Bitcoin-Mining

Der Prozess, bei dem neue Bitcoins (BTC) geschaffen werden, wird als Mining (von engl. „to mine“, schürfen) bezeichnet. Der Begriff ist absichtlich in Anlehnung an das Schürfen von Gold gewählt. Je mehr Gold geschürft wird, desto weniger ist noch in der Erde vorhanden. Entsprechend verringert sich auch allmählich die Menge der Bitcoins, die pro Zeiteinheit (etwa 10 Minuten) geschürft werden.

Dieser Prozess wird durch den Algorithmus des Bitcoins, der Blockchain, definiert. Ungefähr im Jahr 2140 werden alle 21 Millionen Bitcoins gemint sein. So sieht es der Bitcoin-Algorithmus vor. Der Begriff „Miner“ kann dabei unterschiedliche Bedeutungen haben. Zum einen bezeichnet er die Person oder Organisation, die neue Bitcoins mint. Zum anderen steht „Miner“ auch für den einzelnen Computer, der darauf spezialisiert ist, den Algorithmus auszuführen.

Hohe Rechenleistung bedeutet hoher Energieverbrauch

Der Prozess des Bitcoin-Minings verbraucht aufgrund der Rechenleistung der Computer ein hohes Maß an elektrischer Energie. Je mehr Miner den Bitcoin minen, desto höher ist dieser Bedarf insgesamt. Der Teil des Minings, der diesen Energieverbrauch in erster Linie hervorruft, ist das Suchen und Erstellen von Hashwerten. Der Strom kostet natürlich Geld und ist daher vom Wert des Bitcoins abhängig und wie oft ein Miner einen Block erstellt und somit dafür mit neuen BTC belohnt wird. 

Ein Hashwert ist ein Code, eine individuelle Folge von Buchstaben und Zahlen, die jede beliebige Datei eindeutig verschlüsselt. Man gibt dazu die Datei in das Hash-Programm ein, das dann einen Hashwert dazu produziert. Dabei erzeugt das Programm aus derselben Datei immer ein- und denselben Hashwert. Dementsprechend benötigt ein neuer Block auch immer einen neuen Hashwert.

Kryptographischer Fingerabdruck

Wird in der Datei auch nur ein Zeichen geändert, ändert sich der Hashwert komplett. Der Hashwert ist sozusagen der Fingerabdruck der Datei, denn er kennzeichnet sie genau so eindeutig wie der Fingerabdruck jeden Menschen eindeutig kennzeichnet. Wichtig zu erwähnen ist außerdem, dass von dem Hashwert nicht auf den Inhalt der Datei geschlossen werden kann. Wozu dieser Hashwert wichtig ist, welche Bedingungen er erfüllen muss und welche Rolle er beim Mining spielt, wird im Folgenden erklärt.

Der Prozess des Bitcoin-Minings erfüllt insbesondere drei Aufgaben:

Die Arbeit der Bitcoin-Miner umfasst verschiedene Phasen:

Phase 1: Transaktionen werden registriert und verifiziert

Wenn eine Bitcoin-Transaktion, also zum Beispiel die Zahlung für eine Ware im Internet, stattfinden soll, erscheint diese mit Absender- und Empfängeradresse sowie dem zu überweisenden Betrag im Bitcoin-Netzwerk. So sind ständig Transaktionen offen und neue kommen hinzu. Ein Miner sucht sich aus allen Bitcoin-Transaktionen, die weltweit durchgeführt werden sollen, eine bestimmte Anzahl aus und prüft jede einzelne. Dazu gleicht er sie mit der Blockchain ab. Er prüft anhand der Historie der Adressen, ob eine neue Transaktion gültig ist.

Dafür stellt er sich folgende Fragen:

  • Verfügt der Käufer über genügend Bitcoins für die Transaktion?
  • Ist er der Eigentümer der BTC, die transferiert werden sollen?
  • Versucht der Eigentümer der BTC dieselben BTC zweimal zu senden?

Nach der Prüfung fasst der Miner gültige Transaktionen in einer Liste, dem sogenannten Block, zusammen.

Phase 2: Ein neuer Block mit Transaktionen wird vorbereitet

Der Miner fügt nun zu diesem Block den Hash des vorhergehenden Blocks, also des letzten gültigen Blocks, der an der Blockchain hängt, hinzu. Neben dem Hash – der individuellen Folge von Buchstaben und Zahlen, die jede beliebige Datei, in diesem Fall den betreffenden Block, eindeutig codiert – fügt der Miner dem Block eine „Nonce“ hinzu.

Eine Nonce ist im Grunde ebenfalls eine beliebige Zahlen- und Buchstabenkombination. Der Unterschied zum Hashwert liegt darin, dass eine Nonce kurzfristig und mit der Absicht gewählt wird, bald durch einen neuen, leicht abgeänderten Code ersetzt zu werden.

Phase 3: Der neue Block wird verifiziert – das eigentliche Mining

Im nächsten Schritt generiert der Miner nun einen Hash für den Block, den er gerade zusammengestellt hat. Normalerweise ist ein Hash sehr schnell (in Sekundenbruchteilen) zu erzeugen. Für den BTC wurde allerdings festgelegt, dass nur alle zehn Minuten ein neuer Block geschaffen werden soll. Deshalb wurden Kriterien festgelegt, die ein gültiger Hash erfüllen muss.

Es genügt also nicht, irgendeinen beliebigen Hash zu finden. Ein gültiger Hash der Bitcoin-Blockchain muss immer mit einer bestimmten Zahl von Nullen beginnen. Also muss der Miner für seinen Block ständig neue Hashes ausprobieren, um zufällig einen zu finden, der diese Bedingung erfüllt. Damit sich der Hash ändert, muss er auch den Block jedes Mal leicht abändern, und dafür hat er die Nonce eingebaut.

Es wird also immer wieder die Nonce geändert, bevor ein Hash errechnet und im Anschluss überprüft wird, ob er mit der richtigen Anzahl von Nullen beginnt. Da der gesuchte Hash selten ist, müssen viele Hashes generiert werden, bis ein passender Hash gefunden wird. So entsteht die enorme Rechenleistung, verbunden mit dem hohen Energiebedarf des Bitcoin-Minings.

Phase 4: Der neue Block ist gültig, Transaktionen werden bestätigt

Hat der Miner einen gültigen Hash gefunden, stellt er den verifizierten Block samt seinem Hash ins Netzwerk. Alle anderen Miner beziehen diesen nun in ihre Berechnungen ein. Nur wenn alle Transaktionen in dem Block korrekt sind, wird er ein verifizierter Teil der Blockchain und weitere Blöcke können angehängt werden.

Dafür, dass er einen neuen gültigen Block verifiziert hat, bekommt der Miner eine Belohnung von derzeit 12,5 BTC [Stand: Januar 2019]. Dazu kommen in der Regel noch Transaktionsgebühren für die einzelnen Transaktionen im Block. Ungefähr alle vier Jahre halbiert sich der BTC-Betrag, der für einen geminten Block ausgeschüttet wird.

Ursprünglich betrug die Belohnung 50 BTC. Im November 2012 halbierte sich diese auf 25 BTC, im Juli 2016 erneut auf 12,5 BTC. Damit wird rechnerisch das Schürfen von Gold nachempfunden, von dem ebenfalls immer weniger vorhanden ist, je mehr geschürft wird. Die nächste Halbierung auf 6,25 BTC wird für Mitte 2020 erwartet.

Proof-of-Work garantiert Fälschungssicherheit des BTC

Der Vorgang – vom Erstellen eines neuen Blocks mit Hash des vorhergehenden Blocks über das Errechnen eines neuen Hashs und Verifizieren des Blocks – wird als Proof-of-Work (PoW) bezeichnet. Der PoW stellt sicher, dass es sehr aufwendig ist, einen neuen Block für die Blockchain zu finden. Die neuen BTC und die Transaktionsgebühren erhält der Miner erst, wenn an seinem Block mindestens 100 weitere Blocks angehängt wurden. Das ist der Nachweis dafür, dass alle Transaktionen in seinem Block gültig sind. Ist auch nur eine Transaktion ungültig, bemerken das die anderen Miner und arbeiten mit diesem Block nicht mehr weiter.  So ein Block wird „verwaister Block“ (im Englischen „orphan block“ oder „stale block“) genannt.

Es ist diese Rechenvorschrift des Systems, die den Bitcoin fälschungssicher macht, denn für einen Block, der falsche Transaktionen enthält, bekommt der Miner keine BTC. Seine komplette Rechenleistung für die Errechnung des Hashs wäre umsonst gewesen. Die im weltweiten Bitcoin-Netzwerk errechneten Hashes werden in der Einheit Terahash pro Sekunde (TH/s) angegeben. Ein Terahash entspricht 1012 Hashes. Das lässt erahnen, welche immense Rechenleistung den Bitcoin sichert.

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Quellen

Antonopoulos, A. M. (2017). Mastering Bitcoin: Programming the Open Blockchain (zweite Auflage). Sebastopol, California: O’Reilly Media.

Bitcoin MiningTM®. (2018). Bitcoin Mining, unter: https://www.bitcoinmining.com/ (abgerufen am 21.01.2019).

Bitcoin Wiki. (2019). Bitcoin, unter: https://en.bitcoin.it/wiki/Main_Page (17.01.2019).

Narayanan, A., Bonneau, J., Felten, E., Miller, A., & Goldfeder, S. (2016). Bitcoin and Cryptocurrency Technologies: A Comprehensive Introduction. Princeton, New Jersey: Princeton University Press.

Northern Bitcoin AG. (2018). Northern Bitcoin: Halbjahresbericht 2018