Mining

Wie das Mining von Kryptowährungen funktioniert

Kryptowährungen, insbesondere Bitcoin, sind mittlerweile im Mainstream angekommen. Das rückt auch das zu Grunde liegende Sicherheitsmodel, bekannt als Mining (Anm. to mine = befördern), immer mehr in den Fokus. Oftmals wird der Arbeitsnachweis als kryptografisches Puzzle bezeichnet, doch was bedeutet dieses Puzzle wirklich? Dieser Artikel untersucht die unterschiedlichen Komponenten und beweglichen Elemente dieses Arbeitsnachweises und inwieweit die nahtlose Synchronisierung der einzelnen Teile Bitcoin zu der dezentralen Plattform machen, die sie heute ist. 

Table of Contents

Was ist Mining?

Kryptowährungen sind grundsätzlich virtuelle peer-to-peer Währungen, die keine vertrauenswürdigen VermittlerInnen brauchen, um die Authentizität der Transaktionen zu gewährleisten. Es ist ein faszinierendes Konzept, welchem wir schon in unseren Ratgeber über Kryptowährungen auf den Grund gegangen sind. Kryptowährungen gelten als gleich sicher, wenn nicht sogar sicherer, wie die besten Finanzsysteme der Welt. Das Mining der Kryptowährungen ist eines der Mechanismen, die diese Sicherheit gewährleisten. 

Beispiel: 
Wenn ein User, nennen wir sie Alice, eine Transaktion mit Kryptowährung an einen anderen User, nennen wir ihn Bob, sendet, wird diese sofort an hunderttausend Computer, oder Nodes, welche mit einer speziellen Software versehen sind, übertragen. Einiger dieser Nodes nehmen diese Transaktionen entsprechend vordefinierter Regeln auf. 

Die sogenannten 'Konsensusregeln' sind jene Regeln, die eingehalten werden müssen, sodass Alice's Transaktion sowohl wirksam als auch erfasst wird, da alle Kryptowährungen Aufzeichnungen führen müssen. Die Erfassung aller Transaktionen wird (bis heute) Blockchain genannt. 

Verschiede Kryptowährungen haben verschiedene Konsensusregeln. Konsensusregeln stellen grundsätzlich sicher, dass die Transaktion, die Alice an Bob sendet, zulässig ist. 

Einfach gesagt, verifizieren sie ob

  1. Alice genügend Mittel hat, um diese an Bob zu senden, und
  2. Alice ihre Mittel nicht zuvor bereits an einen anderen User gesendet hat und versucht ihre Mittel doppelt auszugeben.

Warum benötigt man das Mining bei Kryptowährungen?

Die Nodes, die Alice's Transaktion erhalten, überprüfen, ob die Konsensusregeln eingehalten werden. Das bedeutet, dass jene Transaktionen, die diesen nicht entsprechen, sofort abgelehnt werden. Alle jene Transaktionen, die die Konsensusregeln einhalten, werden an weitere Nodes im Netzwerk weitergeleitet. Das bewirkt, dass die Transaktion sich schnell durch das gesamte Netzwerk verbreitet. 

Manche Nodes haben zusätzliche Aufgaben zu bewältigen. Sie validieren die Transaktionen und bündeln diese in digitale Pakete – auch bekannt als Blocks. Jeder Block kann potentiell tausende gültige Transaktionen, die von Usern auf der ganzen Welt angestoßen worden sind, enthalten. Die Nodes übertragen diesen Block zu dem ihnen zugeteilten Hauptverwaltungssystem – der allgemeinen „Blockchain“ – die für die entsprechende Kryptowährung in Frage kommt. Eine Blockchain ist eine Kette an Blöcken von Transaktionsdaten – daher der Name „Blockchain“. Nodes, die zusätzlich Transaktionen an die Blockchain überschreiben, nennt man Miner. Miner bekommen eine Transaktionsprämie für jede Transaktion, die sie an eine Blockchain weiterleiten bzw. anhängen. 

Blockprämie
Jedoch ist es nicht so unkompliziert einen Block an die Blockchain zu überschreiben – auch wenn es ein gültiger Block mit gültigen Transaktionen ist. Grund dafür ist, dass der Miner, der den Block an die Blockchain hinzufügt, zusätzlich zur Transaktionsgebühr auch eine „Blockprämie“ erhält. 

Für Bitcoin beträgt diese Blockprämie im Moment 12,5 BTC (das ist ein Wert von rund $84,300 USD, 24.August 2018). Die Blockprämie wird in der NEU erzeugten Kryptowährung ausbezahlt. Daher generiert oder „mines“ die Aktion der Validierung von der Transaktion nach den Konsensusregeln sowie das Überschreiben an die Blockchain eine neue Kryptowährung. 

Wenn alle Miners beliebig Blöcke zum Blockchain hinzufügen könnten, wäre die Erzeugungsrate von Bitcoin so hoch, dass diese durch das Überangebot einen Wert von 0 hätten. Daher muss das Hinzufügen von Blocks und die Erzeugung von neuen Bitcoins durch Blockprämien unbedingt reguliert werden. 

Block Zeit
Jede Kryptowährung besitzt das Konzept der Blockzeit. Das ist ein Mechanismus, der sicherstellt, dass ein neuer Block nur einmal alle x Minuten im Durschnitt übertragen werden kann. Bei Bitcoin kann ein neuer Block rund alle zehn Minuten an die Blockchain hinzugefügt werden. Das ist ein Durchschnittswert und kein fixes Zeitlimit. Es bedeutet lediglich, dass in einem gewissen Zeitrahmen, der groß genug ist, ein Block alle zehn Minuten generiert werden kann, nicht, dass es immer ein zehn Minuten Fenster zwischen den einzelnen Blocks gibt.

Blockhürden
Zur Erinnerung – Miners können nicht beliebig viele Blocks an die Blockchain hinzufügen, denn das würde zu einer unlimitierten Anzahl an Blocks und in weiterer Folge zu unlimitiert häufigen Blockprämien und so zu keiner Angebotsknappheit der konkreten Kryptowährung führen. Bei einem Überangebot würde niemand mehr für die Kryptowährung zahlen und sie hätte in Folge keinen Wert. Um das zu vermeiden, gibt es das Konzept der Blockzeit, welches sicherstellt, dass nur ein Block alle x Minuten an die Blockchain weitergeleitet werden kann. 

Um die Blockzeit möglich zu machen, muss das Mining mit einigen Erschwernissen versehen werden. Diese werden als Blockhürden bezeichnet. Einfach gesagt bedeutet es ein Erschweren des Minings, sodass es in weiterer Folge einige Zeit dauert, bis der Block generiert und somit die Blockprämie erhalten werden kann. Je mehr Rechenleistung für das Mining gebraucht wird (da mehr und mehr Miner anfangen), desto schwieriger wird es, bis gar kein Block mehr in gegebener Zeit generiert werden kann. 

Mining Equipment für Kryptowährungen

In den früheren Jahren von Bitcoin war es möglich mit effizienten, aber recht einfachen Computern zu minen. Der Drang nach Profit, sowie der Zustrom an Miners und die steigende Komplexität des Mininggerüstes von Bitcoins (eine integrierte Einstellung im BTC Protokoll) brachte viele Miners dazu zu erkennen, dass es mehr braucht.

CPU Mining
Früher (2010 bis ca. 2014) konnten normale Laptops oder Desktop Computer mit generischen CPUs (Central Processing Units) verwendet werden, um effektiv zu minen. Damals gab es noch wenige Miners auf der Welt und die Mininghürden waren noch recht gering. 

CPU

GPU Mining
Als der Wert der Kryptowährungen stieg, begannen auch mehr Menschen sich mit den Minen zu beschäftigen. Das führte dazu, dass die Mininghürden drastisch anstiegen – so sehr, dass es normalen Computern nicht mehr möglich war, Blocks zeitgerecht zu finden, weil die dazu benötigten Berechnungen zunahmen. Um diesen komplexen Computervorgängen gerecht zu werden, fingen Miners an, grafische Karten oder GPUs, die zuvor nur beim Gaming oder anderen speziellen Anwendungen zum Einsatz kamen, zu verwenden. Ein Computer, der mit Grafikkarten ausgestattet ist, um das Mining zu ermöglichen, nennt man einen „Crypotcurrency Mining Rig“ (Anm.: „rig“ = auftakeln). 

GPU Mining

Application Specific Integrated Circuits (ASIC's)
Als die Rentabilität von Mining anstieg, fingen einige Unternehmen an, Computermaschinen zu bauen, die exklusiv für das Minen designt sind. Diese Maschinen nennt man ASIC's – Application Specific Integrated Circuit's. ASIC's sind um einiges effizienter als GPU's und können für nichts anderes verwendet werden. Die Einführung von ASICs machte das GPU Mining für viele Kryptowährungen wie Bitcoin, Bitcoin Cash, Bitcoin SV, Ethereum, Ethereum Classic und Litecoin unrentabel

ASIC Mining

Die zunehmende Professionalität der Miners machte es wenig rentabel selbst mit dem Mining anzufangen. 

Mining und Energieverbrauch

Seit dem Aufkommen standen die Kryptowährungen wegen des hohen Verbrauchs an Strom im Zuge des Mining Prozesses immer wieder unter Beschuss. Neuen Berechnungen zufolge verbrauchen Bitcoins sogar mehr Energie als die gesamte Schweiz. Leider sind diese Befunde jedoch durch fehlende Quellenangabe und Berechnungen schwer zu verifizieren.  

Mining und Energieverbrauch

Natürlich verbrauchen Kryptowährungen viel Energie bzw. Strom. In der Praxis jedoch kommen bei Kryptowährungen im Moment hauptsächlich sehr günstige Energien zum Einsatz. Durch den Wettlauf um die preiswertesten Angebote an Energie, haben jene Miners, die mehr Strom verbrauchen, als der Durchschnitt, keine Chance und müssen ihre Arbeiten einstellen.

Kyrptowährungen treten daher meist dort auf, wo viel Energie vorhanden ist, die weder gespeichert noch transportiert werden kann. Da Öl, Gas und Kohle einfach zu transportieren sind, ist es rentabler diese Energien an andere Orte zu bringen, wo sie für mehr Geld verkauft werden können – daher gibt es auch wenig Minertätigkeiten mit diesen Energien. 

Da Bitcoin auch in Zukunft nach günstigen und ungenutzten Formen von Strom suchen wird, könnte man auch behaupten, dass Bitcoin eigentlich Energie einspart. Das weltweite Finanzsystem verbraucht viele mehr Ressourcen als nur Strom für die Server. Bankhäuser sind meist in hohen Gebäuden mit Klimaanlagen, private Jetunternehmen fliegen für diskrete KundInnen Gold und Geld um die Welt, das Drucken von Geld braucht den Baumwollanbau. Kryptowährungen können sogar einen positiven Effekt auf den Planeten haben. 

Letzte Gedanken

Zusammengefasst – wenn Alice Bitcoins (oder irgendeine andere Kryptowährung) zu Bob sendet, passieren folgende Abläufe:

  • Alice's Computer, oder Node, macht eine Transaktion für den Transfer und sendet diese zu hundert anderen Nodes im Bitcoin Netzwerk
  • Nodes gibt es in zwei Formen – Mining Nodes oder Nicht-Mining-Nodes. Alle Nodes überprüfen die Gültigkeit der Transaktion nach Konsensusregeln. Wenn diese nicht gültig ist, wird die Transaktion sofort abgelehnt. Wenn zulässig, wird diese an andere Nodes im Netzwerk weitergeleitet die Wiederholung dieses Vorgangs führt zu einer raschen Ausbreitung.  
  • Mining Nodes, die von Kryptowährungsminers geleitet werden, übernehmen die Transaktion und versuchen diese so schnell wie möglich an die Blockchain zu überschreiben. Das geht nur so schnell wie die Blockzeit es zulässt. Um die Blockzeit einzuhalten müssen schwierige Berechnungen gemacht werden. Diese Schwierigkeit wird als Blockhürde bezeichnet. 
  • Jene Mining Node, die es schafft, die Transaktion an den Block der Blockchain zu überschreiben bekommt die Transaktionsgebühr für jede Transaktion und die Blockprämie für das Lösen des Blocks.
  • Ist die Transaktion einmal an die Blockchain überschrieben, ist die Transaktion irreversibel. Der nächste Block, der an die Blockchain angehängt werden soll, hängt von den Daten des aktuellen Blocks ab. Je mehr Blocks, desto sicherer also die Transaktion. 

Diese Anleitung erklärt Proof of Work (PoW) mining – der älteste und grundlegendste Mining-Mechanismus. Es gibt jüngere Mining-Mechanismen wie Proof of Stake, Proof of Authority und Proof of Capacity, jedoch werden wir diese in anderen Artikel behandeln. 

Das grundlegende Konzept, welches den Mechanismen zu Grunde liegt, ist jedoch bei allen gleich – sie alle sind Konsensusmechanismen, um Transaktionen in die Blockchain aufzunehmen. Sie unterscheiden sich nur in der Art der Ausführung.