. Dit wordt ook wel een 51% aanval genoemd. Zo’n aanval wordt steeds moeilijker naarmate er meer miners deelnemen. Daarnaast vereist het zeer dure hardware en zijn de energiekosten enorm hoog. Dit maakt het bij een netwerk zo groot als dat van Bitcoin praktisch onmogelijk.

Mocht een kwaadwillende dit toch lukken en aanpassingen willen doen in een blok op de blockchain, dan stuit hij op het volgende probleem: elk blok is cryptografisch verbonden met het vorige. Als iemand een oud blok wil aanpassen, zou hij alle volgende blokken opnieuw moeten minen met meer rekenkracht dan de rest van het netwerk.

Moeilijkheidsgraad van mining

Proof of Work werkt door middel van het oplossen van een complexe cryptografische puzzel. De oplossing wordt een hash genoemd en is een soort digitale handtekening die bestaat uit een 64-cijferig hexadecimaal getal (voorbeeld: 0000000000000000000a3b4c5d6e7f8a9b0c1d2e3f4a5b6c7d8e9f0a1b2c3d4e).

Zoals je in het voorbeeld kunt zien, bestaat de hash uit cijfers en letters. In het systeem gebruik je:

• de cijfers 0 t/m 9

• en de letters a t/m f (die staan voor de getallen 10 t/m 15)

Zo'n hash bevat dus letters omdat het hexadecimale systeem dat vereist. Het is een efficiënte manier om een lange reeks bits weer te geven. Elk hex-teken vertegenwoordigt 4 bits.

Een puzzel is opgelost zodra een miner een hash vindt die klein genoeg is volgens een vooraf bepaalde regel. Hoe kleiner de hash moet zijn, hoe moeilijker het wordt om hem te vinden. Dit wordt bepaald door de moeilijkheidsgraad (difficulty). Hoe meer deelnemers, des te moeilijker de hash wordt gemaakt. Op deze manier houdt het netwerk controle over hoelang het duurt om een nieuw blok te minen.

De moeilijkheidsgraad bepaalt hoeveel nullen er vooraan in de hash moeten staan. Bijvoorbeeld:

• Bij een lage moeilijkheid kan een hash beginnen met 00af...

• Bij een hogere moeilijkheid moet een hash beginnen met 000000f1...

Bij Bitcoin wordt de moeilijkheidsgraad ongeveer iedere 14 dagen aangepast. Dit heeft Satoshi Nakamoto zo bedacht om ervoor te zorgen dat er niet te snel nieuwe blokken, en dus ook nieuwe bitcoins, gemined kunnen worden. Bitcoin maakt gebruik van SHA-256-hashing, wat betekent dat elke hash bestaat uit 256 bits, weergegeven met precies 64 hexadecimale tekens.

Hoe meer rekenkracht een miner bezit, hoe makkelijker het is om een oplossing te vinden. Daarom is de kans veel groter dat je de oplossing vindt met geavanceerde hardware, in plaats van met de rekenkracht van een mobiele telefoon.

Het vinden van de juiste hash

Er is veel rekenkracht nodig voor het oplossen van de formule en het vinden van de juiste hash. Als hulpmiddel gebruiken miners een extra getal dat de "nonce" wordt genoemd. De miners passen zelf telkens de nonce aan: van 0, naar 1, naar 2, enzovoorts. Cijfer voor cijfer wordt gezocht naar de juiste combinatie van blokgegevens. Wanneer de hash een 64-cijferige combinatie oplevert die aan de eis voldoet, is het blok geldig. De nonce is dus een soort gokgetal waarmee miners blijven proberen tot ze de juiste hash vinden.

Om uiteindelijk een blok te mogen minen, dient de miner ook de hash van de blockheader te berekenen. Dit is een soort samenvatting van de belangrijkste gegevens uit een blok. De gegevens die hierin staan zijn onder andere de hash van het vorige blok, de tijdstempel en de nonce.

Daarnaast moet de hash kleiner zijn dan de "target". Dit is de drempelwaarde die wordt bepaald door de moeilijkheidsgraad.

Een voorbeeld:

Stel de target is: 00000000ffffffff...
Dan betekent dat: de hash van het blok moet numeriek lager zijn dan deze target. Omdat hexadecimale getallen beginnen met cijfers en letters, kun je het visueel zien alsof de hash moet beginnen met acht nullen of meer. Hoe meer nullen aan het begin, hoe kleiner het getal is.

Dus:

• Een hash als 12bfa34d... is te groot

• Een hash als 0000a9f2... is nog steeds te groot

• Een hash als 0000000037c4... is klein genoeg

De miner blijft het proberen totdat de juiste combinatie is gevonden.

Dit is meteen de reden waarom er zoveel rekenkracht nodig is: verschillende miners zijn tegelijkertijd bezig met het zoeken naar de juiste oplossing.

Welke blockchains gebruiken het Proof of Work-consensus mechanisme?

Binnen de cryptowereld is Proof of Work een populair consensus mechanisme dat wordt toegepast door verschillende grote blockchains.

Bitcoin

Het bekendste voorbeeld van een Proof of Work-blockchain is natuurlijk Bitcoin. Dit is de eerste blockchain die gebruikmaakt van deze technologie. In de begindagen van Bitcoin was het nog relatief eenvoudig om nieuwe bitcoins te minen, maar sinds de hoge adoptie is het lastiger geworden om als kleine deelnemer mee te doen aan Bitcoin-mining. Het is nog steeds mogelijk, alleen is de kans zeer klein geworden dat je zelfstandig succesvol een blok toevoegt aan de blockchain. Over de hele wereld zijn namelijk Bitcoin-mining farms ontstaan, waar duizenden krachtige computers 24 uur per dag bezig zijn met het minen van bitcoin. Onder andere hierdoor zijn er binnen het netwerk verschillende mining pools ontstaan: samenwerkingen van kleinere miners die hun krachten bundelen om meer rekenkracht te leveren.

Dankzij deze mining pools en -farms wordt er door sommigen weleens gezegd dat Bitcoin niet meer zo decentraal is als oorspronkelijk bedoeld.

Ethereum

Tot 2022 maakte ook Ethereum gebruik van Proof of Work. In 2021 werd met de upgrade naar Ethereum 2.0 ingezet op een overstap naar Proof of Stake, om meer schaalbaarheid te bereiken en energie-efficiënter te worden. Bij een stake-mechanisme is namelijk geen zware hardware nodig voor het valideren van transacties; in plaats daarvan zetten deelnemers hun tokens vast als borg voor het netwerk.

Litecoin

Niet lang na het ontstaan van Bitcoin werd Litecoin geïntroduceerd als een zogeheten altcoin. Hoewel Litecoin sterk op Bitcoin is gebaseerd, is het geen directe hard fork van de Bitcoin-blockchain zelf, maar eerder een fork van de Bitcoin-codebase. De bedoeling was om een beter betaalmiddel te creëren: sneller en goedkoper dan Bitcoin. Zo is de blocktijd bij Litecoin 2,5 minuut in plaats van 10 minuten, wat zorgt voor snellere transactieverwerking.

Daarnaast gebruikt Litecoin een ander algoritme voor het minen van nieuwe blokken, namelijk het Scrypt-algoritme in plaats van Bitcoin’s SHA-256. Scrypt is ontworpen om minder vatbaar te zijn voor ASIC-dominantie en stelde in de beginjaren mensen in staat om met gewone computers te minen. Hierdoor was het aanvankelijk minder energie-intensief, al worden tegenwoordig ook voor Scrypt geoptimaliseerde ASICs gebruikt.

Dogecoin

Dogecoin maakt ook gebruik van Proof of Work. In 2013 werd de cryptocurrency ontwikkeld als een grap, maar inmiddels is Dogecoin (mede dankzij Elon Musk) uitgegroeid tot een van de grootste cryptocurrencies. Dogecoin lijkt technisch veel op Litecoin en gebruikt dan ook hetzelfde mining-algoritme: Scrypt in plaats van het SHA-256-algoritme van Bitcoin. Hierdoor is het gemakkelijker te minen met goedkopere en energiezuinigere hardware.

Bitcoin Cash

Ook Bitcoin Cash maakt gebruik van Proof of Work. Bitcoin Cash is ontstaan uit een hard fork van Bitcoin na onenigheid over de SegWit-update. Bitcoin Cash lijkt sterk op Bitcoin, maar heeft een grotere blockgrootte, waardoor het schaalbaarder is en meer transacties kan verwerken: namelijk tussen de 100 en 200 transacties per seconde (TPS), vergeleken met Bitcoin’s ongeveer 7 TPS.

Kritiek op het energiegebruik van Proof of Work

Er is kritiek op het energieverbruik van Proof of Work. Het vereist namelijk zware en gespecialiseerde hardware, bekend als ASIC's (Application-Specific Integrated Circuits). Deze systemen verbruiken enorme hoeveelheden energie. Critici uiten met name zorgen over het langetermijneffect op het milieu van PoW en beschouwen het systeem als ongeschikt met het oog op duurzaamheid. Dit is een van de redenen waarom andere consensusmechanismen zijn ontwikkeld, zoals Proof of Stake, Proof of History en hybride vormen.

Voor- en nadelen van Proof of Work

Proof of Work was met name in de begindagen van crypto een van de populairste consensus mechanismen en niet zonder reden. Het is revolutionair gebleken en heeft veel voordelen. Tegelijkertijd zijn er ook nadelen en vragen over de toekomstbestendigheid van het mechanisme. Hieronder staan de belangrijkste voor- en nadelen:

Conclusie

Proof of Work (PoW) is een van de belangrijkste innovaties binnen de wereld van blockchain en cryptocurrencies. Het mechanisme van onder andere Bitcoin heeft zich in de praktijk bewezen als een uiterst veilige en transparante manier om transacties te valideren zonder tussenkomst van centrale partijen. De kracht van PoW ligt in de eenvoud van het idee: complexe puzzels die moeilijk op te lossen zijn, maar makkelijk te controleren.

Toch kent PoW ook duidelijke nadelen. Het hoge energieverbruik, de afhankelijkheid van dure en gespecialiseerde hardware, en de toenemende dominantie van grote miningpools zorgen ervoor dat de oorspronkelijke visie van volledige decentralisatie onder druk staat. Bovendien leidt de beperkte schaalbaarheid tot vertragingen en hoge kosten bij veel gebruik, waardoor het voor sommige toepassingen minder geschikt is.

Ondanks deze beperkingen blijft PoW relevant. Het blijft een fundament onder enkele van de meest waardevolle en invloedrijke blockchains ter wereld. Tegelijkertijd stimuleert de kritiek op energieverbruik en centralisatie de ontwikkeling van alternatieve systemen zoals Proof of Stake. De toekomst zal waarschijnlijk een mix zijn van verschillende consensusmechanismen, afgestemd op de behoeften van specifieke netwerken en toepassingen.