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Der Proof of Work von Bitcoin (BTC): Feature oder Bug?



Das Argument, dass Bitcoin einen sehr hohen Energiebedarf hat und deswegen schädlich für die Umwelt ist, hält sich hartnäckig. So sei der für die Kryptowährung höher als der Verbrauch so manches Landes. Umweltschützer schlagen entgeistert die Hände über dem Kopf zusammen.
Der Proof of Work als Mechanismus zum Konsens – ein Webfehler in Bitcoin oder eine seiner größten Stärken?

Vertrauensloser Konsens: Proof of Work 

Der Proof of Work (POW) steht im Mittelpunkt des von Satoshi Nakamoto vorgeschlagenen Systems. Er sorgt für die Integrität und Unveränderlichkeit des Netzwerks. Die Aufgabe des Miners ist, Transaktionen aus dem Netzwerk (dem sogenannten Mem-Pool) auszuwählen, daraus einen sogenannten Canditate Block zu erstellen und dann durch das Hochzählen einer sogenannten Nonce einen Root Hash zu erstellen, der mit einer gewissen Anzahl an 0-bits beginnt.

Im Klartext heißt das: Damit ein Block, der Transaktionen enthält, vom Bitcoin-Netzwerk als korrekt angesehen wird, muss er gewisse Kriterien erfüllen. Auf der einen Seite muss er den Root-Hash des vorangegangenen Blocks enthalten. Auf der anderen Seite muss sein eigener Root-Hash mit einer gewissen Anzahl an Nullen (0-Bits) beginnen. Grundsätzlich gilt: Je höher die Anzahl der 0-Bits, desto schwieriger ist der Block zu minen. 

Root Hashes, Difficulty und Energieverbrauch in Bitcoin

Der Root Hash ist das Ergebnis, wenn man alle im Block enthaltenen Daten – die Transaktionen, die Blocknummer, den Root Hash des Vorgängers, Nonce und so weiter – mit einer SHA-256-Funktion verschlüsselt („hasht“). Dabei entsteht eine völlig zufällige Zeichenfolge aus Buchstaben und Zahlen. Das Besondere an einer Hash-Funktion ist, dass sich für jede Änderung des Inputs ein vollständig neuer Output ergibt. Deswegen gibt es die Nonce als Variable in einem Candiate Block. Durch das Hochzählen der Nonce erstellt man immer einen komplett neuen Root-Hash, der vielleicht die Anforderungen des Netzwerks erfüllt.

Die Difficulty (also Schwierigkeit) verändert sich je nach Rechenleistung aller Teilnehmern des Netzwerks. Alle 2016 Blöcke passt sich die Schwierigkeit an diese Leistung an, sodass das Netzwerk im Schnitt alle 10 Minuten einen neuen Block findet. Die Difficulty gibt an, wie viele 0-bits am Anfang eines Root Hashs erscheinen müssen. 

Der Root Hash für einen Block sieht beispielsweise so aus:

0000000000000000001fc7ec89c5e0b6a9a499a0a8a41397bd180be508b937ed

Erfüllt der Root Hash das Kriterium der 0-Bits, das wiederum durch die Schwierigkeit des Netzwerks definiert ist, erkennen alle Miner diesen Block als valide an, fügen ihn in ihre lokal gespeicherte Version der Blockchain ein und nutzen ihn als Basis zum Errechnen des nächsten Root Hashs. Finden kann man einen solchen Hash nur durch Raten – und dieses Raten kostet Rechenleistung und folglich Energie. Die Kette (Blockchain) mit den meisten akkumulierten Proofs of Work wird vom Netzwerk als die „wahre“ Kette angesehen.

Kurz: Der POW repräsentiert nachweislich ausgegebene Energie.

Die Gefahr einer 51-Prozent-Attacke auf Bitcoin

Der POW spielt die zentrale Rolle in der Konsensfindung des dezentralen Bitcoin-Netzwerk. Die Miner müssen nur minimal miteinander kommunizieren und stehen im Wettbewerb miteinander. Allerdings halten sich alle an die ProtokollRegeln, da Blöcke, die nicht die richtigen Kriterien erhalten, vom Netzwerk abgewiesen werden. So spielen alle nach den gleichen Regeln, ohne von einer zentralen Autorität dazu gezwungen zu werden.

Generell kann ein Angreifer, dank der Private-Key/Public-Key-Kryptographie, nur seine eigenen Transaktionen manipulieren (d. h. Double-Spending). Möchte er dies tun, muss er mehr Rechenleistung aufbringen als der Rest des Netzwerks. Das nennt man dann auch eine 51-Prozent-Attacke. Je mehr Rechenleistung das Netzwerk hat, umso teurer wird dieser Angriff. Je weiter die zu manipulierende Transaktion zurückliegt, desto unwahrscheinlicher ist es für den Angreifer, die Transaktion in dem Block zu ändern und schnell genug neue Blöcke zu kreieren, um die längste Kette zu erhalten.

Darüber hinaus ist es ab einer gewissen Anzahl an Blöcken physisch unmöglich, so viel Energie aufzuwenden, um die Bitcoin-Blockchain zu verändern. Eine Transaktion, die nur sechs Blöcke zurückliegt, gilt bereits als unveränderlich.

Energieverbrauch und Umweltschutz

Das Bitcoin-Netzwerk benötigt also Energie, um einen Konsens über die Realität des aktuellen Stands aller Transaktionen zu finden. Eben dieser Umstand sichert das Netzwerk.

Das Argument der Umweltschützer ist oft, dass Bitcoin so viel Energie verbrauche wie ein kleiner Nationalstaat, daher unsere Umwelt zerstöre und insgesamt schlecht für die Menschheit sei. Doch dabei verfehlt diese Betrachtungsweise die fundamentale Eigenschaft von Bitcoin: Denn die Bitcoin-Blockchain ist ein unveränderliches Bestandsbuch eines dezentralen Netzwerks.

Diese Errungenschaft, von Satoshi Nakamoto erstmalig 2008 beschrieben, stellt einen revolutionären Schritt dar. Die Energie muss aufgebraucht werden, damit sich das Netzwerk einigen kann, ohne eine zentrale Autorität zu benötigen, die über den aktuellen Stand des Bestandsbuch entscheidet.

Darüber hinaus liegt es im ökonomischen Interesse der Miner, die Energiekosten für ihre Rechner so gering wie möglich zu halten. Man könnte also genauso argumentieren, dass der Energieverbrauch in Bitcoin einen ökonomischen Anreiz für die Entwicklung von günstigen (und nachhaltigen) Energiequellen gibt.

Bitcoin: Ein Gewinn für die ganze Menschheit

Ein unveränderliches, dezentrales Bestandsbuch wie die Bitcoin-Blockchain ist ein Novum für unsere Welt und bietet etliche Vorteile für die gesamte Menschheit (Stichwort: Banking the Unbanked). Der Verbrauch von Energie ist kein Design-Fehler, sondern ein essentieller Bestandteil. Er ermöglicht den Nutzern, ohne Vertrauen miteinander zu interagieren. Die Sicherheit des Bitcoin-Netzwerks steht an oberster Stelle und wird durch den POW-Mechanismus herbeigeführt.

 

 





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