Schlüsselaspekte

  • Proof of Work (PoW) ist ein Konsensmechanismus, der geschaffen wurde, um doppelte Ausgaben in digitalen Zahlungssystemen zu verhindern.

  • PoW ist ein wichtiger Teil des Mining-Prozesses, bei dem neue Transaktionsblöcke zur Blockchain hinzugefügt und neue Kryptowährungseinheiten erstellt werden.

  • Bitcoin und viele andere Kryptowährungen nutzen PoW als Methode zur Sicherung ihres Blockchain-Netzwerks und ihrer Daten.

Einführung

Proof of Work (PoW) ist ein Mechanismus, der geschaffen wurde, um doppelte Ausgaben in digitalen Zahlungssystemen zu vermeiden. Bitcoin und viele andere Kryptowährungen nutzen PoW als Methode zur Sicherung ihres Blockchain-Netzwerks und ihrer Daten. Diese Mechanismen werden oft als Konsensalgorithmen oder Konsensmechanismen bezeichnet, da mehrere Parteien einen Konsens erzielen, ohne dass Vertrauen zwischen ihnen erforderlich ist.

Proof of Work war der erste Konsensalgorithmus, der auftauchte, und bleibt neben Proof of Stake (PoS) einer der wichtigsten. PoW wurde von Satoshi Nakamoto im Bitcoin-Whitepaper von 2008 vorgestellt, die Technologie selbst wurde jedoch viel früher konzipiert.

HashCash von Adam Back ist eines der ersten Beispiele eines Proof-of-Work-Algorithmus in der Zeit vor dem Aufkommen von Kryptowährungen. Indem von den Absendern vor dem Versenden einer E-Mail ein minimaler Rechenaufwand verlangt wird, könnten die Empfänger Spam eindämmen. Diese Berechnung würde einen seriösen Absender praktisch nichts kosten, für jemanden, der Massen-E-Mails verschickt, würde sie sich jedoch schnell summieren.

Was sind Doppelausgaben?

Doppelte Ausgaben liegen vor, wenn dieselben Mittel mehr als einmal ausgegeben werden. Der Begriff wird fast ausschließlich im Zusammenhang mit digitalem Geld verwendet. Schließlich wird es Ihnen schwerfallen, das gleiche physische Geld zweimal auszugeben.

Wenn Sie heute einen Kaffee bezahlen, übergeben Sie Bargeld an einen Kassierer, der es wahrscheinlich in der Kasse führt. Sie können nicht in das Café auf der anderen Straßenseite gehen und mit denselben Scheinen, die Sie bereits abgegeben haben, einen weiteren Kaffee bezahlen. Bei digitalen Bargeldsystemen besteht jedoch die Möglichkeit, dass Sie dies tun können.

Sie haben wahrscheinlich eine Computerdatei mit Kopier- und Einfügebefehlen dupliziert. Es ist auch einfach, dieselbe Datei per E-Mail an Dutzende von Personen zu senden. Da es sich bei digitalem Geld lediglich um Daten handelt, müssen Sie verhindern, dass Menschen doppelte Ausgaben tätigen, d. h. dieselben Einheiten kopieren und an verschiedenen Orten ausgeben. Ein digitales Zahlungssystem, das Doppelausgaben nicht verhindert, wird in kurzer Zeit zusammenbrechen.

Weitere Informationen zu doppelten Ausgaben finden Sie unter Erklärung der doppelten Ausgaben.

Warum ist der Proof-of-Work-Mechanismus notwendig?

Wenn Sie unseren Artikel über die Blockchain-Technologie lesen, wissen Sie, dass Benutzer von Kryptowährungen ständig Transaktionen an das Netzwerk übertragen. Diese Transaktionen gelten jedoch nicht sofort als gültig. Dies geschieht erst, wenn sie bestätigt und zur Blockchain hinzugefügt werden.

Die Bitcoin-Blockchain beispielsweise fungiert als öffentliche Transaktionsdatenbank (Ledger), die für alle Benutzer einsehbar ist. Stellen Sie sich das so vor: Sie und drei Freunde haben einen Notizblock, um Ihre Bitcoin-Transaktionen zu verfolgen. Jedes Mal, wenn einer von Ihnen eine Wertübertragung vornehmen möchte, schreiben Sie Folgendes auf:

Alice, das Paar Bob 5 BTC; Bob, das Paar Carol 2 BTC usw.

Aber jedes Mal, wenn Sie eine Transaktion durchführen, beziehen Sie sich auf die Transaktion, aus der das Geld stammt. Wenn Bob Carol also mit 2 BTC bezahlen würde, würde der Eintrag so aussehen:

Bob zahlt Carol 2 BTC, die aus dieser vorherigen Transaktion mit Alice stammen.

Wir haben jetzt eine Möglichkeit, BTC-Einheiten zu verfolgen. Wenn Bob versucht, eine weitere Transaktion mit denselben 2 BTC durchzuführen, die er gerade an Carol gesendet hat, wird es jeder sofort wissen. Die Gruppe lässt nicht zu, dass die Transaktion zum Notizbuch hinzugefügt wird, da diese 2 BTC bereits ausgegeben wurden.

Das ist etwas, was in einer kleinen Gruppe gut funktionieren kann. Jeder kennt jeden, daher werden sie sich wahrscheinlich darüber einigen, welche Freunde Transaktionen zum Notizbuch hinzufügen sollen. Aber was passiert, wenn wir eine Gruppe mit 10.000 Teilnehmern haben wollen? Die Notebook-Idee lässt sich nicht gut skalieren, da niemand einem Fremden die Verwaltung anvertrauen möchte.

Hier kommt der Proof-of-Work-Mechanismus ins Spiel. Dadurch wird sichergestellt, dass Benutzer kein Geld ausgeben, zu dessen Ausgabe sie kein Recht haben. Mithilfe einer Kombination aus Spieltheorie und Kryptographie ermöglicht ein PoW-Algorithmus jedem, die Blockchain gemäß den Systemregeln zu aktualisieren.

Wie funktioniert PoW?

Stellen Sie sich vor, dass unser Notebook im vorherigen Beispiel die Blockchain ist, aber dort fügen wir Transaktionen nicht einzeln hinzu, sondern gruppieren sie in Blöcken. Wir geben Transaktionen im Netzwerk bekannt und dann nehmen Benutzer, die einen Block erstellen, diese in einen Kandidatenblock auf. Transaktionen gelten erst dann als gültig, wenn ihr Kandidatenblock zu einem bestätigten Block wird, d. h. er wurde der Blockchain-Datenbank hinzugefügt.

Der Prozess der Validierung von Transaktionen und des Hinzufügens neuer Blöcke wird Mining genannt. Es ist teuer und schwierig, kann sich aber auch lohnen. Die Blockbelohnung besteht aus Benutzertransaktionsgebühren und neuen Bitcoins, die durch das Protokoll erstellt werden.

Der Proof-of-Work-Mechanismus erfordert, dass ein Miner (der Benutzer, der den Block erstellt) Ressourcen wie Strom und Rechenleistung investiert, um die Daten seines Kandidatenblocks zu hashen, bis eine Lösung für ein Rätsel gefunden ist.

Das Hashing der Blockdaten bedeutet, dass diese durch eine Hash-Funktion geleitet werden, um einen Block-Hash zu generieren. Der Block-Hash funktioniert wie ein „Fingerabdruck“: Er stellt eine Identität für Ihre Eingabedaten dar und ist für jeden Block eindeutig.

Mit anderen Worten: Ein Miner muss ausstehende Transaktionen überprüfen und sammeln, sie in einem Kandidatenblock organisieren und die Blockdaten durch eine Hash-Funktion leiten, um einen gültigen Hash zu erstellen. Wenn es ihm gelingt, einen gültigen Hash für seinen Kandidatenblock zu finden, sendet er ihn an das Netzwerk, fügt den Block der Blockchain hinzu und kassiert die Mining-Belohnungen.

Wenn ein Miner seinen Kandidatenblock und Hash an das Netzwerk überträgt, wiederholen andere Netzwerkteilnehmer den Hashing-Prozess, um zu überprüfen, ob die Ausgabe tatsächlich gültig ist.

Obwohl unzählige Hash-Versuche erforderlich sind, um einen gültigen Hash zu finden, ist es wichtig, dass jemand bestätigt, dass der generierte Hash korrekt ist. Sie müssen lediglich die gleichen Eingaben (Blockdaten) über die Hash-Funktion senden und prüfen, ob die Ausgabe dieselben ist.

Beim Proof of Work müssen Sie Daten bereitstellen, deren Hash bestimmte Bedingungen erfüllt. Sie wissen jedoch nicht, wie Sie es erreichen können. Die einzige Möglichkeit besteht darin, Ihre Daten durch eine Hash-Funktion zu leiten und zu prüfen, ob die Bedingungen erfüllt sind. Wenn nicht, müssen Sie Ihre Daten leicht ändern, um einen anderen Hash zu erhalten. Selbst die Änderung eines einzelnen Zeichens in Ihren Daten führt zu einem völlig anderen Ergebnis, sodass es keine Möglichkeit gibt, vorherzusagen, wie die Ausgabe aussehen wird.

Wenn Sie also einen Block erstellen möchten, spielen Sie ein Ratespiel. Normalerweise erfassen Sie Informationen zu allen Transaktionen, die Sie hinzufügen möchten, sowie einige andere wichtige Daten und gruppieren sie dann. Da sich Ihr Datensatz jedoch nicht ändert, müssen Sie variable Informationen hinzufügen. Andernfalls würden Sie immer den gleichen Hash als Ausgabe erhalten. Diese variablen Daten nennen wir Nonce. Es handelt sich um eine Zahl, die Sie bei jedem Versuch ändern, sodass Sie jedes Mal einen anderen Hash erhalten.

Kurz gesagt ist Mining der Prozess, bei dem Blockchain-Daten gesammelt und mit einer Nonce gehasht werden, bis ein bestimmter Hash gefunden wird. Wenn Sie einen Hash finden, der die vom Protokoll festgelegten Bedingungen erfüllt, haben Sie das Recht, den neuen Block an das Netzwerk zu senden. Zu diesem Zeitpunkt aktualisieren die anderen Netzwerkteilnehmer ihre Blockchains, um den neuen Block aufzunehmen.

Für die heute führenden Kryptowährungen sind die Bedingungen unglaublich schwierig zu erfüllen. Je höher die Hash-Rate im Netzwerk ist, desto schwieriger ist es, einen gültigen Hash zu finden. Dies geschieht, um sicherzustellen, dass Blöcke nicht zu schnell gefunden werden.

Wie Sie sich vorstellen können, kann der Versuch, riesige Mengen an Hashes zu erraten, für Ihren Computer kostspielig sein: Sie verschwenden Computerzyklen und Strom. Wenn Sie jedoch einen gültigen Hash finden, belohnt Sie das Protokoll mit Kryptowährung.

Fassen wir noch einmal zusammen, was wir bisher wissen:

  • Mining ist schwierig und teuer, bietet aber Sicherheit für das Netzwerk.

  • Miner, denen es gelingt, einen gültigen Block zu produzieren, werden mit neu ausgegebener Kryptowährung und Transaktionsgebühren belohnt.

  • Das Generieren eines gültigen Hashs nimmt Zeit in Anspruch, aber andere Benutzer können seine Gültigkeit leicht überprüfen, indem sie den Hashing-Vorgang wiederholen.

So weit, ist es gut. Aber was ist, wenn Sie versuchen zu betrügen? Was hindert Sie daran, eine Reihe betrügerischer Transaktionen auf den Block zu setzen und einen gültigen Hash zu erzeugen?

Hier kommt die Public-Key-Kryptographie ins Spiel. Wir werden uns in diesem Artikel nicht näher damit befassen, aber schauen Sie sich den Artikel „Was ist Public-Key-Kryptographie?“ an. um einen umfassenden Überblick über das Thema zu erhalten. Kurz gesagt, es gibt einige Krypto-Tricks, mit denen jeder Benutzer überprüfen kann, ob jemand das Recht hat, die Gelder, die er ausgeben möchte, zu übertragen.

Wenn Sie eine Transaktion erstellen, signieren Sie sie. Jeder im Netzwerk kann Ihre Signatur mit Ihrem öffentlichen Schlüssel vergleichen und sehen, ob sie übereinstimmen. Sie prüfen auch, ob Sie Ihr Geld wirklich ausgeben können und ob die Summe Ihrer Inputs größer ist als die Summe Ihrer Outputs (das heißt, dass Sie nicht mehr ausgeben, als Sie haben).

Jeder Block, der eine ungültige Transaktion enthält, wird vom Netzwerk automatisch abgelehnt. Selbst der Versuch zu betrügen ist kostspielig: Sie verlieren Ihre eigenen Ressourcen, ohne eine Belohnung zu erhalten.

Das ist das Schöne am Proof-of-Work-Mechanismus: Es ist teuer, zu täuschen, aber es lohnt sich, ehrlich zu handeln. Jeder rational denkende Bergmann strebt nach einer Rendite für seine Investition, daher kann von ihm erwartet werden, dass er sich so verhält, dass er mit größerer Wahrscheinlichkeit Einnahmen generiert.

Proof of Work (PoW) vs. Proof of Stake (PoS)

Abgesehen von PoW gibt es viele Konsensalgorithmen, aber einer der beliebtesten ist Proof of Stake (PoS). Das Konzept stammt aus dem Jahr 2011 und wurde auf Ethereum und mehreren anderen Protokollen implementiert.

In Proof-of-Stake-Systemen werden Miner durch Validatoren ersetzt. Es gibt kein Mining oder einen Wettlauf um das Erraten der Hashes. Stattdessen werden Benutzer nach dem Zufallsprinzip ausgewählt: Wenn sie ausgewählt werden, müssen sie einen Block vorschlagen (oder „fälschen“). Wenn der Block gültig ist, erhalten sie eine Belohnung, die sich aus den Gebühren der Blocktransaktionen zusammensetzt.

Allerdings kann nicht irgendein Benutzer ausgewählt werden: Das Protokoll wählt ihn anhand einer Reihe von Faktoren aus. Um teilnahmeberechtigt zu sein, müssen die Teilnehmer einen Einsatz festlegen, bei dem es sich um einen vorher festgelegten Betrag der nativen Währung der Blockchain handelt. Das Abstecken funktioniert wie eine Kaution: So wie Angeklagte eine große Geldsumme zahlen, um nicht vor Gericht gehen zu müssen, blockieren Prüfer einen Einsatz, um einer Täuschung vorzubeugen. Wenn sie unehrlich handeln, wird ihr Anteil (oder ein Teil davon) eingezogen.

Der Proof-of-Stake-Mechanismus hat einige Vorteile gegenüber Proof-of-Work. Am bemerkenswertesten ist der geringere CO2-Fußabdruck: Da in PoS keine leistungsstarken Mining-Farmen erforderlich sind, beträgt der Stromverbrauch nur einen Bruchteil des Stromverbrauchs in PoW.

Allerdings hat PoS nicht die gleiche Geschichte wie PoW. Obwohl es als Ressourcenverschwendung angesehen werden könnte, ist Mining der einzige Konsensalgorithmus, der seit über einem Jahrzehnt kampferprobt ist. Seit seiner Einführung hat der PoW-Mechanismus von Bitcoin Transaktionen im Wert von Billionen Dollar gesichert. Um mit Sicherheit sagen zu können, ob PoS mit der Sicherheit von PoW mithalten kann, muss der Einsatz langfristig gründlich getestet werden.

Schlussfolgerungen

Proof of Work war die ursprüngliche Lösung für das Problem der doppelten Ausgaben und hat sich als zuverlässig und sicher erwiesen. Bitcoin hat bewiesen, dass wir keine zentralisierten Einheiten brauchen, um zu verhindern, dass dieselben Mittel zweimal ausgegeben werden. Durch den geschickten Einsatz von Kryptographie, Hash-Funktionen und Spieltheorie können sich Teilnehmer in einer dezentralen Umgebung auf den Zustand einer Finanzdatenbank einigen.

Weiterführende Literatur

  • Was ist Kryptowährungs-Mining bzw. Krypto-Mining und wie funktioniert es?

  • Was ist Public-Key-Kryptographie?

  • Was ist ein Blockchain-Konsensalgorithmus?

Rechtlicher Hinweis und Risikowarnung: Dieser Inhalt wird „wie besehen“ nur zu allgemeinen Informations- und Bildungszwecken präsentiert, ohne Zusicherungen oder Gewährleistungen jeglicher Art. Sie sind nicht als finanzielle, rechtliche oder sonstige professionelle Beratung zu verstehen und dienen auch nicht dazu, den Kauf eines bestimmten Produkts oder einer bestimmten Dienstleistung zu empfehlen. Lassen Sie sich individuell von geeigneten Fachberatern beraten. Da dieser Artikel von Dritten stammt, beachten Sie bitte, dass die geäußerten Meinungen die des Dritten sind und nicht unbedingt die Meinung der Binance Academy widerspiegeln. Weitere Informationen finden Sie hier in unserem vollständigen Impressum. Die Preise digitaler Vermögenswerte können volatil sein. Der Wert einer Anlage kann sowohl fallen als auch steigen, und es kann sein, dass Sie den investierten Betrag nicht zurückerhalten. Für Ihre Anlageentscheidungen sind allein Sie verantwortlich. Die Binance Academy übernimmt keine Verantwortung für etwaige Verluste, die Ihnen entstehen. Dieses Material sollte nicht als finanzielle, rechtliche oder sonstige professionelle Beratung ausgelegt werden. Weitere Informationen finden Sie in unseren Nutzungsbedingungen und Risikohinweisen.