Konsens-Algorithmen: Proof of Work

Was bedeutet Proof of Work Konsens-Algorithmus?

Proof of Work ist der Konsens-Algorithmus, der der Bitcoin-Blockchain zugrunde liegt. Er wird als “Proof of Work” (Arbeitsnachweis) bezeichnet, da die teilnehmenden Nodes (Miner) im Bitcoin-Netzwerk eine Art Arbeit - in der Regel durch Rechenleistung - verrichten müssen.

Der Konsens-Algorithmus sichert die Einhaltung bestimmter Regeln im Blockchain-Netzwerk. Er ist eine Vereinbarung über die Regeln einer bestimmten Blockchain und über die Bedingungen der Teilnahme von Nutzern am Netzwerk. 

Was sind Miner? 

In Lektion 16 der Bitpanda Academy für Anfänger haben wir über Mining Pools gelernt. Deswegen an dieser Stelle noch einmal ein paar Worte über Miner. Miner sind Bitcoin-Nutzer, die Blockchain-Transaktionen überprüfen. Sie haben die gesamte Bitcoin-Blockchain heruntergeladen und lassen diese auf Computern mit starker Rechenleistung laufen. 

Die Nutzer (Nodes) des Bitcoin-Netzwerks werden “Miner” genannt, da sie die Richtigkeit einer Transaktion in einem Prozess namens Mining überprüfen. Diesen Prozess kann man sich wie die Lösung komplexer mathematischer Aufgaben vorstellen. Dieses System funktioniert nur, wenn die Miner in einer Weise handeln, die der gesamten Bitcoin Community zugute kommt. Miner werden dazu angeregt, diesen Prozess fair und ehrlich abzuwickeln, um das Vertrauen der gesamten Bitcoin Community nicht zu missbrauchen.

Sobald ein neuer Auftrag zur Aufnahme und Genehmigung einer Transaktion in der Blockchain verteilt wird, wählen die Miner die Transaktionen mit den höchsten angebotenen Gebühren, um sie in den nächsten Block der Blockchain aufzunehmen. 

Um einen Konsens über die Gültigkeit eines Block in der Blockchain zu erreichen, ist vom Bitcoin-Algorithmus eine Schwierigkeit (“mining difficulty”) als Parameter festgesetzt. Dieser Parameter ist das Maß für den Aufwand, der erfüllt werden muss, damit die Gültigkeit eines Blocks bestätigt werden kann. Die Difficulty wird vom Bitcoin-Netzwerk regelmäßig anhand der Rechenleistung der Miner angepasst. 

Um sicherzustellen, dass alle neuen Blöcke in etwa gleich schnell überprüft werden, wird die Difficulty je nach bestehenden Blockzeiten bei Bedarf reduziert oder erhöht. 

Eine zufällige Zahl, die als “Nonce” (Abkürzung für number only used once) bezeichnet wird, wird dem Block für kryptographische Zwecke hinzugefügt. Die Miner ändern die Nonce bis ein Wert gefunden wird, der dem Hash des Blocks entspricht. Sobald diese Anforderung erfüllt ist, kann der Block nicht mehr verändert werden, außer der exakte Prozess würde wiederholt. 

Eine vorläufig erzeugte Zahl, die auch als Nonce (Abkürzung für number only used once) bezeichnet wird, wird dem Block für kryptographische Zwecke hinzugefügt.

Die Node “hasht” dann die ausgewählte Datenmenge. Das Verb “hashen” stammt vom französischen Wort “hacher”, was so viel bedeutet wie “in kleine Stücke zerhacken”. 

Beim Hashing wird eine Hash-Funktion verwendet, um einen Wert (den ausgewählten Datensatz) in eine feste Größe als Output, also den Hash-Wert, umzuwandeln und so den ursprünglichen Wert zu verbergen.  

Eine Hash-Funktion kann nicht rückgängig gemacht werden, was bedeutet, dass man den Hash-Wert nicht zur Ermittlung der ursprünglichen Daten verwenden kann. Der Hash-Wert ist also eine Art “Fingerabdruck”, der eine genaue Authentifizierung ermöglicht und sicherstellt, dass der übertragene Inhalt nicht manipuliert wurde. Jeder Hash-Wert enthält Informationen über alle bisherigen Bitcoin-Transaktionen. 

Die Difficulty wird anhand der Rechenleistung der Miner regelmäßig vom Bitcoin-Netzwerk angepasst.

Der neu generierte Hash wird anhand der aktuellen Difficulty geprüft. Ein Hash-Wert muss immer eine bestimmte Anzahl an Null-Bits (Zero-Bits) enthalten. Erfüllt der Hash die Difficulty, wird er an die anderen Miner im Netzwerk gesendet. Erfüllt er sie nicht, wird eine andere Nonce ausgewählt und gehasht. Die Miner erzeugen viele Hashes mit verschiedenen Nonces, bis sie einen Nonce finden, der die erforderliche Difficulty erfüllt. Diesen repetitiven Prozess nennt man “Mining” und jetzt verstehst du, warum er so viel Energie beansprucht.

Der erste Miner, der einen gültigen Hash findet, validiert den Block in einen neuen Block und erhält dafür einen Block Reward in Bitcoin. Aktuell beträgt der Block Reward 6,25 BTC. In etwa alle 10 Minuten findet die Erstellung eines neuen Blocks statt.

Jedes Mal, wenn ein neuer Block erstellt werden soll, erhalten Miner die Möglichkeit den Block Reward zu bekommen. Aus diesem Grund gleicht die Überprüfung von Transaktionen auf der Bitcoin-Blockchain einem nicht enden wollenden Goldrausch mit Tausenden von Minern auf der ganzen Welt, die gleichzeitig nach einem Block suchen und diesen als erster Miner finden wollen. 

Konsens in der Blockchain

Es ist immer die längste bestehende Version der Bitcoin-Blockchain, die als die gültige Bitcoin-Blockchain anerkannt wird. Wenn es unter der Mehrheit der Miner in einem Netzwerk zu Meinungsverschiedenheiten über die Validierungsregeln von Transaktionen kommt, kann eine solche Diskussion schließlich zur Abspaltung einer Blockchain, einer so genannten “Fork” führen. 

In den meisten Fällen haben Miner jedoch keinen wirklichen Grund, gegen die Regeln zu verstoßen, da die von ihnen investierten Kosten und der Zeitaufwand, die für die ununterbrochene Durchführung des Mining-Prozesses anfallen, beträchtlich sind. 

Dank des Bitcoin-Netzwerks und des Proof of Work Konsens-Algorithmus ist kein Vertrauen der Nutzer in eine traditionelle Bank notwendig. Anstatt Transaktionen an einem zentralen Ort, wie zum Beispiel in einer Bank zu speichern, werden die Transaktionen anonymisiert in einem öffentlichen Netzwerk durchgeführt, das für jedermann einsehbar ist. Eine einmal abgeschlossene Transaktion kann nie mehr rückgängig gemacht oder geändert werden. 

Jedes Mal, wenn eine Person einer anderen Bitcoin sendet, spricht man von einer Transaktion, die im Netzwerk aufgezeichnet werden muss. 

Die Nachteile von Proof of Work 

Als Prozess hat sich Proof of Work in Bezug auf die Verarbeitungsgeschwindigkeit von Transaktionen als sehr langsam erwiesen. In einer Sekunde konnten bisher maximal sieben Bitcoin-Transaktionen verarbeitet werden, was im Vergleich zum VISA-Netzwerk, das ungefähr 1.700 Transaktionen pro Sekunde verarbeitet, eine sehr geringe Anzahl darstellt. 

Weiters beansprucht das Mining in der Bitcoin-Blockchain sehr viel Energie. In Deutschland kostete das Mining eines einzigen Bitcoins im Jahr 2018 im Durchschnitt 12.000 Euro. Aus diesem Grund versuchen Miner ihre Chancen einen Bitcoin zu minen, zu erhöhen und schließen sich in Mining Pools zusammen. Für manche durchschnittlichen Nutzer stellen wegen des Ressourcen intensiven Prozesses sogenannte Cloud-Mining-Services die einzig rentable und mögliche Option dar, am Netzwerk teilzunehmen. 

Ein weiterer Nachteil des Proof of Work ist, dass größeren Mining Pools mehr Rechenleistung zur Verfügung steht und es daher wahrscheinlicher ist, dass sie als Erstes einen gültigen Block minen. Dadurch werden einzelne Miner benachteiligt. 

Protokolle wie das Lightning-Netzwerk haben das Ziel, die Geschwindigkeit und Kapazität des Bitcoin-Netzwerks zu erhöhen. Das Lightning-Netzwerk bildet eine Art “zweite Ebene” auf dem Bitcoin-Netzwerk. Es ist derzeit nur provisorisch eingerichtet und soll die Kapazität der zentralen Bitcoin-Blockchain vergrößern, indem es einige der vielen Transaktionen übernimmt. 

Protokolle wie das Lightning-Netzwerk haben das Ziel die Geschwindigkeit und Skalierbarkeit des Bitcoin-Netzwerks zu erhöhen.

Durch das Einrichten von Zahlungskanälen für zwei Parteien auf dieser zweiten Ebene für einen so langen Zeitraum wie nötig könnte das Lightning-Netzwerk die notwendigen Voraussetzungen dafür schaffen, dass Nutzer eines Tages eine Tasse Kaffee mit Bitcoin bezahlen können. Gleichzeitig arbeiten zahlreiche Unternehmen an der Entwicklung von Mining Hardware, die mit erneuerbaren Energien statt herkömmlichem Strom betrieben wird. 

Die Vorteile von Proof of Work

Es gibt womöglich bessere Mechanismen und Algorithmen als Proof of Work. Der Proof of Work Algorithmus ist jedoch am besten etabliert und auch am besten vor Angriffen geschützt, vor allem wenn man bedenkt, dass Bitcoin und die Blockchain-Technologie dahinter noch relativ jung sind. Die hohen Kosten sind auch ein Faktor, der dem Konsens zugute kommt und die Netzwerkteilnehmer davon abhält, ihre Ressourcen in anderen Blockchains einzusetzen. Daher stehen die Chancen gut, dass der Proof of Work Algorithmus von den Entwicklern weiterhin ständig verbessert wird und die Mängel behoben werden.