Gold-Mining und Bitcoin-Mining lassen sich insofern miteinander vergleichen, als dass es in beiden Fällen um die Gewinnung einer wertvollen Ressource mittels spezieller Ausrüstung und Verfahren geht. Während Gold-Miner nach Gold schürfen, schürfen Bitcoin-Miner nach einer ganz bestimmten alphanumerischen Zeichenkette, für die sie im Gegenzug mit Bitcoins belohnt werden.
Die Mining-Prozesse unterscheiden sich erheblich voneinander, und auch wenn der Anreiz zum Mining in der Belohnung durch etwas Wertvolles besteht, geht der Zweck des Bitcoin-Minings weit über die Entlohnung der Miner hinaus. Bitcoin-Mining ist wesentlich für die Sicherung der Integrität des gesamten Bitcoin-Netzwerks.
Bitcoin-Mining-Anreize und das Vorantreiben eines dezentralisierten Netzwerks ohne Vertrauensabhängigkeit
Bitcoin-Mining ist der Prozess der Verifizierung und des Hinzufügens von Transaktionen in das als Blockchain bekannte öffentliche Buchhaltungssystem. Der Bitcoin-Mining-Prozess wird von spezialisierten Computern, sogenannten ASICs (Application-Specific Integrated Circuit), durchgeführt, die versuchen, ein schwieriges, aber lösbares mathematisches Rechenproblem zu bewältigen. Wenn sie dabei erfolgreich sind, können sie einen neuen Block erstellen, der der Blockchain hinzugefügt wird, und werden für ihre Bemühungen mit Bitcoins belohnt.
Als Bitcoin 2009 von Satoshi Nakamoto ins Leben gerufen wurde, wurden die Bitcoin-Miner mit 50 Bitcoins pro geschürften Block belohnt. Ungefähr alle 4 Jahre wird die Belohnung halbiert. Heute, im Jahr 2023, liegt die Belohnung bei 6,25 Bitcoins pro validiertem Block. Zusätzlich zur Blockbelohnung erhalten die Miner die Transaktionsgebühren der Transaktionen, die mit dem neuen Block abgewickelt wurden.
Jeder neue Block enthält eine Aufzeichnung der neuesten Transaktionen, und etwa alle 10 Minuten wird ein neuer Block der Blockchain hinzugefügt. Die gesamte Blockchain wird auf Tausenden von Computern (Nodes) auf der ganzen Welt gespeichert, und sobald ein neuer Block hinzugefügt wird, ist er dauerhaft und unveränderlich. Die kleinste Datenänderung in der Blockchain würde sofort von dem Netzwerk erkannt und abgelehnt werden.
Das dezentralisierte Bitcoin Netzwerk, in dem Transaktionen durch Mining verifiziert und validiert werden, eliminiert die Notwendigkeit von Vermittlern und Parteien, die einander kennen und vertrauen müssen.
Die Teilnehmer des Bitcoin-Minings konkurrieren miteinander, können aber auch in Mining-Pools zusammenarbeiten, in denen sie ihre Rechenleistung und Erträge teilen. Es liegt im besten Interesse aller Bitcoin-Miner, das Protokoll zu befolgen und die Transaktionen ehrlich zu validieren, da kein Miner seine Situation verbessern kann, indem er vom Protokoll abweicht und versucht, Betrug zu begehen. In der Spieltheorie wird dies als Nash-Equilibrium bezeichnet, bei dem die beteiligten Spieler ihre Situation nicht verbessern können, indem sie ihre Strategie ändern.
Darüber hinaus basiert das Bitcoin-Protokoll auf dem Konsensmechanismus Proof-of-Work, der es für einen Miner sehr kostspielig bis unmöglich macht, ungültige Blöcke zu erstellen und durch die Mehrheit validieren zu lassen.
Proof of Work – Die Grundlage des Bitcoin-Minings
Da jeder am Bitcoin-Mining teilnehmen kann und kein Vertrauen zwischen den Netzwerk-Teilnehmern erforderlich ist, wird ein Konsensmechanismus benötigt, um zu regulieren, wer den nächsten Block zur Blockchain hinzufügen und Belohnungen erhalten kann.
Die Lösung von Satoshi Nakamoto für dieses Problem war die Implementierung von Proof of Work, bei dem die Miner ein kryptographisches Rätsel lösen müssen, indem sie eine bestimmte alphanumerische Datenzeichenfolge namens Hash finden. Dieser Hash verknüpft einen neuen Block dauerhaft mit der vorhandenen Blockchain und zeichnet die neuesten Bitcoin-Transaktionen auf.
Der Proof-of-Work-Mechanismus stellt sicher, dass die Miner eine erhebliche Menge an Rechenleistung und Strom aufwenden müssen, um den Hash zu finden, was erhebliche Kosten verursacht. Dieser Prozess, zusammen mit der wettbewerbsorientierten Natur des Bitcoin-Minings, bietet einen robusten, dezentralen und sicheren Weg, um die Blockchain aufrechtzuerhalten und zu validieren.
Entmystifizierung der Hash-Funktion, dem zentralen Algorithmus für das Bitcoin-Mining
Da Hash-Funktionen ein integraler Bestandteil des Bitcoin-Minings sind, müssen wir verstehen, wie sie funktionieren, um das Bitcoin-Mining zu verstehen. Hash-Funktionen oder Hashes sind sehr komplexe Algorithmen, die jeden Eingangsdatensatz in einen alphanumerischen Code fester Länge umwandeln.
Eine wesentliche Eigenschaft von Hash-Funktionen ist, dass es sich um deterministische Einwegfunktionen handelt, die von Design her nicht umkehrbar sind.
Deterministisch bedeutet, dass Sie bei jeder Eingabe der exakt gleichen Daten immer denselben Hash als Ausgabe erhalten. Sie sind unumkehrbare Einwegfunktionen, da sie nur in eine Richtung von Eingangsdaten zum Hash berechnet werden können. Es ist unmöglich, die Berechnung umzukehren und anhand des Hashes herauszufinden, welche Eingangsdaten dem Hash vorausgingen. Im Gegensatz zu Hash-Funktionen ist die Verschlüsselung eine zweidirektionale Funktion, da sie zu einem späteren Zeitpunkt entschlüsselt werden kann.
Es gibt eine Vielzahl von Hash-Typen, aber für das Bitcoin-Mining wird die Hash-Funktion SHA256 verwendet. SHA256 erzeugt einen 256 Bit langen Hash für jeden beliebigen Dateninput.
Beispiel: Die Eingabe von Daten „j“ erzeugt einen 256-Bit-langen Hash.
Selbst minimale Abweichungen bei den Eingabedaten führen zu völlig verschiedenen Hashes. Daher lassen Hashes keine Rückschlüsse auf Ähnlichkeiten bei den Eingabdaten zu.
Beispiel: „How are you today“ und „How are you today?
Sogar bei Eingabe der Daten einer ganzen Bibliothek bleibt der resultierende alphanumerische Hash nur 256 Bits lang.
Probiere es selbst aus und spiel hier mit Hash-Funktionen.
Grundlagen des Bitcoin-Minings – Blockbildung, Mempool-Transaktionen und kryptografische Herausforderungen
Nachdem wir nun verstanden haben, wie Hashes funktionieren, wollen wir ihre Verwendung beim Bitcoin-Mining untersuchen, bei dem das Ziel des Miners darin besteht, einen neuen Block zu erstellen und ihn an die bestehende Blockchain anzuknüpfen.
Ein Block ist im Grunde ein Datensatz, der hauptsächlich aus Transaktionsdaten besteht. Bitcoin-Miner holen sich die Transaktionsdaten aus dem Mempool. Ein Mempool (kurz für „Memory Pool“) ist eine Datenstruktur, die jede Node im Bitcoin-Netzwerk verwaltet, um alle unbestätigten Transaktionen zu speichern, die sie erhalten hat. Ein Mempool ist sozusagen das Wartezimmer für unbestätigte Transaktionen, bis sich ein Miner entscheidet, sie in den nächsten Block aufzunehmen.
Ein Block enthält auch einen Block-Header mit wichtigen Metadaten wie die Magic Number, das Block Size Limit, die Block Header Version, der Previous Block Hash, der Merkel Root, der Timestamp, das Difficulty Target (nBits) und die Nonce. Da der Previous Block Hash, der Merkle Root, das Difficulty Target und die Nonce für das Mining besonders relevant sind, werden wir ihre Funktion kurz erläutern.
- Previous Block Hash: Dies ist der Hash des vorherigen Blocks in der Blockchain. Um der Blockchain einen neuen Block hinzuzufügen, müssen die Miner den Hash des vorherigen Blocks in den Header des aktuellen Blocks aufnehmen. Dadurch wird eine kryptografische Verbindung zwischen dem neuen Block und dem vorherigen Block hergestellt, wodurch die Sicherheit und Unveränderlichkeit der Blockchain gewährleistet wird.
- Merkle-Root: Der Merkle-Root ist ein Hash-Wert aller Transaktionen im Block zusammengenommen. Um einen neuen Block zu minen, müssen die Miner einen gültigen Merkle-Root in den Block-Header aufnehmen. Der Merkle-Root verknüpft die Transaktionen und den Block-Header und stellt sicher, dass alle Transaktionen im Block gültig sind und nicht manipuliert wurden.
- Difficulty Target: Das Difficulty Target ist ein Maß dafür, wie schwierig es ist, einen gültigen Hash für den Block zu finden. Um einen neuen Block zu minen, müssen die Miner einen Hash finden, den Schwellenwert des Difficutly Targets unterschreitet. Das Difficulty Target wird alle 2016 Blöcke (etwa alle 2 Wochen) angepasst, um eine konstante Blockproduktionsrate zu gewährleisten. Die Anpassung erfolgt auf Basis der Gesamt-Hashrate des Netzwerks.
- Nonce: Die Nonce ist eine Zufallszahl, die Miner anpassen können, um einen gültigen Hash für den Block zu finden.
Nach Fertigstellung eines Blocks wird der gesamte Datensatz des Blocks einer SHA256-Hash-Funktion unterzogen, die einen Hash generiert, der in den Header des nächsten Blocks eingefügt werden soll. Um akzeptiert zu werden, muss der Hash-Wert jedoch unter einem bestimmten Schwellenwert (Difficulty Target) liegen. Dies bedeutet in der Umsetzung, dass der Hash eine bestimmte Anzahl von führenden Nullen aufweisen muss.
Da Hashes deterministisch sind und derselbe Datensatz immer denselben Hash erzeugt, ist es die Nonce, die für die Variabilität bei der Erstellung neuer Hashes bei ansonsten gleichem Datensatz, sorgt. Durch Ändern des Nonce-Wertes und erneutes Hashing des Datensatzes wird ein neuer Hash erzeugt. Die 32-Bit-Nonce ermöglicht jedoch etwa 4 Milliarden Iterationen, während möglicherweise Sextillionen von Berechnungen erforderlich sind.
Die Grenzen der Nonce werden dadurch kompensiert, indem auch die Reihenfolge der Transaktionsdaten geändert wird, der Zeitstempel geändert wird oder eine extra Nonce hinzugefügt wird. Letztere ist eine variabler Wert, der der Coinbase-Transaktion hinzugefügt wird. Die Coinbase-Transaktion ist die erste Transaktion im Block, welche die Mining-Rewards an die Miner ausschüttet. Zusammen ermöglichen diese Variablen genügend Variationsmöglichkeiten, um einen Hash zu finden, der den Anforderungen des Difficulty Targets entspricht.
Schonungsloses Non-Stop-Hashing – Der Motor hinter dem Bitcoin Mining
Die Hash-Rate ist das Maß für die beim Bitcoin Mining verwendete Rechenleistung, ausgedrückt in Hashes pro Sekunde. Je höher die Hash-Rate, desto größer ist die Chance, einen Block erfolgreich zu minen. Eine steigende Hash-Rate wird durch einen steigenden Schwierigkeitsgrad ausgeglichen, um die ungefähre Zeit von 10 Minuten für das Mining eines Blocks beizubehalten.
Insgesamt hat sich die Hash-Rate im Laufe der Zeit erheblich erhöht. Im Jahr 2023 produzieren Bitcoin-Miner im Durchschnitt Hunderte von Quintillionen Hashes (ExaHashes) pro Sekunde. Am 25. März 2023 erreichte die Hash-Rate mit 414,33 ExaHashes pro Sekunde bei Block 782.408 ein Allzeithoch. Bei dieser Hash-Rate wären durchschnittlich 248,598 ZettaHashes (ZH) oder 248,598 Sextillionen Hashes erforderlich, um einen Block zu minen, wobei eine durchschnittliche Mining-Zeit von 10 Minuten angenommen wird.
Die Berechnung lautet wie folgt: Hashes pro Block = 414,33 EH/s * 600 Sekunden pro Block → Hashes pro Block = 248.598 EH. Da 1 ZettaHash (ZH) 1.000 ExaHashes (EH) und 1 Sextillion 1.000 Quintilliarden entspricht, entsprechen 248.598 EH 248,598 ZH oder 248.598.000.000.000.000.000.000 Hashes.
Man muss kein Mathegenie sein, um zu verstehen, dass es sich hier um eine unvorstellbar große Anzahl von Berechnungen handelt.
Bitcoin Mining erzeugt einen stetig wachsenden kryptografischen Schutzwall
Wie wir wissen, sind Hashes deterministisch und verknüpfen alle Blöcke in der Blockchain kryptografisch miteinander. Das bedeutet, dass selbst eine winzige Änderung in einem Block zu einem anderen Hash führt, wodurch alle nachfolgenden Blöcke und ihre Hashes ungültig werden.
Eine Manipulation einer Transaktion in der Vergangenheit würde also nicht nur die Neuberechnung des Blocks mit der Transaktion, sondern auch aller nachfolgenden Blöcke und ihrer Hashes erfordern. Dies ist eine extrem rechenintensive Aufgabe, die eine gigantische Menge an Energie erfordern würde, und selbst mit dem hypothetischen Aufkommen zukünftiger Quantencomputer würde eine solche Änderung immer noch nicht vom Netzwerk akzeptiert werden.
Im Bitcoin-Mining-Prozess muss ein Block, damit er der Blockchain hinzugefügt werden kann, bestimmte Anforderungen erfüllen, wie die Einhaltung der Konsensregeln Proof of Work, die von den Nodes des Netzwerks überwacht werden.
Jeder Block, der diese Anforderungen nicht erfüllt, wird vom Netzwerk abgelehnt, und alle Änderungen an der Blockchain müssen von der Mehrheit der Nodes des Netzwerks akzeptiert werden, um als gültig zu gelten.
Selbst wenn jemand in der Lage wäre, eine Transaktion zu ändern und die gesamte Blockchain neu zu berechnen, würde die neue Version der Blockchain daher vom Netzwerk nicht anerkannt werden, es sei denn, sie würde von der Mehrheit der Knoten akzeptiert. Dies macht es extrem schwierig, wenn nicht gar unmöglich, Transaktionen zu ändern, die bereits bestätigt und in der Blockchain aufgezeichnet wurden.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Bitcoin-Mining eine Ankerfunktion in der physischen Welt hat, da die Miner reale Energie in Rechenleistung umwandeln müssen. Dieser Prozess folgt den Gesetzen der Physik und schafft eine hochsichere kryptografische Festung im Cyberspace, die mit fortschreitendem Bitcoin-Mining immer schwerer zu durchdringen ist.
