In den letzten Jahren ist die Beliebtheit von Kryptowährungen enorm gewachsen. Bitcoin hat sich zu einem legitimen Vermögenswert von erheblichem Interesse für institutionelle Anleger entwickelt. Diese Kryptowährungen, zu denen auch Bitcoin zählt, basieren auf der Blockchain-Technologie, bei der Proof-of-Work (PoW) eine grundlegende Rolle bei der Unterstützung der Sicherheit und Integrität der Krypto-Finanztechnologie spielt.

Die Grundlagen

Einfach ausgedrückt, ist eine Blockchain ein dezentrales Ledger bestehend aus Blöcken, die beliebige Informationen enthalten (bei Bitcoin beispielsweise handelt es sich um eine Liste von Transaktionen). Die Blöcke im Ledger sind unveränderbar, d. h. sie können nicht manipuliert werden und dienen als dauerhafte Aufzeichnung der Transaktionshistorie. Wer kann bei einem dezentralen Ledger (ohne einheitliche Instanz) der Datenbank neue Blöcke hinzufügen und deren Gültigkeit überprüfen? Proof-of-Work bietet eine mögliche Antwort auf diese Frage.

Tatsächlich existierte das Proof-of-Work-Konzept schon vor der Popularisierung von Blockchains und kam anfangs nicht einmal in einer Blockchain zum Einsatz. Im Jahr 1992 brachten Dwork und Naor die Idee eines Proof-of-Work zur Bekämpfung von Junkmails auf, die von Adam Back im Hashcase-Algorithmus weiterentwickelt wurde. Der Algorithmus verlangte von jedem Absender, dass er vor dem Übermitteln einer Nachricht eine kryptografische Aufgabe löst, die etwas Rechenleistung erfordert. Auf diese Weise wird der Versand von Junkmails in grosser Anzahl an verschiedene Adressen für Spammer ziemlich teuer.

Satoshi Nakamoto, der geheimnisvolle Schöpfer von Bitcoin, veröffentlichte 2009 ein Whitepaper, in dem er Proof-of-Work mit einem Mechanismus wirtschaftlicher Anreize kombiniert, um eine Möglichkeit zur Gewährleistung der Integrität der Bitcoin-Blockchain und zur Wahrung der Ordnung bei der Erzeugung neuer Blöcke zu entwickeln. Dies war der Anfang der bisher grössten Kryptowährung: Bitcoin. Satoshi verwies auf Hashcash als Basis für das Bitcoin-Protokoll. Bei Bitcoin müssen die Netzwerkteilnehmer kryptografische Aufgaben lösen, um neue Blöcke für die Blockchain vorschlagen zu können. Seitdem hat Satoshis Arbeit eine Reihe anderer zur Entwicklung eigener Kryptowährungen inspiriert, und Proof-of-Work wurde zu einem der am weitesten verbreiteten Elemente moderner Blockchains.

Die Funktionsweise

Wie bereits erwähnt, ist die Blockchain eine dezentralisierte Datenbank, die aus aufeinanderfolgenden Blöcken mit aufgezeichneten Informationen besteht, woraus sich der Begriff «Blockchain» ableitet. Die Datenbank wird von einem Netzwerk unabhängiger Teilnehmer, sogenannter «Nodes», unterstützt. Bei Proof-of-Work-Blockchains erhalten Teilnehmer, die Rechenleistung zur Lösung kryptografischer Aufgaben zur Verfügung stellen, das Recht, der Blockchain neue Blöcke hinzuzufügen. Teilnehmer, die um das Hinzufügen neuer Blöcke konkurrieren, nennt man «Miner», der Prozess selbst heisst «Mining».

Wenn eine neue Information (z. B. eine Transaktion) zur Blockchain hinzugefügt werden soll, setzen die Miner ihre Rechenleistung ein, um einen gültigen Block zu finden. Dazu wird ein «Hash» ermittelt, der eine bestimmte Voraussetzung erfüllt, die im Netzwerkprotokoll festgelegt ist. Ein Hash ist das Ergebnis einer Hashfunktion, die häufig in der Kryptographie zum Einsatz kommt. Er ordnet Daten in jedem Format und jeder Grösse Werten fester Grösse zu. Bitcoin verwendet die Hashfunktion SHA-256.

Beim Erstellen neuer Blöcke hashen Miner drei Dinge: den Hash des vorherigen Blocks, die Anzahl der Transaktionen, die der Blockchain hinzugefügt werden sollen, und eine Nonce (ohne sie wäre der resultierende Hash immer derselbe, da die Blockchain-Daten unveränderlich sind), bis der richtige Hash gefunden ist. Das Protokoll legt einen Schwierigkeitsgrad für das Mining fest, der algorithmisch so angepasst wird, dass die Zeit zum Finden eines korrekten Hashes (und damit eines neuen Blocks) im Durchschnitt zehn Minuten beträgt.

Das Mining ist wettbewerbsorientiert: Der Teilnehmer, der den erforderlichen Hash am schnellsten findet, wird mit einer gewissen Summe in Blockchain-Währung belohnt. Die Höhe dieser Auszahlung wird durch das Blockchain-Protokoll festgelegt und beträgt im Falle der Bitcoin-Blockchain derzeit 6,25 BTC pro Block. Dieser wirtschaftliche Anreiz, der über die «Coinbase-Transaktion» entsteht, soll sicherstellen, dass sich genügend Miner am Netzwerk beteiligen, um es am Laufen zu halten.

In einigen Fällen können Miner mehr als einen Block finden, der die Anforderungen des Protokolls gleichzeitig erfüllt, wodurch das Kettenende in zwei Teile aufgeteilt wird. Da es nur eine korrekte (oder «kanonische») Kette geben kann, braucht das Protokoll eine Möglichkeit, mit solchen Situationen umzugehen. Bei Bitcoin gilt nur die längste Kette als korrekte Kette: Anfangs schürfen die Miner auf beiden Ketten weiter, aber sobald einer der bisherigen Blöcke einen weiteren Block erhält, wird diese Kette zur kanonischen Kette. Die Miner haben dann einen wirtschaftlichen Anreiz, den anderen Block zu verwerfen.

In Bezug auf die Sicherheit ist eine der Eigenschaften von PoW-Blockchains ihre relative Resistenz gegenüber Sybil-Angriffen und 51-Prozent-Angriffen. Ein Sybil-Angriff beschreibt eine Situation, in der ein Akteur mehrere Pseudo-Identitäten im Netzwerk erstellt und versucht, sich einen unfairen Vorteil gegenüber anderen Netzwerkteilnehmern mit einzelnen Identitäten zu verschaffen. 51-Prozent-Angriffe treten auf, wenn ein Benutzer die Kontrolle über mehr als 51 Prozent der Ressourcen im Netzwerk erlangt und somit in der Lage ist, das Hinzufügen neuer Blöcke zu kontrollieren. PoW verhindert solche Angriffe nicht, macht sie aber sehr teuer (mehr als 51 Prozent der Rechenleistung des Bitcoin-Netzwerks zu kontrollieren, würde eine fast unmögliche Menge an Rechenleistung erfordern) und daher weniger wahrscheinlich.

Der Einsatzbereich

Eine der bekanntesten Blockchains mit PoW ist sicherlich Bitcoin. Bitcoin wurde 2009 gegründet und war Vorreiter im Bereich dezentraler digitaler Kryptowährungen. Bis heute ist Bitcoin der klare Marktführer nach Marktkapitalisierung.

Bitcoin nutzt SHA-256 als Hashfunktion und die Miner lösen die Aufgabe, einen Hash zu finden, der mit einer bestimmten Anzahl von Nullen beginnt. Die Mining-Schwierigkeit wird alle 2016 Blöcke angepasst. Die Blockzeit ist mit 1 Block pro 10 Minuten im Vergleich zu anderen Blockchains relativ lang. Das Bitcoin-Mining erfolgt in der Regel mit spezieller Hardware – sogenannten ASICs (Application Specific Integration Circuits).

Das Lösen kryptographischer Rätsel kostet eine Menge Energie, und der hohe Energieverbrauch wird oft als eines der Hauptprobleme von PoW-Blockchains genannt. Ganz so einfach ist es dann allerdings doch nicht. Auch wenn der Verbrauch tatsächlich hoch ist und Bitcoin sogar mit dem Jahresverbrauch einiger Länder (wie Tschechien) mithalten kann, stammt ein Grossteil davon aus erneuerbaren Energien. Um die Energiekosten zu minimieren, werden Mining-Zentren oft in Regionen mit günstigem Strom angesiedelt, was oft Wasserkraft oder andere erneuerbare Ressourcen bedeutet (Beispiele dafür sind die chinesische Provinz Sichuan, Island oder Quebec in Kanada).

Ein weiterer PoW-Gigant ist Ethereum, die bislang zweitgrösste Kryptowährung nach Marktkapitalisierung. Ethereum positioniert sich als Plattform für dApps, wobei die native Kryptowährung Ether im Mittelpunkt steht. Anstelle von SHA-256 nutzt das Protokoll Ethash, und auch seine Blockzeit ist deutlich kürzer als die von Bitcoin – alle 13 Sekunden wird ein Block erstellt. Bei Ethereum erfolgt derzeit eine Umstellung auf Proof-of-Stake, eine weitere beliebte Methode zur Unterstützung von Blockchain-Netzwerken.

Mit Bitcoin stehen PoW-Blockchains nicht zuletzt durch ihre lange Erfolgsbilanz von mehr als 11 Jahren an der Spitze der Kryptowährungsmärkte. Verschiedene technologische Neuerungen haben die Probleme der Geschwindigkeit teilweise gelöst und die Skalierbarkeit des Netzwerks insgesamt verbessert. Gleichzeitig konzentrieren sich aber immer mehr Blockchain-Netzwerke auf das Konzept Proof-of-Stake.