Proof of Work (PoW): Was ist das und wie funktioniert es?

Im Bereich der Blockchain-Technologie, in dem Innovation auf Dezentralisierung trifft, gibt es ein Konzept, das man verstehen muss, um die Grundlagen des Wissens zu festigen. Es geht darum, wie Transaktionen durchgeführt, die Sicherheit des Netzwerks gewährleistet und ein Ertrag für die geleistete Arbeit erzielt werden.

Dieses Konzept des Proof of Work (PoW) wird im Deutschen als Arbeitsnachweis übersetzt. Seine auf Logik und Kryptographie basierende Ausführung repräsentiert das Wesen der finanziellen und technologischen Revolution, die seit der Einführung von Bitcoin im Jahr 2009 im Gange ist. Doch hinter seiner scheinbaren Einfachheit verbergen sich Schichten von Komplexität und Raffinesse, die es zu einem Studien- und Reflexionsthema machen.

Was ist Proof of Work?

Nachdem wir uns seinem grundlegenden Sinn angenähert haben, ist es wichtig, Proof of Work korrekt zu definieren.

Technisch gesehen ist Proof of Work (PoW) ein Konsensprotokoll, das verwendet wird, um Transaktionen zu validieren und zu bestätigen und neue Blöcke innerhalb der Blockchain zu erzeugen. Es wurde erstmals 2009 mit Bitcoin als wesentlicher Bestandteil seines Betriebs eingeführt.

In einfacheren Worten ist Proof of Work ein „Mechanismusspiel“, das sicherstellt, dass alle Transaktionen in einer Blockchain legitim und korrekt sind. Es funktioniert wie das Lösen eines komplexen mathematischen Rätsels. Wenn jemand das Rätsel löst, wird ein neuer „Block“ zur Blockchain hinzugefügt, die im Wesentlichen ein Register aller Transaktionen ist, Block für Block.

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Merkmale des PoW

Nachdem wir nun seine Definition besser verstanden haben, lassen Sie uns die Eigenschaften und Qualitäten des Proof of Work (PoW) betrachten:

• Geschichte: Bitcoin war die erste Kryptowährung, die PoW als Konsensmechanismus implementierte. Seitdem haben viele Krypto-Projekte diesen Ansatz übernommen, obwohl es auch Alternativen wie Proof of Stake (PoS) und andere Konsensprotokolle gibt.
  
• Transaktionsvalidierung: PoW wird verwendet, um Transaktionen in einem Blockchain-Netzwerk zu validieren und zu bestätigen. Transaktionsblöcke werden zur Blockchain hinzugefügt, nachdem sogenannte „Miner“ kryptografische Probleme gelöst haben.
  
• Sicherheit: Der PoW-Mechanismus bietet ein hohes Maß an Sicherheit für das Netzwerk. Aufgrund der Schwierigkeit der zu lösenden kryptografischen Probleme ist es für einen Angreifer extrem schwierig, eine vergangene Transaktion zu ändern, ohne alle nachfolgenden Blöcke neu zu berechnen, was Angriffe unpraktisch und sehr teuer macht. Bis heute wurde Bitcoin seit seiner Entstehung 2009 nicht kompromittiert.
  
• Wirtschaftliche Anreize: Miner werden mit neuen Kryptowährungen belohnt, die durch das Mining gewonnen werden, sowie mit Transaktionsgebühren für ihre Rechenleistung bei der Lösung mathematischer Probleme. Dies bietet einen starken wirtschaftlichen Anreiz, die Integrität des Netzwerks aufrechtzuerhalten und am Mining-Prozess teilzunehmen.
  
• Dezentralisierung: Da jeder mit der richtigen Ausrüstung am Mining-Prozess teilnehmen kann, fördert PoW eine stärkere Dezentralisierung des Netzwerks. Das bedeutet, dass es keine zentrale Autorität gibt, die das Netzwerk kontrolliert, was es weniger anfällig für Angriffe oder Manipulationen macht.
  
• Energieverbrauch: Eine der Hauptkritiken an PoW ist sein hoher Energieverbrauch. Der rechenintensive Prozess, der erforderlich ist, um kryptografische Probleme zu lösen, verbraucht eine erhebliche Menge an Strom, was Bedenken hinsichtlich der Umweltauswirkungen aufwirft. Es ist jedoch wahr, dass ein immer größerer Teil der von diesen Knoten verbrauchten Energie aus erneuerbaren, grünen Energien stammt.
  
• Begrenzte Skalierbarkeit: PoW stößt aufgrund seiner Struktur auf Herausforderungen in Bezug auf Skalierbarkeit und Geschwindigkeit. Mit zunehmender Anzahl von Transaktionen und Minern im Netzwerk kann es zu Staus und höheren Transaktionskosten kommen. Außerdem gibt es keine schnelle Bestätigung einer Transaktion in Sekunden, wie es bei Bitcoin der Fall ist – hier dauert es einige Minuten.
  
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Wie funktioniert PoW?

Proof of Work (PoW) ist ein Konsensmechanismus, der in Kryptowährungen verwendet wird, um Transaktionen zu validieren und neue Blöcke zur Blockchain hinzuzufügen. Es funktioniert folgendermaßen:

1. Transaktionen:
   
   Benutzer des Netzwerks erstellen Transaktionen, die Überweisungen von Kryptowährungen zwischen zwei Adressen darstellen.
   
   Die Transaktionen enthalten grundlegende Informationen wie die Adresse des Absenders, die Adresse des Empfängers, die Menge der übertragenen Kryptowährungen und eine Gebühr.
   Die Transaktionen werden an das Netzwerk gesendet und in Blöcken zusammengefasst.
   
2. Erstellung des Blocks:
   
   Sobald eine Transaktion im Netzwerk durchgeführt wird, wird sie zusammen mit anderen ausstehenden Transaktionen zu einem Block gebündelt.
   
3. Auswahl des kryptografischen Problems:
   
   Nachdem der Block erstellt wurde, wird ein kryptografisches Problem ausgewählt, das die Miner lösen müssen, um den Block zu validieren und ihn der Blockchain hinzuzufügen. Dieses Problem beinhaltet normalerweise das Finden eines bestimmten Wertes, bekannt als „Nonce“, der, wenn er mit dem Inhalt des Blocks kombiniert und durch eine Hash-Funktion geleitet wird, ein Ergebnis liefert, das bestimmten Kriterien entspricht, wie z. B. eine bestimmte Anzahl von Nullen am Anfang des Hash.Im speziellen Fall von Bitcoin ist diese Hash-Funktion SHA-256.
   
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4. Lösung des Problems:
   
   Die Miner konkurrieren miteinander, um das kryptografische Problem so schnell wie möglich zu lösen. Sie nutzen ihre Rechenleistung, um Berechnungen durchzuführen und verschiedene Nonce-Werte zu testen, bis sie einen finden, der den erforderlichen Hash erzeugt.Miner verwenden spezialisierte Software und leistungsstarke Hardware, um ihre Chancen zu erhöhen, eine Lösung zu finden.
   
5. Überprüfung der Lösung:
   
   Sobald ein Miner eine Nonce findet, die den Anforderungen entspricht, hängt er sie an den Block an und überträgt sie an das Netzwerk.
   Die anderen Knoten im Netzwerk überprüfen die Lösung des kryptografischen Problems, um sicherzustellen, dass die Arbeit korrekt ausgeführt wurde.
   
6. Hinzufügen des Blocks zur Kette:
   
   Wenn die Lösung gültig ist, wird der Block zur Blockchain hinzugefügt und der Miner, der das Problem gelöst hat, erhält eine Belohnung.Wenn die Lösung ungültig ist, wird der Block abgelehnt.Die Belohnung besteht in der Regel aus neu geschaffenen Kryptowährungen sowie aus den Transaktionsgebühren, die im Block enthalten sind.

Beispiel für Proof of Work mit Bitcoin

Um die Funktionsweise von Proof of Work (PoW) besser zu verstehen, betrachten wir ein Beispiel, das vom Bitcoin-Mining-Prozess inspiriert ist, der bekanntesten Kryptowährung im Blockchain-Bereich.

• Erstellung des Blocks:
  
  Transaktionen: Lucia möchte 1 BTC an Juan senden. Die Transaktion wird an das Netzwerk übertragen.
  Bündelung: Alle kürzlich getätigten Transaktionen, wie die von Lucia, werden zu einem ausstehenden Block zusammengefasst, der bereit ist, der Blockchain hinzugefügt zu werden.
  
• Auswahl des kryptografischen Problems:
  
  Schwierigkeit: Ein kryptografisches Problem wird ausgewählt, das die Miner lösen müssen, wobei die aktuelle Schwierigkeit des Netzwerks berücksichtigt wird. In diesem Beispiel besteht das Problem darin, eine Zahl (Nonce) zu finden, die, wenn sie mit dem Blockinhalt verkettet und durch eine Hash-Funktion (Bitcoin verwendet SHA-256) geleitet wird, ein Ergebnis liefert, das bestimmten Kriterien entspricht, z. B. mit einer bestimmten Anzahl von Nullen beginnt.
  
• Lösung des Problems:
  
  Mining: Die Miner im Netzwerk beginnen miteinander zu konkurrieren, um dieses Problem zu lösen. Sie nutzen ihre Rechenleistung, um verschiedene Nonce-Werte zu testen und den Hash des Blocks zu berechnen, bis sie einen Wert finden, der den von der Netzwerkschwierigkeit festgelegten Anforderungen entspricht.
  
• Überprüfung der Lösung:
  
  Validierung: Sobald ein Miner eine Nonce findet, die einen gültigen Hash erzeugt, hängt er sie an den Block an und überträgt sie an das Netzwerk. Die anderen Knoten im Netzwerk überprüfen schnell, ob der Blockhash den Schwierigkeitsanforderungen entspricht. Wenn dies der Fall ist, wird der Block als gültig betrachtet. Wenn er ungültig ist, wird er von der Kette abgelehnt.
  
• Hinzufügen des Blocks zur Kette:
  
  Belohnung: Der neue Block wird zur Blockchain hinzugefügt, und der Miner, der das Problem gelöst hat, erhält eine Belohnung in Form von neu geschaffenen Bitcoins und den im Block enthaltenen Transaktionsgebühren. Bei Bitcoin beträgt die aktuelle Belohnung 6,25 BTC. Nach dem nächsten Halving im April 2024 wird die Belohnung auf 3,125 BTC für die nächsten 210.000 abgebauten Blöcke (etwa 4 Jahre) sinken.
  
• Wiederholung des Prozesses:
  
  Kontinuität: Der Prozess wird im Netzwerk fortgesetzt, während die Miner weiterhin um die Aufnahme neuer Blöcke in die Blockchain konkurrieren. Die Schwierigkeit des kryptografischen Problems wird bei Bitcoin automatisch alle 2016 Blöcke angepasst, um eine konstante durchschnittliche Zeit zwischen der Erstellung von Blöcken (etwa 10 Minuten) zu gewährleisten, was die Sicherheit und Stabilität des Netzwerks sicherstellt.

In diesem Beispiel:

• Lucia konnte 1 BTC sicher und zuverlässig an Juan senden, dank des PoW-Prozesses.
• Die Miner wurden durch die Belohnung in BTC dazu angeregt, am Netzwerk teilzunehmen und seine Sicherheit zu gewährleisten.
• Die Bitcoin-Blockchain wurde um einen neuen Block erweitert, der Lucias Transaktion enthält.

Warum verwendet Bitcoin Proof of Work?

Am 31. Oktober 2008 führte Satoshi Nakamoto Bitcoin ein und machte deutlich, dass Proof of Work ein Schlüsselelement im Bitcoin-Netzwerk sein würde, indem er die folgende Information in seiner Veröffentlichung hinterließ:

„Wir schlagen eine Lösung für das Problem des doppelten Ausgebens vor, indem wir ein Peer-to-Peer-Netzwerk verwenden. Das Netzwerk versieht die Transaktionen mit einem Zeitstempel, indem es sie in eine Hash-basierte Arbeitsnachweis-Kette (Proof of Work) gruppiert und so ein unveränderliches Register schafft, das nicht geändert werden kann, ohne den Arbeitsnachweis neu zu erstellen.“

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Auf diese Weise bietet Proof of Work Folgendes:

• Sicherheit: Es ist resistent gegen Fälschungen und schreckt böswillige Akteure ab, da eine erhebliche Rechenleistung erforderlich ist.
• Dezentralisierung: Es handelt sich um ein globales System ohne zentrale Instanz, das allen offen steht und die Zensurresistenz und Machtverteilung fördert.
• Anreize: Es bietet wirtschaftliche Anreize, die Sicherheit des Netzwerks zu erhöhen, indem Miner zur Teilnahme motiviert werden.
• Stabilität: Es handelt sich um einen robusten und stabilen Mechanismus mit einer Schwierigkeitsanpassung, um konstante Blockzeiten zu gewährleisten.

Warum entstand Proof of Work in der Blockchain?

Satoshi Nakamoto, der Schöpfer von Bitcoin, hatte die Vision, ein Peer-to-Peer-Digitalwährungssystem (P2P) zu entwickeln, das das Vertrauen in eine dritte Partei eliminierte. Die Einführung von PoW ermöglichte es den Teilnehmern des Netzwerks, auf dezentrale und sichere Weise einen Konsens über den Zustand der Blockchain zu erzielen, ohne eine zentrale Autorität zu benötigen, und Werte zwischen allen Knoten zu senden, zu empfangen und zu speichern.

Proof of Work (PoW) entstand in der Blockchain als Lösung für das Problem des doppelten Ausgebens und die Notwendigkeit, einen dezentralen und sicheren Konsensmechanismus zu etablieren.

Aufgetretene Probleme

• Doppeltes Ausgeben: In einem digitalen System ist es leicht, Informationen zu kopieren und zu duplizieren. Dies könnte einem Benutzer ermöglichen, dieselbe digitale Währung zweimal auszugeben, was das Vertrauen in die Währung und die Integrität des Systems zerstören würde.
• Konsens ohne Vertrauen: Kryptowährungen haben im Allgemeinen keine zentrale Autorität, die Transaktionen verwaltet und Informationen validiert. Es war ein Mechanismus erforderlich, damit die Teilnehmer des Netzwerks einen Konsens über den Zustand der Blockchain erzielen konnten, ohne auf eine vertrauenswürdige dritte Partei angewiesen zu sein.

Erwartete Lösung

Hier führt der PoW-Konsensmechanismus Anreize und rechnerische Schwierigkeiten ein, um diese Probleme zu lösen:

• Anreize: Die Miner konkurrieren um die Lösung eines komplexen mathematischen Problems und werden für ihre Arbeit mit Kryptowährungen belohnt.
• Rechnerische Schwierigkeiten: Das Problem ist so schwierig, dass es unwahrscheinlich ist, dass ein einzelner Akteur das Netzwerk kontrollieren kann.

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Vorteile und Nachteile von Proof-Of-Work

Vorteile	Nachteile
✅ Sicherheit: Es erschwert das Fälschen und Erstellen betrügerischer Blöcke aufgrund der hohen Rechenkosten.	❌ Energieverbrauch: Das Mining verbraucht viel Energie, was Umweltbedenken aufwirft, obwohl der Einsatz von grüner Energie zunimmt.
✅ Unveränderlichkeit: Einmal hinzugefügte Blöcke sind sehr schwer zu ändern oder zu entfernen, wobei zusätzliche Bestätigungen Wert und Glaubwürdigkeit erhöhen.	❌ Skalierbarkeit: Es gibt Beschränkungen bei der Geschwindigkeit der Transaktionsverarbeitung, mit Zeiten von etwa 10 Minuten pro geminten Block.
✅ Dezentralisierung: Es ermöglicht ein globales Netzwerk von Betreibern ohne zentrale Autorität, das zugänglich ist mit Energie, Internet und einem Mining-Gerät.

Proof of Work vs. Proof of Stake: Die natürliche Evolution

Wie in jeder guten Technologiegeschichte gibt es immer Raum für Innovation. Hier kommt Proof of Stake (PoS) ins Spiel. Anstatt um das Lösen mathematischer Probleme zu konkurrieren, werden bei PoS die Validatoren ausgewählt, um neue Blöcke zu erstellen und zu validieren, basierend auf der Menge an Kryptowährungen, die sie bereits besitzen und als Sicherheit „setzen“ (Stake).

Warum sollten wir also auf PoS achten? Nun, erstens ist es energieeffizienter als PoW. Das bedeutet, dass es weniger Energie benötigt, um zu funktionieren, was gut für die Umwelt und die Stromrechnung ist.

Darüber hinaus fördert PoS eine größere Teilnahme am Netzwerk, da diejenigen, die bereits Kryptowährungen in diesem Konsenssystem besitzen, die Möglichkeit haben, durch das Staking mehr Kryptowährungen in Form von Zinsen zu generieren, unabhängig davon, ob sie mehr oder weniger besitzen. Fast jeder hat die Möglichkeit, ohne große finanzielle Ausgaben teilzunehmen.

Allerdings ist nicht alles so rosig. Es wird argumentiert, dass PoS zu einer größeren Zentralisierung der Macht in den Händen derjenigen führen könnte, die große Mengen an Kryptowährungen besitzen, was die wahre Dezentralisierung untergraben könnte.

Was ist also das endgültige Urteil? Nun, es gibt keine eindeutige Antwort. Beide Protokolle haben ihre Vor- und Nachteile, und es ist wahrscheinlich, dass wir in Zukunft ein Nebeneinander beider Systeme in der Welt der Kryptowährungen sehen werden.

Fazit

Letztlich geht die Macht des Proof of Work (PoW) über seine praktische Anwendung in der Blockchain-Technologie hinaus. Es repräsentiert eine Philosophie der Dezentralisierung und individuellen Ermächtigung, die die heutigen Machtstrukturen in Frage stellt. In einer Welt, in der Finanz- und Regierungsinstitutionen seit langem die wirtschaftliche Landschaft dominieren, bietet PoW eine radikale Alternative: ein System, in dem das Vertrauen auf Mathematik und Kryptographie basiert, anstatt auf einer zentralisierten Autorität.