Was ist Proof of Work?

Proof of Work (PoW) ist eine Kategorie von Konsensmechanismen, die eine Blockchain über Rechenkosten schützt. Beteiligte müssen wiederholt rechnen, bis sie ein Ergebnis finden, das die Anforderung des Protokolls erfüllt, und erhalten erst dann die Gelegenheit, einen neuen Block zu veröffentlichen. Andere Nodes können dieses Ergebnis sehr schnell prüfen.

Entscheidend ist nicht, dass Computer die Transaktionen selbst lösen, sondern dass dem Vorschlagen eines Blocks ein öffentlicher, messbarer Preis zugeordnet wird. Ein zulässiges Ergebnis zu finden erfordert meist sehr viele Versuche; es zu prüfen ist einfach. Durch dieses Ungleichgewicht können Nodes aus den Nachweisen in den Blöcken einen Wert für die kumulierte Arbeit eines Verlaufsabschnitts berechnen. Wer diesen Verlauf ersetzen will, muss die entsprechende Arbeit erneut leisten und das Netzwerk einholen.

Welches Problem Proof of Work adressiert

Ein offenes Netzwerk kann nicht nach dem Prinzip „eine Stimme pro Beteiligtem“ entscheiden, wer das Ledger führt, denn dieselbe Person kann beliebig viele Identitäten anlegen. Proof of Work zählt keine Identitäten, sondern verlangt von allen, die mitkonkurrieren wollen, ein nachprüfbares Rechenergebnis. Mehr Identitäten anzulegen verbessert die Erfolgschance nicht; mehr Rechenleistung – also die Fähigkeit, pro Zeiteinheit mehr Hash-Versuche durchzuführen – erhöht die Wahrscheinlichkeit, ein Ergebnis zu finden.

Diese Rechenarbeit hilft dem Netzwerk bei zwei Fragen gleichzeitig: wer die Gelegenheit erhält, einen Kandidatenblock zu veröffentlichen, und welchen Verlaufsabschnitt Nodes weiterverwenden, wenn mehrere gültige Zweige gleichzeitig entstehen. In Proof-of-Work-Netzwerken wie Bitcoin vergleichen Nodes die von jedem Zweig kumulierte Arbeit und nicht einfach, welcher Zweig mehr Blöcke enthält.

Proof of Work ersetzt die Transaktionsvalidierung nicht. Wer ein zulässiges Ergebnis findet, kann nur einen Kandidatenblock vorschlagen und dadurch keine Protokollregeln ändern. Jeder vollständig validierende Node prüft weiterhin eigenständig Transaktionssignaturen, bereits ausgegebene Assets, das Blockformat und den Proof of Work selbst. Ein Block, der die Regeln verletzt, wird abgelehnt, auch wenn Rechenleistung dafür aufgewendet wurde.

Vom Kandidatenblock zur Bestätigung im Netzwerk

Proof-of-Work-Netzwerke unterscheiden sich in Algorithmus und Parametern, der grundlegende Ablauf lässt sich jedoch in folgende Schritte gliedern.

Einen Kandidatenblock zusammenstellen

Beteiligte, die um die Blockproduktion konkurrieren, werden meist Miner genannt. Ein Miner wählt Inhalte aus noch nicht bestätigten Transaktionen, stellt gemäß den Protokollvorgaben einen Kandidatenblock zusammen und bereitet den Block-Header sowie die weiteren Daten vor, die in die Hash-Berechnung eingehen. Ein Miner kann entscheiden, welche gültigen Transaktionen in welcher Reihenfolge aufgenommen werden, kann aber keine ungültige Transaktion gültig machen.

Hashes wiederholt versuchen

Eine kryptografische Hashfunktion wandelt eine Eingabe in ein Ergebnis fester Länge um. Der Miner verändert die Nonce – einen Wert für die wiederholten Versuche – oder ein anderes variables Feld im Block und berechnet den Hash immer wieder, bis das Ergebnis die vom Protokoll gesetzte Zielbedingung erfüllt.

Solange die vom Protokoll verwendete Hashfunktion keinen bekannten, nutzbaren Bruch hat, gibt es keine verlässliche Abkürzung zu einem zulässigen Ergebnis. Ob ein einzelner Versuch gelingt, ist schwer vorherzusagen. Mehr Rechenleistung bedeutet daher mehr Versuche pro Zeiteinheit und eine höhere Wahrscheinlichkeit, zuerst ein zulässiges Ergebnis zu finden. Beteiligte mit weniger Rechenleistung können dennoch zuerst erfolgreich sein: Wem ein einzelner Block zufällt, steht nicht im Vorhinein fest.

Den Block verbreiten und validieren

Findet ein Miner ein zulässiges Ergebnis, wird der Block im Netzwerk verbreitet. Ein empfangender Node muss nicht alle Versuche des Miners wiederholen; er berechnet und prüft lediglich, ob das Ergebnis die Zielbedingung erfüllt, und kontrolliert, ob Block und Transaktionen die übrigen Regeln einhalten.

Nur Nodes, die diese Validierung abschließen, verbreiten und verarbeiten den Block weiter als gültigen Kandidaten. Der Unterschied ist wesentlich: Mining konkurriert darum, einen Block vorzuschlagen, und die Validierung durch Nodes entscheidet, ob ein Block angenommen werden darf.

Auf dem Zweig mit höherer kumulierter Arbeit weitermachen

Zwei Miner können zu nahezu derselben Zeit unterschiedliche, aber gleichermaßen gültige Blöcke veröffentlichen, wodurch im Netzwerk vorübergehend Zweige entstehen. Nodes entscheiden nach der Kettenauswahlregel des Protokolls, auf welchem Zweig sie weitermachen. So wählen Bitcoin-Nodes die gültige Kette mit höherer kumulierter Arbeit; sobald weitere Arbeit hinzukommt, setzt sich meist ein Zweig durch und der andere wird aufgegeben.

Transaktionen aus dem aufgegebenen Zweig verschwinden nicht automatisch. Ist eine Transaktion weiterhin gültig, kann sie in den ausstehenden Zustand zurückkehren und später in einen anderen Block aufgenommen werden. Steht sie im Widerspruch zu einer Transaktion im durchgesetzten Zweig, wird sie nicht erneut wirksam.

Ziel, Schwierigkeit, Rechenleistung und kumulierte Arbeit

Vier Begriffe sorgen für die meisten Verwechslungen rund um Proof of Work.

Das Ziel ist der numerische Schwellenwert, den ein zulässiger Hash erfüllen muss. In der verbreiteten Form „der Hashwert muss kleiner oder gleich dem Ziel sein“ gilt: je kleiner das Ziel, desto weniger Ergebnisse sind zulässig und desto mehr Versuche sind im Durchschnitt nötig.

Die Schwierigkeit drückt auf andere Weise aus, wie schwer ein zulässiges Ergebnis zu finden ist. Höhere Schwierigkeit entspricht normalerweise einem strengeren Ziel. Viele Proof-of-Work-Netzwerke passen die Schwierigkeit regelmäßig an, damit die durchschnittliche Blockproduktion trotz schwankender Gesamtrechenleistung etwa dem vom Protokoll vorgesehenen Takt entspricht. Verfahren und Zeitraum der Anpassung legt das jeweilige Netzwerk fest.

Die Rechenleistung oder Hashrate gibt an, wie viele Hash-Versuche pro Zeiteinheit möglich sind. Sie spiegelt den Rechenaufwand wider. Sie zeigt nicht, wie viele Nodes ein Miner kontrolliert, und entspricht nicht der bereits kumulierten Arbeit. Für die Wahl zwischen Zweigen stützen sich Nodes auf die von Blöcken nachgewiesene Arbeit, nicht auf Schätzungen der aktuellen Rechenleistung.

Die kumulierte Arbeit ist die Summe der Arbeitswerte, die das Protokoll aus Ziel oder Schwierigkeit jedes gültigen Blocks ableitet. Dieser Wert gibt an, wie viele Hash-Versuche die Erzeugung dieses Verlaufs im Durchschnitt voraussichtlich erfordert. Er misst nicht unmittelbar, wie oft Miner tatsächlich gescheitert sind, wie viel Strom sie verbraucht haben oder wie hoch ihre aktuelle Hashrate ist. Nodes können den Wert unabhängig aus den Blockdaten berechnen und müssen daher selbst gemeldeten Kosten der Miner nicht vertrauen.

Bestätigung ist probabilistisch

Proof of Work liefert in der Regel eine probabilistische Bestätigung und macht einen neuen Block nicht im Moment seines Erscheinens dauerhaft unveränderlich. Kommen nach dem Block mit einer Transaktion weitere Blöcke hinzu, steigt auch die Arbeit, die zum Ersetzen des Verlaufs mit dieser Transaktion nötig wäre. Die Wahrscheinlichkeit, von einer Kettenreorganisation betroffen zu sein – wenn ein kurz zuvor übernommener Zweig durch einen anderen ersetzt wird –, sinkt daher normalerweise.

„Ein paar Bestätigungen abwarten genügt“ hat keine feste, überall gültige Antwort. Es hängt von der Verteilung der Rechenleistung im Netzwerk, der Blockrate, dem Wert der Transaktion, dem Risiko, das die empfangende Seite tragen kann, und davon ab, ob eine Netzstörung oder ein außergewöhnlicher Fork auftritt. Die von einer Wallet oder Plattform angezeigte Zahl der Bestätigungen sagt nur, wie viele Blöcke der Transaktion gefolgt sind; sie ist keine bedingungslose Zusicherung.

Eine Kettenreorganisation bedeutet auch nicht zwangsläufig einen Angriff. Netzwerklatenz kann dazu führen, dass ehrliche Miner eine Zeit lang auf unterschiedlichen Blöcken aufbauen; anschließend löst der Zweig mit höherer kumulierter Arbeit den Widerspruch auf. Je mehr jüngere Blöcke eine Reorganisation umfasst, desto seltener ist sie meist – und desto genauer verdienen ihre Folgen Beachtung.

Was eine Mehrheit der Rechenleistung bewirken kann

Kontrolliert eine beteiligte Partei oder eine gemeinsam handelnde Gruppe dauerhaft genügend wirksame Rechenleistung, kann sie den eigenen Zweig schneller verlängern als der Rest des Netzwerks. Ein solcher Angriff mit Mehrheitsrechenleistung wird oft 51-%-Angriff genannt, doch „51 %“ ist nur eine praktische Bezeichnung; der tatsächliche Erfolg hängt zusätzlich von Dauer, Netzwerkbedingungen und Ziel der angreifenden Seite ab.

Ein Miner mit diesem Vorteil könnte versuchen, bestimmte Transaktionen auszuschließen oder zu verzögern, jüngere Blöcke zu reorganisieren oder jemanden zu bezahlen und die eigene Zahlung über einen anderen Zweig zurückzuholen – also eine doppelte Ausgabe. Er kann außerdem Blöcke anderer Miner aus dem letztlich übernommenen Zweig heraushalten.

Ein Vorsprung bei der Rechenleistung ist aber keine Befugnis, das Ledger beliebig umzuschreiben. Angreifende können keine gültige Signatur anderer Personen aus dem Nichts erzeugen, keine Assets ausgeben, deren Schlüssel sie nicht kontrollieren, und keine Blöcke von ehrlichen validierenden Nodes akzeptieren lassen, die Emissions- oder Transaktionsregeln verletzen. Proof of Work entscheidet den Wettbewerb zwischen gültigen Verläufen; die Gültigkeitsregeln setzt er nicht außer Kraft.

Mining-Belohnungen sind nicht Proof of Work

Viele öffentliche Netzwerke belohnen die Blockproduktion mit neu ausgegebenen Assets und Transaktionsgebühren und gleichen damit Kosten für Geräte, Strom und Betrieb aus. Diese Belohnungen geben Minern einen Anreiz zur Teilnahme, doch ihre Form definiert Proof of Work nicht.

Proof of Work beschreibt, wie nachprüfbare Rechenarbeit eingereicht wird, wie um Blockvorschläge konkurriert wird und wie Verläufe verglichen werden. Blocksubventionen, Transaktionsgebühren, Emissionsobergrenzen und sinkende Belohnungen gehören zu den wirtschaftlichen Regeln des jeweiligen Netzwerks. Die Gesamteinnahmen der Miner aus Subvention und Gebühren werden oft als Sicherheitsbudget des Netzwerks bezeichnet, weil sie den fortlaufenden Einsatz von Rechenleistung tragen. Diese Einnahmeregeln beeinflussen die Sicherheitsbedingungen von Proof of Work, sind aber nicht mit dem Konsensmechanismus gleichzusetzen.

Auch ein Mining-Pool ist kein neuer Konsensmechanismus. Ein Pool bündelt die Rechenleistung mehrerer Beteiligter für gemeinsames Mining und verteilt die Erträge nach Vereinbarung. Er kann die Schwankung der Einnahmen einzelner Beteiligter verringern. Hängt jedoch ein großer Anteil der Rechenleistung von wenigen Pool-Betreibenden ab, wirken deren Ausfälle, Transaktionsfilterung oder abgestimmtes Verhalten auf mehr Beteiligte.

Kosten und Abwägungen

Proof of Work bringt reale Ressourcenkosten in ein digitales Netzwerk. Wer das ehrliche Netzwerk dauerhaft einholen will, muss meist Geräte, Strom und Betriebsressourcen einsetzen; ehrliche Miner tragen dieselben Kostenarten. Diese Ressourcenkosten setzen eine wirtschaftliche Schwelle dafür, den Verlauf umzuschreiben und einen Vorsprung gegenüber ehrlichen Minern zu halten, und sind Teil des Sicherheitsmodells von Proof of Work. Die Gesamtsicherheit hängt weiterhin davon ab, dass Nodes korrekt validieren, sowie von der Verteilung der Rechenleistung, der Netzwerkanbindung, der Hashfunktion und den Software-Implementierungen.

Daraus ergeben sich deutliche Abwägungen:

• Energie- und Gerätekosten: Sehr viele Hash-Versuche verbrauchen Strom und erfordern spezialisierte oder leistungsstarke Hardware. Der tatsächliche Energiemix und die Emissionswirkung hängen von Region, Geräten, Herkunft der Last und Erhebungsmethode ab.
• Konzentration der Rechenleistung: Größe, günstiger Strom, Chip-Verfügbarkeit und Pool-Betrieb können Rechenleistung bei wenigen Beteiligten konzentrieren.
• Warten auf Bestätigungen: Probabilistische Bestätigung muss sich über Zeit aufbauen, und ein einzelner Block lässt sich nicht als endgültige Abwicklung behandeln.
• Veränderliches Sicherheitsbudget: Sinken Blocksubventionen oder ändern sich Assetpreise und Gebühreneinnahmen, können Minereinnahmen und Gesamtrechenleistung mitschwanken.
• Abstimmung von Regel-Upgrades: Rechenleistung kann Blockproduktion und Zweigwettbewerb beeinflussen, Protokoll-Upgrades hängen jedoch weiterhin davon ab, wie Software, Nodes, Miner, Nutzende und andere Beteiligte die Regeln übernehmen.

Der Energieverbrauch lässt sich auch nicht auf „jede Transaktion verbraucht zwangsläufig so viel Strom“ reduzieren, indem man durch eine Transaktionszahl teilt. Miner konkurrieren um Blöcke, und wie viele Transaktionen ein Block aufnehmen kann, ob er Stapel-Abwicklungsdaten anderer Systeme zusammenfasst und ob leere Blöcke auftreten, bestimmt das jeweilige System und seine Nutzung. Bei der Bewertung der Energiewirkung sollte klar sein, ob vom Gesamtverbrauch des Netzwerks, von einer Zeiteinheit, von einem Block oder vom Grenzeffekt einer Transaktionsart die Rede ist.

Vergleich mit anderen Konsensmechanismen

Proof of Work begrenzt den Wettbewerb um die Blockproduktion über externe Rechenressourcen. Bei Proof of Stake nehmen in der Regel Validierende, die das Protokoll-Asset hinterlegen, an Vorschlägen und Abstimmungen teil, wobei Belohnungen oder Strafen das Verhalten eingrenzen. Ein berechtigtes Netzwerk kann einfach festlegen, welche Organisationen oder Nodes am Konsens teilnehmen dürfen.

Alle diese Mechanismen müssen bestimmen, wer Daten vorschlagen darf, wie andere Nodes sie validieren, welches Ergebnis bei einem Widerspruch übernommen wird und ab wann eine Transaktion als ausreichend gesichert gilt. Sie unterscheiden sich darin, welche Ressource Einfluss begrenzt, welche Beteiligten als möglicherweise unehrlich angenommen werden und wer die Sicherheitskosten trägt.

Ein Mechanismus lässt sich deshalb nicht allein an der Frage des Stromverbrauchs als sicher oder geeignet beurteilen. Der Vergleich muss auch erfassen, wer teilnehmen kann, wie viel Hardware oder hinterlegtes Asset nötig ist, ob Einfluss konzentriert ist, wie Transaktionen bestätigt werden, ob eine Erholung nach einem Angriff möglich ist, wie Nodes Daten prüfen und wer die Regeln aktualisiert.

Häufig gestellte Fragen

Ist Proof of Work dasselbe wie Mining?

Nicht ganz. Mining ist der Vorgang, bei dem Beteiligte rechnen und um Blockvorschläge konkurrieren; Proof of Work umfasst zusätzlich, wie andere Nodes das Rechenergebnis validieren und wie das Netzwerk mehrere gültige Verläufe vergleicht. Umgangssprachlich werden beide Begriffe oft zusammen verwendet, ihr Umfang ist aber unterschiedlich.

Berechnen Miner die Transaktionen?

Nein. Miner hashen vor allem wiederholt blockbezogene Daten und suchen ein Ergebnis, das das Ziel erfüllt. Transaktionsausführung und Gültigkeitsprüfungen gehören zu einem anderen Satz von Protokollregeln.

Erzeugt der Miner mit der höchsten Rechenleistung immer den nächsten Block?

Nicht zwangsläufig. Mehr Rechenleistung bedeutet mehr Versuche im gleichen Zeitraum und damit eine höhere Wahrscheinlichkeit, doch jede einzelne Runde bleibt zufallsbehaftet. Langfristige Ergebnisse liegen näher am jeweiligen Anteil an der Rechenleistung.

Verhindert Proof of Work jede doppelte Ausgabe?

Nein. Er erhöht über kumulierte Arbeit die Kosten einer Verlaufsreorganisation, und das Risiko sinkt mit zunehmenden Bestätigungen normalerweise. Doppelte Ausgaben bleiben jedoch möglich, wenn Rechenleistung konzentriert ist, Bestätigungen nicht ausreichen oder das Netzwerk sich ungewöhnlich verhält.

Nutzen alle Blockchains Proof of Work?

Nein. Einige Netzwerke nutzen Proof of Stake, berechtigte Abstimmung oder andere Mechanismen. Dasselbe Netzwerk kann den Konsensmechanismus auch durch ein Protokoll-Upgrade wechseln.

Verwandte Begriffe

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Quellen

• Bitcoin-Whitepaper — ursprüngliche Darstellung von Proof of Work, Zweigwettbewerb, kumulierter Arbeit und Bestätigungswahrscheinlichkeit.
• Bitcoin Developer Guide: Block Chain — Hashing des Block-Headers, Ziel, Schwierigkeitsanpassung, kumulierte Arbeit und Kettenreorganisation.
• Bitcoin.org: FAQ — Grenzen der Minerbefugnisse, Bestätigungen, Angriffe über Rechenleistung und Mining-Anreize.
• NISTIR 8202: Blockchain Technology Overview — allgemeiner Ablauf von Proof of Work, Rolle im Konsens und Ressourcenabwägungen.