Einführung

    Proof of Work (oft als „PoW“ abgekürzt) ist ein Mechanismus zur Verhinderung des Double-Spend-Problems. Die überwiegende Mehrheit der Kryptowährungen nutzt diesen Konsensalgorithmus-Mechanismus. Wir nennen diesen Ansatz ein kryptografisch sicheres Ledger.

Einführung

Einfach ausgedrückt ist Proof of Work (PoW) ein Mechanismus, der das Double-Spend-Problem in digitalen Zahlungssystemen verhindert. Bitcoin und viele andere Kryptowährungen nutzen einen Proof-of-Work-Mechanismus, um ihre Blockchain-Netzwerke und -Daten zu sichern. Dieser Mechanismus bedeutet, dass mehrere Parteien einen Konsens erzielen, ohne sich gegenseitig zu vertrauen, und wird oft als „Konsensalgorithmus“ oder „Konsensmechanismus“ bezeichnet.

Proof of Work ist der erste Konsensalgorithmus, der auf den Markt kam, und er ist neben Proof of Stake (PoS) auch heute noch im Mainstream. Satoshi Nakamoto schlug das Konzept des Proof-of-Work im Bitcoin-Whitepaper im Jahr 2008 vor, die Technologie selbst war jedoch schon vorher konzipiert worden.

Bevor es Kryptowährungen überhaupt gab, war HashCash von Adam Back ein frühes Beispiel für einen Proof-of-Work-Algorithmus. HashCash lindert das Spam-Problem, das die Empfänger plagt, indem es vom Absender eine kleine Anzahl von Berechnungen verlangt, bevor die E-Mail gesendet wird. Solche Berechnungen sind für normale Versender nahezu mühelos, für diejenigen, die große Mengen an E-Mails versenden, erhöht sich der Aufwand jedoch schnell.

Was ist das Problem der doppelten Ausgaben?

Doppelte Ausgaben liegen vor, wenn dieselben Mittel mehrfach verwendet werden. Dieser Begriff ist im Grunde nur der Welt der digitalen Währungen vorbehalten, denn im wirklichen Leben kann man den gleichen Bargeldbetrag nicht zweimal bezahlen.​

Nachdem Sie beispielsweise Ihren Kaffee an der Kasse bezahlt haben, wird er in der Kasse gesperrt. Es ist unmöglich, dass ein Kunde für den gleichen Betrag eine weitere Tasse Kaffee im Café auf der anderen Straßenseite kauft. Dies kann jedoch passieren, wenn ein digitales Bargeldsystem verwendet wird.​

Wir alle haben zweifellos schon einmal Computerdateien mithilfe von Befehlen zum Kopieren und Einfügen kopiert und problemlos dasselbe Dokument an Dutzende von Personen gesendet. Bei digitalen Währungen handelt es sich im Wesentlichen um Daten, daher müssen wir uns vor anderen hüten, die Probleme mit doppelten Ausgaben verursachen, d. h. indem sie dieselbe Währung kopieren und woanders ausgeben. Ohne die Fähigkeit, Doppelausgaben zu verhindern, werden digitale Zahlungssysteme bald zusammenbrechen.

Wenn Sie mehr über das Problem der doppelten Ausgaben erfahren möchten, lesen Sie bitte „Detaillierte Erläuterung des Problems der doppelten Ausgaben“.

Warum ist ein Arbeitsnachweis notwendig?

Wenn Sie unsere Artikel zur Blockchain-Technologie gelesen haben, wissen Sie, dass Benutzer von Kryptowährungen ständig Transaktionen im Netzwerk veröffentlichen, diese Transaktionen jedoch nicht sofort wirksam werden. Eine Transaktion ist erst gültig, nachdem sie bestätigt und zur Blockchain hinzugefügt wurde.

Beispielsweise handelt es sich bei der Bitcoin-Blockchain um eine öffentliche Transaktionsdatenbank (Ledger), die von allen Nutzern eingesehen werden kann. Stellen Sie sich vor, jemand teilt einen Notizblock mit drei anderen Freunden, um ihre Bitcoin-Transaktionen aufzuzeichnen. Wann immer einer von Ihnen eine Wertübertragung vornimmt, notieren Sie Folgendes:

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

Allerdings muss bei jeder Transaktion die Herkunft der Mittel angegeben werden. Wenn Bob Carol also 2 BTC zahlt, sollte der Datensatzeintrag so aussehen:

Bob zahlt Carol 2 BTC, die aus Bobs vorheriger Transaktion mit Alice stammen.

Auf diese Weise haben wir die Möglichkeit, die oben genannten BTC-Beträge zu verfolgen. Wenn Bob versucht, mit den 2 BTC, die er zuvor an Carol gezahlt hat, eine weitere Transaktion durchzuführen, wird jeder sofort davon erfahren. Da bereits 2 BTC ausgegeben wurden, erlauben die Mitglieder der Sharing-Gruppe nicht, dass diese Transaktion im Notizblock aufgezeichnet wird.

Für kleine Gruppen kann dieser Ansatz sehr gut funktionieren. Jeder kennt jeden und kann sich darauf einigen, welcher Freund die Transaktion im Merkzettel vermerkt. Was würde passieren, wenn es eine Gruppe von 10.000 Teilnehmern wäre? Zu diesem Zeitpunkt kann Notepad nicht effektiv erweitert werden, schließlich würde niemand einem Fremden die Führung des Hauptbuchs anvertrauen.

Hier kommt der Arbeitsnachweis ins Spiel. Der Arbeitsnachweis stellt sicher, dass Benutzer keine Gelder ausgeben dürfen, auf die sie keinen Zugriff haben. Der Workload-Proof-Algorithmus kombiniert Spieltheorie und Kryptographie, um es jedem zu ermöglichen, die Blockchain gemäß den Systemregeln zu aktualisieren.

Wie funktioniert der Arbeitsnachweis?

Gehen Sie davon aus, dass der Notizblock im obigen Beispiel die Blockchain ist. Wir fügen nun Transaktionen nicht einzeln hinzu, sondern verpacken sie in Blöcke. Wir veröffentlichen Transaktionen im Netzwerk und der Benutzer, der den Block erstellt, zählt die Transaktion dann zu einem Kandidatenblock. Erst wenn der Kandidatenblock zu einem bestätigten Block wird, wird die Transaktion wirksam. Das heißt, die Transaktion wird zur Blockchain-Datenbank hinzugefügt.

Der Prozess der Validierung von Transaktionen und des Hinzufügens neuer Blöcke wird „Mining“ genannt. Der Bergbau ist teuer und schwierig, aber die Erträge sind auch beträchtlich. Blockbelohnungen bestehen aus den Transaktionsgebühren der Benutzer und brandneuen Bitcoins, die durch das Protokoll erstellt werden.​

Der Arbeitsnachweis erfordert, dass Miner (Benutzer, die Blöcke erstellen) Ressourcen wie Strom und Rechenleistung investieren, um die Daten der Kandidatenblöcke zu hashen, bis sie eine Lösung für das Rätsel finden.

Der Hash-Vorgang von Blockdaten bezieht sich auf das Einbringen von Daten in eine Hash-Funktion, um einen Block-Hash-Wert zu generieren. Der Block-Hash fungiert wie ein „Fingerabdruck“, eine Identifizierung der Eingabedaten und ist für jeden Block eindeutig.

Mit anderen Worten: Miner müssen ausstehende Transaktionen überprüfen und sammeln, diese Transaktionen in einem Kandidatenblock organisieren und die Daten des Blocks in eine Hash-Funktion einbringen, um einen gültigen Hash-Wert zu generieren. Sobald ein Miner erfolgreich einen gültigen Hash eines Kandidatenblocks findet, veröffentlicht er ihn im Netzwerk, fügt den Block zur Blockchain hinzu und erhält die Mining-Belohnung.

Nachdem der Miner den Kandidatenblock und den Hash-Wert im Netzwerk veröffentlicht hat, wiederholen andere Netzwerkteilnehmer den Hashing-Prozess, um zu überprüfen, ob die Ausgabe tatsächlich gültig ist.​

Ein gültiger Hash-Wert muss zur Berechnung unzählige Male gehasht werden, aber jeder kann leicht bestätigen, dass der generierte Hash-Wert korrekt ist. Solange die gleichen Eingaben (Blockdaten) an die Hash-Funktion übermittelt werden, kann die Konsistenz der Ausgabe überprüft werden.

Die zum Nachweis der Arbeit bereitgestellten Daten, der Hash-Wert, müssen bestimmte Bedingungen erfüllen. Aber Benutzer wissen nicht, wie es geht. Sie können die Daten lediglich an eine Hash-Funktion übergeben, um zu überprüfen, ob sie die Kriterien erfüllen. Wenn es nicht übereinstimmt, ändern Sie die Daten leicht und erhalten Sie einen anderen Hash-Wert. Die Änderung auch nur eines Zeichens in den Daten kann zu völlig unterschiedlichen Ergebnissen führen, sodass die Ausgabe überhaupt nicht vorhergesagt werden kann.

Die Blockerstellung ist also ein Ratespiel. Im Allgemeinen müssen Benutzer alle Transaktionsinformationen und einige andere wichtige hinzuzufügende Daten aggregieren und sie dann gleichzeitig hashen. Da sich der Datensatz nicht ändert, müssen variable Informationen hinzugefügt werden. Andernfalls ist der Ausgabe-Hashwert immer konsistent. Diese variablen Daten werden als „Zufallszahl“ bezeichnet. Jedes Mal, wenn Sie versuchen, die Nonce zu ändern, erhalten Sie einen anderen Hashwert.

Alles in allem ist Mining der Prozess, bei dem Blockchain-Daten gesammelt und mithilfe von Zufallszahlen gehasht werden, bis ein bestimmter Hash-Wert gefunden wird. Wenn der resultierende Hashwert die vom Protokoll festgelegten Bedingungen erfüllt, kann ein neuer Block im Netzwerk veröffentlicht werden. Gleichzeitig können andere Netzwerkteilnehmer ihre eigenen Blockchains um neue Blöcke aktualisieren.

Für die heutigen Mainstream-Kryptowährungen ist es eine ziemliche Herausforderung, die Bedingungen zu erfüllen. Je höher die Hash-Rate eines Netzwerks ist, desto schwieriger ist es, gültige Hashes zu finden. Dies dient dazu, die Blockgenerierungsgeschwindigkeit zu verlangsamen.

Sie können sich vorstellen, wie hoch die Kosten für das Erraten großer Hash-Werte mit einem PC sind. Dies verbraucht viel Rechenzeit und Strom. Aber solange ein gültiger Hash gefunden wird, belohnt Sie das Protokoll mit Kryptowährung.

Lassen Sie uns noch einmal Revue passieren lassen, was wir bisher wissen:

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

  • Wenn Miner erfolgreich gültige Blöcke generieren, erhalten sie eine Belohnung, die aus neu ausgegebener Kryptowährung und Transaktionsgebühren besteht.

  • Das Generieren eines gültigen Hash-Werts ist zeitaufwändig, andere Benutzer können die Gültigkeit des Hash-Werts jedoch leicht überprüfen, indem sie den Hash-Vorgang wiederholen.

Bisher ist alles normal. Aber was passiert, wenn jemand versucht zu betrügen? Wie können wir die Praxis stoppen, eine große Anzahl betrügerischer Transaktionen in Blöcke einzugeben, um gültige Hashes zu generieren?

Es entstand die Public-Key-Kryptographie. In diesem Artikel wird hier nicht auf Einzelheiten eingegangen. Bitte lesen Sie „Was ist Public-Key-Kryptographie?“ 》Für ein umfassendes Verständnis. Einfach ausgedrückt verwendet die Public-Key-Kryptografie bestimmte konforme Kryptografietechniken, um zu überprüfen, ob jemand das Recht hat, auf einen bestimmten Geldbetrag zuzugreifen.

Wenn ein Benutzer eine Transaktion erstellt, signiert er oder sie die Transaktion. Andere Benutzer im Netzwerk vergleichen die Signatur mit dem öffentlichen Schlüssel des signierenden Benutzers, um zu überprüfen, ob sie übereinstimmen. Gleichzeitig können andere Nutzer auch prüfen, ob die Person berechtigt ist, über die Gelder zu verfügen und ob der Gesamteingangsbetrag höher ist als der Gesamtausgangsbetrag, d. h. die Ausgaben dürfen den Haltebetrag nicht überschreiten.

Das Netzwerk lehnt Blöcke mit ungültigen Transaktionen automatisch ab. Die Kosten für einen Betrugsversuch sind sehr hoch. Es ist nicht nur eine Verschwendung von Ressourcen, sondern Sie erhalten auch keine Belohnungen.

Hier kommt das Geheimnis des Proof-of-Work zum Vorschein, das heißt, Betrug ist kostspielig, während ehrliche Operationen hochprofitabel sind. Kluge Bergleute streben nach einer Kapitalrendite und gehen daher vorsichtig vor, um Gewinne zu erzielen.

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

Zusätzlich zum Proof of Work gibt es viele Konsensalgorithmen, wobei Proof of Stake (PoS) der beliebteste ist. Das Konzept stammt aus dem Jahr 2011 und wurde in Ethereum und zahlreichen anderen Protokollen implementiert.

In einem Proof-of-Stake-System werden Miner durch „Validatoren“ ersetzt und es gibt keinen Wettbewerb beim Mining und Erraten von Hashes. Stattdessen müssen zufällig ausgewählte Benutzer Blöcke vorschlagen oder „prägen“. Wenn der Block gültig ist, erhält der Benutzer eine Belohnung, die aus Blocktransaktionsgebühren besteht.

Natürlich gibt es Schwellenwerte für den Auswahlprozess, und in der Vereinbarung werden verschiedene Faktoren bei der Auswahl der Benutzer umfassend berücksichtigt. Um sich zu qualifizieren, müssen sich die Teilnehmer einen Einsatz sichern, einen vorher festgelegten Betrag der nativen Währung der Blockchain. Eine Verpfändung funktioniert wie eine Kaution. Um beispielsweise zu verhindern, dass Angeklagte sich dem Prozess entziehen, müssen sie hohe Kautionen hinterlegen, und Prüfer müssen „Zusagen“ hinterlegen, um Betrug zu verhindern. Im Falle eines Betrugs wird das Pfand ganz oder teilweise eingezogen.

Im Vergleich zum Proof of Work hat der Proof of Stake gewisse Vorteile. Am offensichtlichsten ist die Reduzierung des CO2-Fußabdrucks, da Proof-of-Stake keine Hochleistungs-Mining-Farmen erfordert und nur einen Bruchteil des Stroms von Proof-of-Work verbraucht.​

Dennoch ist Proof of Stake immer noch weitaus weniger beliebt als Proof of Work. Mining gilt als Ressourcenverschwendung, ist aber seit mehr als einem Jahrzehnt immer noch der einzige als zuverlässig anerkannte Konsensalgorithmus. Nach der Einführung des Proof-of-Work von Bitcoin schützte es Transaktionen im Wert von Billionen Dollar. Um zu wissen, ob die Sicherheit von Proof of Stake mit der von Proof of Work vergleichbar ist, muss das Staking einer langfristigen tatsächlichen Überprüfung unterzogen werden.

Abschluss

Proof-of-Work war die erste Lösung für das Problem der doppelten Ausgaben und seine Zuverlässigkeit und Sicherheit wurden bewiesen. Bitcoin beweist, dass wir uns nicht auf eine zentralisierte Einheit verlassen müssen, um zu verhindern, dass dasselbe Geld zweimal ausgegeben wird. Teilnehmer einer dezentralen Umgebung können den Zustand von Finanzdatenbanken durch den geschickten Einsatz von Kryptografie, Hash-Funktionen und Spieltheorie koordiniert verfolgen.

Weiterführende Literatur

  • Was ist Kryptowährungs-Mining und wie funktioniert es?

  • Was ist Public-Key-Kryptographie?

  • Was ist der Blockchain-Konsensalgorithmus?

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