Proof of Work (PoW) ist ein Konsens-Mechanismus, der Transaktionen ausführt und als Blöcke dem Blockchain-Netzwerk hinzufügt. Diese Blöcke sind mit einem Zeitstempel versehen und unveränderlich - somit wird die Sicherheit eines Blockchain-Netzwerks, z.B. wie bei Bitcoin, aufrechterhalten.
Miner, die auch als Nodes (oder Knoten) bekannt sind, arbeiten gemeinsam, ohne eine zentrale Autorität. Das Bitcoin-Netzwerk wird beispielsweise dezentral von der Community verwaltet. Als Gegenleistung für den Beitrag zur Sicherheit und Zuverlässigkeit des Netzwerks werden die Miner in Form von Coins belohnt (Block Reward).
Proof of Work: Eine Einleitung
Genau zur Geburtsstunde der allerersten Kryptowährung Bitcoin, wurde auch der Konsens-Mechanismus Proof of Work in der Bitcoin-Blockchain eingeführt. Seither wird dieser immer noch von vielen prominenten Blockchain-Netzwerken verwendet. Proof of Work (PoW) ist eine kreative Lösung, um es jedem Teilnehmer in einem Netzwerk zu ermöglichen, die Einträge im Distributed Ledger (verteilten Register) gemeinsam zu authentifizieren. Auf diese Weise kann sich das Netzwerk autonom selbst verwalten.
In diesem Leitfaden geben wir eine ausführliche Antwort auf die Frage: "Was ist Proof of Work?" Wir nennen die Vor- und Nachteile dieser Blockchain und treffen eine Prognose, ob die Zukunft Proof of Work oder dem neuen energiesparenden Konsens-Mechanismus Proof of Stake gehört.
Was ist ein Konsens-Mechanismus?
Ein Konsens-Algorithmus wie Proof of Work oder Proof of Stake hilft dabei, ein autonomes Netzwerk, wie eine Blockchain, zu steuern. Eine Sammlung von Ideen, Anreizmechanismen und Protokollen helfen bei der Umsetzung. In einem zentralisierten Netzwerk ist eine Verwaltungseinheit für die Aufzeichnungen verantwortlich: Sie ist dafür zuständig, die Datenbank auf dem neuesten Stand zu halten und sicherzustellen, dass jeder Eintrag korrekt ist und geschützt wird.
Eine Bank zum Beispiel führt ein Hauptbuch über jede Transaktion, die ihre Kunden tätigen, ein Protokoll der Konten aller Kunden und vieles mehr. Die Kunden müssen alles von sich preisgeben, angefangen vom Namen bis hin zur E-Mail-Adresse. Kontoinhaber vertrauen darauf, dass die Banken ihre Überweisungen authentifizieren und den Transfer durchführen. Dazu gehört unter anderem die Kommunikation mit der Bank des Begünstigten und das Sicherstellen, dass der Sender ausreichend Geld für die Überweisung auf seinem Konto hat oder dass der Überweisungsbetrag (nach Abzug von Gebühren) vollständig erhalten wird.
Ein dezentralisiertes Bitcoin-Netzwerk und andere Krypto-Netzwerke hingegen erledigen all diese Arbeit durch die Teilnahme von Knoten. Sie verwenden, wie bereits erwähnt, bestimmte Protokolle, um die Sicherheit und Authentizität von Transaktionen zu gewährleisten. Sie bilden ein transparentes Verwaltungssystem, bei dem jeder Teilnehmer die Verantwortung für die Wahrung der Integrität und Sicherheit des Krypto-Netzwerks trägt.
Wie funktioniert Proof of Work?
In der Bitcoin-Blockchain und in anderen Blockchains, die auf das Proof-of-Work-Verfahren basieren, wird jede Information in Blöcken gespeichert. Die Blöcke sind in chronologischer Reihenfolge aneinander gebunden und durch Hash-Verschlüsselung kryptografisch versiegelt. Jeder Block hat eine begrenzte Kapazität, und ein neuer Block muss der Kette hinzugefügt werden, wenn einer der Blöcke gefüllt ist. Dieser Vorgang wird Mining genannt. Es gibt keine definierte Auswahl für Validierer, jeder Knoten darf Blöcke minen.
Neben den Daten enthält jeder Block seinen eigenen Hash-Code, sowie auch den des vorherigen Blocks. Dabei handelt es sich um eine Reihe von alphanumerischen Zeichen, die durch die Dateneingabe erstellt werden. Damit Miner jeden Block und damit auch die darin enthaltenen Transaktionen authentifizieren können, müssen sie einen gültigen Hash-Code generieren.
Für moderne Computer ist es ziemlich einfach, einen beliebigen Hash zu generieren. Der Bitcoin-Algorithmus schreibt einen Hash als eine Art „Ziel“ vor und der von den Knoten generierte Hash muss diesem Ziel-Hash entsprechen.
Dazu nutzen die Validierer die Hash-Funktion als Beweis für die Arbeit, indem sie eine enorme Menge an Rechenleistung (über GPUs) verwenden, während andere Knoten die Authentizität der Überprüfung erkennen können. Für ihren ehrlichen Beitrag erhalten die Knoten einen gewissen Betrag der nativen Münze der Blockchain.
Was ist das Problem mit Proof of Work?
Während der Proof-of-Work-Konsens eine kreative Lösung für die kollektive Verwaltung des Netzwerks bietet, bringt es auch gewisse Nachteile mit sich. Diese Nachteile haben sogar einige prominente Blockchains, insbesondere Ethereum, dazu veranlasst, auf andere Konsens-Mechanismen wie z.B. das Proof-of-Stake-Verfahren umzusteigen.
Risiko einer Rezentralisierung
Proof of Work (PoW) ist ein wettbewerbsfähiges Konsensmodell, da es jedem freisteht Validierungsarbeit zu leisten und die entsprechenden Belohnungen (Rewards) einzusammeln. Dies veranlasste Teilnehmer dazu, Mining-Farmen mit zugehöriger Hardware (GPUs, Netzteile und Kühlmechanismen) zu bauen.
Miner schließen sich auch zusammen, um Mining-Pools zu erstellen und ihre Chancen im Laufe des Bitcoin-Minings zu erhöhen, Blöcke abzubauen und im Gegenzug Rewards einzusammeln. Dies führt zu Ungleichheit und bedroht auch die Dezentralisierung einer Blockchain – ein Phänomen, das als 51%-Angriff bezeichnet wird, kann in solchen Situationen theoretisch auftreten. In so einem Fall würde der Angreifer die Mehrheit der Rechenleistung in der Blockchain besitzen und diese manipulieren können. Beim Proof of Stake müssten die Angreifer hingegen 51% der gestakten Kryptowährung besitzen.
Damit Bitcoin-Transaktionen authentifiziert werden können, muss jede Verifizierung von mindestens der Hälfte der Teilnehmer des Netzwerks genehmigt werden. Die wachsende Größe der Mining-Pools ebnet bestimmten Unternehmen den Weg, den größten Teil des Netzwerks zu übernehmen: Im Fall von Bitcoin beispielsweise besitzen große Mining-Pools wie F2Pool und AntPool jeweils über 14% des Bitcoin-Netzwerks. Theoretisch können sich fünf der großen Pools beim Bitcoin-Mining zusammenschließen, um mehr als die Hälfte des Bitcoin-Netzwerks zu besitzen und es zu manipulieren.
Hoher Energiebedarf
Wie bereits erwähnt, kommt der Beweis für die Authentifizierungsarbeit in diesem Mechanismus von den hohen GPUs, die die Knoten verwenden. Diese Arbeit treibt nicht nur die Energiekosten der Validierer in die Höhe, die sie rein theoretisch durch wirtschaftliche Anreize kompensieren, sondern schafft vor allem auch ein Umweltproblem. Gerne kannst du zu diesem Thema auch unseren Artikel über den hohen Energieverbrauch von Bitcoin lesen: Bitcoin-Mining. Auch aus diesem Grund ist Ethereum auf Proof of Stake umgestiegen.
Nach aktuellen Berechnungen der Cambridge University hat das Bitcoin-Netzwerk 200 Millionen Tonnen Kohlendioxid in die Atmosphäre freigesetzt, was mehr ist, als Kolumbien im Jahr 2018 produziert hat. Dies gibt Anlass zu ernsthaften Bedenken hinsichtlich der Nachhaltigkeit von Blockchain-Netzwerken, die auf den Proof-of-Work-Konsens basieren, und erfordert dringend eine Lösung. Proof of Stake sehen deshalb viele als interessante umweltschonende Alternative.
Die steigenden Energiepreise im Jahr 2022, in Kombination mit den allgemeinen Preisverlusten von Kryptowährungen, machen beispielsweise das Bitcoin-Mining weitaus weniger rentabel als zuvor. Dies könnte ein Vorteil für Proof of Stake sein, da dort Mining nicht nötig ist. Jegliche Veränderungen am Markt können jedenfalls einen großen Einfluss auf die Zukunft der beiden Konsens-Mechanismen haben.
Hat Proof of Work eine Zukunft?
Die Zukunft des Proof-of-Work-Mechanismus ist unklar. Seit September 2022 hat Ethereum auf Proof-of-Stake umgestellt, weil dieser Konsens-Algorithmus kaum Rechenleistung erfordert. Je höher der Staking-Einsatz eines Validierers ist, desto größer ist die Chance, dass er ausgewählt wird, den nächsten Block zu produzieren.
Auch wenn dieser Mechanismus seine eigenen Nachteile mit sich bringt, bietet er doch Lösungen für große Probleme, die mit dem Proof-of-Work-Algorithmus assoziiert sind. Ein Nachteil beim Proof of Stake: Je mehr Coins jemand zum Staken einsetzen kann, desto mehr Stimmen hat er. Weniger vermögende Nutzer werden benachteiligt und nicht so häufig für die Validierung von Transaktionen ausgewählt.
Ein Konsens-Algorithmus ist entscheidend, um Blockchains dezentralisiert und sicher zu halten. Die aktuelle Situation ist alles andere als düster, da die Entwickler hart daran arbeiten, verschiedene Lösungen zu finden, um die Probleme von Proof of Work anzugehen und das Wachstum von Netzwerken zu unterstützen. Es ist geplant, in Zukunft Proof of Work möglichst über grüne Energien (Solar, Wind, Wasser usw.) laufen zu lassen.
Lies hier mehr über das Mining: Top Krypto-Mining-Blogs.
