Die zentralen Thesen

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

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

  • Bitcoin und viele andere Kryptowährungen nutzen PoW als Methode zur Sicherung ihres Blockchain-Netzwerks und ihrer Daten.

Einführung

Kurz gesagt, Proof of Work (PoW) ist ein Mechanismus, der geschaffen wurde, um Doppelausgaben in digitalen Zahlungssystemen zu verhindern. Bitcoin und viele andere Kryptowährungen nutzen PoW als Methode zur Sicherung ihres Blockchain-Netzwerks und ihrer Daten. Solche Mechanismen werden oft als Konsensalgorithmen oder Konsensmechanismen bezeichnet, da mehrere Parteien einen Konsens erzielen, ohne dass sie sich gegenseitig vertrauen müssen.

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

HashCash von Adam Back ist ein frühes Beispiel für einen Proof-of-Work-Algorithmus in der Zeit vor der Einführung der Kryptowährung. Indem vom Absender vor dem Versenden einer E-Mail ein geringer Rechenaufwand verlangt wird, könnte der Empfänger Spam eindämmen. Für einen seriösen Absender würde diese Berechnung praktisch nichts kosten, für jemanden, der E-Mails in großen Mengen verschickt, würde sie sich jedoch schnell summieren.

Was ist eine doppelte Ausgabe?

Eine Doppelausgabe liegt vor, wenn dieselben Mittel mehr als einmal ausgegeben werden. Der Begriff wird fast ausschließlich im Zusammenhang mit digitalem Geld verwendet – schließlich würde es schwierig sein, dasselbe physische Bargeld zweimal auszugeben.

Wenn Sie heute einen Kaffee bezahlen, übergeben Sie Bargeld an einen Kassierer, der es wahrscheinlich in einer Kasse einschließt. Sie können nicht zum Café auf der anderen Straßenseite gehen und mit derselben Rechnung einen weiteren Kaffee bezahlen. Bei digitalen Bargeldsystemen besteht jedoch die Möglichkeit, dass Sie dies tun könnten.

Sie haben sicherlich eine Computerdatei dupliziert, bevor Sie die Befehle zum Kopieren und Einfügen verwendet haben. Es ist für Sie auch einfach, dieselbe Datei per E-Mail an Dutzende von Personen zu senden. Da es sich bei digitalem Geld lediglich um Daten handelt, müssen Sie verhindern, dass Menschen doppelt ausgeben, d. h. dieselben Einheiten kopieren und an verschiedenen Orten ausgeben. Ein digitales Zahlungssystem, das Doppelausgaben nicht verhindert, wird in kürzester Zeit zusammenbrechen.

Weitere Informationen zum Thema „Doppelausgaben“ finden Sie unter „Double Spending Explained“.

Warum ist ein Arbeitsnachweis erforderlich?

Wenn Sie unseren Artikel über Blockchain-Technologie gelesen haben, wissen Sie, dass Benutzer von Kryptowährungen ständig Transaktionen an das Netzwerk übertragen. Diese Transaktionen gelten jedoch nicht sofort als gültig. Dies geschieht erst, wenn sie bestätigt und zur Blockchain hinzugefügt werden.

Die Bitcoin-Blockchain beispielsweise fungiert als öffentliche Transaktionsdatenbank (Ledger), die jeder Benutzer einsehen kann. Stellen Sie sich das so vor: Sie und drei Freunde haben einen Notizblock, um Ihre Bitcoin-Transaktionen zu verfolgen. Wann immer einer von Ihnen eine Wertübertragung vornehmen möchte, schreiben Sie dies auf:

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

Aber jedes Mal, wenn Sie eine Transaktion durchführen, beziehen Sie sich auf die Transaktion, von der das Geld stammt. Wenn Bob Carol also mit 2 BTC bezahlen würde, würde der Eintrag tatsächlich wie folgt aussehen:

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

Jetzt haben wir eine Möglichkeit, die Einheiten von BTC 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 Notizblock hinzugefügt wird, da diese 2 BTC bereits ausgegeben wurden.

Nun, das könnte in einer kleinen Gruppe gut funktionieren. Jeder kennt jeden, daher werden sie sich wahrscheinlich darüber einigen, welcher der Freunde Transaktionen zum Notizblock hinzufügen soll. Was wäre, wenn wir eine Gruppe von 10.000 Teilnehmern wünschen? Die Notizblock-Idee lässt sich nicht gut skalieren, weil niemand einem Fremden die Verwaltung anvertrauen möchte.

Hier kommt Proof of Work ins Spiel. Es stellt sicher, dass Benutzer kein Geld ausgeben, zu dessen Ausgabe sie nicht berechtigt sind. Durch die Verwendung einer Kombination aus Spieltheorie und Kryptographie ermöglicht ein PoW-Algorithmus jedem, die Blockchain gemäß den Regeln des Systems zu aktualisieren.

Wie funktioniert PoW?

Stellen Sie sich vor, dass unser Notizblock aus dem obigen Beispiel die Blockchain ist. Aber wir fügen Transaktionen nicht einzeln hinzu, sondern fassen sie in Blöcken zusammen. Wir geben die Transaktionen im Netzwerk bekannt, und dann werden Benutzer, die einen Block erstellen, sie in einen Kandidatenblock aufnehmen. Die 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 Anhängens neuer Blöcke wird Mining genannt. Es ist teuer und schwierig, kann sich aber auch lohnen. Die Blockbelohnung besteht aus Transaktionsgebühren von Benutzern und brandneuen Bitcoins, die durch das Protokoll erstellt wurden.

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

Das Hashing der Blockdaten bedeutet, dass sie durch eine Hashing-Funktion geleitet werden, um einen Block-Hash zu generieren. Der Block-Hash funktioniert wie ein „Fingerabdruck“ – er stellt eine Identität für Ihre Eingabedaten dar und ist für jeden Block einzigartig.

Mit anderen Worten: Ein Miner muss ausstehende Transaktionen überprüfen und sammeln, sie in einem Kandidatenblock organisieren und die Daten des Blocks durch eine Hashing-Funktion leiten, 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 sendet, wiederholen andere Netzwerkteilnehmer den Hashing-Prozess, um zu überprüfen, ob die Ausgabe tatsächlich gültig ist.

Obwohl unzählige Hashing-Versuche erforderlich sind, um einen gültigen Hash zu finden, ist es für jeden trivial, zu bestätigen, dass der generierte Hash korrekt ist. Sie müssen lediglich die gleichen Eingaben (Blockdaten) über die Hash-Funktion übermitteln und prüfen, ob die Ausgabe dieselben ist.

Beim Proof of Work müssen Sie Daten angeben, deren Hash bestimmte Bedingungen erfüllt. Aber Sie wissen nicht, wie Sie dorthin gelangen. Ihre einzige Möglichkeit besteht darin, Ihre Daten durch eine Hash-Funktion zu leiten und zu prüfen, ob sie den Bedingungen entsprechen. Ist dies nicht der Fall, müssen Sie Ihre Daten geringfügig ändern, um einen anderen Hash zu erhalten. Die Änderung auch nur eines Zeichens in Ihren Daten führt zu einem völlig anderen Ergebnis, sodass es keine Möglichkeit gibt, vorherzusagen, wie die Ausgabe aussehen wird.

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 hashen sie dann alles zusammen. Da sich Ihr Datensatz jedoch nicht ändert, müssen Sie eine variable Information hinzufügen. Andernfalls würden Sie immer den gleichen Hash als Ausgabe 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.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass beim Mining Blockchain-Daten gesammelt und zusammen mit einer Nonce gehasht werden, bis ein bestimmter Hash gefunden wird. Wenn Sie einen Hash finden, der die im Protokoll festgelegten Bedingungen erfüllt, erhalten Sie das Recht, den neuen Block an das Netzwerk zu senden. Zu diesem Zeitpunkt aktualisieren die anderen Teilnehmer des Netzwerks ihre Blockchains, um den neuen Block aufzunehmen.

Heutzutage sind die Bedingungen für die wichtigsten Kryptowährungen unglaublich schwierig 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, riesige Mengen an Hashes zu erraten, auf Ihrem 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 wissen:

  • Mining ist schwierig und teuer, bietet aber Sicherheit für das Netzwerk.

  • 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, andere Benutzer können die Gültigkeit jedoch leicht überprüfen, indem sie den Hashing-Vorgang wiederholen.

So weit, ist es gut. Aber was ist, wenn Sie versuchen zu betrügen? Was hindert Sie daran, eine Reihe betrügerischer Transaktionen in den Block zu stecken und einen gültigen Hash zu erzeugen?

Hier kommt die Public-Key-Kryptografie ins Spiel. Wir werden in diesem Artikel nicht näher darauf eingehen, aber schauen Sie sich „Was ist Public-Key-Kryptografie?“ an. für einen umfassenden Einblick. Kurz gesagt, es gibt einige nette kryptografische Tricks, mit denen jeder Benutzer überprüfen kann, ob jemand das Recht hat, die Gelder, die er ausgeben möchte, zu übertragen.

Wenn Sie eine Transaktion erstellen, signieren Sie sie. Jeder im Netzwerk kann Ihre Signatur mit Ihrem öffentlichen Schlüssel vergleichen und prüfen, ob sie übereinstimmen. Sie prüfen auch, ob Sie Ihr Geld tatsächlich ausgeben können und ob die Summe Ihrer Inputs höher ist als die Summe Ihrer Outputs (d. h., dass Sie nicht mehr ausgeben, als Sie haben).

Jeder Block, der eine ungültige Transaktion enthält, wird vom Netzwerk automatisch abgelehnt. Es ist teuer für Sie, auch nur zu versuchen, zu betrügen. Sie verschwenden Ihre eigenen Ressourcen ohne Belohnung.

Darin liegt das Schöne an Proof of Work: Betrügen ist teuer, ehrliches Handeln jedoch profitabel. Jeder rational denkende Bergmann strebt eine Rendite seiner Investition an, daher kann von ihm erwartet werden, dass er sich auf eine Weise verhält, die mit größerer Wahrscheinlichkeit Einnahmen bringt.

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

Neben PoW gibt es viele Konsensalgorithmen, aber einer der beliebtesten ist Proof of Stake (PoS). Das Konzept stammt aus dem Jahr 2011 und wurde in 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, erhalten sie eine Belohnung, die sich aus den Gebühren aus den Transaktionen des Blocks zusammensetzt.

Allerdings kann nicht irgendein Benutzer ausgewählt werden – das Protokoll wählt ihn basierend auf einer Reihe von Faktoren aus. Um teilnahmeberechtigt zu sein, müssen die Teilnehmer einen Einsatz sichern, bei dem es sich um einen vorher festgelegten Betrag der nativen Währung der Blockchain handelt. Der Einsatz funktioniert wie eine Kaution: So wie Angeklagte einen großen Geldbetrag hinterlegen, um sie davon abzuhalten, den Prozess zu überspringen, sperren Prüfer einen Einsatz, um Betrug zu verhindern. Wenn sie unehrlich handeln, wird ihr Anteil (oder ein Teil davon) eingezogen.

Proof of Stake hat gegenüber Proof of Work einige Vorteile. Am bemerkenswertesten ist der geringere CO2-Fußabdruck – da in PoS keine leistungsstarken Mining-Farmen erforderlich sind, beträgt der Stromverbrauch nur einen Bruchteil des Stromverbrauchs in PoW.

Allerdings hat PoS nicht die gleiche Erfolgsbilanz wie PoW. Obwohl es als Verschwendung empfunden werden könnte, ist Mining der einzige Konsensalgorithmus, der sich seit über einem Jahrzehnt im Kampf bewährt hat. Seit seiner Einführung hat Bitcoins PoW Transaktionen im Wert von Billionen Dollar gesichert. Um mit Sicherheit sagen zu können, ob PoS mit seiner Sicherheit mithalten kann, muss der Einsatz auf lange Sicht gründlich getestet werden.

Schlussgedanken

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 dieselben Mittel zweimal ausgegeben werden. 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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