Bitcoin

Bitcoin und dessen Mining erklärt

Zahlungssystem Bitcoin

Das Zahlungssystem Bitcoin besteht aus einer Datenbank, der Blockchain, einer Art Journal, in der alle Bitcoin-Transaktionen verzeichnet sind. Das Bitcoin-Zahlungssystem verwendet ein Peer-to-Peer-Netzwerk, zu dem sich alle teilnehmenden Rechner mithilfe eines Programms verbinden. In diesem Bitcoin-Netzwerk werden alle Bitcoin-Transaktionen verzeichnet. Die Blockchain wird redundant und dezentral auf allen Bitcoin-Knoten gespeichert, verwaltet und laufend über das Bitcoin-Netzwerk aktualisiert.

Um das Bitcoin-System für Zahlungen nutzen zu können, wird eine digitale Brieftasche (englisch Wallet) sowie eine Internetverbindung benötigt. Bitcoin-Wallets gibt es als Desktopanwendungen wie z.B. Bitcoin Core und Electrum sowie als Webanwendungen. Darüber hinaus ist auch die Verwendung von Hardware-Wallets möglich, separaten Geräten die z.B. über USB mit einem Computer verbunden werden und die in vielen Szenarien eine erhöhte Sicherheit bieten. Zudem existieren Onlinedienste, die anbieten, die digitalen Brieftaschen der Nutzer zu verwalten. Das persönliche Wallet enthält kryptographische Schlüssel, um Zahlungen zu autorisieren. Während zur Anfangszeit von Bitcoin die Benutzer ihre Schlüssel direkt verwaltet haben (z.B. als Liste in einer Datei oder auf Papier), haben sich aufgrund der Fehleranfälligkeit dieses Verfahrens heute deterministische Wallets durchgesetzt, bei denen der Benutzer sich lediglich eine geheime Phrase merken muss („Seed“), aus der sich über einen Algorithmus deterministisch eine beliebige Anzahl von privaten Schlüsseln herleiten lassen. Das digitale Wallet muss gegen Verlust, Ausspähen und Schadprogramme geschützt werden.

Zahlungen finden an pseudonyme Adressen statt, Hashwerte von öffentlichen Schlüsseln, welche von der Wallet-Software erzeugt werden auf Grundlage der von ihr verwalteten geheimen Schlüssel. Eine Identifizierung der Handelspartner ermöglicht Bitcoin nicht. Eine vollständige Anonymität garantiert das System allerdings auch nicht, da die Kette aller Transaktionen öffentlich in der Transaktionsgeschichte verzeichnet wird und eine Verknüpfung von Bitcoin-Adressen mit identifizierenden Informationen prinzipiell möglich ist. Wie bei Zahlungen mit Warengeld kann eine Bitcoin-Transaktion nicht widerrufen werden, nachdem sie durch das Netzwerk bestätigt wurde. Die erste Bestätigung einer Zahlung dauert im Schnitt knapp 10 Minuten, kann im Einzelfall oder wenn nur sehr geringe Gebühren gezahlt werden auch mehrere Stunden dauern. Mit dem weiteren Verstreichen der Zeit kommen weitere Bestätigungen in Form gefundener Blöcke hinzu, welche die Verbindlichkeit der Zahlung erhöhen. Zur Durchführung einer Zahlung kann eine Gebühr abgeführt werden, wobei Zahlungen mit höheren Gebühren bevorzugt bestätigt werden.

Mining

Durch das Mining werden neue Blöcke erzeugt und anschließend zur Blockchain hinzugefügt. Durch neue Blöcke werden neue Bitcoins ausgegeben und gleichzeitig ein Teil der neuen oder noch offenen Transaktionen bestätigt. Bis November 2012 wurden 50, bis Juli 2016 25, bis Mai 2020 12,5 und seitdem 6,25 Bitcoins mit jedem neuen Block ausgezahlt. Auf diese Weise findet eine dezentrale Geldschöpfung statt. Der Vorgang ist sehr rechenintensiv, und im Gegenzug erhält der Teilnehmer, der einen gültigen Block erzeugt, als Belohnung die geschöpften Bitcoins und die Gebühren aus den enthaltenen Transaktionen. Nachdem ein neuer gültiger Block gefunden wurde, wird er, wie unbestätigte Transaktionen, per Flooding-Algorithmus an alle Bitcoin-Nodes im Netzwerk als neue längere gültige Blockchain verbreitet. Das Mining im Bitcoin-System löst auf diese Weise auch das Problem der byzantinischen Generäle. Da es keine zentrale Instanz gibt, welche die Teilnehmer beglaubigt, vertrauen sich die Bitcoin-Nodes prinzipbedingt gegenseitig nicht. Das Problem besteht für jeden Bitcoin-Node darin, herauszufinden, welche Blöcke bzw. welche Blockchain nun die „richtige“ ist, das heisst der die Mehrheit vertraut. Gültige Blöcke werden nur durch das rechenintensive Mining erschaffen. So vertraut jeder Bitcoin-Node der längsten gültigen Blockkette, da hinter dieser die meiste Rechenleistung steht und deswegen auch die Mehrheit der Teilnehmer vermutet wird.

Proof of Work und Mining-Schwierigkeit

Praktisch die gesamte Rechenleistung des Bitcoin-Netzwerks entfällt beim Mining auf das Lösen kryptographischen Aufgaben, den Proof of Work. Deren Zweck ist es sicherzustellten, dass das Erzeugen gültiger Blöcke mit einem gewissen Aufwand verbunden ist, so dass eine nachträgliche Modifikation der Blockkette, wie bspw. beim Szenario eines 51-%-Angriffs, praktisch ausgeschlossen werden kann. Aufgrund der Schwierigkeit schließen sich Miner zu „Mining-Pools“ zusammen, um trotz dieser hohen Anforderungen an Stromverbrauch, Bereitstellung kostspieliger Hardware und oder unter eigener Kontrolle stehender Hardware Auszahlungen zu erhalten.

Schwierigkeitsgrad

Die Schwierigkeit der Aufgabe wird im Netzwerk dynamisch so geregelt, dass im Mittel alle zehn Minuten ein neuer Block erzeugt wird. Das heisst, mit steigender Rechenleistung des Netzwerks wird auch das Lösen der Aufgabe immer aufwendiger. Die Wahrscheinlichkeit eines Teilnehmers, die richtige Lösung zu finden, ist proportional zu der eingesetzten Rechenleistung. Alle 2016 Blöcke berechnen alle Bitcoin-Nodes unabhängig voneinander den Schwierigkeitsgrad des Minings neu, und passen sie so an die aktuelle Rechenleistung des gesamten Systems an, dass weiterhin etwa alle 10 Minuten eine neue Lösung gefunden wird. 2046 Blöcke entsprechen bei konstanter Hashleistung etwa 2 Wochen. Lösungen, die dem aktuellen Schwierigkeitsgrad nicht entsprechen, werden von anderen Bitcoin-Nodes nicht akzeptiert.

Proof of Work

Der Proof of Work besteht bei Bitcoin darin, einen Hashwert zu finden, der unterhalb eines bestimmten Schwellwerts liegt. Der Schwellwert ist umgekehrt proportional zur Mining-Schwierigkeit. Durch den Schwellwert kann der Aufwand zum Lösen des Proof of Work geregelt werden, denn je niedriger dieser Wert ist, umso unwahrscheinlicher ist es, einen passenden Hash zu finden. Der Hash wird durch zweimaliges Anwenden der kryptologischen Hashfunktion SHA-256 auf den Anfangsbereich eines Blocks (Blockheader) berechnet.

Spezialisierte Hardware

Das Mining auf dem Prozessor eines handelsüblichen Computers war außer während einer kurzen Zeit zu Beginn noch nie rentabel. Mining lohnte sich daher nur auf Grafikprozessoren oder spezialisierter (dedizierter) Hardware wie FPGAs. Da mit der Zeit pro Einheit an Rechenleistung auf Grafikprozessoren immer weniger Bitcoins erzeugt wurden und der Stromkostenanteil daher stieg, wurden etwa seit Ende 2011 verstärkt FPGAs genutzt. Diese verbinden hohe Hardwarekosten und niedrigen Stromverbrauch mit einer sehr hohen Rechenkapazität in Bezug auf eine spezielle Rechenanforderung, für die sie hergestellt wurden. Mittlerweile haben Hardwarebausteine wie ASICs auch die FPGAs fast vollständig abgelöst, da ihre Leistung noch deutlich höher liegt.

Ende Januar 2013 erschienen erste lauffähige, kommerziell erhältliche ASIC-Systeme zum Mining von Bitcoins. Mit diesen ist es möglich, Bitcoins rund 50-mal schneller zu schürfen (englisch: to mine) als bisher mit GPU-basierten Systemen. Dabei ist der Stromverbrauch, der einen erheblichen Teil der Kosten ausmacht, jedoch deutlich geringer. Die Folge war, dass die Schwierigkeit des Minings so weit anstieg, dass GPU-basiertes Mining (wie bereits zuvor CPU-basierte Systeme) innerhalb weniger Monate weitgehend unwirtschaftlich wurde. So liefern die ASICMiner Block Erupter USB in 130-nm-Chip-Technik, welche Mitte bis Ende 2013 verbreitet waren, ca. 333 Megahash pro Sekunde (Mhash/s) und arbeiten mit einer Effizienz von 130 Megahash pro Joule (Mhash/J). Mininghardware in 28-nm-Technik, die ab Mitte 2014 verfügbar wurde, liefert die zehnfache Effizienz von ca. 1,3 Gigahash pro Joule (Ghash/J) oder mehr. Ultra-effiziente ASIC-Mininghardware in 28-nm-Technik mit 6 Ghash/J (0,19 J/Ghash) wurde bereits für 2015 angekündigt, bevor der Einstieg in die noch höher effiziente 14-nm-Chip-Technik bei ASIC-Mininghardware für 2016 erwartet wird.

Der Trend geht seither zu zentralisiertem Cloud-Mining als riskante Kapitalanlage. Die Anbieter dieses Cloud-Minings betreiben ihre Rechenzentren beispielsweise in Island, da der Strom dort sehr günstig und die Möglichkeiten einer effizienten Kühlung der Tausenden von ASIC-Mining-Rechnern sehr gut sind. Das könnte das ehemals sichere, dezentrale Bitcoin-Mining-Modell bedrohen und einen 51%-Angriff wahrscheinlicher machen.