Wie eine Blockchain funktioniert und gesichert wird. Äh, wie funktioniert Mining noch mal?
Was ist eine Blockchain, wie wird sie gesichert, und welche Rolle spielt das Mining genau? In diesem Lehrvideo aus dem Jahr 2022 (auf Französisch), aufgenommen kurz nach dem Ende des Ethereum-Minings, gehen wir zurück zu den Grundlagen: Prinzipien einer Blockchain, Hashing, Nonce, Verkettung der Blöcke, Difficulty, Mining-Pools und 51-%-Angriff. Es richtet sich an Einsteiger ebenso wie an Miner, die ihr Wissen festigen möchten, mit einigen Vereinfachungen, damit es verständlich bleibt.
Was ist eine Blockchain?
Eine Blockchain, also eine Kette von Blöcken, ist zunächst ein Werkzeug, mit dem man Informationen speichern und übertragen kann: eine Art Datenbank, vergleichbar mit einem großen Kassenbuch, in dem Informationen festgehalten werden, die sich nicht mehr fälschen lassen. Es gibt mehrere Arten:
- Öffentlich oder privat: An einer öffentlichen Blockchain kann jeder teilnehmen und Transaktionen senden. Das gilt für Bitcoin, Ethereum oder Ripple und die meisten Kryptowährungen. Private Blockchains dienen eher B2B-Zwecken, etwa Hyperledger Fabric oder die bei JP Morgan entwickelten Lösungen;
- Permissionless oder permissioned: Eine permissionless Blockchain erlaubt es, anonym zu handeln, ohne die Identität der Teilnehmer zu kennen. Diese Art nutzen wir beim Mining. Bei einer permissioned Blockchain müssen die Teilnehmer identifiziert sein;
- Zentralisiert oder dezentralisiert: Eine dezentralisierte Blockchain hat keinen zentralen Knoten. Sie beruht auf einem Peer-to-Peer-Netzwerk, in dem jeder vollständige Knoten (Full Node) eine komplette Kopie der Blockchain besitzt und am Netzwerk teilnimmt.
Der Weg einer Transaktion
Nehmen wir Wallet A, die Bitcoins an Wallet B sendet. Die Transaktion wird im Netzwerk verbreitet und dann mit anderen in einem Block zusammengefasst. Dieser Block wird an die Knoten des Netzwerks übermittelt, die ihn mit kryptografischen Verfahren validieren, vor allem mit Proof of Work. Sobald er validiert ist, wird der Block an die Kette angehängt, und Wallet B erhält die Mittel. Drei Prinzipien machen das möglich: eine verteilte Datenbank, ein Konsensprotokoll zur Validierung der Transaktionen und die Unveränderlichkeit vergangener Transaktionen.
Hashing und Nonce
Das Hashing ist das Herzstück der Sicherheit. Bei Bitcoin wird der Algorithmus SHA-256 verwendet: Unabhängig von den Eingabedaten erzeugt die Hashfunktion ein Ergebnis, den Hash, eine lange Zeichenkette. Dieselben Daten ergeben immer denselben Hash, doch die kleinste Änderung, etwa am Betrag einer Transaktion, ergibt einen völlig anderen Hash: Jede Fälschung fällt sofort auf.
Die Nonce ist eine Zahl, die in der Kryptografie nur ein einziges Mal verwendet werden darf. Sie ist der Kern des Proof of Work: Sie wirkt mit dem Hashing zusammen und verhindert, dass die Informationen des Blocks manipuliert werden. Minen bedeutet, sehr viele Nonce-Werte auszuprobieren, bis man einen gültigen Hash erhält, also einen, der die vom Netzwerk festgelegte Difficulty erfüllt.
Verkettete Blöcke: Warum sich die Vergangenheit nicht umschreiben lässt
Ein Block enthält seine Nummer, die Transaktionsdaten, die Nonce, seinen Hash und den Hash des vorherigen Blocks. Dieses letzte Element bildet die Kette: Ändert jemand den Inhalt von Block 1, ändert sich dessen Hash, Block 2, der den alten Hash enthielt, wird ungültig, und so weiter für alle folgenden Blöcke. Um eine vergangene Transaktion zu ändern, müsste man also alle nachfolgenden Blöcke neu minen, ein enormer Rechenaufwand.
Zur Vertiefung: Bitcoin, Ethereum und viele Kryptowährungen organisieren ihre Transaktionen intern in einem Merkle-Baum.
Difficulty und Mining-Pools
Die Difficulty passt sich automatisch an, damit die Zeit zwischen zwei Blöcken stabil bleibt: Kommen mehr Miner hinzu und werden Blöcke zu schnell gefunden, steigt die Difficulty. Vereinfacht gesagt entspricht die Difficulty der Rechenleistung des Netzwerks multipliziert mit der angestrebten Blockzeit. Beispiel Ethereum Classic zum Zeitpunkt der Aufnahme: Eine Netzwerk-Hashrate von etwa 143 TH/s, also 0,143 PH/s, und ein Block etwa alle 13 Sekunden ergeben eine Difficulty nahe dem angezeigten Wert von etwa 1,88 PH. Dieser Mechanismus ist entscheidend: Nach dem Merge von Ethereum hatte Ergo große Probleme, weil sich seine Mining-Difficulty nicht richtig aktualisierte.
In einem Mining-Pool organisiert ein Bestandteil namens Stratum die Aufteilung der Arbeit: Er schickt jedem Miner einen Teil des Proof of Work mit einer eigenen Difficulty. Die Miner senden ihre Lösungen (die Shares) zurück, und der mit der Blockchain verbundene Pool verbreitet den Block im Netzwerk, sobald er gefunden ist.
Der 51-%-Angriff und Forks
Um eine veränderte Version der Blockchain durchzusetzen, muss ein Angreifer mehr als 50 % der Rechenleistung des Netzwerks kontrollieren. Deshalb sind neue Proof-of-Work-Kryptowährungen in ihrer Anfangszeit verwundbar, besonders zum Zeitpunkt der Aufnahme: Nach dem Ende des Ethereum-Minings war so viel Rechenleistung verfügbar, dass große Miner eine bestimmte Kryptowährung mit Leistung überfluten, mehr als 50 % der Hashrate erreichen und einen 51-%-Angriff durchführen konnten.
Eine Blockchain kann sich auch vorübergehend aufspalten: Das nennt man einen Fork. Zwei getrennte Pfade bestehen eine Zeit lang nebeneinander, dann läuft das Netzwerk wieder auf eine einzige Kette zusammen.
Smart Contracts, ihre Prinzipien und ihre Umsetzung könnten das Thema eines kommenden Videos sein: Sagen Sie uns in den Kommentaren, ob Sie das interessiert.
Um zu entscheiden, wohin Sie Ihre Rechenleistung schicken, lesen Sie unseren Artikel Wie wählt man seinen Mining-Pool? und finden Sie alle unsere Videos auf unserer Tutorial-Seite. Lust, zur Sicherung des Bitcoin-Netzwerks beizutragen? Entdecken Sie unsere Bitcoin-Miner.