Kernaussagen

• Proof of Work (PoW) ist ein Konsensmechanismus, der entwickelt wurde, um Double-Spending in digitalen Zahlungssystemen zu verhindern.

• PoW ist ein Schlüsselelement des Mining-Prozesses: Dabei werden neue Transaktionsblöcke zur Blockchain hinzugefügt und neue Einheiten der Kryptowährung erzeugt.

• Bitcoin und viele andere Kryptowährungen nutzen PoW als Methode, um ihr Netzwerk und ihre Blockchain-Daten abzusichern.

Einführung

Kurz gesagt ist Proof of Work (PoW) ein Mechanismus, der entwickelt wurde, um Doppelausgaben in digitalen Zahlungssystemen zu verhindern. Bitcoin und viele andere Kryptowährungen verwenden PoW, um ihr Netzwerk und ihre Blockchain-Daten zu sichern. Diese Mechanismen werden oft Konsensalgorithmen oder Konsensmechanismen genannt, da sie es mehreren Parteien ermöglichen, einen Konsens zu erzielen, ohne einander vertrauen zu müssen.

Proof of Work war der erste Konsensalgorithmus, der entwickelt wurde, und ist neben Proof of Stake (PoS) bis heute einer der wichtigsten. Satoshi Nakamoto stellte ihn 2008 im Bitcoin-Whitepaper vor, doch die zugrunde liegende Technologie wurde schon viel früher entwickelt.

Adam Blacks HashCash ist ein Beispiel für einen Proof-of-Work-Algorithmus, der bereits vor der Entstehung von Kryptowährungen entwickelt wurde. Wenn Absender vor dem Versenden einer E-Mail eine kleine Rechenaufgabe lösen müssten, ließe sich Spam leicht reduzieren. Für einen legitimen Absender wäre diese Berechnung nahezu kostenlos, während sie für jemanden, der massenhaft E-Mails versendet, einen erheblichen Aufwand bedeuten würde.

Was sind Doppelausgaben?

Von Doppelausgaben spricht man, wenn Gelder mehrfach ausgegeben werden. Der Begriff wird fast ausschließlich im Zusammenhang mit digitalen Währungen verwendet. Denn Münzen oder Banknoten lassen sich nur schwer zweimal ausgeben.

Wenn du einen Kaffee bezahlst, gibst du dem Kassierer Bargeld, das anschließend in der Kasse eingeschlossen wird. Du kannst nicht in ein anderes Café gehen und mit demselben Geld bezahlen. Bei digitalen Zahlungssystemen ist das jedoch möglich.

Sicher hast du schon einmal eine Computerdatei mit den Befehlen „Kopieren“ und „Einfügen“ vervielfältigt. Es ist auch einfach, dieselbe Datei per E-Mail an Dutzende Menschen zu senden. Da digitale Währungen letztlich nur aus Daten bestehen, muss verhindert werden, dass Nutzer dieselben Einheiten kopieren und an verschiedenen Orten ausgeben können. Ein digitales Zahlungssystem, das Doppelausgaben nicht verhindert, würde in kürzester Zeit zusammenbrechen.

Wenn du mehr über Doppelausgaben erfahren möchtest, lies gern den Artikel „Doppelausgaben einfach erklärt“.

Warum ist Proof of Work notwendig?

Wenn du unseren Artikel über Blockchain-Technologie gelesen hast, weißt du, dass Nutzer von Kryptowährungen ständig Transaktionen im Netzwerk verbreiten. Diese Transaktionen gelten nicht sofort als gültig. Das sind sie erst, wenn sie bestätigt und zur Blockchain hinzugefügt wurden.

Die Bitcoin-Blockchain funktioniert beispielsweise wie eine öffentliche Transaktionsdatenbank (ein Register), die jeder Nutzer einsehen kann. Stell dir vor, du und deine drei Freunde habt ein Notizbuch, in dem ihr eure Bitcoin-Transaktionen festhaltet. Jedes Mal, wenn einer von euch einen Wert übertragen möchte, schreibt ihr das auf:

Alice zahlt Bob 5 BTC; Bob zahlt Carol 2 BTC usw.

Bei jeder Transaktion verweist du auf die Transaktion, aus der die Gelder stammen. Wenn Bob also Carol 2 BTC zahlt, würde die Eingabe tatsächlich etwa so aussehen:

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

Nun haben wir eine Möglichkeit, BTC-Einheiten nachzuverfolgen. Wenn Bob versucht, eine Transaktion mit denselben 2 BTC durchzuführen, die er gerade an Carol geschickt hat, werden es alle wissen. Die Gruppe wird nicht zulassen, dass die Transaktion ins Notizbuch aufgenommen wird, weil diese 2 BTC bereits ausgegeben wurden.

In einer kleinen Gruppe könnte das durchaus funktionieren. Alle kennen einander und werden sich wahrscheinlich darauf einigen, welche Freunde Transaktionen ins Notizbuch eintragen dürfen. Aber was passiert bei einer Gruppe von 10.000 Personen? Das Notizbuch ist dann nicht geeignet, denn niemand möchte einem Fremden die Verwaltung anvertrauen.

Hier kommt Proof of Work ins Spiel. Er stellt sicher, dass Nutzer kein Geld ausgeben, auf das sie keinen Anspruch haben. Durch die Kombination von Spieltheorie und Kryptografie ermöglicht der PoW-Algorithmus allen, die Blockchain gemäß den Regeln des Systems zu aktualisieren.

Wie funktioniert PoW?

Stell dir vor, unser Notizbuch aus dem obigen Beispiel wäre die Blockchain. Statt Transaktionen einzeln hinzuzufügen, bündeln wir sie jedoch in Blöcken. Wir kündigen die Transaktionen im Netzwerk an, und die Nutzer, die einen Block erstellen, nehmen sie in einen Kandidatenblock auf. Die Transaktionen gelten erst dann als gültig, wenn ihr Kandidatenblock zu einem bestätigten Block wird, das heißt, wenn er zur Blockchain hinzugefügt wurde.

Der Prozess, bei dem Transaktionen validiert und neue Blöcke hinzugefügt werden, wird Mining genannt. Er ist teuer und schwierig, kann sich aber auch lohnen. Die Blockbelohnung setzt sich aus den Transaktionsgebühren der Nutzer und den vom Protokoll neu geschaffenen Bitcoins zusammen.

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

Die Daten eines Blocks zu hashen bedeutet, sie durch eine Hashfunktion laufen zu lassen, um einen Block-Hash zu erzeugen. Dieser Block-Hash ist ein „digitaler Fingerabdruck“: Er identifiziert deine Eingabedaten und ist für jeden Block einzigartig.

Anders ausgedrückt muss ein Miner ausstehende Transaktionen überprüfen und sammeln, sie in einem Kandidatenblock organisieren und die Blockdaten durch eine Hashfunktion laufen lassen, um einen gültigen Hash zu erstellen. Gelingt es ihm, einen gültigen Hash für seinen Kandidatenblock zu finden, verbreitet er ihn im Netzwerk, fügt den Block zur Blockchain hinzu und erhält die Mining-Belohnungen.

Wenn ein Miner seinen Kandidatenblock und den dazugehörigen Hash im Netzwerk verbreitet, wiederholen die anderen Netzwerkteilnehmer den Hashing-Prozess, um zu überprüfen, ob das Ergebnis tatsächlich gültig ist.

Es sind zwar unzählige Hash-Versuche nötig, um einen gültigen Hash zu finden, aber jeder kann leicht bestätigen, dass der erzeugte Hash korrekt ist. Dazu muss man lediglich dieselbe Eingabe (die Blockdaten) durch die Hashfunktion laufen lassen und prüfen, ob dasselbe Ergebnis herauskommt.

Beim Proof of Work musst du Daten bereitstellen, deren Hash bestimmten Bedingungen entspricht. Du weißt aber nicht, wie du das erreichen kannst. Deine einzige Möglichkeit ist daher, deine Daten durch eine Hashfunktion laufen zu lassen und zu prüfen, ob das Ergebnis den Bedingungen entspricht. Ist das nicht der Fall, musst du deine Daten leicht verändern, um einen anderen Hash zu erhalten. Änderst du auch nur ein einziges Zeichen in deinen Daten, erhältst du ein völlig anderes Ergebnis. Es gibt also keine Möglichkeit, das Ergebnis vorherzusagen.

Um einen Block erstellen zu können, musst du also raten. In der Regel nimmst du Informationen zu allen Transaktionen, die du hinzufügen möchtest, sowie weitere wichtige Daten und hashst alles zusammen. Da sich dein Datensatz nicht ändert, musst du ihm eine Variable hinzufügen. Andernfalls erhältst du immer denselben Hash. Diese Variable ist der Nonce. Dabei handelt es sich um eine Zahl, die sich bei jedem Versuch ändert, damit du jedes Mal einen anderen Hash erhältst.

Zusammengefasst ist Mining der Prozess, bei dem Daten aus der Blockchain gesammelt und zusammen mit einem Nonce so lange gehasht werden, bis ein bestimmter Hash gefunden wird. Wenn du einen Hash findest, der die vom Protokoll festgelegten Bedingungen erfüllt, darfst du den neuen Block im Netzwerk verbreiten. Die anderen Netzwerkteilnehmer aktualisieren ihre Blockchain, um den neuen Block aufzunehmen.

Bei den größten Kryptowährungen sind diese Bedingungen extrem schwer zu erfüllen. Je höher die Hashrate eines Netzwerks ist, desto schwieriger ist es, den richtigen Hash zu finden. So wird sichergestellt, dass Blöcke nicht zu schnell gefunden werden.

Wie du dir vorstellen kannst, ist es für deinen Computer sehr kostspielig, zu versuchen, riesige Mengen an Hashes zu erraten. Dabei wird nicht nur deine Hardware abgenutzt, sondern auch Strom verschwendet. Deshalb belohnt dich das Protokoll mit Kryptowährungen, wenn du den richtigen Hash findest.

Fassen wir zusammen, was wir bisher wissen:

• Mining ist schwierig und kostspielig, sorgt aber für die Sicherheit des Netzwerks.

• Miner, denen es gelingt, einen gültigen Block zu erstellen, werden mit neu geschaffenen Kryptowährungen und Transaktionsgebühren belohnt.

• Die Erstellung eines gültigen Hashs nimmt Zeit in Anspruch, aber andere Nutzer können seine Gültigkeit leicht überprüfen, indem sie den Hashing-Prozess wiederholen.

Bis hierhin klingt alles gut. Aber was passiert, wenn du versuchst zu betrügen? Was hindert dich daran, betrügerische Transaktionen in den Block aufzunehmen, bevor du einen gültigen Hash erstellst?

Hier kommt die Public-Key-Kryptografie ins Spiel. Wir gehen hier nicht näher darauf ein, aber du kannst jederzeit den Artikel „Was ist Public-Key-Kryptografie?“ lesen, um mehr zu erfahren. Kurz gesagt gibt es raffinierte kryptografische Verfahren, mit denen jeder Nutzer überprüfen kann, ob jemand berechtigt ist, die Gelder zu bewegen, die er auszugeben versucht.

Wenn du eine Transaktion erstellst, signierst du sie. Jeder Netzwerkteilnehmer kann deine Signatur mit deinem öffentlichen Schlüssel vergleichen, um zu überprüfen, ob sie zusammenpassen. Außerdem wird überprüft, ob du deine Gelder tatsächlich ausgeben kannst und ob die Summe deiner Eingaben größer ist als die Summe deiner Ausgaben (das heißt, dass du nicht mehr ausgibst, als du besitzt).

Jeder Block, der eine ungültige Transaktion enthält, wird vom Netzwerk automatisch abgelehnt. Betrügen kostet dich viel Geld. Du verschwendest nicht nur deine Ressourcen, sondern erhältst auch keine Belohnung.

Genau darin liegt die Stärke von Proof of Work: Ehrlichkeit ist lohnender als Betrug. Jeder rationale Miner wird eine Rendite auf seine Investition anstreben. Daher ist davon auszugehen, dass er sich so verhält, dass er mit höherer Wahrscheinlichkeit Einnahmen erzielt.

Proof of Work (PoW) und Proof of Stake (PoS)

Neben PoW gibt es zahlreiche weitere Konsensalgorithmen. Einer der beliebtesten ist Proof of Stake (PoS). Das Konzept geht auf das Jahr 2011 zurück und wurde bei Ethereum sowie mehreren anderen Protokollen umgesetzt.

Bei Proof of Stake (PoS) werden Miner durch Validatoren ersetzt. Es gibt kein Mining und keinen Wettlauf um den richtigen Hash. Stattdessen werden Nutzer nach dem Zufallsprinzip ausgewählt. Werden sie ausgewählt, müssen sie einen Block vorschlagen (oder „schmieden“). Ist der Block gültig, erhalten sie eine Belohnung, die sich aus den Gebühren der im Block enthaltenen Transaktionen zusammensetzt.

Nicht jeder kann ausgewählt werden, denn das Protokoll berücksichtigt bei der Auswahl bestimmte Parameter. Um ausgewählt werden zu können, müssen die Teilnehmer einen Stake hinterlegen – einen festgelegten Betrag der nativen Währung der Blockchain. Der Stake dient als Sicherheit: So wie Angeklagte eine hohe Geldsumme hinterlegen, um sie davon abzuhalten, sich dem Prozess zu entziehen, sperren Validatoren einen Stake, damit sie nicht betrügen. Wenn sie sich unehrlich verhalten, wird ihr gesamter Stake oder ein Teil davon eingezogen.

Proof of Stake (PoS) bietet gegenüber Proof of Work (PoW) einige Vorteile. Der größte ist der geringere CO₂-Fußabdruck. Da PoS keine leistungsstarken Mining-Farmen erfordert, beträgt der Stromverbrauch nur einen Bruchteil des Verbrauchs von PoW.

Allerdings kann PoS noch nicht auf eine ebenso lange Erfolgsgeschichte wie PoW zurückblicken. Auch wenn Mining als Verschwendung erscheinen mag, ist es der einzige Konsensalgorithmus, der seit mehr als einem Jahrzehnt erprobt wird. Seit seiner Einführung hat Bitcoin-PoW Transaktionen im Wert von mehreren Milliarden Dollar abgesichert. Um mit Sicherheit sagen zu können, dass PoS in puncto Sicherheit mit PoW konkurrieren kann, muss Staking zunächst in großem Maßstab gründlich getestet werden.

Fazit

Proof of Work war die ursprüngliche Lösung für das Problem der Doppelausgaben und hat sich seitdem als zuverlässig und sicher erwiesen. Bitcoin hat gezeigt, dass wir keine zentralisierten Instanzen benötigen, um zu verhindern, dass Gelder mehrfach ausgegeben werden. Durch den cleveren Einsatz von Kryptografie, Hashfunktionen und Spieltheorie können sich Teilnehmer in einer dezentralen Umgebung auf den aktuellen Stand einer Finanzdatenbank einigen.

Weitere Informationen

• Was ist Kryptowährungs-Mining und wie funktioniert es?

• Was ist Public-Key-Kryptografie?

• Was ist ein Blockchain-Konsensalgorithmus?

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