Wie funktioniert Bitcoin? – Alles zu Blöcken, Proof-of-Work und Transaktionen

Sicher hast auch du schon viele Meinungen über Bitcoin gehört. Seine Gegner sagen gern Dinge wie: Bitcoin ist zu alt und keine Innovation mehr, Bitcoin ist langsam und schwerfällig, Bitcoin Transaktionen sind zu teuer, Bitcoin hat keine Smart Contracts, Bitcoin ist das MySpace der Blockchain.

Für die Bitcoin Befürworter sind all diese Dinge irrelevant, denn Bitcoin ist vor allem: Wirklich dezentral und resilient, zensurresistent, frei, sicher und transparent. Keine andere Krypto-Anlage kann all diese Attribute auf sich vereinen. Den ‚nächsten‘ Bitcoin wird es sehr wahrscheinlich nie geben, denn für Bitcoin Befürworter ist eine schnellere Blockchain irrelevant, wenn sie dafür Dezentralität opfern müsste. Eine bessere Presse ist egal, wenn das Netzwerk dafür weniger zensurresistent und transparent wäre. Und letzten Endes sind günstigere Transaktionen von keinem Wert, wenn sich dafür Freiheit und Sicherheit des Netzwerkes verringern würde.

Wie entsteht eine Blockchain?

Eine Blockchain charakterisiert sich durch eine Aneinanderreihung von Blöcken, welche Daten beinhalten. Im Falle von Bitcoin sind das Transaktionsdaten, aber auch beispielsweise kleine Nachrichten. Diese Daten werden zu Blöcken zusammengefasst und durch verschiedene Verfahren in die Blockchain integriert.

In der Welt der kryptographischen Anlagen besteht eine alte Diskussion. Es gibt im Grunde zwei unterschiedliche Konsensmechanismen für Blockchains. Durch einen Konsensmechanismus einigen sich die Teilnehmer im Netzwerk auf den nächsten gültigen Block. Nur durch einen solchen Mechanismus können neue Blöcke zur Blockchain hinzugefügt werden.

Wir haben einerseits Proof-of-Stake (PoS), dies ist der Mechanismus den die allermeisten Altcoins nutzen. Andererseits haben wir Proof-of-Work (PoW). Diesen Mechanismus nutzen Bitcoin und alle Coins die eine Abwandlung von Bitcoin sind. Dazu gehören Dogecoin, Litecoin, BitcoinCash und viele andere. Alle massgeblichen Unterschiede zwischen verschiedenen Blockchains gehen zurück auf die Nutzung von entweder Proof-of-Stake oder Proof-of-Work.

Bei Proof-of-Stake validieren Netzwerkteilnehmer mit einem sogenannten ‚Stake‘ eine Transaktion. Das bedeutet lediglich, dass Nutzer Coins im Netzwerk hinterlegen. Anschliessend wird zufällig (nach Anteil hinterlegter Coins) ausgewählt, welcher Nutzer nun den nächsten Block validieren darf. Das offensichtliche Problem: Jemand könnte unbemerkt einen Grossteil des Netzwerks aufkaufen und dann Blöcke zu seinen Gunsten manipulieren. Dabei würde es so aussehen, als ob viele einzelne Individuen diese Entscheidungen treffen. Das ist übrigens das gleiche System, wie in sogenannten DAOs (Decentralized Autonomous Organization) Entscheidungen getroffen werden. Mit der gleichen Problematik.

Proof-of-Work bedeutet, dass eine ‚Arbeitsleistung‘ notwendig ist, um die Blockchain zu erweitern. Die Leistung wird in Form von Rechenleistung erbracht. Dieser Konsensmechanismus wird durch das Mining ermöglicht.

Warum Proof-of-Work eine geniale Erfindung ist

Der Grundpfeiler von Proof-of-Work ist das Lösen kryptographischer Probleme. Zur Vereinfachung stellen wir uns ein Puzzle vor in dem noch genau ein Teil fehlt. Wer das Puzzle fertigstellt, findet den neuen Block, darf die Transaktionen verarbeiten und bekommt die Belohnung für den gefundenen Block in Form neuer Bitcoins. Das geniale daran ist, dass dieser Mechanismus selbstregulierend ist.

Aber wie funktioniert das? In unserem Puzzle fehlt ein Teil und der Algorithmus möchte, dass alle 10 Minuten ein Puzzle fertig gestellt wird. Das Problem: Es verändert sich dauernd die Menge der Mitspieler (in der Bitcoin-Sprache: Miner). Neue kommen dazu und Andere verlassen das Spiel. Das passiert durch Regulierung (China Ban), Stromkosten, oder den Bitcoin Preis (je unprofitabler ein Miner ist, desto höher muss der Bitcoin Preis für ihn sein, um mit Gewinn Bitcoins zu 'schürfen'). Wenn also die Anzahl der Teile, die zum Ausprobieren übrig sind, gleichbleiben würde, würden die Puzzles immer unterschiedlich schnell gelöst.

Die geniale Innovation an der Stelle ist das sogenannte ‚Difficulty Adjustment‘. Das Netzwerk überprüft nach 2'016 gelösten Puzzles die durchschnittliche Zeit, die zum Lösen erforderlich war. Haben die Teilnehmer beispielsweise nur Durchschnittlich 9:30 Minuten für die Lösung benötigt und waren damit 5% schneller als gewünscht, wird der Algorithmus 5% mehr Teile zum Probierstapel hinzufügen, um die Geschwindigkeit wieder auszugleichen. Das Difficulty Adjustment trägt massgeblich zu Resilienz des Netzwerks bei. Im nächsten Artikel werden wir uns eingehender mit dem Grund dafür und dem faszinierenden Thema Mining beschäftigen. Abonniere unseren Newsletter, um den Beitrag nicht zu verpassen.

Wie wird meine Transaktion verarbeitet?

Warum ist es überhaupt notwendig, die Blockchain immer weiter auszubauen? Im Grunde ist das Hinzufügen neuer Blöcke wichtig für 2 Dinge: Das Verarbeiten von Transaktionen und die Sicherung vorheriger Transaktionen.

Willst du eine Transaktion im Bitcoin Netzwerk versenden, so musst du dir einen Platz in einem Block erkaufen. Diese Transaktionsgebühr geht dann an die Miner als zusätzliche Einnahme.

Ein Block im Bitcoin Netzwerk ist 1MB gross und jede Transaktion besteht aus wenigen Bytes. Da nun ungefähr alle 10 Minuten ein Block gefunden wird, ergeben sich etwa 7 mögliche Transaktionen pro Sekunde. Es kann vorkommen, dass der Platz im Block für die nächste Transaktion ausgebucht ist. Dann kannst du durch die Zahlung einer höheren Gebühr dafür sorgen, dass deine Transaktion mit Vorrang verarbeitet wird oder warten bis der sogenannte Mempool sich leert. Der Mempool ist die Wartehalle des Bitcoin Netzwerks. In diesem Bereich warten unbestätigte Transaktionen auf ihren Platz im Block und damit auf die Bestätigung durch einen Miner. Leert sich der Mempool komplett, bedeutet das, dass alle Transaktionen verarbeitet wurden, egal wie hoch die Transaktionsgebühr angesetzt war.

Ist deine Transaktion in einem Block untergebracht und wurde dieser bestätigt, ist es bereits sehr sicher, dass die Transaktion erfolgreich war. In sehr seltenen Fällen kann es passieren, dass Miner eine ungültige Transaktion aufgenommen haben. Beispielsweise kann jemand versucht haben, seine Bitcoin doppelt auszugeben oder es gibt ein Problem bei der Signatur. Dann wird das Netzwerk diesen Block nicht akzeptieren und deine Transaktion wird zurückgesetzt. Je mehr Blöcke nach deiner erfolgreichen Transaktion gefunden werden, desto sicherer ist deine Transaktion im Netzwerk verankert. Es wird mit jedem zusätzlich gefundenen Block teurer und schwieriger für einen Angreifer in deine Transaktion einzugreifen. Die meisten Kryptobörsen sehen eine Transaktion nach 3 zusätzlich gefundenen Blöcken als bestätigt an. Willst du ganz sicher gehen, kannst du 6 Blöcke warten, was etwa einer Stunde entspricht.

Das Bitcoin Protokoll kann theoretisch angegriffen werden. Jedoch ist es heutzutage durch die hohe benötigte Rechenleistung fast unmöglich, in die Bitcoin Blockchain einzugreifen. Ein einzelner Angreifer würde mehr Rechenleistung benötigen als alle anderen Teilnehmer zusammen (sogenannte 51%-Attacke). Viele kleinere Blockchains fallen dieser Attacke zum Opfer. Aufgrund der Spieltheorie, kann dies bei Bitcoin allerdings nahezu ausgeschlossen werden. Dazu aber mehr in einem anderen Beitrag.

Fazit

Für Bitcoin ist es essenziell wichtig, dass der Konsensmechanismus Proof-of-Work erhalten bleibt, da sonst seine zentralen Attribute, wie zum Beispiel Sicherheit und Dezentralität nicht mehr zu halten wären.

Obwohl Bitcoin ein Protokoll ist, an dem kaum Änderungen vorgenommen werden, ist er überaus resilient. Seine eingebauten Regulierungsmechanismen führen zu einem balancierten System von Anreizen für alle Teilnehmer im Netzwerk.

Geniess die BitcoinReise und bis zum nächsten Mal.

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