Was ist der Arbeitsnachweis (PoW, Proof of Work)?

Die Grundlagen

Arbeitsnachweis (Proof of Work, PoW) ist ein Konsensalgorithmus, der häufig von Blockchain-Netzwerken verwendet wird, um Transaktionen zu sichern und Doppelausgaben zu verhindern. Satoshi Nakamoto führte PoW im Bitcoin-Whitepaper von 2008 ein. Ähnliche Technologien gab es jedoch schon vorher. Eines der ersten Beispiele für PoW-Algorithmen ist HashCash von Adam Back, das zur Verringerung von Spam entwickelt wurde, indem Absender verpflichtet wurden, vor dem Senden einer E-Mail einige Berechnungen durchzuführen. Die Rechenkosten wären für legitime Nutzer vernachlässigbar, könnten sich aber für diejenigen, die massenhaft Spam-E-Mails versenden, schnell summieren.

Doppelausgaben für digitales Geld verhindern

Der Arbeitsnachweis (oder Proof of Work) ist ein Konsensalgorithmus, der häufig von Blockchain-Netzwerken verwendet wird, um Transaktionen zu sichern und Doppelausgaben zu verhindern. Satoshi Nakamoto führte PoW im Bitcoin-Whitepaper von 2008 ein. Ähnliche Technologien gab es jedoch schon vorher. Eines der ersten Beispiele für PoW-Algorithmen ist HashCash von Adam Back, das zur Verringerung von Spam entwickelt wurde, indem Absender verpflichtet wurden, vor dem Senden einer E-Mail einige Berechnungen durchzuführen. Die Rechenkosten wären für legitime Nutzer vernachlässigbar, könnten sich aber für diejenigen, die massenhaft Spam-E-Mails versenden, schnell summieren.

Die Notwendigkeit des Arbeitsnachweises (PoW) 

Der Proof of Work ist ein wesentlicher Bestandteil der Blockchain-Technologie. Wenn ein Nutzer eine Transaktion an das Netzwerk sendet, wird sie nicht sofort gültig. Stattdessen muss sie erst zur Blockchain hinzugefügt werden. Die Blockchain fungiert als große Datenbank, auf die jeder Nutzer zugreifen kann, um zu überprüfen, ob Gelder bereits ausgegeben wurden.

Um dieses Konzept zu verstehen, stellen Sie sich vor, dass Sie und Ihre drei Freunde einen Notizblock haben. Jede Überweisung von Einheiten wird auf dem Notizblock vermerkt. Jede Transaktion verweist jedoch auch auf die Transaktion, aus der die Mittel stammen. Wenn Bob zum Beispiel Carol zwei Einheiten bezahlt, würde der Eintrag lauten: "Bob bezahlt Carol zwei Einheiten aus dieser früheren Transaktion mit Alice". Mit diesem System wird ein nachvollziehbares Hauptbuch für alle Einheiten erstellt und verhindert, dass dieselben Mittel doppelt ausgegeben werden.

Dieser Ansatz eignet sich gut für kleine Gruppen, lässt sich aber nicht gut skalieren. Bei einer Gruppe von 10.000 Teilnehmern ist es schwierig, jemanden zu finden, der vertrauenswürdig genug ist, um den Notizblock zu verwalten. An dieser Stelle kommt PoW ins Spiel. Mit einer Kombination aus Spieltheorie und Kryptografie stellt PoW sicher, dass die Nutzer keine Gelder ausgeben, zu denen sie nicht berechtigt sind. Es ermöglicht jedem, die Blockchain gemäß den Regeln des Systems zu aktualisieren, wodurch die Notwendigkeit einer vertrauenswürdigen dritten Partei entfällt.

Wie funktioniert PoW (Arbeitsnachweis)?

Die Transaktionen werden nicht einzeln hinzugefügt, sondern in Blöcken zusammengefasst. Nachdem die Transaktionen dem Netzwerk bekannt gegeben wurden, fügt ein Nutzer, der einen Block erstellt, diese in einen Kandidatenblock ein. Die Transaktionen sind erst dann gültig, wenn der Blockkandidat bestätigt wurde, d. h. wenn er der Blockchain hinzugefügt wurde.

Um einen Block zur Blockchain hinzuzufügen, müssen die Miner ihre Ressourcen, insbesondere ihre Rechenleistung, einsetzen, wie es der Proof of Work erfordert. Die Aufgabe der Schürfer besteht darin, die Daten der Blöcke zu hacken, bis sie die Lösung eines Rätsels finden.

Beim Proof of Work (Arbeitsnachweis) müssen die Miner Daten liefern, deren Hash bestimmten Bedingungen entspricht, was durch ein Ratespiel geschieht. Sie nehmen Informationen über alle Transaktionen, die sie hinzufügen wollen, zusammen mit anderen wichtigen Daten und verschlüsseln sie dann mit einer variablen Information, die Nonce genannt wird. Sie müssen die Daten so lange hacken, bis sie einen Hash-Wert finden, der die vom Protokoll festgelegten Bedingungen erfüllt, und erhalten dann das Recht, den neuen Block im Netz zu verbreiten.

Wenn sie einen gültigen Hash finden, werden sie mit Kryptowährung belohnt. Betrug ist jedoch keine Option, da jeder Block, der eine ungültige Transaktion enthält, automatisch vom Netzwerk zurückgewiesen wird. Das System stellt dies durch Public-Key-Kryptographie sicher, die es den Nutzern ermöglicht, zu überprüfen, ob jemand das Recht hat, das Geld, das sie auszugeben versuchen, zu bewegen.

Der Proof of Work (Arbeitsnachweis) ist ein teurer Prozess, aber er macht Betrug kostspielig und ehrliches Handeln profitabel. Daher wird von rationalen Schürfern erwartet, dass sie sich so verhalten, dass Einnahmen garantiert sind. Die Bedingungen für die wichtigsten Kryptowährungen sind heute unglaublich schwierig zu erfüllen, was den Prozess noch schwieriger macht. Es ist jedoch möglich, die Gültigkeit eines Blocks zu überprüfen, ohne viel Rechenleistung aufwenden zu müssen.

Der Arbeitsnachweis (Proof of Work) vs. Einsatznachweis (Proof of Stake)

In den letzten Jahren hat sich der Trend verstärkt, dass Blockchains von Proof of Work zu Proof of Stake (PoS) übergehen oder es von Anfang an einführen. Schauen wir uns die Vorteile von PoS gegenüber PoW an, um zu verstehen, warum sich immer mehr Projekte für PoS entscheiden.

Bei PoS werden die Miner durch Validatoren ersetzt, die nach dem Zufallsprinzip ausgewählt werden und, wenn sie ausgewählt werden, einen Block vorschlagen müssen. Wenn der Block gültig ist, werden die Validatoren mit Transaktionsgebühren belohnt. Allerdings kann nicht jeder ein Validator werden, da das Protokoll die Teilnehmer auf der Grundlage einer Reihe von Faktoren auswählt. Um in Frage zu kommen, müssen die Validierer einen vorher festgelegten Betrag in der Währung der Blockchain einsetzen. Der Einsatz dient als Sicherheitsleistung, und wenn ein Validator unehrlich gehandelt hat, wird sein Einsatz als Strafe eingezogen.

Einer der wichtigsten Vorteile von PoS ist die geringere CO2-Bilanz. Da bei PoS keine leistungsstarken Mining-Farmen erforderlich sind, beträgt der Stromverbrauch nur einen Bruchteil dessen, was bei PoW verbraucht wird.

Obwohl PoS derzeit mit großem Enthusiasmus eingeführt wird, muss es sich erst noch im großen Maßstab bewähren. Mining ist der einzige Konsensalgorithmus, der in etwas mehr als einem Jahrzehnt Transaktionen im Wert von Billionen von Dollar gesichert hat, obwohl er als verschwenderisch gilt. Um festzustellen, ob PoS mit der Sicherheit von PoW mithalten kann, muss das Staking gründlich getestet werden, um seine langfristige Zuverlässigkeit zu gewährleisten. 

Fazit

Das Problem der doppelten Ausgaben wurde durch Proof of Work effektiv angegangen, eine zuverlässige und sichere Lösung, die die Notwendigkeit zentraler Stellen beseitigt, um zu verhindern, dass dasselbe Geld zweimal ausgegeben wird. Durch den Einsatz von Kryptographie, Hash-Funktionen und Spieltheorie können die Mitglieder eines dezentralen Ökosystems einen Konsens über den Status eines Finanzbuchs erzielen.