Was ist Bitcoin-Mining?

Bitcoin-Mining ist ein essenzieller Prozess, um das Bitcoin-Netzwerk funktional und vor allem dezentral zu halten. Bitcoin-Miner gibt es rund um den Globus, meist in der Form von großen Rechenzentren, die Rechenleistung beziehungsweise Energie einsetzen, um neue Blöcke zu „finden“.

Der Mining-Prozess ist bedingt vergleichbar mit dem Schürfen von Rohstoffen wie Gold – daher auch der Name. Doch wie genau funktioniert das Schürfen von einem digitalen Gut und wieso ist das so wichtig für das Netzwerk?

Die wohl einfachste Möglichkeit, doppelte Ausgaben zu verhindern, ist die Einführung einer zentralen Kontrollinstanz, wie einer Bank, die für jede Transaktion entscheidet, ob sie ausgeführt werden darf oder nicht. Dies funktioniert so lange gut, bis die zentrale Instanz ihre Macht in irgendeiner Form ausnutzt – entweder aus eigenem Willen oder weil sie dazu gezwungen wird. Zensur von Transaktionen, Kontoschließungen oder gar Enteignungen sind die früher oder später unvermeidbare Folge.

Eine dezentrale Alternative, die niemand direkt kontrollieren kann und die resistent gegen Zensur und Manipulation ist, scheint auf den ersten Blick nahezu unmöglich – aber eben nur auf den ersten Blick.

Satoshi Nakamoto stellte im Oktober 2008 mit dem Bitcoin-Whitepaper einen Mechanismus für ein dezentrales, rein digitales Zahlungsnetzwerk vor und damit auch einen Ansatz, das Double-Spending-Problem zu lösen. 

Mittels Proof-of-Work-Mining soll bei Bitcoin sichergestellt werden, dass niemand doppelte Ausgaben durchführen kann und Änderungen an der Transaktionshistorie rückwirkend nahezu unmöglich sind. Doch wie genau soll das funktionieren?

Um Bitcoin-Mining zu erklären, werden eigentlich immer Analogien zu Hilfe genommen. Das fängt schon beim Namen selbst an. Der Vergleich zum klassischen Abbau von Gold beziehungsweise Gold-Mining ist für ein tiefgreifendes Verständnis zwar viel zu ungenau, transportiert aber dennoch eine grundlegende Eigenschaft: Es ist zunehmend mit hohem Aufwand und Kosten verbunden, neue Bitcoin zu finden. Doch da hört die Analogie auch bereits wieder auf. Denn der übergeordnete Zweck von Bitcoin-Mining ist nicht das Finden neuer Bitcoin, sondern die Sicherheit des Netzwerks.

Gold ist eine begrenzte Ressource. Das ist jedem fast schon wie ein Naturgesetz bekannt; in der realen Welt ist Begrenztheit schließlich nichts Ungewöhnliches. Genau umgekehrt ist es im Digitalen. 

Geld kann nämlich nicht digital im „Dateiformat“ vorliegen – zumindest nicht, wenn beliebige Vervielfältigung verhindert werden soll. Es gibt dementsprechend auch gar keine Bitcoin, die wie Goldbarren auf Festplatten von Computern herumliegen.

Das Bitcoin-Netzwerk ist ein Zusammenschluss aus einer Vielzahl an Computern, die sich alle über ein Regelwerk einig sind. Sie sind sich nicht nur über diese Regeln, sondern auch über die Historie aller vergangenen Transaktionen einig, welche wiederum natürlich diese Regeln erfüllen.

Die Transaktionen sind in Datenblöcken zusammengefasst und chronologisch miteinander verkettet. Hier kommt das berühmt-berüchtigte Buzzword Blockchain ins Spiel. 

Anders als häufig dargestellt ist eine Blockchain allerdings keine spannende Innovation, sondern vielmehr Mittel zum Zweck. Das Prinzip, Datenblöcke miteinander zu verketten, sodass Änderungen an einem Block alle darauffolgenden Blöcke fortlaufend beeinflussen, wurde auch schon vor Bitcoin in verschiedenen Bereichen der Informatik und Kryptografie angewendet.

Die Innovation liegt stattdessen im Mechanismus, der darüber entscheidet, wann die Blockchain um einen neuen Block erweitert werden darf und welche Kette überhaupt die gültige ist. Mit Proof of Work, also wörtlich übersetzt einem Arbeitsnachweis, wird genau das möglich – ohne zentrale Zwischeninstanz, alleine mithilfe von Mathematik und spieltheoretischen Anreizen.

Bitcoin-Mining auf technischer Ebene zu erklären ist die einzige Möglichkeit, alle wichtigen Aspekte miteinander zu verbinden, um ein tiefes und vollständiges Verständnis zu haben. 

Trotzdem ergibt es Sinn, sich über eine Analogie an das Thema heranzutasten. Dafür meiden wir die verbreiteten Geschichten vom Lösen von Sudokus und Lottospielen, denn es gibt eine viel bessere: ein einfaches Würfelspiel.

Im Folgenden schauen wir uns also den Prozess an, der darüber entscheidet, wann ein Miner einen gültigen Block „gefunden“ hat, diesen an die bestehende Kette anhängen und sich dafür eine Belohnung auszahlen darf.

Eine Spielteilnehmerin, nennen wir sie Alice, kann ihre Gewinnchance jetzt durch häufigeres Würfeln erhöhen. Die Wahrscheinlichkeit pro Wurf bleibt dabei zwar in diesem Fall immer gleich, doch je öfter sie würfelt, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, in einem bestimmten Zeitraum eine gültige Zahl zu erwischen.

Da sich hinter diesem Spiel nichts als Mathematik und Wahrscheinlichkeitsrechnung verbirgt, kann der Zielwert sehr genau auf eine gewünschte Schwierigkeit eingestellt werden. Dazu schaut man sich einfach die letzten Spielrunden an, also wie lange es jeweils gedauert hat, bis eine gültige Zahl gewürfelt wurde. Möchte man dann einen durchschnittlichen Zeitabstand von beispielsweise zehn Minuten einhalten, muss man entsprechend den Zielwert erhöhen oder senken.

Bei einem Würfelspiel kann man natürlich auch einfach Glück haben. Egal, wie schwierig das Spiel sein mag, theoretisch kann man es mit einem einzigen Wurf gewinnen. Im Bitcoin-Netzwerk ist das nicht anders. Auf lange Sicht und bei einem niedrig gewählten Zielwert kommt dies allerdings auch äußerst selten vor.

Leider stößt auch unsere Würfelspiel-Analogie langsam an ihre Grenzen. Denn während man das Prinzip an sich zwar genau so im Bitcoin-Netzwerk wiederfindet, haben wir dennoch ein Problem: Womit wird überhaupt gewürfelt? Wie wird sichergestellt, dass niemand vortäuschen kann, eine kleine Zahl gewürfelt zu haben? Selbst wenn eine kleine Zahl tatsächlich gewürfelt wurde, wie soll das verifiziert werden? Und vor allem: Wer bestimmt den Zielwert?

Ein Hashwert ist nichts anderes als eine ziemlich große Zahl. SHA-256 hat nämlich keine 1.000 Seiten, sondern schlappe 2²⁵⁶. Diese Zahl ist vergleichbar mit der Menge an Atomen im sichtbaren Universum.

Drei weitere wichtige Eigenschaften lauten:

• Urbildresistenz: Eine Hashfunktion ist eine sogenannte Einwegfunktion, die es bei einem gegebenen Hashwert rechentechnisch unmöglich macht, auf die ursprüngliche Eingabe zurückzurechnen.
   
• Diffusion: Auch als „Lawineneffekt“ bekannt, sorgt eine gute Diffusionseigenschaft dafür, dass kleine Veränderungen in der Eingabe Einfluss auf viele Stellen in der Ausgabe haben. Ähnliche Eingaben führen also zu vollkommen unterschiedlichen Hashwerten.
  
  Unter anderem deshalb ist der Vergleich zu einem herkömmlichen Würfel sinnvoll, da man vor dem ersten Berechnen eines Hashwertes nie wissen kann, was herauskommt. Man muss es wie bei einem Würfel ausprobieren.
   
• Kollisionsresistenz: Da mit einer Hashfunktion theoretisch unendlich viele Eingabemöglichkeiten auf eine begrenzte Anzahl Ausgaben abgebildet werden können, gibt es natürlich zwangsläufig Kollisionen, also zwei unterschiedliche Eingaben, die den gleichen Hashwert erzeugen (Schubfachprinzip). Da der Zahlenraum, in dem wir uns hier bewegen, aber so unvorstellbar groß ist, können wir diesen Ansatz vernachlässigen.
  
  Stattdessen setzt die Kollisionsresistenz voraus, dass es keinen effizienten Ansatz geben darf, um eine Kollision zu finden. Die Hashfunktion darf in ihrer Struktur also keine Schwachstellen aufweisen, die ausnutzbar sind.

Erfüllt der Blockhash die aktuellen Spielregeln, hat der Miner einen gültigen Block „gefunden“. Diesen kann er jetzt im Bitcoin-Netzwerk veröffentlichen. Andere Teilnehmer können den Blockhash wiederum selbst berechnen und somit eigenständig verifizieren, ob er den aktuellen Zielwert wirklich unterschreitet. Es ist also nicht möglich, einen falschen Hashwert vorzutäuschen, denn dieser hängt schließlich eindeutig vom Block selbst ab.

Der Zielwert kann ebenso wenig manipuliert werden: Jeder Netzwerkteilnehmer kann sich diesen nämlich selbst ausrechnen, indem er sich die Blöcke der vergangenen zwei Wochen anschaut. Daraus kann ermittelt werden, ob das Spiel aktuell zu schwierig oder zu einfach ist.

Einen einzelnen Hashwert zu berechnen, ist für einen Computer kein Problem. Es werden also keine „komplizierten mathematischen Rätsel“ gelöst, sondern es wird einfach nur gewürfelt. Immer und immer wieder. Um nach durchschnittlich zehn Minuten einen gültigen Block zu finden, benötigt das Bitcoin-Netzwerk dafür aktuell ungefähr 400.000.000.000.000.000.000 Versuche – und das jede Sekunde.

Ändert man rückwirkend etwas an einem Block, verändert sich entsprechend auch der Hashwert. Man würfelt also komplett neu und der Arbeitsnachweis geht verloren, da man wohl kaum beim ersten Versuch direkt wieder gewinnen wird.

Darüber hinaus würden sich alle nachfolgenden Blöcke ebenfalls verändern, sie sind schließlich miteinander verkettet. Man müsste für eine rückwirkende, gültige Änderung an der Transaktionshistorie also alle Blöcke seit dem Zeitpunkt der Änderung neu auswürfeln. In Anbetracht der aktuellen Schwierigkeit im Bitcoin-Netzwerk ist das bereits nach wenigen Blöcken nahezu unmöglich.

Bitcoin-Miner investieren in teure Hardware und benötigen viel Energie, um profitabel am Würfelspiel teilzunehmen. Ein Block mit ungültigen Transaktionen würde trotz gültigem Proof of Work vom Netzwerk abgelehnt werden. Der Miner würde seinen potenziellen Gewinn verlieren und auf seinen Hardware- und Energiekosten sitzen bleiben.

Um die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, einen gültigen Block zu finden, müssen die Bitcoin-Miner also ganz viele verschiedene Variationen ausprobieren. Das braucht Rechenleistung und demnach Energie. 

Ein großer Kritikpunkt an Bitcoin ist entsprechend, dass das Netzwerk ein Energiefresser ist. Doch dieser Prozess ist nötig, um die Sicherheit und vor allem die Dezentralität des Netzwerks gewährleisten zu können.

Außerdem ist Energieverbrauch per se nichts Schlechtes. Bitcoin-Miner sind flexible Energieabnehmer, die sogar dabei helfen können, Stromnetze zu stabilisieren oder überproduzierte Energie zu monetarisieren und somit erneuerbare Energien rentabler zu machen.