Wenn du mehr über Blockchain und ihre Funktionsweise erfahren möchtest, musst du den Konsensalgorithmus „Proof of Work“ verstehen. Investoren und Blockchain-Enthusiasten sollten sich mit der nachhaltigen Implementierung von PoW vertraut machen, bevor sie in diesem Bereich weitermachen können.
Der Hauptvorteil des Proof-of-Work-Algorithmus besteht darin, dass er eine Kryptowährung vor doppelten Ausgaben bei einem 51%-Angriff schützt.
Viele Kryptowährungen, einschließlich Bitcoin und Ethereum, verwenden den PoW-Mechanismus, um neue Transaktionen zu bestätigen und sie zur Blockchain hinzuzufügen, um neue Blöcke und damit neue Kryptowährungen als Belohnung für die Miner zu schaffen.
Miner investieren mit Hilfe ihrer Mining-Rigs in die Blockchain-Technologie und konkurrieren miteinander, um die Transaktionsverarbeitung auf einer bestimmten Blockchain abzuschließen und für ihre Bemühungen belohnt zu werden.
In diesem Guide lernen wir das Schlüsselkonzept hinter dem PoW-Konsensalgorithmus kennen und wie er sicher funktioniert, um das Blockchain-System narrensicher zu machen. Wir werden die Probleme verstehen, die Miner lösen, und warum diese mathematischen Probleme für die Nachhaltigkeit des Blockchain-Marktes so wichtig sind.
Du wirst verstehen, warum viele Kryptowährungen immer noch das ineffiziente PoW-System verwenden und warum Ethereum 2.0 sich auf das PoS-System konzentriert.
Einführung in Proof of Work
Proof of Work wurde erstmals von Bitcoin verwendet, der ersten jemals existierenden Kryptowährung. Es ist daher der älteste Konsensmechanismus und wird immer noch von der Mehrheit der Kryptowährungen verwendet. Es gibt eine Reihe von Gründen, warum Proof of Work der beliebteste Konsensalgorithmus ist.
Einer der Hauptgründe für seine Beliebtheit ist, dass es Fairness und Dezentralisierung im dezentralen Blockchain-Ökosystem fördert. Obwohl es einige andere Wettbewerber auf dem Markt gibt, funktioniert Proof of Work immer noch wunderbar und ist sehr effektiv.
PoW erreicht eine gute Bewertung auf der BFT (Byzantine Fault Tolerance)-Skala. Dieses System ist entwickelt worden, um zu verhindern, dass die Knoten in einer Blockchain gegen den gemeinsamen Konsens arbeiten, um die Werte zu ändern.
Mit Hilfe der BFT-Funktionen können Blockchains ihren Knoten sicher erlauben, Transaktionen zu validieren und neue Blöcke zur Kette hinzuzufügen, indem sie kontinuierlich mathematische Rätsel lösen. Dies hält sie davon ab, die zu der Blockchain hinzugefügten Daten nach dem Konsens zu manipulieren.
Der erste Knoten, der eine erfolgreiche Lösung für die mathematischen Rätsel vorschlägt, erhält die Erlaubnis, einen neuen Block zur Blockchain hinzuzufügen. Nachdem der Block zur Kette hinzugefügt wurde, wird der erfolgreiche Knoten von der Blockchain für seine Bemühungen belohnt. Zum Beispiel werden für Knoten, die im Ethereum-Netzwerk arbeiten, ETH-Token als Belohnung verwendet.
Ein weiterer wichtiger Zweck des PoW-Konsensmechanismus besteht darin, eine geschlossene Wirtschaftsstruktur innerhalb jeder Blockchain zu fördern. Dies fördert die Selbstnachhaltigkeit unter jeder Blockchain, die den PoW-Konsensmechanismus verwendet.
Proof of Work löst mathematische Probleme
PoW beinhaltet, dass Knoten versuchen, komplexe mathematische Probleme zu lösen, um neue Blöcke zur Blockchain hinzuzufügen und die Belohnung zu erhalten. Da diese mathematischen Probleme jedoch sehr komplex sind, benötigen sie viel Rechenleistung vom Miner-Computer.
Die Probleme können in ihrer Komplexität variieren, benötigen jedoch immer eine hohe Hashrate vom Mining-Rig.
In Hash-Funktionen muss das Mining-Rig eine zufällige Nummer oder einen Hash einer bestimmten Länge generieren. Der erste Miner, der die Zufallszahl errät, erhält die Erlaubnis, einen neuen Block zur Blockchain hinzuzufügen, indem er die Transaktionen überprüft.
Bei der Integer-Faktorisierung muss eine größere Zahl in kleinere Zahlen zerlegt werden, und Primzahlen werden von Minern unter bestimmten Einschränkungen verwendet.
Die Verwendung des PoW-Protokolls schützt die Blockchain vor DoS-Angriffen, indem komplexe mathematische Rätsel verwendet werden. Die Methode arbeitet daran, die Ursache des Problems zu finden und zu lösen, bevor ein Hacker das Netzwerk ausnutzen kann.
Da ein Miner viel Aufwand betreiben muss, um die Transaktionen zu validieren und die Blöcke zur Blockchain hinzuzufügen, werden sie für ihre Bemühungen belohnt. Wenn jedoch ein Netzwerk schnell wächst, werden Skalierbarkeit und Sicherheit des Netzwerks zu einer großen Herausforderung.
Die zunehmende Komplexität eines großen Netzwerks erhöht auch die erforderliche Hashrate, um mathematische Rätsel zu lösen. Dies ist der Hauptgrund für die Einführung des PoS (Proof of Stake)-Konsensmechanismus, der im Vergleich zu PoW viel energieeffizienter und skalierbarer ist.
Wer hat das PoW-Konsensmodell gegründet?
Da Bitcoin auf dem PoW-Mechanismus basiert, musste Proof of Work vor der Erfindung von Bitcoin erfunden werden. Der Algorithmus stammt aus dem Jahr 1993, als er von Cynthia Dwork und Moni Naor in einem ihrer Artikel als perfekte Möglichkeit zur Abwehr von DoS-Angriffen veröffentlicht wurde. Der Algorithmus wurde als perfekte Möglichkeit zur Verhinderung von DoS-Angriffen und zur Gewährleistung von Sicherheit, Nachhaltigkeit und Skalierbarkeit auf lange Sicht vermarktet.
Bevor es von Nakamoto bei der Schaffung von Bitcoin verwendet wurde, wurde PoW von einem Informatiker namens Hal Finney verwendet, der 2004 das Konzept von RPoW (Reusable Proof of Work) einführte. RPoW funktionierte, indem es ein nicht fungibles Token als PoW-Eingabe erhielt und ein bestimmtes Token ausgab, das zwischen Personen gehandelt werden konnte.
Proof of Work wurde auch in anderen Anwendungen verwendet. Zum Beispiel wurde es in Adam Backs HashCash verwendet; das System erfordert, dass der Absender mathematische Aufgaben löst, bevor er eine E-Mail sendet, und hält so die Empfänger von Spam-E-Mails fern.
Im Proof-of-Work-Konsensmechanismus dürfen Knoten vom Netzwerk Transaktionen überprüfen und neue Blöcke zur Blockchain hinzufügen. Das System, das die Validatoren auswählt, funktioniert wie eine Lotterie.
Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Validator ausgewählt wird, hängt direkt von seiner Hashrate ab. Im PoW-System gibt es Minen und dann Vollknotenbetreiber.
Miner nehmen am Mining-Prozess teil, indem sie mathematische Rätsel lösen und das Recht gewinnen, Transaktionen zu validieren und neue Blöcke zum Blockchain-Netzwerk hinzuzufügen.
Jedes vom Netzwerk bereitgestellte Problem muss von den Minern gelöst werden, um die Belohnungen zu gewinnen. Sobald ein Block von einem Knoten erstellt wurde, erleichtert PoW anderen Knoten die Überprüfung der Transaktionen.
Um neue Transaktionen zu validieren und sie zu kombinieren, um neue Blöcke auf der Blockchain zu erstellen, müssen die Knoten viel Arbeit leisten. Deshalb wird im Prozess des Minings und der Erzeugung neuer Blöcke auf den Blockchains, die den PoW-Mechanismus verwenden, viel Strom verbraucht.
Der übermäßige Stromverbrauch in diesem Prozess verursacht viele Umweltprobleme. Der Mechanismus wird verwendet, um neue Transaktionen zu überprüfen und neue Blöcke zu validieren, bevor sie zur Blockchain hinzugefügt werden. Als Belohnung für die Teilnahme an diesem Prozess erhalten die Miner und Knoten Belohnungen in Form von Kryptowährungstoken.
Knotenbetreiber oder Validatoren sind die letztendlichen Parteien, die neue Blöcke auf einer Blockchain validieren. Wann immer ein Knoten versucht, eine ungültige Transaktion zu einem Block hinzuzufügen, kann der Knotenvalidator die Transaktion leicht ablehnen, um den Konsens zwischen den Knoten aufrechtzuerhalten.
Die durchschnittliche Zeit, die ein Knotenvalidator benötigt, um Transaktionen zu einer Blockchain hinzuzufügen, beträgt etwa eine Stunde. Dies gilt für den PoW-Konsensmechanismus.
Sicherheit von Proof of Work
Wie wir bereits oben erwähnt haben, ist der PoW-Mechanismus immer noch in der Lage, BFT (Byzantinische Fehler) zu widerstehen, und deshalb ist er immer noch ein sicherer und zuverlässiger Mechanismus. Die Arbeitsweise im Fall von PoW ist ebenfalls sehr sicher und erhöht die Sicherheit noch weiter.
Der Hash des ersten Blocks setzt sich im zweiten Block fort, und das passiert bei jedem Block, der zur Blockchain hinzugefügt wird, um die Reihenfolge der Blöcke intakt zu halten und die Verletzung von Blöcken zu verhindern. Das fasst die Sicherheit des PoW-Mechanismus zusammen.
Um einen neuen Block zu erstellen, müssen Miner den Hash des vorherigen Blocks als Gründungshash des neuen Blocks verwenden. Das löst eine Kettenreaktion aus, bei der jeder Block vom Miner neu erstellt werden muss, bevor sie zum nächsten Block übergehen können. Das verhindert, dass die Blockchain jemals manipuliert wird.
Vor- und Nachteile von Proof of Work
Lasst uns einige der wichtigsten Vorteile und Nachteile des Proof-of-Work (PoW) Konsensalgorithmus besprechen.
Vorteile
PoW schützt ein Netzwerk vor DDoS-Angriffen, indem es sie weniger effektiv und lohnend für den Angreifer macht.
Der Algorithmus beinhaltet den Beitrag der Mitglieder einer Blockchain zur Wartung des Netzwerks.
Da PoW daran arbeitet, ein verteiltes öffentliches Hauptbuch zu erhalten, hält es alles fair und die gesamten Mining- und Transaktionsoperationen transparent.
Da die Miner nur einen kleinen Teil der Kryptowährung besitzen, die sie minen, ist ihr Zugang zu den Schlüsselfunktionen durch den PoW-Algorithmus begrenzt.
Nachteile
Da der PoW-Algorithmus sehr energieintensiv ist, verbraucht er viel Strom in Form von Mining-Operationen weltweit. Darüber hinaus wird erwartet, dass der Stromverbrauch mit jedem Tag, an dem mehr Miner der Mining-Industrie beitreten, weiter steigen wird.
Die Wahrscheinlichkeit von 51%-Angriffen ist minimal, aber immer noch vorhanden. Wenn es einem Knoten gelingt, die Kontrolle über 51% der Hashrate von Bitcoin zu erlangen, kann dies die Blockchain erheblich beeinflussen und sogar neue Transaktionen blockieren oder die Münzen doppelt ausgeben.
Obwohl der PoW-Algorithmus darauf ausgelegt ist, den Prozess der Kryptowährungsgenerierung zu dezentralisieren, ist er immer noch sehr zentralisiert. Zum Beispiel wird etwa 50% des gesamten Bitcoin-Minings von den drei größten Mining-Pools kontrolliert. Obwohl schnelle Entwicklungen gemacht werden, um dieses Problem zu lösen, ist es noch weit davon entfernt, beseitigt zu werden.
Die in diesem Algorithmus verwendete Ausrüstung ist sehr teuer. Zum Beispiel werden GPUs und Mining-Rigs mit jedem Tag schwerer zu finden und teurer.
Die komplexen mathematischen Rätsel haben nichts mit den Funktionen des PoW-Algorithmus zu tun und dienen nur dazu, neue Blöcke zur Blockchain hinzuzufügen.
Da PoW die Miner/Mining-Pools mit mehr Hashrate bevorzugt, fördert es tatsächlich die Zentralisierung im Gegensatz zur Dezentralisierung im Fall der Blockchain-Sicherheit und -Transparenz.
Da die Belohnungen für das Mining weiter abnehmen und das Mining schwieriger wird, werden die Miner langsam verschwinden.
Top Proof of Work Coins
Während die bekannteste Münze, die den PoW-Algorithmus verwendet, Bitcoin ist, tun viele andere Kryptowährungen dasselbe. Allerdings durchläuft Bitcoin alle paar Jahre einen Halbierungsprozess. Die Halbierung reduziert die Belohnungen des Mining-Prozesses für die Miner effektiv. Das macht es für Miner schwierig, weiterhin Bitcoin zu minen.
Miner suchen jetzt nach Alternativen zu Bitcoin, wenn es um das Mining über den PoW-Algorithmus geht. Schauen wir uns ein paar weitere Kryptowährungen an, die den PoW-Algorithmus in ihren Operationen verwenden.
Ethereum Classic
Während das Ethereum 2.0-Update auf die Verwendung des PoS-Algorithmus abzielt, verwendet Ethereum Classic immer noch PoW für seine Operationen. Aufgrund der Verwendung des PoW-Algorithmus ist ETC auch anfällig für 51%-Angriffe. Das erhöht die Chancen für doppelte Münzausgaben.
Litecoin
Litecoin verwendet ebenfalls PoW, um neue Blöcke zur Blockchain hinzuzufügen. Mit Hilfe der Netzwerkdatenentfernung kann auch die Blockgröße erhöht werden. Wie der Name schon sagt, unterstützt Litecoin viel schnellere Transaktionen im Vergleich zu Bitcoin und verlangt auch viel weniger Gasgebühren.
ZCash
ZCash bietet ein hohes Maß an Anonymität, um die Privatsphäre seiner Investoren zu gewährleisten. Die Münze verwendet sogar die SHA-256-Hash-Funktion, die auch von Bitcoin verwendet wird.
Monero
Monero verwendet ebenfalls den PoW-Algorithmus, genau wie viele andere Altcoins. Die Hauptmerkmale von Monero sind seine Transparenz, Fungibilität, Privatsphäre und vollständige Dezentralisierung mit Hilfe des von der Kryptowährung verwendeten öffentlichen Hauptbuchs.
DASH
DASH gilt als zuverlässige Kryptowährung für schnellere und private Transaktionen. Schnelle Transaktionen bieten den Minern den besten Anreiz, in DASH zu investieren.
Bitcoin Cash
Bitcoin Cash ist eine exakte Kopie des originalen Bitcoin. Obwohl die Kryptowährung PoW verwendet, ist sie anfällig für 51%-Angriffe, genau wie Bitcoin selbst.
PoW vs. PoS: Welcher ist besser?
In den letzten Jahren haben viele Experten und Krypto-Enthusiasten begonnen, den PoS-Konsensalgorithmus gegenüber PoW zu loben. Es gibt viele Faktoren, die die Experten glauben lassen, dass PoS besser ist als PoW.
Schauen wir uns die wichtigsten Faktoren an, die den PoW-Algorithmus beeinflussen und PoS einen Vorsprung gegenüber diesem alten und ineffektiven Mechanismus geben.
Viele Kritiker des Kryptomarktes erwähnen, dass der PoW-Algorithmus viel Strom benötigt, um voll funktionsfähig zu sein. Der Proof-of-Work-Algorithmus erfordert die Verwendung einer hohen Hashrate, was den Prozess kompliziert macht und die Mining-Rigs und Computer dazu zwingt, große Mengen an Strom zu verbrauchen.
Allein Bitcoin verbraucht mehr Strom als ganze Länder, und das schließt alle anderen Altcoins, einschließlich Ethereum, aus.
Auf der anderen Seite sind die Energiekosten von Kryptowährungen, die PoS verwenden, tausendfach geringer als bei denen, die PoW verwenden. Deshalb müssen die Miner, die unter dem PoW-Algorithmus arbeiten, viel Geld für Energie ausgeben und können daher keine gute Gewinnspanne genießen.
Außerdem sind die Stromkosten im PoW-System sehr hoch, sie können ihre Transaktionslimits nicht einfach skalieren, und die Gasgebühren sind ebenfalls sehr hoch. Selbst wenn die Blockgrößen von den Entwicklern reduziert werden, führt dies zu einer vorübergehenden Lösung und wird letztlich den Dezentralisierungsfaktor dieser Blockchains verringern.
Auf der anderen Seite verwendet der Proof-of-Stake-Konsensalgorithmus zufällig ausgewählte Knoten, um die Transaktionen zu verifizieren und neue Blöcke mit Hilfe von Einsätzen, die von Investoren angeboten werden, zu erstellen. Auf diese Weise werden die Energiekosten auf ein vernachlässigbares Ausmaß minimiert und das Transaktionslimit ebenfalls erhöht.
Im Proof-of-Work-Konsensalgorithmus erlaubt das System den Minern, gegeneinander zu arbeiten, um komplexe mathematische Rätsel zu lösen und neue Blöcke zur Blockchain hinzuzufügen. Jeder Miner muss die Konsensregeln selbst befolgen und jeden Block bestätigen, ohne ihn zu manipulieren.
Das Risiko von Mehrheitsangriffen in den PoW-Systemen ist sehr hoch. Diese Angriffe können leicht von jedem durchgeführt werden, der mehr als 50% der Mining-Power einer Kryptowährung besitzt. Sie erlangen so viel Macht, dass sie Transaktionen daran hindern können, auf der Blockchain verifiziert zu werden, und doppelte Münzausgaben zu ihrem eigenen Vorteil verursachen können.
Auf der anderen Seite erlaubt PoS nur den Investoren, am Mining-Prozess teilzunehmen, die Einsätze im Netzwerk haben. Auf diese Weise würde kein Angreifer es wagen, auch nur zu versuchen, eine gefälschte Transaktion zu validieren, da dies dazu führen würde, dass sie ihren Einsatz im Netzwerk verlieren.
Fazit
Proof of Work ist der am meisten verwendete Konsensalgorithmus im Krypto-Marktplatz. Er hat jedoch seine Probleme, wie langsame Transaktionen, hohe Transaktionskosten und enormen Energieverbrauch.
Deshalb wird der Proof-of-Stake-Algorithmus als Alternative zu PoW verwendet, da er schnellere Transaktionen mit minimalen Gasgebühren bietet.