Was ist Proof of Work?
Die mittlerweile große Popularität hat der Konsensmechanismus Proof of Work (PoW) sicherlich durch die Verbreitung von Bitcoin erlangt. Doch besteht die Methode bereits seit längerer Zeit und hat in ihren Anfängen nur wenig mit der Blockchain-Technologie zu tun.
Aber was ist Proof of Work nun? Wo kommt die Idee her und was soll der „Arbeitsnachweis“ bewirken? In diesem Artikel möchten wir einen tieferen Einblick in die Materie wagen.
Bevor wir das Proof of Work Verfahren zur Konsensfindung in der Blockchain-Branche genauer betrachten, starten wir mit einem Blick in die Vergangenheit.
Der Ursprung von Proof of Work
Alternative Bezeichnungen von Proof of Work (PoW) sind im Englischen „computational puzzle“ oder „cryptographic puzzle“.
Derweil spricht man im Deutschen auch von Arbeitsnachweis oder Arbeitsbeweis.
Unter PoW wird in der Informatik die Methode bezeichnet, die den übermäßigen Gebrauch und somit Missbrauch eines Dienstes verhindert. Das Verfahren soll beispielsweise sogenannte DoS (Denial of Service) Attacken verhindern.
Ebenso das massenhafte Versenden von E-Mails (also Spam) kann durch die Technologie unterbunden werden. Dabei geht von einem Proof of Work Verfahren meist eine mäßig schwer zu lösende Aufgabe aus.
Diese muss dann vom Empfänger oder dessen Computer beantwortet werden. Und kann dann wiederum recht einfach vom Dienstleister, der den Proof of Work gestartet hat, geprüft und verifiziert werden.
Die Idee hinter Proof of Work
Das Proof of Work Konzept wurde erstmals von Cynthia Dwork und Moni Naor im Jahr 1992 vorgeschlagen. Deren Ziel war es, den Versand von Junk-Mails einzudämmen.
Dabei lag der Gedanke darin, dass der Nutzer eines Dienstes zuerst selbst ein wenig Aufwand betreiben soll, um anschließend in den Genuss des Dienstangebots zu kommen. Adam Cash konzipierte unter dem Namen Hashcash ein PoW System zur Verhinderung von DoS Attacken.
Zur E-Mail-Spambekämpfung sollten die Mails mit einer Art Signatur versehen sein. Diese beinhaltete den Beweis, dass für den Versand ein wenig Rechenzeit aufgewandt wurde. Der Empfänger kann diese Signatur wiederum leicht verifizieren und somit erkennen, dass es sich nicht um Spam handelt.
Der damit verbundene Rechenaufwand sorgt letztlich dafür, dass das Verschicken von massenhaften Spam-Mails für Angreifer wenig rentabel ist.
Proof of Work bei Blockchains
Das Proof of Work Verfahren wird in der Blockchain-Branche zur Konsensfindung verwendet. Dabei ist das Konzept vom ursprünglichen Gedanken nicht allzu weit entfernt. Denn geht es am Ende um nichts anderes, als dass Informationen geteilt und verifiziert werden.
Informationen in einer Blockchain werden immer über Transaktionen dargestellt und bestätigt. Dabei muss sich das gesamte verteilte Netzwerk ständig zu einhundert Prozent einig über jede einzelne Transaktion sein.
Einmal in einem Block festgeschrieben, ist die Information nicht wieder rückgängig zu machen oder veränderbar.
Das Proof of Work Konzept liefert die Grundlage für diese Garantie und Sicherheit. Ein Angriff gerade auf große und stark dezentralisierte Projekte, wie den Bitcoin, ist mit heutiger Technologie kaum möglich.
Mining bei Proof of Work
Das Mining ist die Arbeit, die verrichtet werden muss, um die vom Dienst gestellte Aufgabe zu lösen. Dabei legt der zugrunde liegende Algorithmus im Proof of Work, die Schwierigkeit und die Regeln auf dem Weg zur Lösung fest.
Löst ein Miner die gestellte Aufgabe, kann er der Kette (Chain) einen neuen gültigen Block anhängen. Dabei ist das Anhängen neuer Blöcke an die Kette für die Blockchain entscheidend.
Je mehr Arbeit geleistet wird, desto länger wird die Kette. Je länger die Kette und je höher die Blockzahl, desto sicherer kann sich das gesamte Netzwerk über die Gültigkeit der Blockchain und somit über alle darin liegenden Transaktionen sein.
Mining als lohnendes Investment?
Der Miner, der als Erstes das Problem löst und den neuen Block erstellt, erhält die Belohnung in Form des Coins. Daher nehmen Miner gerne die anfangs hohen finanziellen und technischen Belastungen auf sich, da die Rewards sich am Ende lohnen.
Doch ist dies nicht dauerhaft der Fall. Das Interesse nach Belohnungen lockt weitere Miner in die Projekte. Die wachsende Zahl an Nodes sorgt letztlich für eine steigende Dezentralität der Blockchain und deren Sicherheit.
Mit der Vergrößerung des Netzwerks steigt häufig auch die Komplexität des zu lösenden Problems. Es bedarf einer verbesserter Rechenleistung und somit mehr Energie.
Im Falle von Bitcoin sinken nach festgeschriebener Blockproduktion zudem die Rewards (auch bekannt als „Halfing“). Und damit kommen wir auch schon zu den drei entscheidenden Herausforderungen beim PoW Prinzip.
1. Skalierbarkeit
Nachdem die Größe eines Blocks festgeschrieben ist, kann es bei einer hohen Anzahl an Transaktionen zu Engpässen kommen. Im Bitcoin Netzwerk entsteht rund alle 10 Minuten ein neuer Block.
Sind die Transaktionsanfragen enorm hoch, kann es sein, dass einzelne Transaktionen nicht mehr im aktuell eröffneten Block unterkommen und erstmal „warten“ müssen.
Häufig haben Nutzer, die eine Bitcoin Transaktion starten, die Möglichkeit, die Höhe der Gebühren zu bestimmen. Wer dann bereit ist höhere Gebühren zu entrichten, kommt häufig in den Genuss, dass die angestoßene Transaktion schneller bearbeitet wird.
Der Grund dafür ist naheliegend: Die Miner bekommen höhere Rewards und haben dann natürlich auch Interesse daran, die Transaktionen, die besser entlohnt werden, zuerst zu bearbeiten.
2. Probleme mit der Dezentralität
Trotz der Lobeshymnen auf den PoW Standard, ist dabei nicht immer die maximale Dezentralität des Blockchain-Projekts gewährleistet. Zwar ist das Bitcoin-Netzwerk ausreichend dezentral aufgestellt, doch galt das für den ehemaligen Proof of Work Konsens von Ethereum nicht gleichermaßen.
Vor deren Umstellung auf das Proof of Stake Verfahren im Jahr 2022 kam es bei den Mining-Pools teils zu kritischer Zentralisierung.
Das Schaubild zeigt eindringlich, dass im Jahr 2019 zwei Mining Pools insgesamt über 50 % der Blockproduktion im Ethereum Netzwerk übernommen haben. In diesem Jahr war „Ethermine“ für 22,49 % und „SparkPool“ für 30,28 % der produzierten Blöcke verantwortlich.
Diese knapp 53 % Anteil an Blöcken können für das Netzwerk gefährlich werden. Neben bösartigen Angriffen könnte ebenso der Ausfall des überwiegenden Teils der Blockchain zu massiven Einbrüchen in der Aktivität und Sicherheit des Projekts führen.
3. Zugänglichkeit und Energieverbrauch
Die Vorteile der vergrößerten Kettenlänge bringt insbesondere Nachteil bei der Zugänglichkeit zum Projekt. Der Einstieg als Miner in eine länger bestehende PoW Blockchain ist häufig nicht ganz einfach.
Entweder man muss enorm viel Geld für den Energie- und Kühlaufwand in die Hand nehmen. Oder man lebt oder baut eine Mining-Farm dort, wo Strom günstig ist und die Rechner bestenfalls durch die niedrige Umgebungstemperatur gekühlt werden.
Energieaufwand des Bitcoin-Minings
Die Stimmen werden immer lauter, dass der Energieaufwand des Bitcoin-Minings dem nachhaltigen Entwicklungsgedanken widerstrebt. Und tatsächlich ist es zutreffend, dass der Energieaufwand des Bitcoin-Netzwerks stetig steigt.
Nach der Infografik der Statista Website übertrifft der Stromverbrauch von Bitcoin wohl den der Ukraine. Über die Blockchain.com Website kann der Verlauf des Bitcoinverbrauch in Hashes pro Sekunde eingesehen werden.
Ein Terrahash benötigt rund 0,000012222 kWh (Kilowattstunde). Da 227 EH/s (Exahashes/Sekunde) 227 Millionen Terrahashes sind, benötigte Bitcoin bei seinem Peak im Juni 2022 also 2774,39 kWh pro Sekunde.
Die Kilowattstunde kostet in Deutschland aktuell rund 30 Cent. Müsste das gesamte Bitcoin-Netzwerk in Deutschland laufen, würde das pro Tag rund 72 Millionen Euro kosten.
Daher werden die Nodes meist in Ländern betrieben, in den die Betriebskosten deutlich geringer sind.
Bitcoin Mining als Wert
Der hohe Energieverbrauch des Bitcoins muss sicherlich kritisch betrachtet werden. Doch macht es der extrem hohe Energieaufwand schier unmöglich einen sogenannten 51 % Angriff zu starten, da dafür eben 51 % der Energie aufgewendet werden müsste, die zum Betrieb der Blockchain notwendig sind.
Betrachtet man zudem, dass Bitcoin für viele Anleger DIE Möglichkeit zur Aufbewahrung von Wert darstellt, muss man das System ebenso im Kontext vergleichbarer Instrumente einbetten.
Dabei muss der Energieaufwand in Bezug zum CO₂-Abdruck gebracht werden. Nachhaltige Energie ist für den Planeten nicht zwingend schädlich.
Zudem können „Abfallprodukte“, die beim Mining entstehen – wie Wärme – wiederum sinnvoll eingesetzt werden. Immer mehr Miner betreiben ihre Rechner mit nachhaltiger Energie.
Das Schaubild zeigt hier sehr eindrücklich, dass sicherlich andere Industriebereiche einen größeren Beitrag zum Klimawandel leisten, als es der Bitcoin tut.
Was passiert, wenn das Mining der Bitcoin abgeschlossen ist?
Aller Voraussicht nach wird im Jahr 2140 der letzte Bitcoin gemined worden sein. Nun könnte sich der aufmerksame Leser fragen: Was passiert dann? Ist es noch interessant zu minen und somit die Sicherheit des Netzes aufrechtzuerhalten?
Die Frage kann nicht mit genauer Sicherheit beantwortet werden. Tatsache ist, dass dann immer noch die Abwicklung der Transaktionen eine Rolle spielen wird. Die Gebühren hierfür nehmen schon heute eine steigende Bedeutung ein.
Da Bitcoin nach dem Open Source Prinzip funktioniert, werden sich die Netzwerkteilnehmer sicherlich rechtzeitig ein geeignetes Vergütungssystem einfallen lassen, um die Bitcoin Idee aufrechterhalten zu können.
Die 10 größten Proof of Work Coins
Die aktuell gemessen nach Marktkapitalisierung größten Blockchain-Projekte, die das Proof of Work Verfahren verwenden, sind:
| Bitcoin: BTC |
 | Dogecoin: DOGE |
 | Litecoin: LTC |
| Ethereum Classic: ETC |
 | Monero: XMR |
 | Bitcoin Cash: BCH |
 | Zcash: ZEC |
 | Dash: DASH |
 | Ravencoin: RVN |
 | Decred: DCR |
Proof of Work Vor- und Nachteile
Der Proof of Work Konsensmechanismus bringt sowohl Vorteile als auch Nachteile mit sich:
- Das Verfahren ist „neutral“. Man benötigt keine Coins, um am Mining teilzunehmen und Rewards zu erhalten.
- Das Konzept befindet sich seit Langem in Anwendung. Es ist getestet und hat bisher insbesondere Bitcoin und bis vor Kurzem auch Ethereum solide abgesichert.
- Im Vergleich zu Proof of Stake ist es leicht zu implementieren.
- PoW erzeugt einen nicht zu vernachlässigenden CO2 Abdruck aufgrund des hohen Energieverbrauchs.
- Die Kosten für den Betrieb des Minings können gerade bei großen und etablierten Netzwerken wie dem Bitcoin gerade für Einzelpersonen zu hoch sein.
- Die steigenden Rechenleistungen könnten zu zentralisierten Mining Pools führen und somit die Dezentralität der Blockchain Idee gefährden.
Der Unterschied zu Proof of Stake
Insgesamt gesehen hat Proof of Stake (PoS) das gleiche Ziel wie Proof of Work: der dezentral organisierten Blockchain helfen, einen ehrlichen Konsens zu erreichen.
Es gibt jedoch einige Unterschiede im Prozess und in den personellen Verantwortlichkeiten. Einen detaillierten Überblick findest Du in unserem Proof of Work vs Proof of Stake Artikel.
Eine kurze Zusammenfassung zu den wichtigsten Unterschieden zeigen wir Dir jetzt:
- Statt Rechenleistung für PoW zur Verfügung stellen zu müssen, spielen bei PoS vielmehr die eingesetzten (gestakten) Token eine Rolle.
- Proof of Stake ersetzt die Miner durch Validatoren. Validatoren setzen ihre Token ein, um die die Erlaubnis zu erhalten, neue Blöcke zu erstellen.
- Die Validatoren konkurrieren nicht um die Erstellung von Blöcken, sondern werden von einem Algorithmus nach dem Zufallsprinzip ausgewählt (zumindest im jüngst von Ethereum vorgestellten Konzept).
- In dem von Ethereum nun eingeführten Proof of Stake Verfahren gilt ein Block als „finalisiert“, also abgeschlossen und verifiziert, wenn zwei Drittel der Validatoren diesen als gültig anerkennen. Bei Bitcoins PoW muss am Ende immer das gesamte Netzwerk zu 100% übereinstimmen.
Meinungen zu Proof of Work
Derweil stellt das Proof of Work Verfahren nicht nur einen wichtigen Konsensmechanismus dar. Kürzlich erklärte der Bitcoin Fanatiker Michael Sayler – Gründer von MicroStrategy –, dass die Blockchain das Potenzial hat „spammers, scammers and bots“ zu eliminieren.
#Bitcoin is the key to eliminating spammers, scammers, and bots on @Twitter, @Instagram, & @YouTube. pic.twitter.com/innncjgm9P
— Michael Saylor⚡️ (@saylor) October 1, 2022
In seinem Tweet hält er fest, dass die großen Plattformen wie Twitter und Instagram Bitcoin und dessen PoW nutzen sollten, um eben jenes Ziel zu erreichen. Ganz im Sinne des ursprünglichen Gedankens hinter dem Proof of Work Konzept.
Der Twitter Gründer und CEO der Firma Block – ehemals Square – Jack Dorsey geht sogar noch einen Schritt weiter. Unter der Tochtergesellschaft TBD möchte Dorsey mit seinem Team das Web5 vorantreiben.
Er geht davon aus, dass das Web3 – also die Blockchain und deren Projekte – schon wieder überarbeitet gehören. Ziel ist es, gesamte Geschäftsmodelle und Technologien auf dem Bitcoin und somit dessen PoW Verfahren aufzubauen.
this will likely be our most important contribution to the internet. proud of the team. #web5
(RIP web3 VCs 🤫)https://t.co/vYlVqDyGE3 https://t.co/eP2cAoaRTH
— jack (@jack) June 10, 2022
Fazit: Proof of Work macht sinnvolle Arbeit
Das Proof of Work Konzept ist also mehr als nur der Konsensmechanismus hinter Bitcoin. Die Idee verpackt insbesondere eine Art Schutzgedanken für das Internet und dessen Transaktionen.
Richtig angewandt, kann es nicht nur Transaktionen und deren Echtheit gewährleisten, sondern auch Nutzer vor Betrug schützen. Das Proof of Work Verfahren rund um den Bitcoin ist nicht mehr wegzudenken und ist die Grundlage für den weiteren Erfolg der Anwendung.
Meines Erachtens konkurrieren die beiden Konsensverfahren PoW und PoS nicht zwingend miteinander. Für die praktische Anwendbarkeit ist eine hohe Skalierbarkeit und ein geringerer Energieaufwand (also wie bei PoS) sicher sinnvoll.
Hauptsächlich, wenn die Adaption der Technologie weiter voranschreiten soll und wird. Doch die Sicherheit des „Arbeitsnachweises“, die das Proof of Work Verfahren bietet, wird eine ebenso wichtige Rolle spielen und zum Beispiel im Bereich (digitaler) Wertaufbewahrung und Sicherheit für das Internet der Zukunft bedeutend sein.
Daher gilt: Bitcoin kaufen oder Bestände auffüllen wird mit größter Wahrscheinlichkeit eine sehr sinnvolle Investition in die Zukunft. Nicht nur für das eigene Portmonee, sondern für den Erfolg einer revolutionären Technologie.
FAQ – Proof of Work
Welche Kryptowährungen sind Proof of Work?
Die bekanntesten Proof of Work Kryptowährungen sind: Bitcoin (BTC), Dogecoin (DOGE), Litecoin (LTC) oder Monero (XMR). Ethereum (ETH) hat im September 2022 die Proof of Work Methode mit Proof of Stake ersetzt.
