Dieser Artikel bietet Ihnen einen Einstiegsleitfaden zum Thema Proof of Work. Sie erfahren, wozu er notwendig ist, was der Unterschied zwischen Proof of Work und Proof of Stake ist und vieles mehr.
Zur leichteren Navigation können Sie sich das Inhaltsverzeichnis ansehen:
- Was ist ein Arbeitsnachweis?
- Warum brauchen wir PoW?
- Was sind Doppelausgaben?
- Wie funktioniert PoW?
- Proof of Work vs. Proof of Stake
- Schlussfolgerung
- Häufig gestellte Fragen
Was ist ein Arbeitsnachweis?
Proof of Work (kurz PoW) ist ein sogenannter Konsensmechanismus (auch bekannt als Konsensalgorithmus) verwendet in Kryptowährungen. Es wird verhindert, dass Doppelspenden. Proof of Work wird gemeinhin als Ledger-Sicherheitsmethode einer Kryptowährung bezeichnet.
Proof of Work ist der erste Konsensalgorithmus, der jemals entwickelt wurde, und gilt immer noch als der dominierende unter den anderen Konsensalgorithmen. Satoshi Nakamoto, die Bitcoin Erfinder, stellte PoW im Jahr 2008 vor. Aber in Wirklichkeit war die Technologie, die PoW möglich machte, bereits bekannt vor dem Zeitraum.
Das berühmteste Beispiel für den PoW-Algorithmus aus der Zeit vor der Kryptowährung ist HashCash von Adam Back. Er diente dazu, die Anzahl der Spam-Briefe zu verringern, indem er von den Absendern verlangte, vor dem Versand einer E-Mail eine bestimmte Rechenleistung zu erbringen. Die Menge an Rechenleistung war für einen einzelnen E-Mail-Absender relativ gering, aber sie wuchs dramatisch für jemanden, der massenhaft E-Mails versandte.
Warum brauchen wir einen Arbeitsnachweis?
Um diese Frage zu beantworten, müssen wir uns zunächst ansehen, wie Blockchain-Technologie funktioniert.
In einem Bitcoin-Netzwerk brauchen die Nutzer das System, um Transaktionen zu bestätigen, denn wenn sie ihre Transaktionen an das Netzwerk senden, erhalten diese nicht sofort ihren bestätigten Status. Die Transaktionen müssen erst Teil des Blockchain-Systems werden. Da es sich bei der Blockchain um eine offene Datenbank handelt, kann jeder Nutzer die Geschichte aller Gelder innerhalb des Netzwerks verfolgen. Am einfachsten lässt sich das mit einem Notizblock nachvollziehen.
Hier ist die Idee:
- Du und drei weitere deiner Freunde teilen sich denselben Notizblock;
- Sie vier benutzen diesen Notizblock, um die Transaktionen zu verfolgen und zu sehen, wie viel Geld jeder von Ihnen ausgibt;
- Damit jede neue Transaktion gültig ist, beziehen Sie sich bei ihrer Durchführung auf die vorherige Transaktion, die die Mittel bereitgestellt hat;
- Wenn also einer Ihrer Freunde versucht, eine Transaktion mit demselben Guthaben durchzuführen, wird eine solche Transaktion als ungültig betrachtet und blockiert.
Der Haken an der Sache ist jedoch, dass ein solches System nur für eine kleine Gruppe von Personen funktionieren kann, die sich untereinander kennen und sich bei Transaktionen darauf verständigen können, ihre Daten in einen gemeinsamen Notizblock einzutragen, um ihre Transaktionen völlig transparent und nachvollziehbar zu machen. Was aber, wenn man dasselbe für eine große Gruppe von Online-Nutzern, sagen wir 10.000 oder mehr Personen, tun will? In diesem Fall wird der Notizblock-Ansatz nicht funktionieren, da niemand bereit sein wird, Transaktionen von Fremden verwalten zu lassen.
Aus diesem Grund benötigt das digitale Währungsnetzwerk ein Proof-of-Work-System. Dieser Mechanismus dient als Sperre für einen Nutzer, um das Vermögen auszugeben, zu dem er nicht berechtigt ist. Der PoW-Algorithmus kombiniert Spieltheorie und Kryptographie, so dass die Nutzer der Bitcoin-Blockchain die Bitcoin-Transaktionsdaten in strikter Übereinstimmung mit dem System aktualisieren können.
Wie funktioniert PoW?
Was ist Bergbau?
Um zu verstehen, wie Proof of Work tatsächlich funktioniert, müssen wir zunächst lernen, was Mining ist.
Wenn Sie der Blockchain Transaktionen hinzufügen, können Sie diese nicht einzeln hinzufügen, sondern müssen sie in Blöcken zusammenfassen. Sobald Transaktionen im Netzwerk auftauchen, ist das Konzept wie folgt: Sie müssen zu einer bestimmten Art von Block hinzugefügt werden, der Kandidatenblock. Dann wartet dieser Kandidatenblock auf seine Validierung, um gültig zu werden - mit anderen Worten, um der Blockchain hinzugefügt zu werden.
Die Erstellung eines neuen Blocks ist nicht der billigste Prozess. Er erfordert eine bestimmte Ressource, nämlich Rechenleistung. Oder Mining Power, denn derjenige, der einen Block erstellt, wird Miner genannt. Ein Miner löst (mit Hilfe eines modernen Computers mit genügend CUP) ein sogenanntes Rechenpuzzle - d.h., Hashing die Daten des Blocks.
Was bedeutet das Hashing der Daten eines Blocks? Es bedeutet die Verarbeitung der Daten über eine Hash-Funktion die einen Block-Hash erzeugt. Nach der Verarbeitung durch die Hash-Funktionen erhält ein neuer Block seinen einzigartigen Code - eine Art Fingerabdruck. Dieser “Fingerabdruck” verleiht den Eingabedaten Ihres Blocks eine individuelle Identität.
Man kann die Eingabedaten nicht aus einem Blockhash extrahieren. Wenn Sie jedoch eine Eingabe kennen, können Sie feststellen, ob der Block korrekt ist. Dazu muss man nur die Eingabe durch die Hash-Funktion laufen lassen und sicherstellen, dass die Ausgabe die gleiche ist.
Beim Proof of Work muss der Hashwert der Daten bestimmten Bedingungen entsprechen. Um sicherzustellen, dass der Datenhash den Bedingungen entspricht, müssen Sie ihn durch die Hash-Funktion laufen lassen. Wenn die Daten bei der Überprüfung nicht übereinstimmen, müssen Sie sie nur ein wenig ändern. Es ist wichtig zu wissen, dass selbst eine Änderung um ein Zeichen einen großen Unterschied macht, so dass das Ergebnis völlig unvorhersehbar ist.
Unterm Strich ist die Erstellung eines Blocks eine Aufgabe, die man nicht vorhersagen kann. Alles läuft darauf hinaus, eine Reihe von Transaktionen mit anderen wichtigen Daten zu verknüpfen. Was Sie immer brauchen, ist die Ergänzung eines konstanten Datensatzes durch ein Stück variabler Daten. Ohne sie wird die Hash-Ausgabe immer unverändert bleiben.
Der erwähnte Teil der variablen Daten wird als nonce. Es ist eine Zahl, die sich jedes Mal ändert und unterschiedliche Hashes ergibt. Der Prozess selbst wird Mining genannt.
Was ist eigentlich Bergbau?с
- Beim Mining werden Blockchain-Daten gesammelt und mit einer Nonce gehasht, um einen bestimmten Hash zu finden. Wenn ein Miner einen Hash findet, der den vom Protokoll festgelegten Bedingungen entspricht, erhält er das Recht, neue Blöcke an das Netzwerk zu senden. Gleichzeitig wird die Blockchain von anderen Netzwerknutzern aktualisiert, die neue Blöcke einfügen.
Die Bedingungen, die während des Mining-Prozesses erfüllt werden müssen, sind bei den verschiedenen digitalen Währungen unterschiedlich. So gibt es beispielsweise Währungen mit extrem schwierigen Bedingungen. Es hängt alles von der Hash-Rate des Netzwerks - je höher die Hash-Rate, desto schwieriger ist es, einen gültigen Hash zu finden. Dies ist Teil des Designs - wären die Hash-Raten niedrig, würden die Miner zu schnell Münzen finden, und ihre Zahl würde schnell wachsen.
Der Abbau ist jedoch nicht unmöglich. Die Idee ist, dass es mäßig schwer sein sollte. Andernfalls gäbe es keinen Grund für andere Bergleute, mitzumachen. Bergbau ist ein Wettbewerb. Jeden Tag treten Bergleute gegeneinander an. Die Arbeit der Bergleute wird schließlich belohnt, was ihren Enthusiasmus für weiteren Abbau steigert.
Wie bereits erwähnt, erfordert das Mining (d. h. das Lösen eines mathematischen Rätsels) große Mengen an Rechenleistung. Aber das ist noch nicht alles. Wie Sie wissen, brauchen Computer für ihren Betrieb Strom. Das macht das Mining zu einer schweren Aufgabe, was die Stromkosten angeht. Aber es gibt eine gute Nachricht: Gültige Hashes werden belohnt. Das bedeutet, dass ein Miner jedes Mal, wenn er einen gültigen Hash findet, eine Blockbelohnung in Kryptowährung.
Was ist Kryptographie mit öffentlichen Schlüsseln?
Aus all diesen Informationen ergeben sich die folgenden Schlussfolgerungen:
- Mining kostet Geld (Mining-Hardware + eine beträchtliche Menge an verbrauchter elektrischer Energie)
- Miner erhalten Block-Belohnungen für das Finden gültiger Blöcke
- Mit den Eingabedaten kann ein Blockchain-Nutzer sicherstellen, dass der Block gültig ist, ohne zu viel CPU-Leistung zu verbrauchen.
Aber die Sache ist die, dass es immer diejenigen geben wird, die den einfachen Weg gehen wollen. In diesem Fall diejenigen, die versuchen werden zu betrügen. Ist das möglich? Kann eine Person eine Reihe falscher Transaktionen erstellen, sie in einen Block hacken und mit der Erstellung eines neuen gültigen Blocks davonkommen? Technisch gesehen lautet die Antwort: Ja. Aber es gibt eine Möglichkeit, schlechte Akteure daran zu hindern, die öffentliche Blockchain zu ihrem eigenen Vorteil zu missbrauchen.
Um sicherzustellen, dass ein Nutzer das Recht hat, Geld auszugeben, wird ein spezieller kryptografischer Mechanismus verwendet - die so genannte Public-Key-Kryptografie. Das Konzept ist wie folgt:
- Bei der Erstellung einer Transaktion muss ein Benutzer unterschreiben;
- Die Signatur ist öffentlich, und jeder Benutzer hat Zugang zu ihr;
- Andere Benutzer können die Signatur mit dem öffentlichen Schlüssel vergleichen - wenn sie übereinstimmen, ist die Transaktion gültig;
- Die Benutzer können sich auch vergewissern, ob der Ersteller einer Transaktion sein Geld tatsächlich ausgeben kann und ob die Ausgabesumme niedriger ist als die Eingabesumme.
Für weitere Informationen, lesen Sie bitte diesen Artikel.
Das Netzwerk löscht jeden ungültigen Transaktionsblock, was zu einem massiven finanziellen Verlust führt. Betrug innerhalb des Blockchain-Netzwerks ist also wirklich extrem teuer. Und das ist die eigentliche Idee hinter dem Proof of Work (und anderen Konsensmechanismen):
- Der PoW-Konsensmechanismus macht Betrug teuer, aber andererseits ermutigt er Sie, ehrlich zu handeln und dadurch große Gewinne zu erzielen.
Was ist eine Doppelausgabe?
Wenn es um den Arbeitsnachweis geht, gibt es einen grundlegenden Begriff, den Sie kennen sollten. Der Begriff ist Double Spending.
A Doppelspende ist im Grunde ein Geldbetrag, den ein Nutzer mehr als einmal auszugeben versucht. Dies ist ein gängiger Begriff für digitale Geldgeschäfte. Der Grund dafür ist, dass digitale Gelder nicht dasselbe sind wie Fiat-Währung - also Geld, das tatsächlich in der physischen Welt existiert. Schließlich wird jeder, der mit digitalen Währungen handelt, irgendwann zugeben müssen, dass sie keinen realen Wert haben. Aber auch hier gibt es eine Reihe von Gründen, warum Kryptowährungen in den letzten Jahren so groß geworden sind, was zu einem Krypto-Boom und einer Fülle von Betrugsmethoden geführt hat. Eine dieser Techniken ist das Doppelspending.
Lassen Sie uns das klarstellen:
- Sie können nicht zweimal mit physischem Bargeld bezahlen, aber Sie KÖNNEN (zumindest versuchen), denselben digitalen Währungsfonds für Bitcoin-Transaktionen zu verwenden (was natürlich ein Betrug ist).
Stellen Sie sich die folgende Situation vor: Sie haben eine Tasse Kaffee gekauft und mit Bargeld bezahlt. Wenn Sie nun eine weitere Tasse Kaffee möchten, können Sie diese nicht mit demselben Dollarschein bezahlen, da dieser von einem Kassierer angenommen und in einer Kasse gesperrt wurde. Sie können diesen Schein auch nicht in einem anderen Geschäft verwenden, wie bereits erwähnt.
Aber mit digitalen Währungen können Sie diesen Trick durchziehen. Da es sich bei digitalem Geld nur um einen Haufen Nullen und Einsen handelt (d. h. um Daten, die in einer Datei komprimiert sind), können Sie diese Daten duplizieren und per E-Mail an beliebig viele Personen versenden. Deshalb ist es so wichtig, dass es Mechanismen gibt, die verhindern, dass Menschen dasselbe Geld an verschiedenen Orten verwenden. Ohne solche Mechanismen wird eine Währung durch Doppelausgaben zerstört.
Weitere Informationen über die doppelte Mittelverwendung, diesen Leitfaden lesen.
Proof of Work vs. Proof of Stake
Wie wir bereits erwähnt haben, ist Proof of Work (PoW) nicht der einzige Konsensalgorithmus, den es gibt. In diesem Abschnitt unseres Leitfadens werden wir einen Blick auf einen potenziellen Konkurrenten des Proof-of-Work-Algorithmus werfen - Proof of Stake.
Was ist ein Proof of Stake?
Proof of Stake ist ein weiterer beliebter Konsensmechanismus, der es ermöglicht, Transaktionen zu validieren und einen Konsens zu erreichen. PoS verwendet jedoch einen ganz anderen Ansatz als PoW. Im Gegensatz zu Proof of Work funktioniert Proof of Stake virtuell.
Das bedeutet, dass PoW eine riesige Menge an Rechenleistung erfordert, um eine CPU-Kostenfunktion auszuführen (oder ein Rechenrätsel zu lösen), während das Hauptmerkmal von PoS die Verwendung von Validatoren ist. Validatoren sperren einen Einsatz, um Betrug zu verhindern. Danach müssen die Validatoren entscheiden, welcher Block als nächster zur Kette hinzugefügt werden soll. Dann wetten sie auf die ausgewählten Blöcke. Wenn ein Block in der Kette erscheint, erhalten die Validatoren eine Belohnung, die dem gesamten Einsatz entspricht.
Ist PoS besser als PoW?
Der Proof of Stake muss noch vollständig in Krypto-Blockchains integriert werden. Und eine von ihnen, die dies als erste tut, ist das Ethereum-Netzwerk. Die Ethereum-Community freut sich darauf, in naher Zukunft von Proof of Work zu Proof of Stake zu wechseln. Der Grund dafür ist, dass Proof of Work zu viel Strom verbraucht - die CPU-Preisberechnungsfunktion erfordert mehr Mining-Leistung als die Transaktionsvalidierung über PoS. Und je mehr Miner sich an Mining-Pools beteiligen, desto mehr Energie wird benötigt.
Viele Menschen auf der ganzen Welt sind besorgt über diesen hohen Stromverbrauch. Deshalb will die Ethereum-Blockchain den Proof-of-Stake-Mechanismus nutzen, um eine umweltfreundlichere Lösung zu finden.
Ein weiterer Punkt in einem Wettbewerb zwischen PoW und PoS ist die Geschwindigkeit (die Anzahl der Transaktionen pro Sekunde). Mit Proof of Stake können Nutzer in nur wenigen Sekunden Geld senden und empfangen, während der Proof of Work-Prozess deutlich länger dauert. Der letztgenannte Faktor wirkt sich übrigens auch auf das Wachstum der Transaktionsgebühren in den Krypto-Netzwerken aus.
Und schließlich ist da noch die Frage der Sicherheit. Ist ein Proof of Stake sicherer als ein Proof of Work? Die Antwort lautet: Ja. Dank des CASPER-Protokolls ist PoS potenziell sicherer als PoW. Mehr noch: Hackerangriffe auf PoS-basierte Systeme werden teurer und damit seltener.
Schlussfolgerung
Früher war der Proof of Work (PoW) der ursprüngliche Mechanismus zur Erkennung von Doppelspenden innerhalb der Bitcoin Blockchain. Die Kombination von Kryptographie, Hash-Funktionen, und der Spieltheorie sorgt PoW für einen sichereren Betrieb innerhalb eines dezentralen Netzwerks und schafft ein stabiles, verteiltes, konsensbasiertes System.
FAQs
Was ist ein Proof of Work-Protokoll?
Das PoW-Protokoll ist ein Mechanismus zur Validierung von Transaktionen innerhalb des dezentralen Kryptowährungssystems. Mit Proof of Work wird es unmöglich, Doppelausgaben zu tätigen - eine Betrugstechnik, bei der ein und derselbe Fonds für mehrere Transaktionen verwendet wird.
Was ist der Unterschied zwischen Proof of Stake und Proof of Work?
Es gibt zwei Hauptunterschiede zwischen den beiden beliebtesten Konsensprotokollen. Der erste Unterschied besteht darin, dass Proof of Stake einen energieeffizienteren Ansatz verfolgt, während Proof of Work große Mengen an elektrischer Energie für den Betrieb benötigt. Der zweite Unterschied besteht darin, dass Proof of Stake dank des CASPER-Protokolls und der steigenden Kosten für Hackerangriffe potenziell sicherer ist.
Was verstehen Sie unter einem “mathematischen Rätsel”?”
Das Lösen eines “mathematischen Puzzles” ist der Prozess des Minings von Kryptomünzen. Miner auf der ganzen Welt verwenden teure Computerausrüstung und verbrauchen viel Strom, um Bitcoins (und andere Kryptomünzen) zu “schürfen”, indem sie enorme Datenmengen verarbeiten, um neue Einheiten zu schaffen und sie der Blockchain hinzuzufügen.
Was ist ein PoW-Token?
Ein PoW-Token ist eine “Währung”, die in einer Reihe von Anwendungen wie E-Mail als Pseudo-Zahlung verwendet wird. Wenn eine E-Mail mit einem PoW-Token versehen ist, bedeutet dies, dass die E-Mail frei von Spam ist. PoW-Token werden auch für wiederverwendbare Proof of Work verwendet. Technisch gesehen sind PoW-Tokens also Elemente eines Anti-Spam-Systems.