Wie funktioniert Bitcoin-Mining eigentlich?

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Bitcoin-Mining ist eines der bekanntesten und zugleich umstrittensten Aspekte von Bitcoin. Was für manche eine bahnbrechende Innovation in der Netzwerksicherheit darstellt, ist für andere nichts weiter als eine Verschwendung von Energie und Ressourcen. Aber wie funktioniert das “Schürfen” von Bitcoin eigentlich?

Da Bitcoin ein dezentrales Netzwerk ist, an dem jeder teilnehmen kann, gibt es keine zentralen Entscheidungsträger, welche die Erstellung neuer Blöcke mit neuen Transaktionen kontrollieren können – und somit auch niemanden, der die Ausschüttung neuer Coins steuert.

Komplexe mathematische Rätsel

Um komplexe technische Konzepte in einfacheren Worten darzustellen, wird oft eine Analogie verwendet. Die bekannteste findet sich bereits im Namen wieder: Mining, ein teurer und aufwändiger Prozess zur Gewinnung seltener Elemente wie beispielsweise Gold. Angesichts der schwindenden, begrenzten Goldmenge auf der Erde wird das Schürfen von Gold immer schwieriger und teurer, je mehr Leute es versuchen. Aber wie kann dasselbe auf Bitcoin zutreffen, wo es sich doch streng genommen nur um unsichtbare Zahlen auf einigen tausend Computern handelt?

Viele Zeitungsartikel oder TV-Dokumentationen über Bitcoin versuchen, Bitcoin-Mining mit dem Lösen „komplexer mathematischer Rätsel“ zu vergleichen, für die es leistungsstarke Computer braucht. Das ist nicht nur technisch etwas irreführend, sondern klingt auch ziemlich mysteriös und wirft vermutlich mehr Fragen auf, als es beantwortet. Was genau wird gelöst und warum sollte es so schwierig sein?

Um diese Fragen zu beantworten, lassen wir bisherige Analogien und technische Erklärungen, die du vielleicht schon gehört hast, hinter uns. Bitcoin-Mining ist nicht so komplex, wie du vielleicht denkst – sondern es ist tatsächlich relativ leicht, den grundlegenden Mechanismus dahinter zu verstehen.

Ein Würfelspiel

Kennst du das Gefühl, bei einer Runde Monopoly im Gefängnis zu sitzen und einen Pasch würfeln zu müssen, um herauszukommen? Genau vor dieser Herausforderung stehen im Grunde auch Bitcoin-Miner. Sie müssen immer wieder neu würfeln, in der Hoffnung, ein gültiges Ergebnis zu erzielen – eine Frage der Wahrscheinlichkeit, da die Würfelergebnisse effektiv zufällig und unvorhersehbar sind. Schauen wir uns das etwas genauer an und behalten dabei dieses Grundprinzip im Hinterkopf.

Bitcoin-Mining unterscheidet sich natürlich etwas vom Pasch würfeln in Monopoly. Das eigentliche Ziel besteht darin, eine Zahl zu würfeln, die kleiner als ein vorgegebener Zielwert ist. Würde man einen klassischen Würfel mit sechs Seiten nehmen, könnte man den Zielwert z.B. auf drei setzen – sodass derjenige, der zuerst eine Eins oder eine Zwei würfelt, eine Runde im Spiel gewinnt. Das Besondere an dem Zielwert ist, dass wir mit ihm den Schwierigkeitsgrad des Spiels verändern können. Wird der Zielwert beispielsweise auf sechs angehoben, wäre es wesentlich leichter zu gewinnen, da nun eine Eins, Zwei, Drei, Vier oder Fünf ausreichend wäre.

Stell dir vor, du spielst dieses Spiel zusammen mit anderen, wobei alle so schnell wie möglich würfeln, um als Erster ein gültiges Ergebnis zu erzielen. In unserem Beispiel wären die Runden recht kurz, da es von vornherein nur sechs mögliche Ergebnisse gibt. Aber natürlich können wir das ändern, indem wir mehr Würfel hinzufügen! Würden wir beispielsweise vier Würfel verwenden und den Zielwert weiterhin bei sechs belassen, wäre es schwieriger, eine Vier oder Fünf zu würfeln.

Wenn du dieses – zugegebenermaßen etwas seltsame – Würfelspiel verstanden hast, bist du bestens gerüstet, um zu verstehen, wie Bitcoin-Mining wirklich funktioniert, denn nun wenden wir das Beispiel auf die technische Realität im Bitcoin-Netzwerk an.

Die technische Realität

Wenig überraschend kommen bei einem echten ASIC-Miner (die spezialisierte Hardware für Mining-Operationen) keine echten Würfel zum Einsatz. Was im Bitcoin-Netzwerk verwendet wird, sind sogenannte Hashfunktionen.

Hashfunktionen

Kryptografische Hashfunktionen können eine beliebige Datenmenge (z. B. einen Bitcoin-Block), auf eine immer gleiche Länge an effektiv zufälligen Daten komprimieren. Ähnlich wie beim Würfeln kannst du das Ergebnis einer Hashfunktion nicht vorhersagen, bevor man sie tatsächlich ausführt. Es ist wie ein digitaler Fingerabdruck der eingegebenen Daten.

Wenn dein Freund dir am Telefon mitteilt, dass er eine Eins gewürfelt hat, ist es sehr schwer, diese Behauptung zu überprüfen. Selbst wenn du bei ihm wärst, könnte das Ergebnis durch einen gezinkten Würfel manipuliert sein. Die Überprüfung von Hashwerten ist hingegen einfach, da derselbe Input immer zum gleichen Hashwert führt, was die Ergebnisse verifizierbar macht. Da jeder Hashwerte selbst auf dem eigenen Computer berechnen kann, lassen sich jegliche Aussagen über Ergebnisse der Hashfunktion unabhängig überprüfen, indem derselbe Eingabewert genutzt wird. Du kannst das auch selbst ausprobieren und prüfen, ob der unten stehende Hash für „BitBox“ korrekt ist!

Im Wesentlichen ist die beim Bitcoin-Mining verwendete Hashfunktion SHA-256 eine technische Umsetzung eines Würfels – mit einigen zusätzlichen Vorteilen und Eigenschaften. Sie verfügt über eine unglaublich hohe Anzahl von Seiten (nicht nur sechs), die Ergebnisse sind (wie bei Casino-Würfeln) unvorhersehbar und – im Gegensatz zu normalen Würfeln – können die Ergebnisse nachträglich überprüft werden. Gleichzeitig ist es nicht möglich, eine Hashfunktion umzukehren. Wenn du die ursprüngliche Eingabe nicht kennst, kannst du diese nicht allein anhand des Hashwertes berechnen. Einfach ausgedrückt kann man im Spiel also nicht betrügen, indem man die Würfel manuell auf die gewünschte Seite dreht.

Hashen, hashen, hashen…

… ist eigentlich auch schon alles, was Miner machen: Sie würfeln so oft und kosteneffizient wie möglich, moderne Hardware schafft das mehrere Billionen Male pro Sekunde. Parallel können ganze Mining-Farmen noch höhere Raten erreichen – was natürlich auch mit höheren Betriebskosten einhergeht. Je höher diese “Hashrate” ist, desto größer wird die Wahrscheinlichkeit, eine Runde des Spiels zu gewinnen. Bleiben wir bei der Analogie: Wenn du doppelt so schnell würfelst wie dein Gegner, erhöhen sich deine Chancen, vor ihm eine ausreichend niedrige Zahl zu würfeln.

Die Zielwerte im Bitcoin-Netzwerk sind wesentlich schwieriger zu erreichen als in unserem obigen Beispiel. Da Hashwerte unfassbar groß sind, gibt es genügend Spielraum, um den Schwierigkeitsgrad des Spiels anzupassen und es auch in weiter Zukunft herausfordernd zu halten. Das Netzwerk passt die Schwierigkeit automatisch alle zwei Wochen an, um die durchschnittliche Zeit zwischen neuen Bitcoin-Blöcken bei etwa zehn Minuten zu halten – dies ermöglicht eine kontrollierte Synchronisation und ein stetiges Wachstum der Blockchain, sowie eine konstante Ausschüttung neuer Coins.

"Um steigende Hardwareleistung und zeitlich schwankendes Interesse daran, eine arbeitende Node zu betreiben, auszugleichen, wird die Proof-of-Work-Schwierigkeit durch einen gleitenden Mittelwert bestimmt, der auf eine durchschnittliche Anzahl von Blöcken pro Stunde abzielt. Wenn sie zu schnell generiert werden, steigt die Schwierigkeit."
– Satoshi Nakamoto im Bitcoin-Whitepaper

Blöcke bauen

Natürlich würfeln Miner nicht einfach willkürlich. Die Eingabe in die Hashfunktion wird sorgfältig zusammengestellt und repräsentiert den neuen Bitcoin-Block – einschließlich neuer Transaktionen, einem Verweis auf den vorherigen Block und mehr! Übrigens: Durch den Verweis auf den vorherigen Block entsteht die sogenannte „Blockchain“, da so alle Blöcke aufeinander verweisen. Der Hashwert eines Blocks repräsentiert alle seine Transaktionen sowie seinen Vorgänger und verkettet sie damit effektiv miteinander.

Der Miner verändert kontinuierlich kleine Details am Input, um „noch einmal zu würfeln“, sprich, um einen neuen Hashwert zu erzeugen. Mit sehr viel Glück ist dieser Hashwert kleiner als der aktuelle Zielwert im Netzwerk, und der Miner hat einen neuen Bitcoin-Block erstellt – wofür neue Coins und die Gebühren der enthaltenen Transaktionen als Belohnung ausgeschüttet werden.

Alle anderen Teilnehmer im Netzwerk können diesen neuen Block selbst überprüfen, indem sie den Hashwert berechnen, um zu verifizieren, ob er tatsächlich klein genug ist. Unter anderem wird natürlich auch geprüft, ob die enthaltenen Transaktionen gültig sind. Ist dies der Fall, beginnt das Spiel wieder von vorn: Miner bauen den nächsten Block und berechnen so viele Hashwerte wie möglich – so langsam wird es klar!

Proof of Work

Der gesamte soeben beschriebene Prozess erfordert enorm viel Arbeit. Miner müssen Grundstücke mieten, teure Hardware kaufen und Stromrechnungen bezahlen, nur um auf einem profitablen Niveau weiter zu würfeln und dabei mit anderen Minern zu konkurrieren, die natürlich ebenfalls effizienter sein wollen. Aus diesem Grund wird ein gültiger Blockhash oft als Proof of Work (Arbeitsnachweis) bezeichnet, weil das Finden des richtigen Eingabewertes genau das erfordert: Zeit und Energie – oder eben eine ordentliche Portion Glück. Proof-of-Work-Mining ist unser bester Ansatz, um sicherzustellen, dass niemand das System betrügt und somit das Bitcoin-Netzwerk abgesichert wird. Ohne diesen Mechanismus wäre Bitcoin nichts weiter als eine langweilige und ineffiziente Datenbank.

Zusammenfassung

Durch die Kombination von Proof-of-Work-Mining mit digitalen Signaturen und einer dezentralen Netzwerkarchitektur löste Satoshi Nakamoto ein grundlegendes Problem in der Informatik: die Schaffung eines digitalen Geldes ohne zentrale Vertrauenspartei. Der einfache, aber elegante Mechanismus hinter dem Bitcoin-Mining stabilisiert das Netzwerk durch konsistente Intervalle zwischen Blöcken, gibt neuen Blöcken genügend Zeit, sich im Netzwerk zu verbreiten, und motiviert durch ein faires Belohnungssystem zur Teilnahme. Während eine BitBox Hardware-Wallet deine Coins sichert, schützt das Proof-of-Work-Mining die Coins von allen und stellt damit wohl die wichtigste Innovation im Bitcoin-Netzwerk dar.

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