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Arbeitsnachweis (PoW)

Der Arbeitsnachweis beschreibt den Prozess, der es dem Bitcoin-Netzwerk ermöglicht, robust zu bleiben, indem der Prozess des Minings oder der Aufzeichnung von Transaktionen erschwert wird.

Was ist ein Arbeitsnachweis (PoW)?

Proof of Work (PoW) beschreibt ein System, das einen nicht unerheblichen, aber machbaren Aufwand erfordert, um leichtfertige oder böswillige Nutzungen von Rechenleistung wie das Versenden von Spam-E-Mails oder das Starten von Denial-of-Service-Angriffen zu verhindern. Das Konzept wurde anschließend von Hal Finney im Jahr 2004 durch die Idee des "wiederverwendbaren Arbeitsnachweises" mit dem SHA-256-Hashing-Algorithmus an die Sicherung von digitalem Geld angepasst.

Nach seiner Einführung im Jahr 2009 wurde Bitcoin die erste weit verbreitete Anwendung von Finneys PoW-Idee (Finney war auch der Empfänger der ersten Bitcoin-Transaktion). Der Arbeitsnachweis bildet auch die Grundlage vieler anderer Kryptowährungen und ermöglicht einen sicheren, dezentralen Konsens.

DIE ZENTRALEN THESEN

  • Proof of Work (PoW) ist ein dezentralisierter Konsensmechanismus, bei dem die Mitglieder eines Netzwerks Mühe aufwenden müssen, ein beliebiges mathematisches Rätsel zu lösen, um zu verhindern, dass jemand das System spielt.
  • Proof of Work wird häufig im Kryptowährungs-Mining verwendet, um Transaktionen zu validieren und neue Token zu minen.
  • Aufgrund des Arbeitsnachweises können Bitcoin- und andere Kryptowährungstransaktionen auf sichere Weise Peer-to-Peer verarbeitet werden, ohne dass ein vertrauenswürdiger Dritter erforderlich ist.
  • Der Nachweis der Arbeit in großem Maßstab erfordert enorme Energiemengen, die nur zunimmt, wenn mehr Bergleute dem Netzwerk beitreten.
  • Proof of Stake (POS) war einer von mehreren neuartigen Konsensmechanismen, die als Alternative zum Proof of Work geschaffen wurden.

Arbeitsnachweis verstehen

Diese Erklärung konzentriert sich auf den Arbeitsnachweis, wie er im Bitcoin-Netzwerk funktioniert. Bitcoin ist eine digitale Währung, die von einer Art verteiltem Hauptbuch, der sogenannten „Blockchain“, unterstützt wird. Dieses Hauptbuch enthält eine Aufzeichnung aller Bitcoin-Transaktionen, die in aufeinanderfolgenden "Blöcken" angeordnet sind, sodass kein Benutzer seine Bestände zweimal ausgeben darf. Um Manipulationen zu verhindern, ist das Hauptbuch öffentlich oder "verteilt"; eine geänderte Version würde von anderen Benutzern schnell abgelehnt.

In der Praxis erkennen Benutzer Manipulationen anhand von Hashes, langen Zahlenfolgen, die als Arbeitsnachweis dienen. Setzen Sie einen bestimmten Datensatz durch eine Hash-Funktion (Bitcoin verwendet SHA-256), und es wird immer nur ein Hash generiert. Aufgrund des "Lawineneffekts" führt jedoch selbst eine winzige Änderung eines Teils der Originaldaten zu einem völlig unkenntlich gemachten Hash. Unabhängig von der Größe des ursprünglichen Datensatzes hat der von einer bestimmten Funktion generierte Hash dieselbe Länge. Der Hash ist eine Einwegfunktion: Er kann nicht verwendet werden, um die Originaldaten zu erhalten, sondern nur um zu überprüfen, ob die Daten, die den Hash generiert haben, mit den Originaldaten übereinstimmen.

Für einen modernen Computer wäre es trivial, einen beliebigen Hash für eine Reihe von Bitcoin-Transaktionen zu generieren. Um den Prozess in "Arbeit" zu verwandeln, legt das Bitcoin-Netzwerk einen gewissen "Schwierigkeitsgrad" fest. Diese Einstellung wird so angepasst, dass der Blockchain ein neuer Block hinzugefügt wird, indem ungefähr alle 10 Minuten ein gültiger Hash generiert wird. Die Einstellungsschwierigkeit wird erreicht, indem ein "Ziel" für den Hash festgelegt wird: Je niedriger das Ziel, desto kleiner die Menge gültiger Hashs und desto schwieriger ist es, einen zu generieren. In der Praxis bedeutet dies einen Hash, der mit einer sehr langen Folge von Nullen beginnt.

Proof of Work wurde ursprünglich als Lösungsvorschlag für das wachsende Problem von Spam-E-Mails erstellt.

Besondere Überlegungen

Da ein bestimmter Datensatz nur einen Hash generieren kann, wie stellen die Miner sicher, dass sie einen Hash unterhalb des Ziels generieren? Sie ändern die Eingabe, indem sie eine ganze Zahl hinzufügen, die als Nonce ("einmal verwendete Zahl") bezeichnet wird. Sobald ein gültiger Hash gefunden wurde, wird er an das Netzwerk gesendet und der Block wird der Blockchain hinzugefügt.

Bergbau ist ein kompetitiver Prozess, aber es ist eher eine Lotterie als ein Rennen. Im Durchschnitt erstellt jemand alle zehn Minuten einen akzeptablen Arbeitsnachweis, aber wer es sein wird, ist unklar. Miner bündeln sich, um ihre Chancen auf das Mining von Blöcken zu erhöhen, was Transaktionsgebühren und für eine begrenzte Zeit eine Belohnung für neu erstellte Bitcoins generiert.

Ein Arbeitsnachweis macht es äußerst schwierig, jeden Aspekt der Blockchain zu ändern, da eine solche Änderung ein erneutes Mining aller nachfolgenden Blöcke erfordern würde. Es macht es auch für einen Benutzer oder eine Gruppe von Benutzern schwierig, die Rechenleistung des Netzwerks zu monopolisieren, da die Maschinen und die Leistung, die zum Vervollständigen der Hash-Funktionen erforderlich sind, teuer sind.

Wenn ein Teil eines Mining-Netzwerks beginnt, einen alternativen Arbeitsnachweis zu akzeptieren, wird dies als Hard Fork bezeichnet.

Beispiel für einen Arbeitsnachweis

Ein Arbeitsnachweis erfordert, dass ein Computer nach dem Zufallsprinzip Hashing-Funktionen ausführt, bis er eine Ausgabe mit der korrekten Mindestanzahl von führenden Nullen erhält. Der Hash für Block 660000, der am 4. Dezember 2020 abgebaut wurde, lautet beispielsweise 0000000000000000008eddcaf078f12c69a439dde30dbb5aac3d9d94e9c18f6. Die Blockbelohnung für diesen erfolgreichen Hash betrug 6,25 BTC.

Dieser Block enthält immer 745 Transaktionen mit etwas mehr als 1.666 Bitcoins sowie den Header des vorherigen Blocks. Wenn jemand versucht, einen Transaktionsbetrag auch nur um 0,000001 Bitcoin zu ändern, wäre der resultierende Hash nicht wiederzuerkennen und das Netzwerk würde den Betrugsversuch ablehnen.

Häufig gestellte Fragen zu Arbeitsnachweisen

Was bedeutet Arbeitsnachweis?

PoW verlangt von Knoten in einem Netzwerk, dass sie den Nachweis erbringen, dass sie Rechenleistung (d. h. Arbeit) aufgewendet haben, um auf dezentrale Weise einen Konsens zu erzielen und zu verhindern, dass schlechte Akteure das Netzwerk überholen.

Wie validiert ein Arbeitsnachweis eine Krypto-Transaktion?

Die Arbeit selbst ist willkürlich. Bei Bitcoin handelt es sich um Iterationen von SHA-256-Hashing-Algorithmen. Der "Gewinner" einer Hashing-Runde aggregiert und zeichnet jedoch Transaktionen aus dem Mempool in den nächsten Block auf. Da der "Gewinner" im Verhältnis zur geleisteten Arbeit zufällig ausgewählt wird, wird jeder im Netzwerk dazu angehalten, ehrlich zu handeln und nur echte Transaktionen aufzuzeichnen.

Warum brauchen Kryptowährungen einen Arbeitsnachweis?

Da sie von Natur aus dezentralisiert und Peer-to-Peer sind, erfordern Blockchains wie Kryptowährungsnetzwerke eine Möglichkeit, sowohl Konsens als auch Sicherheit zu erreichen. Der Arbeitsnachweis ist eine solche Methode, die den Versuch, das Netzwerk zu überholen, zu ressourcenintensiv macht. Es gibt auch andere Beweismechanismen, die weniger ressourcenintensiv sind, aber andere Nachteile oder Mängel aufweisen, wie z. B. Proof of Stake (PoS) und Proof of Burn. Ohne einen Beweismechanismus wären das Netzwerk und die darin gespeicherten Daten anfällig für Angriffe oder Diebstahl.

Verwendet Bitcoin Arbeitsnachweise?

Jawohl. Es verwendet einen PoW-Algorithmus basierend auf der SHA-256-Hashing-Funktion, um Transaktionen zu validieren und zu bestätigen sowie neue Bitcoins in Umlauf zu bringen.

Wie unterscheidet sich der Proof of Stake (PoS) von PoW?

PoS ist ein Konsensmechanismus, der den Knoten, der Blocktransaktionen minen oder validieren wird, zufällig zuweist, je nachdem, wie viele Coins dieser Knoten hält. Je mehr Token in einer Wallet aufbewahrt werden, desto mehr Mining-Power wird ihr effektiv gewährt. Obwohl PoS weit weniger ressourcenintensiv ist, weist es mehrere andere Mängel auf, darunter eine größere Chance auf einen 51%-Angriff bei kleineren Altcoins und Anreize, Token zu horten und nicht zu verwenden.