Proof-of-Work: Erklärung, Funktionsweise und Anwendungen
Proof-of-Work ist ein Konsensmechanismus, der von einigen der beliebtesten Kryptowährungen verwendet wird. Der Mechanismus ist zwar besonders durch den Bitcoin bekannt geworden, wurde aber schon vorher genutzt, beispielsweise um E-Mail-Spamming zu verhindern. Wie genau Proof-of-Work funktioniert und welche verschiedenen Variationen es gibt, erklären wir in diesem Artikel.
Proof-of-Work - Das Wichtigste in Kürze
- Proof-of-Work ist ein Konsensmechanismus, der dafür sorgt, dass alle Netzwerkteilnehmer sich einig über den neuesten Stand der Blockchain sind.
- Proof-of-Work gab es bereits vor Kryptowährungen und wurde etwa zur Begrenzung von E-Mail-Spam genutzt.
- Bitcoin hat diesen Algorithmus in abgewandelter Form für die eigene Blockchain übernommen.
- Bei Proof-of-Work gilt es, Arbeit bzw. Rechenleistung nachzuweisen, bevor man einen Dienst beanspruchen kann.
- Weitere bekannte Kryptowährungen, die Proof-of-Work verwenden, sind Litecoin und Dogecoin.
- Proof-of-Work steht besonders wegen des hohen Energieverbrauchs in der Kritik.
1. Was ist Proof-of-Work?
Proof-of-Work ist ein Mechanismus, der sicherstellt, dass eine Blockchain sicher ist und ihre Integrität bewahrt. Im Grunde ist Proof-of-Work (PoW) auch ein Algorithmus. Um diesen zu verstehen, muss man erst wissen, was ein Konsensmechanismus ist und wozu dieser benötigt wird.
Konsensmechanismen
Blockchains sind dezentral aufgebaut. Das bedeutet, es gibt nicht eine zentrale Autorität, die auf die Chain zugreifen kann, sondern alle Nodes (Knotenpunkte) können dies. Damit dies funktioniert, haben alle Nutzer immer eine aktuelle Kopie der Blockchain gespeichert. Das Problem ist jetzt, wie man mit unehrlichen Nutzern umgehen soll oder verhindert, dass es Betrug und Fehler gibt. Wie stellt man sicher, dass alle die gleiche Blockchain haben?
Hierzu braucht es eben einen Konsensmechanismus, der unehrliche Nutzer eliminiert und zum Beispiel „Double Spending“ verhindert.
Hat Nutzer A 100 € auf seinem Konto und sendet sowohl Nutzer B als auch Nutzer C 100 €, ist das Double Spending. In einem zentralisierten System wäre dies sofort der zentralen Autorität aufgefallen. In einem dezentralen Netzwerk wird dies erst durch einen Konsensmechanismus aufgedeckt. Da alle anderen Nutzer neuen Blöcken zustimmen müssen, würde hier das double spending auffallen.
Die Geschichte hinter Proof-of-Work
Den Algorithmus gibt es aber schon länger als Kryptowährungen. Die Grundidee war es, einem Nutzer erst etwas Arbeit in Form von Rechenleistung abzuverlangen, bevor dieser einen Dienst nutzen konnte. Diese Idee kam erstmals zur Begrenzung von E-Mail-Spam zum Einsatz.
Nutzer mussten in einem Anwendungsbeispiel vor jeder E-Mail eine Aufgabe lösen. Dies sollte verhindern, dass Spammer tausende Mails auf einmal losschicken können, da für jede Mail etwas Rechenleistung verlangt wird. Gerade bei einer E-Mail sind einige Sekunden Verzögerung meistens verkraftbar. Die Aufgabe sollte dennoch so gewählt sein, dass sie leicht lösbar und einfach verifizierbar ist.
2. Wie funktioniert Proof-of-Work?
Proof of Work basiert auf der Lösung komplexer kryptografischer Rätsel. Diese „Rätsel“ sind mathematische Probleme, die schwer zu lösen, aber leicht zu überprüfen sind – vergleichbar mit einem Sudoku-Rätsel.
Im Zentrum steht häufig eine Hash-Funktion. Eine Hash-Funktion wandelt eine Eingabenmenge in eine Zeichenkette mit immer der gleichen Länge um. Hierfür gibt es eine Reihe verschiedener Hash-Algorithmen. Bei Bitcoin wird der SHA-256 Algorithmus verwendet. Egal, welche Zeichenkette man eingibt, es kommt bei diesem Algorithmus immer ein 256-Bit-langer Wert heraus.
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Dieser Ansatz wurde bereits 1999 erforscht. Die Idee war es, den Hashwert einer Zeichenkette zusammen mit einem unvollständigen Teil herauszugeben. Das Ziel war es nun, den unvollständigen Teil mittels des Hashwertes zu bestimmen.
Bitcoin hat diesen Mechanismus in abgewandelter Form übernommen. Beim Bitcoin-Mining müssen Miner immer einen Hashwert finden, der kleiner ist als der Target-Hash. Der Target Hash ist dabei so eingestellt, dass mit der aktuellen Rechenleistung im Netzwerk alle 10 Minuten ein neuer Block verifiziert wird.
Der Mining-Prozess selbst erfolgt durch Ausprobieren: Der Miner ändert die Nonce und berechnet den Hash, bis die Bedingung erfüllt ist. Wer als Erster eine gültige Lösung findet, darf den Block zur Blockchain hinzufügen und erhält eine Belohnung.
Nonce steht für „number used only once“ und beschreibt beim Mining eine Zahl, die am Ende des Block Headers angehängt wird. Die Nonce wird verwendet, um unterschiedliche Outputs zu generieren. Sie startet bei null und wird immer um +1 erhöht.
3. Wie sicher ist Proof-of-Work?
Proof-of-Work gilt als der sicherste Konsensmechanismus, da Hacker über 51 % der Rechenleistung eines Netzwerkes stellen müssten, um einen Angriff zu starten. Bitcoin hat einen Stromverbrauch, der fast so hoch wie der von Polen ist. Zudem nutzen alle Bitcoin Miner bestimmte Hardware zum Lösen der Rechenaufgaben. Dies sind sogenannte ASIC-Miner und deren einziger Verwendungszweck ist Bitcoin-Mining.
Angreifer bräuchten damit eine riesige Menge an Strom und müssten zudem Mining-Hardware im Wert von Millionen kaufen, um einen Cyberangriff auf das Bitcoin-Netzwerk zu starten. Cyberangriffe auf den Bitcoin werden daher eher über Kryptobörsen oder die Wallets von Nutzern gestartet. Hier wurden in der Vergangenheit, viele erfolgreiche Hacks durchgeführt, bei denen Kunden von Börsen viele BTC und andere Coins verloren haben.
Achte daher darauf, dass du dich ausreichend vor Hackerangriffe auf deine Bitcoins schützt. Auch bei der Auswahl an Kryptobörsen ist Vorsicht geboten. Wir testen in unserem Krypto-Börsen-Vergleich auch immer die Sicherheit und Vertrauenswürdigkeit der Plattformen.
Selfish-Mining
Eine weitere Sorge ist, dass sich die Miner selbst gegen das Netzwerk wenden und so falsche Transaktionen verifizieren. Hiergegen spricht, dass alle Miner ein gewaltiges Interesse an einem starken Coin haben.
Bitcoin-Mining wird fast ausschließlich von Unternehmen betrieben, die meistens Millionen in die entsprechende Hardware investiert haben. Das ganze Geschäftsmodell dieser Firmen zielt darauf ab, Bitcoins zu minen und damit eine Belohnung zu kassieren. Da die Belohnung auch in BTC ausgezahlt wird, wollen Miner unbedingt einen hohen Bitcoin-Kurs.
Bitcoin ist zwar die bekannteste Kryptowährung, die Proof-of-Work nutzt, doch auch andere Coins wie Dogecoin oder Litecoin nutzen PoW als Konsensmechanismus.
Gegen die Interessen des Netzwerks zu handeln oder zu betrügen, ergibt daher für Miner keinen Sinn. Dadurch würde das Vertrauen und die Integrität gesenkt werden und aus Konsequenz daraus der Kurs fallen. Deshalb können Miner als vertrauenswürdige Akteure angesehen werden, denn sie sind selbst in hohem Maße in den Coin investiert.
Im Gegensatz zum Proof-of-Stake-Algorithmus gibt es keine Bestrafungsfunktion für unehrliche Miner.
4. Vor- und Nachteile von Proof-of-Work
Bitcoin konnte durch den Proof-of-Work-Konsensalgorithmus bislang erfolgreich alle Hackerangriffe abwehren und die Blockchain wurde noch nie erfolgreich gehackt. Der Mechanismus konnte sich also bewähren und bietet einige Vorteile:
Vorteile von Proof-of-Work
Angriffe werden durch PoW teuer und unrentabel, da ein Angreifer mehr als 51 % der gesamten Rechenleistung bereitstellen müsste, um die Blockchain zu manipulieren. Bei etablierten Netzwerken wie Bitcoin wären die Kosten dafür astronomisch hoch.
Die erforderliche Hardware und Energie stellen für Mining-Unternehmen eine große Investition dar. Dies schafft wirtschaftliche Anreize für ehrliches Verhalten. Miner würden bei stark fallenden Kursen große Verluste realisieren.
Proof of Work fördert die Dezentralisierung, da theoretisch jeder mit entsprechender Hardware teilnehmen kann. Die Aufteilung des Minings reduziert zentrale Schwachstellen und macht das System resistenter gegen Zensur und externe Kontrolle.
Nachteile von Proof-of-Work
Der hohe Energieverbrauch ist der am häufigsten kritisierte Aspekt von Proof of Work. Bitcoin allein verbraucht jährlich mehr Elektrizität als viele kleinere Länder. Dieser hohe Energiebedarf löst Bedenken hinsichtlich der Umweltauswirkungen aus. Befürworter argumentieren aber, dass zunehmend erneuerbare Energien genutzt werden. Ferner nutzen Miner oft überschüssige Energie, die sonst ungenutzt bliebe.
Neben dem Energieverbrauch kommt auch ein hoher Anteil an Elektroschrott durch das Mining-Equipment zusammen. Diese Hardware benötigt obendrauf auch viel Wasser zur Kühlung.
Ein weiteres Problem ist die Tendenz zur Zentralisierung. Obwohl theoretisch offen für alle, konzentriert sich das Mining heute auf große Mining-Pools und spezialisierte Unternehmen mit Zugang zu günstiger Energie und Kapital für teure ASIC-Miner. Als Privatperson ist es nahezu unmöglich, profitabel zu minen. Auch, wenn es immer mal wieder vorkommt, dass eine einzelne Person durch Glück einen neuen Block findet.
PoW-Netzwerke kämpfen häufig mit Skalierungsproblemen. Die begrenzten Blockgrößen und festen Blockzeiten limitieren den Transaktionsdurchsatz erheblich. Bitcoin kann beispielsweise nur etwa 7 Transaktionen pro Sekunde verarbeiten, da die Anzahl der Transaktionen pro Block begrenzt ist und nur alle 10 Minuten ein neuer Block entsteht.
5. Welche anderen Konsensmechanismen gibt es?
Proof of Stake (PoS) ist die bekannteste Alternative zu PoW. Statt Rechenleistung wird hier Kapital als Sicherheit hinterlegt. Validatoren werden proportional zu ihrem „Stake“ (Anteil) ausgewählt, um neue Blöcke zu erstellen. Der offensichtlichste Vorteil: Der Energieverbrauch ist drastisch reduziert, da keine rechenintensiven Rätsel gelöst werden müssen. Ethereum, die zweitgrößte Kryptowährung, wechselte 2022 erfolgreich von PoW zu PoS.
Ein weiterer Vorteil von Proof-of-Stake ist, dass die Hürden für den Einstieg etwas geringer sind. Doch auch bei Ethereum muss man mindestens 32 Ether hinterlegen, um Staken zu dürfen – Eine Summe, die die meisten nicht haben werden. Viele greifen deshalb auf Staking-Pools zurück.
Andere Konsensmechanismen sind Delegated Proof of Stake (DPoS), bei dem Token-Inhaber über die Auswahl der Validatoren abstimmen. Proof of Authority (PoA) basiert auf der Reputation bekannter Validatoren und bei Proof of Space muss Speicherplatz statt Rechenleistung nachgewiesen werden.
Solana nutzt eine Mischung aus PoS und Proof-of-History, bei dem nachgewiesen wird, dass eine Transaktion zu einem bestimmten Zeitpunkt stattgefunden hat.
Alles in allem versucht jeder Konsensmechanismus, die Balance zwischen Dezentralität, Skalierbarkeit und Sicherheit zu finden. Kein System kann alles gleichzeitig zu 100 % garantieren, sondern muss die Bereiche den eigenen Kriterien nach gewichten.
6. Häufige Fragen zu Proof-of-Work
Ist Proof-of-Work sicher?
Proof-of-Work gilt als der sicherste Konsensmechanismus. Grund dafür ist die hohe Rechenleistung, die benötigt würde, um einen 51-Prozent-Angriff zu starten. Hinzu kommt, dass auch die Miner ein großes Interesse an der Sicherheit haben, da sie große Investitionen getätigt haben.
Welche Kryptowährungen nutzen Proof-of-Work?
Die bekanntesten Kryptowährungen, die Proof-of-Work nutzen, sind Bitcoin, Litecoin und Dogecoin.
Was ist besser: Proof-of-Work oder Proof-of-Stake?
Beide Systeme haben ihre Vor- und Nachteile. Proof-of-Stake ist deutlich energieeffizienter und lässt sich leichter hoch skalieren. Dafür ist Proof-of-Work sicherer.
