Was ist Proof of Work (PoW)?

Hintergrund:

Der Begriff „Proof of Work (PoW)“ kam bereits erstmals 1992 – vor dem Bekanntwerden und der Popularisierung von digitalen Währungen – auf. Damalige Idee war es mittels eines PoW-Ansatzes den großvolumigen Versand von Junkmails zu unterbinden, welche dann im Hashcase-Algorithmus weiterverfolgt und umgesetzt wurde. Spammer (Absender von Junkmails) hätten dann vor der Übermittlung einer Nachricht eine einfache kryptographische Aufgabe lösen müssen, deren erforderliche Rechenleistung aber Junkmails in großer Anzahl relativ unrentabel machte.

Wie funktioniert PoW?:

Im heutigen Sinne bezeichnet Proof of Work einen dezentralen Konsensmechanismus, welcher für die Generierung und Validierung neuer Blöcke einer Blockchain verwendet wird. Er dient neben dem „Schürfen neuer Coins“ dafür, dass alle neuen Transaktionen von Kryptowährungen vor der Aufnahme ins Netzwerk durch die Blockchain-Teilnehmer mittels eines Arbeitsnachweises überprüft werden. Sämtliche Transaktionen innerhalb eines festgelegten Zeitintervalls werden dabei zu einem Block zusammengefasst. Bevor ein Knotenpunkt (Node) den neuen Block dann übertragen kann, wird zuerst eine gewisse Menge Rechenleistung abverlangt, die zur Lösung einer komplexen Rechenaufgabe benötigt wird. Derjenige Netzwerkteilnehmer, der als erstes die Aufgabe löst, generiert einen sogenannten Hash aus der Lösung und den Blockinhalt. Dieser muss bestimmte Voraussetzung erfüllen, die im jeweiligen Netzwerkprotokoll festgelegt sind. Wurde schließlich der richtige Hashwert gefunden und von den anderen Netzwerkmitgliedern hinsichtlich seiner Gültigkeit validiert, darf der neue Block an die Blockchain angehängt werden. Vereinfacht ausgedrückt ist der PoW ein Wettbewerb zwischen allen Netzwerkmitgliedern, wobei es grundsätzlich darum geht, ein komplexes mathematisches Problem zu lösen, dessen Lösung seitens der anderen Teilnehmer leicht zu validieren ist. Derjenige, der den richtigen Hash am schnellsten findet, wird hierfür belohnt. Dieser wirtschaftliche Anreiz stellt sicher, dass sich genügend Personen weltweit am Netzwerk beteiligen, um es am Laufen zu halten und noch zu verlässlicher zu gestalten.

Beispiel Bitcoin:

Am Beispiel von Bitcoin umfasst die Belohnung zum einen die sogenannte Blocksubvention. Die Blocksubvention besteht aus neuen Coins, deren genaue Anzahl der Halving-Mechanismus festlegt. Derzeit (Stand Januar 2022) beträgt diese 6,25BTC pro Block. Zusätzlich zur Blocksubvention kommen noch die vom Absender beigesteuerten Transaktionsgebühren hinzu, dessen Summe letztendlich die Blockprämie darstellt. Dieser Prozess wird analog zum Abbau von Edelmetallen als Mining bezeichnet, weshalb am PoW beteiligte Personen auch als „Miner“ respektive „Schürfer“ bezeichnet werden. Folglich dient der PoW als fairer Mechanismus, da neue Coins nur gegen einen realen Aufwand an Ressourcen zugeteilt werden.

Was spricht für und gegen den PoW-Mechanismus:

Grundsätzlich schützen etablierte PoW basierende Blockchains in Bezug auf die Sicherheit vor Angriffen und fehlerhaften Transaktionen, da der Konsensmechanismus gegenüber Sybil-Angriffen und 51-Prozent-Angriffen relativ resistent ist. Der Arbeitsnachweis schließt zwar derartige Angriffe nicht aus, macht sie aber aufgrund der benötigten Ressourcen zunehmend unwahrscheinlich. Da der PoW hohe Kosten für das Schreiben eines Blocks verursacht und ceteris paribus sein Validierungsaufwand gering ist, besteht für Netzwerkteilnehmer kaum ein Anreiz, ungültige Transaktionen zu erstellen. Da jeder beteiligte Knotenpunkt (Node) entbehrlich für die Generierung und dessen Validierung ist, müssen sich Miner an die Konsensregeln halten, da sie ansonsten keine Kompensation für die Ressourcen erhalten.

Beim PoW treten alle beteiligten Parteien im Grunde genommen mit ihrer Rechenleistung gegeneinander an. Folglich sind „professionelle Miner“ mit leistungsfähigerer Hardware gegenüber „Hobby-Schürfern“ (welche z. B. ihren Heim-PC für Mining benutzen möchten) im Wettbewerb um den Erhalt einer Prämie im Vorteil. Da zusätzliche Hardware und mehr Rechenleistung mit höheren Energiekosten einher geht, werden deshalb Mining-Zentren oft in Regionen mit günstigem Strom angesiedelt (z.B. chinesische Provinz Sichuan, Island oder Quebec). Die Debatte um den hohen Stromverbrauch, den der PoW-Mechanismus verschlingt, ist nicht nur Wasser auf die Mühlen seiner Kritiker, sondern bestimmt auch zunehmend die gesellschaftliche Diskussion über die Nachhaltigkeit von Kryptowährungen im Allgemeinen.