Bitcoin basiert auf Proof-of-Work (PoW) Mining. Um die Korrektheit von Transaktionen im Bitcoin-Netzwerk zu prüfen und diese zu validieren, führen Miner eine für das Netzwerk unverzichtbare Funktion aus. Dabei steht beim Mining auch wiederholt der hohe Energieverbrauch und die Folgen für die Umwelt im Fokus. Im Folgenden erklären wir kurz und übersichtlich, wie das PoW Mining funktioniert und welche Rolle der Stromverbrauch hierbei spielt.
Validierung, Ordnung und Zeitstempel
Miner übernehmen eine der essentiellsten Rollen für jedes kryptoökonomische Ökosystem. Innerhalb eines Blockchain-Netzwerkes fungieren sie als “Lauschapparate”, welche Transaktionen des Netzwerks wahrnehmen und weiter propagieren. Die Teilnehmer eines peer-to-peer Netzwerks übermitteln die Nachricht über eine neue Transaktion solange an ihre jeweiligen peers, bis das gesamte Netzwerk von der Transaktion “gehört” hat.
Die PoW Aufgabe an Miner: Finde einen Block mit einem Hashwert, der eine bestimmte Anzahl Nullen zu Beginn hat. Die Miner kombinieren hierzu alle Transaktionen, von denen sie gehört haben und variieren eine Zufallszahl (Nonce = number only used once) damit und versuchen so durch eine gigantische Anzahl an Hash-Operationen eine Kombination zu finden, welche viele Nullen zu Beginn hat. Dies ist das häufig erwähnte “Mathematische Puzzle” das Bitcoin Miner lösen müssen.
Dabei wird der SHA-2 (Secure Hash Algorithm 2) verwendet, welcher von der United States National Security Agency (NSA) in 2001 publiziert wurde. Der Bitcoin-typische SHA-256 ist eine von mehreren Arten von kryptografischen Hash-Funktionen. Ein kryptografischer Hash funktioniert wie eine eindeutige Signatur oder ein Fingerabdruck für einen bestimmten Datensatz. Kryptographische Hash-Funktionen sind mathematische Operationen, welche aus einem beliebigen Input eine Signatur aus alphanumerischen Zeichen mit einer fixen Größe von z.B. 256-bit (32-byte) machen. Kleinste Veränderungen eines Inputs verändern dabei den resultierenden Hash sehr stark (Lawineneffekt). Selbst wenn nur ein einziger Buchstabe am Input geändert wird, wird der Algorithmus einen vollkommen anderen Hash-Wert erzeugen. Der Hash ist eine so genannte Einwegfunktion. Dadurch eignet er sich zur Überprüfung der Integrität von Daten.
Der SHA-256 Hash des Begriffs “Validvent” ist beispielsweise: 99a816b68e516d2a1efd5170f21f39353675da127457859e2a393651a7aa0131
Die Suche im Cypherspace
Miner suchen nun also damit eine gewisses Set an Reihen an Zahlen und Buchstaben mit bestimmten Eigenschaften innerhalb des Cypherspaces. Der Cypherspace (nicht “Cyberspace”) kann als als jede vorstellbare Kombination an Zahlen und Buchstaben im Universum gesehen werden. Innerhalb von diesem, gibt es jene Varianten, die mit vielen Nullen beginnen – und nach diesen wird gesucht. In der Praxis wird ein Zielwert (Target) definiert und die zu findende Lösung muss unter diesem Wert liegen. Es gäbe auch andere Weisen auf die man “proof of work” abbilden könnte. Bei Bitcoin wurde vom anonymen Erfinder Satoshi Nakamoto jedoch diese gewählt.
Die Aufgabe eines PoW Miners ist es, die aktuellen Transaktionen auf Korrektheit zu prüfen und zu validieren, die Transaktionen nach Zeit zu ordnen, Blöcke aus diesen Daten zu bilden und letztendlich einen validen Block zu finden. Auf diese Weise organisiert sich der Konsens-Algorithmus des Netzwerks. Es ist äußerst schwierig einen korrekten Block zu finden, jedoch sehr einfach zu prüfen, ob ein Block korrekt ist (Bedingung: Richtige Anzahl Nullen, die kleiner als ein vorgegebenes Ziel ist). Sobald ein Miner einen validen Block findet, teilt er diesen mit seinen Netzwerk peers, welche ihn wiederum prüfen und weiterleiten an deren peers. Der Mechanismus, wie das Netzwerk den Block akzeptiert ist simpel: die Miner minen nun auf diesem Block weiter den nächsten Block und alles beginnt erneut von vorne.
PoW Mining ist immer in Bewegung
Mining ist ein adaptives System, welches sich auf bestimmte Gegebenheiten anpasst. Das Ziel im Bitcoin-Netzwerk ist es, ca. alle 10 Minuten einen Block zu finden. Damit Miner nicht einfach beliebig neue Hardware anschließen können und diesen Zeitraum verkürzen, passt sich das Netzwerk alle 2016 Blöcke (ca. 2 Wochen) an, indem es die Schwierigkeit verändert. Bei erhöhter Hashrate im Netz, wird ein Block im Schnitt in weniger als 10 Minuten gefunden. Die aus den letzten 2016 resultierende neue Schwierigkeit setzt diesen Wert wieder auf ca. 10 Minuten. Sollte die Hashrate in einem 2016-Blöcke-Zeitraum sinken, wird die Schwierigkeit wieder reduziert. Jene Schwierigkeit ist auch ein Kriterium dafür, welcher Block gewählt wird, sollten gleichzeitigt zwei oder mehrere valide Blöcke im Netzwerk bekannt werden (Longest Chain Rule).
Der Prozess des Minings unterliegt vielen Variablen und somit Risiken für den Miner. Werte wie die insgesamte Hashrate des Netzwerks, Transaktionsvolumen, Strompreise, Temperaturen (Kühlkosten) variieren – ebenso wie der Bitcoin-Preis, mit welchem der ganze Aufwand des Miners vergütet wird. Findet ein Miner einen validen Block und fügt diesen erfolgreich an die Blockchain an, erhält er hierfür (1) neu erschaffene Bitcoins und (2) die Transaktionsgebühren der Nutzer:innen des jeweiligen Blockes als Vergütung.
Implizites Staking und explizites Staking
Implizites Staking und explizites Staking sind beides verschiedene Formen um kryptoökonomische Anreiz-Architekturen zu gestalten. Diese sind die Basis dafür, dass wir in der Lage sind, dezentrale Ökosysteme zu bilden, die ohne zentrale Stelle auskommen. Damit ein peer-to-peer Blockchain-Netzwerk fehlerresistent funktionieren kann, muss es starke Anreize für die Teilnehmer geben, sich fair zu verhalten und den Regeln des jeweiligen Protokolls zu folgen.
Simpel gesagt, sind die ökonomischen und spieltheoretischen Anreize von Bitcoin-Minern so stark ausgeprägt, dass die Vermögenswerte, die Miner durch das Halten von BTC & Mining-Maschinen (zukünftig generierte BTC) riskieren, einen Anreiz für die Einhaltung des ordnungsgemäßen Betriebs des Protokolls schaffen. PoW Miner investieren signifikant an Ressourcen, wie etwa:
- Investitionen in Mining Geräte (Erwerb, Wartung, etc.)
- Anmietung oder Bau von Gebäudeinfrastruktur für Mining Geräte
- Kosten für Strom und Kühlung der Geräte
- Personalkosten, Versicherungen, Sicherheitsinfrastruktur, etc.
Das signifikante Investment an Geld und Zeit, sowie die eingegangenen Risiken der Miner, signalisieren, dass diese starke Anreize haben, ein positiver Teilnehmer des Netzwerks zu sein. Die implizite Annahme ist, dass das Investment eines Miners und seine Möglichkeit damit langfristig gewinnbringend neue Bitcoin zu erhalten, ihn zu einem vertrauenswürdigen Teil des Netzwerks macht. Er “staked” hierzu seine Mining-Ressourcen.
Explizites Staking bezeichnet das direkte Hinterlegen von Kryptowärhungs-Token, die je nach Protokoll entweder weniger oder keine Rendite produziert – oder sogar als Penalty Fee verloren gehen kann – sollte ein Teilnehmer von den Zielen des Netzwerks abweichen und maligne werden. Der zu PoW alternative Konsensalgorithmus Proof-of-Stake (PoS) kann als explizites Staking gesehen. Hierbei wird keine energieintensive Mining Hardware mehr benötigt. Die Nutzer:innen staken explizit ihre Token direkt im Netzwerk.
Sicherheitsmechanismus: Strom und Geld
In der Diskussion rund um die Verschwendung von Ressourcen – primär Strom – und die damit entstehenden Umweltfolgen, bleibt oft unerwähnt, dass die erheblichen Ressourcen-Bedürfnisse von implizitem Staking (PoW) einen Schutzmechanismus gegen Angriffe auf das Netzwerk bilden. Um z.B. dem Bitcoin-Netzwerk Schaden zuzufügen, müssten Angreifer:innen vorher riesige Investitionen in Mining Hardware tätigen und dabei ebenso erhebliche Stromkosten tragen. Im Jahre 2021 ist eine solche Attacke auf das Bitcoin-Netzwerk nahezu auszuschließen, da unwirtschaftlich. Selbst wenn eine solche Attacke erfolgreich sein sollte, können Angreifer:innen auch nur wenige Formen von Manipulationen durchführen, die sich wirtschaftlich für sie nicht lohnen. Der Stromverbrauch von Bitcoin kann also auch als großer Schutzwall verstanden werden.
Im Falle von explizitem Staking (PoS) wird ein vergleichbarer Sicherheitsmechanismus damit erreicht, dass Angreifer:innen eine sehr große Anzahl an Kryptowährungs-token des betroffenen Netzwerks erwerben müssen. Dies wird aufgrund der Angebot-Nachfrage-Struktur zumeist den Preis des Tokens ebenso sehr stark in die Höhe treiben und eine solche Attacke damit erheblich erschweren bzw. ebenso unwirtschaftlich machen. Im besten Falle machen solche Angriffe alle potentiellen Opfer reich.
Miner konkurrieren, wir profitieren
Proof-of-Work Miner übernehmen eine essentielle Rolle, um das Bitcoin-Netzwerk aufrecht zu erhalten und es nach innen und nach außen zu schützen. Sie kontrollieren die Richtigkeit der Aktionen innerhalb des Netzwerks und halten es konstant aufrecht. Dafür erhalten sie, wie bereits erwähnt, neu generierte Bitcoins und Transaktionsgebühren der Nutzer:innen im jeweiligen Block. Welcher Miner jedoch den nächsten validen Block findet, ist primär auf Zufall basierend. Als Folge arbeiten die meisten Miner den Großteil ihrer Zeit für das Netzwerk, ohne dabei Blöcke zu finden und vergütet zu werden. Es handelt sich also um einen Wettbewerb mit gewissen Glücksspiel-Charakteristika.
Interessant hierbei festzuhalten ist, dass diese “Verschwendung” von Ressourcen z.B. im Bitcoin-Netzwerk getätigt werden muss, um den immensen Grad an Sicherheit dieser Blockchain aufrecht zu erhalten. Sollte das Minen für alle Miner immer lukrativ sein – etwa wenn die Hashing Power auch zu anderen Zwecken genutzt würde – würde die Sicherheit des Netzwerkes aufgrund veränderter Anreize dadurch reduziert. Ein Faktor, der in der öffentlichen Debatte oft unerwähnt bleibt.
Abschließend lässt sich sagen, dass der oft kritisierte Stromverbrauch von Bitcoin in keiner Weise einfach nur als Verschwendung bezeichnet werden kann. Genauer beleuchten wir diese Aussage in einem zukünftigen Beitrag über den Stromverbrauch von Mining.
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Quellen:
Harvard Business Review: https://hbr.org/2021/05/how-much-energy-does-bitcoin-actually-consume
Mastering Ethereum: https://github.com/ethereumbook
Ethereum: https://www.amazon.de/Ethereum-Blockchains-Decentralized-Autonomous-Organizations/dp/1523930470
Xorbin SHA256 Calculator: https://xorbin.com/tools/sha256-hash-calculator
Chainlink: https://www.youtube.com/watch?v=ufVyX7JDCgg&t=2684s&ab_channel=Chainlink
Internet Archive: https://web.archive.org/web/20160330153520/http://www.staff.science.uu.nl/~werkh108/docs/study/Y5_07_08/infocry/project/Cryp08.pdf