Proof of Work: Mining und Anpassung der Schwierigkeit

Proof of Work (PoW) verlangt von einem Blockproduzenten, eine rechenintensive Aufgabe zu erfüllen, um einen Block hinzuzufügen. Dies hält Spam ab und macht das Umschreiben der Kette teuer. Die Verifizierung des Beweises ist kostengünstig (ein Hash). Die Arbeit erfordert viele Hash-Berechnungen.

Bitcoin-PoW: Finden Sie eine Nonce, sodass SHA256d(block_header) < target gilt. Das Target ist eine 256-Bit-Zahl. Ein kleineres Target bedeutet, dass im Hash-Ergebnis mehr führende Nullen erforderlich sind, wodurch gültige Nonces seltener und schwerer zu finden sind.

import hashlib def mine(data, difficulty): target = "0"*difficulty nonce = 0 while True: h = hashlib.sha256(f"{data}{nonce}".encode()).hexdigest() if h.startswith(target): return nonce, h nonce += 1 nonce, h = mine("block data", 4) print(nonce, h) # hash starts with "0000"

Der Bitcoin-Blockheader enthält ein Feld "bits", das das aktuelle Target codiert. Target = coefficient * 256^(exponent-3). Beispiel: bits=0x1703a30c → target = 0x03a30c * 2^(8*(0x17-3)) = eine 256-Bit-Zahl, für die etwa 72 führende Nullbits erforderlich sind.

Bitcoin passt die Schwierigkeit alle 2016 Blöcke (~2 Wochen) an. Zielanpassung: new_target = old_target * (actual_time / 2016 * 10 minutes). Wenn Blöcke im Durchschnitt schneller als alle 10 Minuten gefunden wurden, sinkt das Target (schwieriger). Wenn sie langsamer gefunden wurden, steigt das Target (einfacher). Dadurch wird eine Blockzeit von etwa 10 Minuten beibehalten.

Die Netzwerk-Hashrate (H/s) misst die gesamte Mining-Leistung. Eine höhere Hashrate bedeutet eine geringere Wahrscheinlichkeit pro Zeiteinheit, zufällig eine gültige Nonce zu finden. Um k Blöcke umzuschreiben, benötigt ein Angreifer mehr als 50 % der Netzwerk-Hashrate über eine Zeitspanne, die proportional zu k*10 Minuten ist.

Mit mehr als 50 % Hashrate kann ein Angreifer: (1) eine geheime Abzweigung minen, (2) Transaktionen aufnehmen oder ausschließen, (3) durch Veröffentlichung einer längeren Kette einen Double-Spend durchführen, nachdem eine Zahlung bestätigt wurde. Nicht möglich ist es, die Coins anderer zu stehlen, Coins aus dem Nichts zu erzeugen oder tief in der Kette liegende Transaktionen rückgängig zu machen.

Das Bitcoin-SHA256d-Mining wird von ASICs (anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreisen) dominiert – Chips, die für eine einzelne Hash-Funktion optimiert sind. ASICs sind 10^6-mal effizienter als CPUs. Dadurch konzentriert sich das Mining in großen Rechenzentren, was Bedenken hinsichtlich der Zentralisierung hervorruft.

Ethereum verwendete Ethash (inzwischen veraltet) – ein speicherhartes PoW, das einen großen DAG-Datensatz erfordert. Speicherhärte erschwert ASICs (Speicherbandbreite lässt sich nur schwer kostengünstig optimieren). Monero verwendet RandomX (CPU-optimiert, ASIC-resistent). Zcash verwendet Equihash (speicherhart).

Strategie des Selfish Mining: Einen gefundenen Block zurückhalten, einen zweiten Block minen und dann beide gleichzeitig veröffentlichen. Bei richtigem Timing verschwenden ehrliche Miner Arbeit am verwaisten Block. Im Durchschnitt sind etwa 33 % Hashrate erforderlich, damit die Strategie profitabel ist, nicht 51 %.

Proof of Stake (PoS, von Ethereum seit dem Merge verwendet) ersetzt Hash-Arbeit durch gestakte Kryptowährung. Validatoren werden proportional zu ihrem Stake ausgewählt, um Blöcke vorzuschlagen. PoS verbraucht 99,95 % weniger Energie als PoW. Kompromiss: andere Vertrauensannahmen und Angriffsökonomie.

Was versucht die Schwierigkeitsanpassung von Bitcoin aufrechtzuerhalten?

PoW erfordert eine Nonce, für die SHA256d(header) < target gilt. Die Schwierigkeit wird alle 2016 Blöcke angepasst. Eine Hashrate von 51 % ermöglicht Double-Spend-Angriffe. ASICs dominieren das Bitcoin-Mining; speicherharte Funktionen sind ASIC-resistent. Als Nächstes: Bitcoin Script und UTXO-Signaturen.