Wichtige Punkte

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

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

  • Bitcoin und mehrere andere Kryptowährungen nutzen PoW als Methode zur Sicherung des Blockchain-Netzwerks und seiner Daten.

Einführung

Zusammenfassend ist Proof of Work (PoW) ein Mechanismus, der geschaffen wurde, um doppelte Ausgaben in digitalen Zahlungssystemen zu verhindern. Bitcoin und mehrere andere Kryptowährungen nutzen PoW als Methode zur Sicherung des Blockchain-Netzwerks und seiner Daten. Diese Mechanismen werden oft als Konsensalgorithmen oder Konsensmechanismen bezeichnet, da mehrere Parteien einen Konsens erzielen, ohne sich gegenseitig vertrauen zu müssen.

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

HashCash von Adam Back ist eines der ersten Beispiele eines Proof-of-Work-Algorithmus vor dem Aufkommen von Kryptowährungen. Indem die Absender vor dem Versenden einer E-Mail eine kleine Berechnung durchführen mussten, konnten die Empfänger die Auswirkungen von Spam verringern. Diese Berechnung kostete für einen seriösen Absender praktisch nichts, für den Versender von Massen-E-Mails wurden die Kosten jedoch schnell hoch.

Was sind Doppelausgaben?

Eine doppelte Ausgabe liegt vor, wenn derselbe Betrag mehr als einmal ausgegeben wird. Der Begriff wird fast ausschließlich im Zusammenhang mit digitalen Währungen verwendet – schließlich würde es schwierig sein, dasselbe physische Geld zweimal auszugeben. 

Wenn Sie heute für einen Kaffee bezahlen, übergeben Sie das Geld einer Person, die es wahrscheinlich in einer Registrierkasse aufbewahrt. Sie können nicht in das Café auf der anderen Straßenseite gehen und für einen weiteren Kaffee mit der gleichen Bewertung bezahlen. In digitalen Geldsystemen besteht jedoch die Möglichkeit dazu. 

Sie haben wahrscheinlich eine Computerdatei mit Befehlen zum Kopieren und Einfügen dupliziert. Es ist auch einfach, dieselbe Datei per E-Mail an Dutzende von Personen zu senden. Da es sich bei digitalem Geld um nichts anderes als Daten handelt, muss verhindert werden, dass Menschen doppelt Geld ausgeben, also dieselben Einheiten kopieren und an verschiedenen Orten ausgeben. Ein digitales Zahlungssystem, das Doppelausgaben nicht verhindern kann, wird in kürzester Zeit zusammenbrechen.

Weitere Informationen zum Thema Double Spending finden Sie im Artikel Double Spending Guide.

Warum ist ein Arbeitsnachweis notwendig?

Wenn Sie unseren Artikel über Blockchain-Technologie lesen, wissen Sie, dass Benutzer von Kryptowährungen ständig Transaktionen an das Netzwerk senden. Allerdings gelten diese Transaktionen nicht sofort als gültig, sondern erst, wenn sie bestätigt und zur Blockchain hinzugefügt werden.

Die Bitcoin-Blockchain beispielsweise fungiert als öffentliche Transaktionsdatenbank (Ledger/Ledger), die für alle Nutzer einsehbar ist. Stellen Sie sich dieses Szenario vor: Sie und drei Freunde haben ein Notizbuch, um Ihre Bitcoin-Transaktionen zu verfolgen. Wann immer einer von Ihnen eine Wertübertragung vornehmen möchte, schreiben Sie Folgendes auf:

Alice zahlte Bob 5 BTC; Bob zahlte 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, wäre die Eingabe wie folgt: 

Bob zahlte 2 BTC an Carol, den Betrag, der aus der vorherigen Transaktion mit Alice stammte.

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 erfahren. Die Gruppe lässt nicht zu, dass die Transaktion zum Notizbuch hinzugefügt wird, da diese 2 BTC bereits ausgegeben wurden.

Dies kann in einer kleinen Gruppe gut funktionieren. Da sich alle kennen, werden sie sich wahrscheinlich darüber einigen, welche Freunde Transaktionen zum Notizbuch hinzufügen können. Was aber, wenn wir eine Gruppe von 10.000 Teilnehmern wollen? Die Notizblock-Idee wäre nicht geeignet, da niemand einem Fremden die Verwaltung von Transaktionsdaten anvertrauen möchte.

Hier kommt der Arbeitsnachweis ins Spiel. Es stellt sicher, dass Benutzer kein Geld ausgeben, zu dessen Ausgabe sie kein Recht haben. Durch die Verwendung 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 obigen Beispiel die Blockchain ist, aber wir fügen Transaktionen nicht einzeln hinzu, sondern gruppieren sie in Blöcken. Wir melden die Transaktionen an das Netzwerk und die Benutzer, die den Block erstellen, nehmen die Transaktionen in einen Kandidatenblock auf. Transaktionen gelten erst dann als gültig, wenn ihr Kandidatenblock zu einem bestätigten Block wird, was bedeutet, dass er der Blockchain-Datenbank hinzugefügt wurde.

Der Prozess der Validierung von Transaktionen und des Hinzufügens neuer Blöcke wird Mining genannt. Bergbau ist teuer und schwierig, kann sich aber auch lohnen. Die Blockbelohnung besteht aus den Transaktionsgebühren der Benutzer und den 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 den Daten-Hash seines Kandidatenblocks zu verarbeiten, bis die Lösung für ein Rätsel gefunden ist.

Blockdaten zu hashen bedeutet, eine Hash-Funktion auszuführen, um eine Identität (Hash) für den Block zu generieren. Es funktioniert wie ein „Fingerabdruck“ für Ihre Eingabedaten und ist für jeden Block einzigartig.

Mit anderen Worten: Ein Miner muss ausstehende Transaktionen überprüfen und sammeln, sie in einem Kandidatenblock organisieren und die Blockdaten durch eine Hashing-Funktion weiterleiten, um einen gültigen Hash zu erstellen. Wenn es ihnen gelingt, einen gültigen Hash für ihren Kandidatenblock zu finden, senden sie ihn an das Netzwerk, fügen den Block zur Blockchain hinzu und kassieren 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 zahlreiche Hashing-Versuche erforderlich sind, um einen gültigen Hash zu finden, kann eine Person leicht bestätigen, dass der generierte Hash korrekt ist. Es muss lediglich dieselbe Eingabe (Blockdaten) über die Hash-Funktion gesendet und überprüft werden, ob die Ausgabe dieselbe ist.

Beim Proof of Work müssen Sie Daten bereitstellen, deren Hash bestimmte Bedingungen erfüllt, aber Sie wissen nicht, wie Sie dorthin gelangen. Ihre einzige Möglichkeit besteht darin, Ihre Daten über eine Hash-Funktion zu übermitteln und zu prüfen, ob sie die Bedingungen erfüllen. Andernfalls müssen Sie Ihre Daten ein wenig ändern, um einen anderen Hash zu erhalten. Das Ändern eines einzelnen Zeichens in den Daten führt zu einem völlig anderen Ergebnis, sodass es keine Möglichkeit gibt, das Ergebnis vorherzusagen.

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 fügen dann alles zusammen. Da sich Ihr Datensatz jedoch nicht ändert, müssen Sie variable Informationen hinzufügen. Andernfalls würden Sie als Ergebnis immer den gleichen Hash 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 Daten aus der Blockchain gesammelt und mithilfe einer Nonce gehasht werden, bis als Ergebnis ein bestimmter Hash gefunden wird. Wenn Sie einen Hash finden, der die im Protokoll festgelegten Bedingungen erfüllt, haben Sie das Recht, den neuen Block an das Netzwerk zu senden. Sobald dies erledigt ist, aktualisieren die anderen Teilnehmer im Netzwerk ihre Blockchains, um den neu erstellten Block einzuschließen.

Für die heutigen Top-Kryptowährungen sind die Bedingungen sehr schwer 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, große Mengen an Hashes zu erraten, für Ihren Computer kostspielig sein. Sie verschwenden Rechenzyklen und Strom, aber das Protokoll belohnt Sie mit Kryptowährung, wenn Sie einen gültigen Hash finden.

Fassen wir noch einmal zusammen, was wir bisher gesehen haben:

  • Mining ist schwierig und teuer, bietet aber Netzwerksicherheit.

  • Miner, denen es gelingt, einen gültigen Block zu produzieren, werden mit neu ausgegebenen Kryptowährungen 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 jemand versucht zu betrügen? Was hindert einen Benutzer daran, gefälschte Transaktionen in den Block einzufügen und einen gültigen Hash zu erzeugen?

Hier kommt die Public-Key-Kryptographie ins Spiel. Wir gehen in diesem Artikel nicht näher darauf ein, schauen uns aber den Artikel „Was ist Public-Key-Kryptographie?“ an. für eine umfassende Analyse. Kurz gesagt gibt es einige kryptografische Tricks, mit denen jeder Benutzer überprüfen kann, ob jemand das Recht hat, die Gelder, die er ausgeben möchte, zu bewegen.

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 Ihre Mittel tatsächlich ausgeben können und ob die Summe Ihrer Zuflüsse größer ist als die Summe Ihrer Abflüsse (d. h., dass Sie nicht mehr ausgeben, als Sie haben).

Jeder Block, der eine ungültige Transaktion enthält, wird vom Netzwerk automatisch abgelehnt. Der Versuch zu betrügen ist teuer. Sie werden Ihre Ressourcen verschwenden, ohne dafür eine Belohnung zu erhalten.

Darin liegt das Schöne an Proof of Work: Es ist teuer zu betrügen, aber für diejenigen, die ehrlich handeln, ist es profitabel. Jeder rational denkende Bergmann strebt eine Rendite seiner Investition an, daher wird von ihm erwartet, dass er sich so verhält, dass er mit größerer Wahrscheinlichkeit Einnahmen einbringt.

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

Neben PoW gibt es mehrere Konsensalgorithmen, und einer der beliebtesten ist Proof of Stake (PoS). Das Konzept entstand im 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 und keinen Wettlauf um das Erraten von Hashes. Stattdessen werden Benutzer nach dem Zufallsprinzip ausgewählt – wenn sie ausgewählt werden, müssen sie einen Block vorschlagen (oder „fälschen“). Wenn der Block gültig ist, erhält jeder eine Belohnung in Höhe der Transaktionsgebühren des Blocks.

Es kann nicht irgendein Benutzer ausgewählt werden – das Protokoll wählt ihn basierend auf mehreren Faktoren aus. Um sich zu qualifizieren, 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: Eine große Geldsumme soll den Angeklagten davon abhalten, sich der Verhandlung zu entziehen. In ähnlicher Weise blockieren Validatoren einen Einsatz, um Betrug zu verhindern. Bei unehrlichem Verhalten wird der Einsatz (oder ein Teil davon) eingezogen.

Proof of Stake hat gegenüber Proof of Work einige Vorteile. Vor allem ist der CO2-Fußabdruck kleiner – da in PoS kein Bedarf an leistungsstarken Mining-Farmen besteht, beträgt der Stromverbrauch nur einen Bruchteil des Stromverbrauchs in PoW. 

Allerdings hat PoS nicht die gleiche Erfolgsbilanz wie PoW. Auch wenn es als verschwenderisch empfunden werden mag, ist Mining der einzige Konsensalgorithmus, der seit mehr als einem Jahrzehnt getestet wurde. Seit seiner Einführung hat Bitcoin PoW Transaktionen im Wert von Billionen Dollar gesichert. Um mit Sicherheit sagen zu können, dass PoS das gleiche Maß an Sicherheit erreichen kann, muss das Abstecken langfristig ordnungsgemäß getestet werden.

Schlussbetrachtungen

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 derselbe Fonds zweimal ausgegeben wird. 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 und wie funktioniert es?

  • Was ist Public-Key-Kryptographie?

  • Was ist ein Blockchain-Konsensalgorithmus?

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