Proof of Work: Erklärung für Fortgeschrittene
Tatsächlich ist die Erklärung von Proof of Work etwas komplexer. PoW ist mehr als ein einfacher Wettbewerb. Der Konsensmechanismus stellt ein entscheidendes Element der Netzwerksicherheit dar. Miner verwenden spezialisierte Hardware, um Millionen von Berechnungen pro Sekunde durchzuführen. Nur, wenn sie als Erste die sogenannte Nonce finden, die den Anforderungen des Netzwerks entspricht, erhalten sie eine Belohnung. In Proof of Work-Blockchains steht Nonce für „number used only once“ (auf Deutsch: „einmalig verwendete Nummer“). Diese Zahlenfolge wird nur ein einziges Mal in einer Blockchain verwendet.
Die eingebrachte Rechenleistung sichert das Netzwerk gegen unautorisierte Änderungen ab. Gleichzeitig dient das damit einhergehende Mining auch als Mechanismus zur Schaffung neuer Coins und Token. So verbindet Proof of Work die Sicherheit der Blockchain mit einem attraktiven Anreiz für die Netzwerkteilnahme.
Proof of Work in Blockchain-Netzwerken
Proof of Work-Konsensmechanismen erfüllen unterschiedliche Funktionen in Blockchain-Netzwerken. Durch ihre Implementierung tragen sie nicht nur zur Validierung und Sicherung von Transaktionen bei, sondern auch zur Aufrechterhaltung der Netzwerkintegrität. Eine entscheidende Funktion beim Mining übernimmt dabei die Nonce.
Die Rolle von Proof of Work in der Blockchain-Integrität
Ein Blockchain-Netzwerk besteht aus einer Kette von Blöcken, die Informationen zu Transaktionen enthalten. Miner validieren kontinuierlich die neu getätigten Transaktionen und arbeiten daran, einen neuen Block zur Blockchain hinzuzufügen. Dazu überprüfen und bestätigen sie Transaktionen, bevor sie der Blockchain hinzugefügt werden. Dieser Prozess erfordert erhebliche Rechenleistung, auch Hashrate genannt – je höher die Hashrate ist, desto sicherer ist das Netzwerk. Um eine betrügerische Transaktion durchzuführen, müssten Netzwerkteilnehmer nämlich über 50% der Hashrate eines Netzwerks kontrollieren. Je mehr Rechenleistung weltweit in das Mining eingebracht wird, desto schwieriger ist eine sogenannte 51%-Attacke.
Miner erhalten eine Belohnung für ihren Beitrag zur Netzwerksicherheit durch das Lösen mathematischer Probleme, ihren „Proof of Work“ bzw. ihren „Beweis der Arbeit". Die schafft einen Anreiz zum Mining und fördert eine hohe Hashrate. Der Proof of Work-Konsensmechanismus trägt auf diese Art zur Integrität und Sicherheit des Netzwerks bei und ist ein wesentlicher Bestandteil der Blockchain-Integrität.
Förderung der Dezentralität durch Proof of Work
Proof of Work (PoW) fördert die Dezentralisierung von Blockchain-Netzwerken. Netzwerkteilnehmer mit entsprechender Rechenleistung tragen zur Validierung von Transaktionen und zur Erstellung neuer Blöcke bei. Die Teilnahme am Netzwerk steht einer breiten und diversifizierten Gruppe von Minern frei. So verteilt der Proof of Work-Konsensmechanismus die Kontrolle über das Netzwerk auf alle aktiven Netzwerkteilnehmer und verhindert, dass einzelne Akteure oder Gruppen zu viel Macht erlangen. Durch die Belohnung der Miner für ihren Beitrag wird außerdem sichergestellt, dass Anreize für die Teilnahme am Netzwerk bestehen, was die Dezentralisierung und Sicherheit weiter stärkt.
Blockchain-Nonce und ihre Rolle in Proof of Work-Netzwerken
In Proof of Work (PoW)-Blockchains ist die Nonce (number used only once), eine variable Zahl, die in einem Block hinterlegt ist. Miner variieren diese Zahl kontinuierlich, um einen ganz bestimmten Wert unterhalb eines spezifischen Ziels zu erreichen. Dieser gesuchte Wert wird auch als Hashwert bezeichnet. Diese Suche nach der richtigen Nonce in Proof of Work-basierten Blockchains erfordert enorme Rechenleistung, da sie nur durch Austesten gefunden wird. Findet ein Miner eine Nonce, die den Anforderungen entspricht, wird der neue Block als gültig anerkannt und zur Blockchain hinzugefügt. Die Nonce ist somit entscheidend für das Finden neuer Blöcke und trägt direkt zur Sicherheit und Integrität der Blockchain bei.
Der Proof of Work-Algorithmus bei Bitcoin
Die bekannteste Proof of Work (PoW)-Blockchain und Kryptowährung ist Bitcoin (BTC). Der Algorithmus ist entscheidend für die Funktionsweise und Sicherheit des Bitcoin-Netzwerks. Er ermöglicht, dass Transaktionen ohne eine zentrale Autorität validiert und neue Blöcke zur Bitcoin-Blockchain hinzugefügt werden.
Der PoW-Algorithmus funktioniert auch beim Bitcoin-Mining wie bereits beschrieben: Miner lösen komplexe mathematische Probleme, um den nächsten Block zu validieren und werden dafür mit Bitcoins belohnt. Diese Methode schützt das Netzwerk vor doppelten Ausgaben, dem sogenannten Double Spending, und sichert die Integrität der Blockchain. In der Geschichte des Bitcoin-Minings musste auch der PoW-Konsensmechanismus an die steigende Nachfrage und variierende Hashrate im Netzwerk angepasst werden.
Die Mining Difficulty bei Bitcoin
Um trotz steigender Beteiligung am Mining die Zeit zum Hinzufügen neuer Blöcke zur Blockchain (Blockzeit) konstant zu halten, wurde im Proof of Work-Algorithmus von Bitcoin das Konzept der Mining Difficulty etabliert. Hierbei wird etwa alle zwei Wochen getestet, ob die ideale Blockzeit von 10 Minuten pro neuem Block eingehalten wird und die Schwierigkeit des Minings entsprechend angepasst. Bei einer höheren Hashrate wird das Mining schwieriger, bei weniger Rechenleistung im Bitcoin-Netzwerk wird das Mining vereinfacht.
Das Bitcoin-Halving
Da Bitcoin eine begrenzte Kryptowährung auf Proof of Work-Basis ist, wird früher oder später der letzte neue Bitcoin durch Mining gefördert. Um eine Inflation zu verhindern und das Mining des letzten Bitcoins zu verzögern, findet etwa alle vier Jahre ein Bitcoin-Halving statt. Hierbei halbiert sich die Belohnung, die Miner der Proof of Work-Blockchain für das erfolgreiche Hinzufügen eines Blocks erhalten. Dieses Ereignis beeinflusst nicht nur die Mining-Beteiligung, sondern wirkt sich historisch gesehen auch maßgeblich auf den Bitcoin-Kurs aus.
Technische Aspekte und Herausforderungen von PoW-Blockchains
Proof of Work-Netzwerke stellen unterschiedliche Anforderungen an die Miner. Neben den hohen Hardware-Anforderungen und dem großen Energieverbrauch sollten Netzwerkteilnehmer außerdem mit verschiedenen Konzepten des Minings selbst vertraut sein.
Das Mining von Proof of Work Token und Coins
Das Mining (Deutsch: „Schürfen“) von Proof of Work-basierten Coins und Token steht grundsätzlich jedem interessierten Netzwerkteilnehmer offen. Durch die Einbringung von Arbeits- bzw. Rechenleistung tragen Miner zur Validierung von Transaktionen bei und erstellen neue Blöcke, die dann an die Blockchain angehängt werden. Dafür erhalten Miner neue Kryptowährungen als Belohnung.
Allerdings ist dieser Prozess äußerst energieintensiv und erfordert eine große Rechenleistung. Nur, wer zuerst einen neuen Block findet, erhält eine Belohnung. Daher spielen neben der erforderlichen Hardware und dem technischen Wissen auch wirtschaftliche Faktoren wie der Coin- oder Token-Kurs und die lokalen Energiekosten eine wesentliche Rolle für die Rentabilität des Minings.
Die erforderliche Rechenleistung beim Mining
Die Rechenleistung bestimmt, wie effektiv ein Miner am Mining teilnehmen kann. Mit einer leistungsstärkeren Hardware steigt die Chance, erfolgreich als Erster einen neuen Block zu finden und zur Blockchain hinzuzufügen. Die genauen Anforderungen hängen dabei von der individuellen Mining-Difficulty ab.
Während Miner in den ersten Jahren nach Veröffentlichung der Bitcoin-Blockchain noch mit ihren normalen Heimcomputern effektiv Blöcke finden konnten, wuchsen die Anforderungen mit der Anzahl neuer Miner. Heutzutage funktioniert das Mining auf der Bitcoin-Blockchain mit sogenannten ASICs, also speziellen „Mining-Grafikkarten”. Außerdem können sich Miner einem Mining Pool anschließen. Darin vereinen mehrere Netzwerkteilnehmer ihre Rechenleistung, um gemeinsam eine höhere Chance auf das Finden neuer Blöcke zu haben.
Skalierbarkeit in PoW-Netzwerken
Proof of Work-Blockchains können nur eine begrenzte Menge an Transaktionen gleichzeitig verarbeiten. Um einer steigenden Nachfrage und damit einem ansteigenden Transaktionsvolumen gerecht zu werden, muss ein PoW-Netzwerk die Rechenleistung erhöhen. Diese Methode ist allerdings unwirtschaftlich und unmittelbar mit Investitionen in die Netzwerk-Infrastruktur verbunden. Erfolgt dieser Ausbau der Rechenleistung nicht analog zur steigenden Nachfrage, entstehen lange Transaktions- und Wartezeiten. Darunter leidet auch die Sicherheit einer Blockchain.
Um diese Probleme der Skalierbarkeit im Bitcoin-Netzwerk zu lösen, gibt es verschiedene Ansätze. Neben der Erhöhung der Rechenleistung kann beispielsweise die Menge der zu verarbeitenden Daten reduziert werden oder die Verarbeitung der Daten auf einer separaten Blockchain, sogenannten Second-Layer-Blockchains, stattfinden.
Der Energieverbrauch von Proof of Work-Kryptowährungen
Der Energieverbrauch von Proof of Work-basierten Kryptowährungen wie Bitcoin ist ein viel diskutiertes Thema. Schätzungen zufolge verbraucht das Bitcoin-Netzwerk mehr Energie als mittelgroße Länder wie Österreich oder Portugal. Der hohe Energieverbrauch steht besonders wegen seiner Umweltauswirkungen in der Kritik. Um diesem Problem zu begegnen, suchen Miner zunehmend nach kostengünstigen und erneuerbaren Energiequellen. So erhöht sich die Rentabilität des Minings und der ökologische Fußabdruck der PoW-Blockchains sinkt.
Proof of Stake: Energieeffizienz im Blockchain-Konsens
Eine Alternative stellen Proof of Stake (PoS)-Netzwerke dar. Diese validieren Transaktionen nicht mittels Rechenleistung, sondern durch das Staking eigener Coins und Token. Dabei sperren Netzwerkteilnehmer ihre Kryptowährungen als eine Art Sicherheitseinlage, um zur Netzwerksicherheit beizutragen und Transaktionen zu validieren. Dieser Konsensmechanismus bietet eine einfache Skalierbarkeit bei niedrigem Energieverbrauch. Gleichzeitig sind die Anforderungen zur Netzwerkteilnahme niedrigschwellig, was die Sicherheit und Dezentralisierung von PoS-Blockchains fördert.
Proof of Work in unterschiedlichen Kryptowährungen
Verschiedene Kryptowährungen nutzen unterschiedliche PoW-Algorithmen. Bitcoin nutzt den arbeitsintensiven SHA-256-Algorithmus, der besonders mit spezialisierter Mining-Hardware wie ASICs funktioniert. Diese ASICs bieten bestimmten Minern zwar einen Vorteil, fördern dadurch aber auch, dass leistungsschwächere Hardware weniger rentabel arbeitet. Bestimmte Netzwerkteilnehmer scheiden so langfristig aus dem Mining aus. Durch die geringere Anzahl an Minern findet eine Zentralisierung statt und das Risiko auf Netzwerkübernahmen und -Angriffe steigt.
Im Gegensatz zu Bitcoin verwendet Litecoin (LTC) den Algorithmus Scrypt. Dieser nutzt speicherintensive Funktionen, die den Einsatz spezialisierter Hardware erschweren. Gleichzeitig stellt der PoW-Algorithmus von Litecoin so eine bessere Balance zwischen Sicherheit und Effizienz im Netzwerk her.
Ethereum (ETH) setzte vor der Umstellung auf Proof of Stake auf den PoW-Algorithmus Ethash. Dieser sollte besonders ASIC-resistent sein und bevorzugte das Mining mithilfe von Grafikkarten. ZCash (ZEC) hat seinen eigenen Algorithus (Equihash) entwickelt, um das Mining dezentralisiert und fair zu halten. Das Mining der Kryptowährung erfordert spezielle ASICs. Jeder dieser Algorithmen hat einzigartige Eigenschaften, die Einfluss auf die Sicherheit, Zentralisierung und Energieeffizienz des Minings haben.
