Was bedeutet Proof of work? – Knackig auf den Punkt gebracht – Malochen für das Blockchainvertrauen

Proof of work vs. Proof of Stake
Wer besitzt die Berechtigung innerhalb der Blockchain einen neuen Block zu erzeugen? Um diese Berechtigung nachzuweisen, haben sich zwei grundlegende technische Verfahren herausgebildet.

Den Proof of work-Ansatz schaue ich mir hier an.

Proof of work (PoW)
bedeutet zunächst wörtlich “Arbeitsnachweis“, auch “Arbeitsbeweis“.

Unter einem Proof of Work (auch computational puzzle oder cryptographic puzzle) versteht man in der Informatik eine Methode, die den übermäßigen Gebrauch eines Dienstes, wie beispielsweise Denial-of-Service-Attacken oder das massenweise Versenden von E-Mails (Spam), verhindern soll.

Der anfragende User oder der Bot muss eine Aufgabe lösen, bevor er zu der angefragten Stellen weitergeleitet wird. Stellen Sie sich das so vor, wie ein Captcha das Sie händisch lösen müssen, bevor sie eine Suchanfrage stellen können. Dadurch wird der dahinter liegende Server vor übermäßigen Suchanfragen geschützt und das System kann nicht so ohne weiteres überlastet werden.

Übertragen auf die Blockchain erhält der User oder der eingesetzte Rechner erst dann die Berechtigung einen neuen Block in die Kette (= Chain) zu schreiben, wenn er den Arbeitsnachweis erbracht hat. Da der Rechenaufwand für die komplexen Aufgaben sehr hoch ist, geht der PoW davon aus, dass sich diese Mühe nur interessierte und berechtigte Systeme machen.

So weit, so einfach! Aber…

Das PoW-Konzept funktioniert für viele Aufgaben sehr rund und liefert absolut zufriedenstellende Ergebnisse. E-Mail-Server kann man mit diesem Schutzmechanismus hinreichend sicher gestalten. Nun geht es bei Kryptowährungen aber um viel Geld, wie der wahnsinnige Bullenrun des Bitcoins in Q1/2021 ja beeindruckend zeigt. Und da werden die Programmierer und Hobby-Hacker dieser Welt nun mal sehr kreativ, um das System auszuhebeln. Also wird massiv in die Hardware investiert und die Proof-of-Work-Aufgaben werden geknackt bis die GPU glüht (Graphic Processing Unit; Grafikprozessor). Diese GPU ist ein auf die Berechnung von Grafiken spezialisierter und optimierter Prozessor. Grafiken wiederum sind häufig sehr umfangreiche Dateien mit einer sehr großen Datenmenge. Da die GPU eine Vielzahl von Rechenvorgängen in kürzester Zeit abwickeln kann, wird sie gerne für die PoW’ s rund um Krypto-Mining eingesetzt.

Rechenaufgabe gelöst! Erlaubnis in die Blockchain zu schreiben erteilt! (Foto: kiquebg; pixabay.com)

Deshalb sind Grafikkarten so teuer und häufig ausverkauft!

Also anstatt mit den Grafikkarten Grafiken zu erstellen und berechnen – wie es sich gehört 😉 – werden sie von den ganzen Kryptoleuten zweckentfremdet, um riesige Rechenoperationen durchzuführen, damit man am Ende Daten berechtigt in die Blockchain schreiben darf und dann zum Beispiel als Belohnung einen Bitcoin erhält (Mining).

Ich gebe zu, dass man alleine zu diesem Komplex mehrere hundert Seiten schreiben könnte. Aber wer will das schon? Für sehr dezidierte Informationen und weitreichendes Hintergrundwissen verweise ich auf diese Quellen:
https://blockchainwelt.de/proof-of-work-und-proof-of-stake/
https://link.springer.com/chapter/10.1007%2F978-0-387-35568-9_18

Das System hat mehrere Pferdefüße

Die Grafikkarten werden beim Rechnen und Rendern der Aufgaben sehr heiß. Ich meine wirklich heiß. Da komplette Computer in großen Serverfarmen zusammengeschlossen werden, um die Rechenleistung noch zu optimieren, sind die Räume ebenfalls sehr warm. Temperaturen deutlich über 70 Grad sind keine Seltenheit. Diese Temperaturen schaden aber den GPU. Die Biester gehen dann schlicht und einfach kaputt. Und defekte GPU rechnen nicht. Daher müssen die Räume sehr stark gekühlt werden.

Grafikkarten bieten viel Rechenpower für die komplexen Rechenoperationen. Nachteile: Hoher Stromverbrauch, hohe Temperaturen. (Foto: rwindr; pixabay.com)

Der Stromverbrauch ist gigantisch.

Der Energieaufwand zum Schürfen von Bitcoin verschlingt soviel Energie, wie die Niederlande in einem Jahr verbrauchen. Der Energiehunger des Bitcoin ist in den vergangenen Jahren massiv gestiegen. 2017 verbrauchte die Digitalwährung 6,6 Terawattstunden Strom pro Jahr. Im Oktober 2020 waren es bereits 67 Terawattstunden. Jetzt, ein paar Monate später, hat sich der Stromverbrauch fast verdoppelt auf 121 Terawattstunden. (Quelle hier)

Die 51-Prozent-Attacke

Daher wird der Proof-of-work-Prozess als nicht mehr zeitgemäß betrachtet und es wird stark an neuen Lösungen gearbeitet. Außerdem besteht die immanente Gefahr, dass sich eine Partei innerhalb des gesamten Systems die 51-Prozent-Mehrheit an den beteiligten Rechner sichert und dann immer als Erster neue Daten in die Blockchain schreiben kann.

Diese Gefahr ist in kleineren Coin-Netzwerken absolut real und es ist schon mehrfach in der Vergangenheit passiert, dass die Coins gekapert und zu nicht berechtigten Adressen umgeleitet wurden. Mit anderen Worten sie wurden geklaut.

Lesen Sie den Bericht zu Proof-of-Stake und warum das System nicht gekapert werden kann.

In großen Netzen wie der Bitcoin-Blockchain oder der Ethereum-Blockkette besteht dann die reale Gefahr der Kaperung, wenn große Player mit massiver Rechenpower angreifen. Genannt werden in dem Zusammenhang immer China oder Russland. Inwieweit derzeit die Möglichkeit vorhanden ist, dass dieses Szenario tatsächlich eintreten könnte, weiß ich nicht. Allerdings arbeiten die Programmierer der verschiedenen Coinprojekte laufend daran die Software zu verbessern und die Blockchain gegen solche Angriffe zu verteidigen.

Kryptowährungen, die auf den Proof of Work-Modus setzen sind neben vielen anderen Projekten Bitcoin, Ethereum, der Litecoin und der Monero. Aktuell konkurrieren rund 7.700 verschiedene Kryptowährungen um Anleger und konkrete praxistaugliche Anwendungsfälle.

Den Beitrag zu meinen eigenen Lesezeichen hinzufügen