Was ist Proof-of-Work?

Sie hören diesen Satz immer wieder, haben aber keine Ahnung, was er bedeutet? Keine Sorge, da sind Sie nicht allein. Was also ist Proof-of-Work? Hier erklären wir es auf gut deutsch.

Proof-of-Work (PoW) ist ein Konsensalgorithmus für Blockchain-Netzwerke und das Bitcoin zugrunde liegende Konsensmodell. Bitcoin ist die Kryptowährung, die den Weg für die Verwendung von PoW bereitet hat.

Allgemein gesagt beruht PoW auf der Umwandlung von elektrischem Strom in ein digitales „Gewicht“ in der Blockchain. Hierdurch erhalten PoW-Blockchains wie Bitcoin eine fälschungssichere Kostspieligkeit und damit eine Anreizstruktur, die die Grundlage für ein verteiltes BFT-Netzwerk bilden, das gegenüber so genannten byzantinischen Fehlern tolerant ist (daher auch BFT-Netzwerk für „Byzantine Fault Tolerant“).

Der Nakamoto-Konsens von Bitcoin

Am einfachsten lassen sich die PoW-Mechanismen durch das Prisma des Nakamoto-Konsens von Bitcoin verstehen, der seit langem als Paradebeispiel für eine erfolgreiche und nachhaltige PoW-Implementierung gilt.

PoW beruht auf einem mathematischen Rätsel, um einen Wert unterhalb eines bestimmten Schwellenwerts („Nonce“) zu finden, der den nächsten an das Netzwerk gesendeten Block erzeugt. Block Leader, die den nächsten Block erzeugen, werden in einem lotterieartigen Format ausgewählt, das direkt mit der von ihnen zum Prozess beigetragenen Rechenleistung („Hash“) korrespondiert. Satoshi Nakamoto erläutert dazu im Bitcoin-Whitepaper:

„Das Proof-of-Work-Verfahren löst auch das Problem der Repräsentation bei Mehrheitsentscheidungen. Würde die Mehrheit auf dem Prinzip ‚eine IP-Adresse, eine Stimme‘ beruhen, dann könnte sie von jedem unterlaufen werden, der in der Lage ist, viele IPs zu reservieren. Bei Proof-of-Work heißt es dagegen grundsätzlich: ‚eine CPU, eine Stimme‘. Die Mehrheitsentscheidung wird durch die längste Chain repräsentiert, in die der größte Proof-of-Work-Aufwand investiert wurde. Wenn die Mehrheit der CPU-Leistung von ehrlichen Knoten kontrolliert wird, wird die ehrliche Chain am schnellsten wachsen und alle konkurrierenden Chains überholen.“

Whitepaper von Satoshi Nakamoto

Die längste Chain hat die meiste Arbeit – d. h. die meiste Energie (Hashes) – beigetragen, was ihre Erkennung trivial macht.

Es gibt zwei primäre Teilnehmer am PoW-Konsensmodell: Miner und Full-Node-Betreiber.

Miner

Miner sind ein Marktplatz mit Teilnehmern, die miteinander darum konkurrieren, in einem 10-Minuten-Turnus den nächsten Block zu erzeugen und ihn an das Netzwerk weiterzuleiten. Der siegreiche Miner eines solchen Turnus erhält sowohl die Blockprämie (derzeit 12,5 BTC) als auch die Transaktionsgebühren für den Block. Dies ist ein Anreizsystem für Miner, bei der Weitergabe von Blöcken ehrlich zu bleiben. Dafür gibt es im Wesentlichen zwei Gründe:

Erstens haben die Miner Kosten in teure Hardware investiert, die den Bitcoin-Mining-Algorithmus dadurch löst, dass sie versucht, die Lösung durch fortlaufende Berechnungen (Brute-Force-Verfahren) zu finden, was sehr energieaufwändig ist.

Sollten Miner arglistig agieren und versuchen, den Mining-Prozess zu unterwandern, was der Glaubwürdigkeit von Bitcoin schaden würde, würden ihre Investitionen in Hardware teurer werden, da der ROI in BTC aus der Blockbelohnung weniger wert wäre als zuvor. Dies führt uns gleich zum zweiten Grund.

Miner verdienen ihre Blockprämien direkt in BTC statt in einer Fiatwährung. Folglich investieren sie eine reale Ressource (elektrischer Strom) in die Produktion von BTC und fördern damit die fälschungssichere Kostspieligkeit, die das gesamte Sicherheitsmodell von Bitcoin bekräftigt. Außerdem erhält die Blockchain eine Art realen Wert, da die Miner bereit sind, nicht nur eine Fiatwährung (in Form von Hardware), sondern eine echte Ressource bei der BTC-Produktion zu verbrauchen.

Ausstellung und Geldpolitik von Bitcoin sind in der Folge an den Mining-Prozess gekoppelt, was es nahezu unmöglich macht, sie zu ändern, wenn die Hash-Leistung des Netzwerks auf das heutige Ausmaß ansteigt. Bitcoin werden auf elegante Weise von den Minern zum Bitcoin-Kassakurs auf den Markt gebracht, da die Miner einen Teil ihrer Bestände verkaufen müssen, um einen Gewinn zu erzielen und Rechnungen zu bezahlen.

Full-Node-Betreiber

Die zweite Instanz bei PoW sind die Full-Node-Betreiber, d. h. Nutzer, die täglich vollständige Nodes („Full Nodes“) betreiben. Full Nodes sind Software-Clients, auf denen die Bitcoin-Software ausgeführt wird und die automatisch Transaktionen und Blöcke im Netzwerk validieren und verbreiten.

Durch Verwendung kryptografischer Beweise und Anwendung der Bitcoin-Konsensregeln bilden die Full-Node-Betreiber das Herzstück des Netzwerks und agieren als ultimative Validatoren des Netzwerkstatus. Full-Node-Clients können auch Mining-Clients sein, und Clients weisen ungültige Blöcke und Transaktionen im Netzwerk zurück.

PoW wurde wegen seiner energieintensiven Struktur und seiner geringen Leistungskapazität bei der Ausführung von On-Chain-Transaktionen kritisiert, allerdings mit einigen Vorbehalten. So läuft etwa der Großteil des Bitcoin-Minings mit erneuerbaren Energien ab, und die Abwägung zwischen den Kosten für den Energieaufwand und dem Gesamtwert von Bitcoin und der Schaffung von Wohlstand ist eine komplizierte Aufgabe. Unabhängig davon ist PoW eine bedeutende Innovation im Bereich computerbasierter und spieltheoretischer Auslegung.

Das PoW-Modell von Bitcoin ist eine Sicherheitsmaßnahme, bei der Anreize der Spieltheorie, verteilte Datenverarbeitung, sozialer Konsens, Marktwirtschaft und kryptografische Nachweise zusammenfließen. Es ist die Innovation, die eine Blockchain in die Lage versetzt, auf Basis eines sicheren, nachhaltigen und verteilten Konsens zu funktionieren, und die Tatsache, dass es Bitcoin seit über zehn Jahren gibt, ist dafür Beweis genug.

Wissen ist Macht – also lernen Sie weiter! Wenn Sie sich gerne mit Kryptowährungen und Blockchain auseinandersetzen, schauen Sie sich unser School of Block Video an Ethereum Layer 2.