Die Goldgräber unserer Zeit: Wie Bitcoin-Mining funktioniert

von | 20. Jun 2023

Stell dir vor, in einem entlegenen Dorf, in dem die alte Legende vom Goldenen Stein kursiert, stellt Konrad, der Dorfälteste, ein komplexes Rätsel auf. Wer es löst, soll den Weg zum Goldenen Stein finden. Das Rätsel ist knifflig und erfordert viel Denkarbeit und Zeit.

Die Dorfbewohner, darunter der Mathematiker Albert, die junge Schülerin Emma und der ehrliche Buchhalter Georg machen sich daran, das Rätsel zu lösen. Jeder nutzt seine eigenen Fähigkeiten: Albert seine Mathematik, Emma ihre Energie und Kreativität, und Georg seine Sorgfalt und Genauigkeit.

Eines Tages gelingt es Emma, das Rätsel zu lösen. Sie folgt den Hinweisen, die Konrad im Rätsel hinterlassen hat, und findet den Goldenen Stein. Aber bevor sie als Siegerin verkündet wird, gibt es noch eine wichtige Aufgabe zu erfüllen: Die anderen Dorfbewohner müssen Emmas Lösung überprüfen.

Viele der Dorfbewohner haben ein eigenes großes Buch, eine Kopie des Dorf-Chain-Buchs, in dem alle Funde der Goldenen Steine und deren Besitzer eingetragen werden. Sobald Emma als Siegerin verkündet wird, aktualisieren die Dorfbewohner ihr Dorf-Chain-Buch mit dieser Information. So weiß jeder im Dorf, dass Emma den Goldenen Stein gefunden hat, und es gibt keine Unklarheiten oder Missverständnisse.

Konrad gibt eine kleine Ansprache auf dem Dorfplatz und sagt, dass dieses System so gut funktioniert, weil es dezentral ist.

„Wir haben keine zentrale Autorität oder nur ein einziges Buch, das alle Informationen enthält. Stattdessen haben viele von euch Dorfbewohnern ihr eigenes Dorf-Chain-Buch und ihr aktualisiert es selbstständig. Wenn jemand versuchen würde, zu betrügen oder falsche Informationen in sein Dorf-Chain-Buch einzutragen, werden wir es sofort bemerken, weil es nicht mit den Dorf-Chain-Büchern der anderen übereinstimmt. Lasst uns nun ein neues Rätsel beginnen!“ Und die Dorfgemeinschaft applaudierte seinen Worten.

Gleich nach der Ansprache beginnen die Dorfbewohner wieder zu arbeiten, in der Hoffnung, den nächsten Stein zu finden. Und so wiederholt sich der Zyklus.

Was ist Mining?

  • Im Kontext der Kryptowährung ist Mining der Prozess, bei dem Transaktionen für die Blockchain geprüft und bestätigt werden.

Der Begriff des Minings, was auf Deutsch „Bergbau“ oder „schürfen“ bedeutet, wurde wegen der Analogie zum Gold gewählt. Zum Teil wird die deutsche Übersetzung benutzt und vom Bitcoin schürfen gesprochen, aber nie vom Bergbau.

  • Miner lösen komplexe mathematische Probleme, und die Lösung eines Problems führt zur Validierung einer Transaktion und zur Erstellung eines neuen Blocks in der Blockchain.
  • Mining ist ein algorithmischer Rechenprozess, bei dem sogenannte Miner (Daten-)Blöcke generieren und diese einem allgemeingültigen Protokoll (der Blockchain) anhängen.
  • Die Miner und Nodes (dt: Knotenpunkte) kontrollieren das Netzwerk und verifizieren Transaktionen. Am 15. Mai 2023 gab es laut Bitnodes 17.048 Nodes, was zeigt, wie dezentral das Netzwerk ist.

Was hat es mit der Blockchain auf sich?

Die Blockchain ist im Wesentlichen ein digitales Ledger, eine Art Buchführungssystem, das alle Transaktionen aufzeichnet, die in einem Kryptowährungsnetzwerk stattfinden.

  • Jeder Block in der Blockchain enthält eine Liste von Transaktionen.
  • Jeder Block enthält auch einen Verweis auf den vorhergehenden Block, der durch einen Hash (eine Art digitaler Fingerabdruck) repräsentiert wird.

Dieser Verweis stellt die Verbindung zwischen den Blöcken her und bildet so die Kette, die als Blockchain bekannt ist.

Die Blöcke sind Datensätze und entstehen, wenn genug Transaktionen zusammengekommen sind. Sie beinhalten unter anderem Informationen des Vorgängerblocks, alle Transaktionen und Gebühren, die seit dem letzten Block stattgefunden haben, und eine zufällige Zahl, welche für die Berechnung des nächsten Blocks notwendig ist.

Die Blockchain ist durch ihre dezentrale Natur und ihre Konsensmechanismen inhärent sicher. Wie Satoshi Nakamoto, der anonyme Erfinder von Bitcoin, in seinem Whitepaper schrieb:

Das Netzwerk ist robust in seiner unstrukturierten Einfachheit.
(The network is robust in its unstructured simplicity.)

Bitcoin Whitepaper

Hash – ein digitaler Fingerabdruck

Die Begriffe Hash, Hash-Wert und Hash-Rate tauchen immer wieder in der Verbindung zum Mining auf. Lass uns nochmals ins Dorf zurückgehen und schauen, was die dort so damit machen.

Stell dir vor, im Herzen des Dorfes, auf dem Marktplatz, steht eine besondere Box, bekannt als die „Hash-Box“. Diese Box hat die außergewöhnliche Fähigkeit, alles, was hineingelegt wird, in eine einzigartige Zeichenfolge umzuwandeln, die immer gleich lang ist. Die Dorfbewohner nennen diese Zeichenfolge den „Hash-Wert“.

Konrad, der Dorfälteste, erklärt, dass das neue Rätsel mit der Hash-Box gelöst werden muss. Er gibt den Dorfbewohnern einen Buchstaben – sagen wir „B“ – und sagt ihnen, dass sie einen anderen Buchstaben finden müssen, der, wenn er zusammen mit dem Rätsel, in diesem Fall der Buchstabe „B“, in die Hash-Box gelegt wird, einen Hash-Wert ergibt, der mit einer bestimmten Anzahl von Nullen beginnt.

Also: egal was in die magische Hash-Box hinein getan wird, es kommt eine immer gleich lange Zeichenfolge heraus. Und jetzt diese Aufgabe! Das Ergebnis muss mit einer bestimmten Anzahl an Nullen beginnen. Das wird Versuche brauchen!

Die Dorfbewohner, darunter Albert, Emma und Georg, beginnen, verschiedene Buchstabenkombinationen zu testen wie AB, BC, BD, ABC und so weiter. Wenn das Ergebnis nicht mit der richtigen Anzahl von Nullen beginnt, versuchen sie es mit einer anderen Kombination. Dieser Prozess des Ausprobierens verschiedener Kombinationen wird als „Mining“ bezeichnet.

Die Geschwindigkeit, mit der jeder Dorfbewohner Kombinationen testen kann, wird als „Hashrate“ bezeichnet.
Albert, mit seiner schnellen Denkfähigkeit, kann viele Zahlen in kurzer Zeit testen, so dass er eine hohe Hashrate hat. Emma und Georg sind langsamer, also haben sie eine niedrigere Hashrate, und dennoch liegen sie manchmal vor Albert.

Nach vielen Versuchen und Fehlschlägen findet schließlich tatsächlich Albert als erster eine Kombination, die, wenn sie in die Hash-Box gelegt wird, einen Hash-Wert ergibt, der mit der richtigen Anzahl von Nullen beginnt. Er hat das Rätsel gelöst! Wieder prüfen die vielen Dorfbewohner das Ergebnis und notieren es in ihren Dorf-Chain-Büchern.

Die Rolle der Miner

Die Miner sind die Personen oder Organisationen, die die erforderliche Rechenleistung zur Verfügung stellen, um die mathematischen Probleme zu lösen, die zur Validierung von Transaktionen erforderlich sind.

Miner prüfen und verifizieren Transaktionen, die von den Benutzern durchgeführt werden möchten. Durch die Erzeugung von Konsensus (also Zustimmung oder Übereinstimmung) können Miner unabhängig voneinander arbeiten und die Blockchain fälschungssicher machen. Sie sind der wesentliche Bestandteil der Blockchain und die einzigen, die in einem fairen Verfahren Änderungen an der Blockchain vornehmen können.

Im Dorf gibt es natürlich noch jede Menge anderer Leute und einer davon ist Charlie. Er hat schon total technisch aufgerüstet und so viel automatisiert, wie es nur geht. Sein Geschäft liegt direkt neben dem Mühlrad, wodurch er die nötige Energie bekommt. Die Abwärme seiner Mining-Rigs, wie die Computer heißen, mit denen geschürft wird, nutzt er zum heizen des Gewächshauses seines Nachbarn, der sich darüber freut, dass ihm Charlie so günstig Wärme zur Verfügung stellt.

Charlie ist ein erfahrener Miner, der seine Arbeit ernst nimmt. Er weiß, dass die Sicherheit und Integrität des gesamten Netzwerks auf seinen Schultern und den Schultern seiner Mitstreiter ruht.

Eines Tages gewinnt Charlie den Rechenwettbewerb und muss eine Transaktion prüfen. Er nimmt die ihm zugewiesene Aufgabe ernst und beginnt sorgfältig, jeden Aspekt der Transaktion unter die Lupe zu nehmen.

Erstens überprüft er, ob die Transaktion mit dem korrekten privaten Schlüssel signiert wurde. Dieser private Schlüssel ist so etwas wie die Unterschrift des Senders – ein eindeutiges Zeichen, das beweist, dass der Sender tatsächlich der ist, der er behauptet zu sein.

Nachdem er sichergestellt hat, dass der private Schlüssel korrekt ist, prüft Charlie den Kontostand des Senders. Er muss sicherstellen, dass der Sender über genügend Coins verfügt, um die angegebene Summe zu senden. Diese Überprüfung ist wichtig, um sicherzustellen, dass niemand mehr Coins ausgeben kann, als er tatsächlich besitzt.


Nachdem Charlie alle diese Prüfungen durchgeführt hat und zufrieden ist, dass die Transaktion stimmt, sendet er die Transaktionsinformationen an die anderen Leute im Dorf-Netzwerk, die ein Dorf-Chain-Buch haben. Sie führen dieselben Prüfungen durch und wenn sie alle zu dem gleichen Ergebnis kommen, entsteht ein Konsensus. Das gesamte Netzwerk stimmt überein, dass die Transaktion gültig ist.

In diesem Moment, wenn der Konsensus erreicht ist, wird die Transaktion endgültig und unwiderruflich. Sie wird in die Dorf-Chain-Bücher eingetragen, dem dezentralen Kontenbuch (Ledger), das alle Transaktionen im Netzwerk aufzeichnet.
Und so, dank der sorgfältigen Arbeit von Charlie und seinen Mitstreitern, wird das Netzwerk ein Stück sicherer und die Integrität der Dorf-Chain-Bücher bleibt gewahrt.

Proof of Work und Miner – so hängen sie zusammen

  • Proof of Work (PoW) ist ein Konsensalgorithmus, der in Blockchain-Netzwerken verwendet wird, um sicherzustellen, dass alle Transaktionen in der Blockchain gültig sind und dass niemand betrügt.
    Der PoW-Prozess erfordert, dass die Miner komplexe mathematische Rätsel lösen, um einen neuen Block zur Blockchain hinzuzufügen. Der erste Miner, der das Rätsel löst, fügt den neuen Block hinzu und erhält eine Belohnung in Form der geschürften Kryptowährung. Das System ist dabei so ausgelegt, dass im Durchschnitt alle 10 Minuten ein neuer Block erzeugt und hinzugefügt wird (Achtung: nicht ein neuer Bitcoin).
  • Mining bezieht sich auf den Prozess, bei dem Miner diese Rätsel lösen. Miner verwenden ihre Computerleistung, um ständig neue Lösungen für das aktuelle Rätsel zu generieren. Dies wird oft als „Rechenleistung“ bezeichnet.

In Bezug auf unsere zuvor diskutierte Geschichte, könnte man sagen, dass PoW (Proof of Work) das System ist, das von Konrad, dem Dorfältesten, erstellt wurde, um die Rätsel zu generieren und den Prozess zu überwachen, durch den die Dorfbewohner den Goldenen Stein finden.

Mining wäre der Prozess, den die Dorfbewohner (Albert, Emma, Georg und Charlie) durchlaufen, um das Rätsel zu lösen und den Stein zu finden.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass PoW und Mining eng miteinander verknüpft sind: PoW ist der Mechanismus, der das Rätsel erstellt, und Mining ist der Prozess, durch den dieses Rätsel gelöst wird. Beide sind für das Funktionieren von Blockchain-Netzwerken wie Bitcoin unerlässlich.

Das Belohnungssystem

Die Belohnung für das Mining setzt sich aus zwei Teilen zusammen: den Transaktionsgebühren und dem Block-Reward.

  • Die Transaktionsgebühren sind ein kleiner Betrag, den jeder, der eine Transaktion durchführt, an die Miner zahlt.
  • Der Block-Reward ist eine festgelegte Menge an Kryptowährung, die dem Miner, der einen neuen Block zur Blockchain hinzufügt, ausgezahlt wird.
    Im Falle von Bitcoin halbiert sich der Block-Reward ca. alle vier Jahre in einem Prozess, der als Halving bekannt ist.
    Diese Halbierungen führen dazu, dass die Menge an neuen Bitcoins, die in das System eingeführt werden, im Laufe der Zeit abnimmt. Dieses Modell stellt sicher, dass es nie mehr als 21 Millionen Bitcoin geben wird.

Und wieder sind wir im Dorf angekommen und nach Charlie hat jetzt Georg das Rätsel als erster gelöst.

Als Georg das Rätsel gelöst und den Goldenen Stein gefunden hat, bringt er ihn auf den Marktplatz, wo alle Dorfbewohner versammelt sind. Konrad, der Dorfälteste, verkündet feierlich, dass Georg den Stein gefunden hat, und gratuliert ihm zu seinem Erfolg.

Dann holt Konrad einen kleinen Sack hervor. In dem Sack sind glitzernde Goldmünzen – diese repräsentieren die Belohnung für das Lösen des Rätsels.

Konrad übergibt den Sack an Georg und erklärt, dass er diese Münzen als zusätzliche Belohnung für seine harte Arbeit erhält.
Georg ist natürlich sehr erfreut darüber. (Das ist vergleichbar mit der Belohnung, die Miner in Form von neuen Bitcoins erhalten, wenn sie einen neuen Block zur Blockchain hinzufügen.)

Aber es gibt noch eine weitere Belohnung.

Konrad erklärt, dass jeder, der im Dorf eine Transaktion durchführt – zum Beispiel der Kauf oder Verkauf von Waren – eine kleine Gebühr in Form von Goldmünzen zahlen muss. Diese Münzen werden in einen großen Topf geworfen und gesammelt, bis das nächste Rätsel gelöst ist.

Da Georg das Rätsel gelöst hat, erhält er auch die Münzen aus diesem Topf.
Georg freut sich darüber noch mehr. (Das ist vergleichbar mit den Transaktionsgebühren, die Miner als Belohnung für die Verifizierung von Transaktionen erhalten.)

Während Georg seine Belohnungen entgegennimmt, machen die anderen Dorfbewohner weiterhin ihre Arbeit. Sie überprüfen die Transaktionen, aktualisieren ihre Dorf-Chain-Bücher und sorgen dafür, dass das Dorf-Netzwerk funktioniert. (Das ist vergleichbar mit der Arbeit, die die anderen Miner leisten. Auch wenn sie das Rätsel dieses Mal nicht lösen, spielen sie eine wichtige Rolle im Netzwerk.)

Die Rolle der Nodes – die vielen Helferlein

Nodes sind Computer, die mit dem Kryptowährungsnetzwerk verbunden sind und eine Kopie der Blockchain speichern.
Sie erhalten Informationen von Benutzern und anderen Nodes, überprüfen diese und leiten sie dann wiederum an andere Nodes weiter.

Nodes sind wichtig für die Aufrechterhaltung der Integrität und Sicherheit der Blockchain. Um Transaktionen durchzuführen, braucht man allerdings keine Node.

Die Energiefrage beim Mining und die Sicherheit des Netzwerks

Einer der meistdiskutierten Aspekte des Bitcoin-Minings ist der damit verbundene Energieaufwand. Dieser Energieaufwand ist kein zufälliger Nebeneffekt, sondern eine zentrale Komponente, die die Sicherheit und Integrität des Bitcoin-Netzwerks gewährleistet.

Mining ist ein intensiver Prozess, der spezialisierte Hardware und eine große Menge an Strom erfordert. Die leistungsstarken Computer, die für das Mining verwendet werden, lösen komplexe mathematische Rätsel, um neue Blöcke zur Blockchain hinzuzufügen. Diese Rätsel sind so gestaltet, dass sie eine erhebliche Menge an Rechenleistung erfordern, um gelöst zu werden. Es ist dieses energieintensive „Arbeitsnachweis“ (Proof of Work), das das Bitcoin-Netzwerk so sicher macht.

Ohne Arbeitsnachweis läuft hier nichts

Aber warum ist der energieaufwendige Arbeitsnachweis eine gute Sache für die Sicherheit des Netzwerks?

Die Antwort liegt in der Art und Weise, wie das Bitcoin-Netzwerk konzipiert ist. Das Netzwerk ist dezentralisiert, was bedeutet, dass es keinen zentralen Kontrollpunkt gibt, der angegriffen oder manipuliert werden könnte. Stattdessen wird die Kontrolle über das Netzwerk auf alle Miner verteilt, die an dem Prozess teilnehmen.

Jeder, der versuchen würde, betrügerische Transaktionen durchzuführen oder die Blockchain zu manipulieren, müsste mehr Rechenleistung aufbringen als der Rest des Netzwerks zusammen. Da dies eine enorme Menge an Energie erfordern würde, ist es praktisch unmöglich, das Netzwerk auf diese Weise zu kompromittieren.

  • Mit anderen Worten, der hohe Energieaufwand des Bitcoin-Minings dient als eine Art Sicherheitsbarriere. Es ist ein absichtlich aufgebautes Hindernis, das verhindert, dass böswillige Akteure das Netzwerk manipulieren können. Je mehr Rechenleistung das Netzwerk benötigt, desto sicherer ist es.

Es ist wichtig zu verstehen, dass der Energieaufwand beim Bitcoin-Mining ein fundamentaler Aspekt des Designs von Bitcoin ist, der dazu dient, die Sicherheit und Integrität des Netzwerks zu gewährleisten. Und in einer digitalen Welt, in der Sicherheit von entscheidender Bedeutung ist, ist das ein Merkmal, das nicht leichtfertig übersehen werden sollte.

Zum Ende ein paar Worte aus dem Bitcoin Whitepaper

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Mining eine entscheidende Rolle im Kryptowährungssystem spielt. Es ist der Mechanismus, der die Integrität und Sicherheit der Blockchain gewährleistet, und es ist der Prozess, der neue Coins in das System bringt.

Im Bitcoin Whitepaper steht am Ende die folgende Schlussfolgerung, von der mir der erste Absatz besonders gut gefällt, spiegelt er doch das Ziel wieder, keiner zentralen Instanz vertrauen zu müssen.

Wir haben ein System für elektronische Transaktionen vorgeschlagen, das sich nicht auf Vertrauen stützt.

Wir begannen mit dem üblichen Rahmen von Münzen, die aus digitalen Signaturen bestehen, was eine starke Kontrolle des Eigentums ermöglicht, aber unvollständig ist, da es keine Möglichkeit gibt, Doppelausgaben zu verhindern.

Um dieses Problem zu lösen, haben wir ein Peer-to-Peer-Netzwerk vorgeschlagen, das Proof-of-Work verwendet, um einen öffentlichen Transaktionsverlauf aufzuzeichnen, der für einen Angreifer schnell rechnerisch unpraktisch wird, wenn ehrliche Knoten eine Mehrheit der CPU-Leistung (-> Central Processing Unit – zentrale Prozessoreinheit) kontrollieren.

Das Netzwerk ist aufgrund seiner unstrukturierten Einfachheit robust.

Die Nodes arbeiten alle gleichzeitig und mit wenig Koordination. Sie müssen nicht identifiziert werden, da Nachrichten nicht an einen bestimmten Ort weitergeleitet werden und nur nach bestem Wissen und Gewissen zugestellt werden müssen.

Die Nodes können das Netz nach Belieben verlassen und wieder beitreten, wobei sie die Proof-of-Work-Kette als Beweis dafür akzeptieren, was während ihrer Abwesenheit geschehen ist.

Sie stimmen mit ihrer CPU-Leistung ab, indem sie gültige Blöcke akzeptieren, indem sie an deren Erweiterung arbeiten, und ungültige Blöcke ablehnen, indem sie sich weigern, an ihnen zu arbeiten. Alle erforderlichen Regeln und Anreize können mit diesem Konsensmechanismus durchgesetzt werden.

Da eine Übersetzung einen gewissen Spielraum offen hält, hier noch der Text im englischen Original:

Conclusion
We have proposed a system for electronic transactions without relying on trust. We started with the usual framework of coins made from digital signatures, which provides strong control of ownership, but is incomplete without a way to prevent double-spending. To solve this, we proposed a peer-to-peer network using proof-of-work to record a public history of transactions that quickly becomes computationally impractical for an attacker to change if honest nodes control a majority of CPU power. The network is robust in its unstructured simplicity. Nodes work all at once with little coordination. They do not need to be identified, since messages are not routed to any particular place and only need to be delivered on a best effort basis. Nodes can leave and rejoin the network at will, accepting the proof-of-work chain as proof of what happened while they were gone. They vote with their CPU power, expressing their acceptance of valid blocks by working on extending them and rejecting invalid blocks by refusing to work on them. Any needed rules and incentives can be enforced with this consensus mechanism.

Das Whitepaper findest Du hier.

Diese Schlussfolgerung fasst die Essenz des Minings und von Bitcoin insgesamt gut zusammen – es geht darum, ein System zu schaffen, das auf mathematischen Prinzipien und Kryptographie basiert, anstatt auf zentralisierten Institutionen zu vertrauen.

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Quellen:

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