Bei Proof of Work (PoW) handelt es sich um einen Konsens-Mechanismus der Blockchain.

Notwendig ist ein solcher Mechanismus, weil das Blockchain-Protokoll auf einen effektiven Ansatz des dezentralisierten Austausches setzt. Gibt es Änderungen in der Blockchain, müssen diese durch einen Konsens-Mechanismus bestätigt werden, um das System in die Lage zu versetzen, unabhängig und zuverlässig zu arbeiten.

Die 5 wichtigsten Informationen zu Proof of Work:

  • Proof of Work wird als PoW abgekürzt
  • Bei Proof of Work handelt es sich um einen Konsensmechanismus, der auf der Blockchain angewandt wird
  • Ein Konsensmechanismus dient dazu in einem dezentralen Netzwerk einen netzwerkübergreifenden Konsens bei Datenänderungen zu finden
  • Die bekanntesten Proof of Work Coins sind Bitcoin, Ethereum, Dogecoin und Litecoin.
  • Im Vergleich zu Proof of Stake verbraucht Proof of Work mehr Energie
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Was ist Proof of Work? - Definition und Erklärung zu PoW

Proof of Work ist ein Konsens-Mechanismus auf der Blockchain.

Um die Funktion zu verstehen, ist es notwendig, auf die Grundlagen der Blockchain sowie Distributed-Ledger-Technologie einzugehen. Die Blockchain ist ein Verzeichnis von Informationsblöcken bzw. Transaktionen. Diese werden aufeinander aufbauend über ein Netzwerk verteilt gespeichert. Hierfür ist ein Freigabeprotokoll notwendig, das eine dezentralisierte Vermittlung von Daten zwischen den Netzwerkteilnehmern ermöglicht.

Die dezentralisierte Speicherung der Daten ist wohl die wichtigste Funktion der Blockchain.

Schließlich sorgt sie dafür, dass die Netzwerkteilnehmer nicht darauf vertrauen müssen, dass die Daten korrekt sind. Vielmehr sorgt das Blockchain-System selbst für die Fehlerfreiheit und Manipulationssicherheit der Daten.

Hier setzt Proof of Work wie folgt an: Die Blockchain erlaubt die gemeinsame Nutzung von Daten durch ein Netzwerk unabhängiger Teilnehmer oder Nutzer (engl. nodes). Jede Node verfügt zu jedem Zeitpunkt über eine exakte Kopie der gesamten Datenmenge der Blockchain. Um einen Datensatz zu ändern, muss ein Großteil der Netzwerkteilnehmer gleichzeitig der Änderung der Informationen zustimmen. Ein solcher Zustimmungs- oder Konsens-Mechanismus ist Proof of Work.

Wie funktioniert der Proof of Work Konsensalgorithmus?

Proof of Work umfasst das Lösen von rechenintensiven mathematischen Aufgaben, um einer Blockchain neue Blöcke bzw. Datensätze hinzuzufügen. Dieser Vorgang wird auch als Mining bezeichnet.

Um neue Blöcke generieren zu können, muss ein Node das genannte mathematische Problem durch Ausprobieren lösen. Der erste Netzwerkteilnehmer, der eine Lösung findet, kann diese im Netzwerk teilen. Andere Teilnehmer können sodann auf dem neu generierten Datenblock aufbauen.

Je mehr Rechenarbeit ein Node aufwendet, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass er Blöcke generiert.

Die Bereitstellung von PoW ist zeit- und auch ressourcenaufwendig, die Validierung der Daten durch andere Teilnehmer ist hingegen schnell und unkompliziert.

Wie funktioniert Proof of Work? - Die 4 Schritte im Detail:

  1. Beim Prozess des Minings versucht der Miner, durch Rechenoperationen ein Ergebnis mit bestimmten Eigenschaften zu finden.
  2. Grundlage hierfür sind Transaktionen, die in einem Block zusammengefasst werden.
  3. Der Miner prüft, ob diese Transaktionen richtig sind, indem er den Block prüft (hashen). Der Miner nutzt die Hashfunktion, also eine mathematische Funktion, die aus einer Zeichenkette mit undefinierter Länge eine Zeichenkette mit fester Länge erzeugt. Die Schwierigkeit hierbei ist, ein Ergebnis mit gewissen Eigenschaften zu finden, die sich aus der so genannten Hashfunktion ergeben.
  4. Der erste Miner, der die Lösung gefunden hat, erhält den Block und entsprechende Rewards (Transaktionsgebühren). Die validierten Transaktionen werden in Form des neuen Blocks an die Blockchain angehängt.

Die Ressourcen, die für diesen Prozess aufgewendet sind, lassen sich einerseits auf den Betrieb der Computer zurückführen, auf denen die Blockchain gespeichert ist (Nodes). So zeigen Schätzungen von bitnodes.io, dass es aktuell rund 15.000 Nodes alleine für Bitcoin gibt. Der weitaus größere Anteil der Ressourcen bzw. Energie wird hingegen verwendet, um neue Blocks zu erzeugen und Transaktionen zu bestätigen.

Die bekanntesten Proof of Work Coins

Der PoW-Konsens-Mechanismus kommt bei bestimmten Kryptowährungen zum Einsatz und sorgt für die Einstimmigkeit der Daten auf der Blockchain. Die bekanntesten Proof of Work Coins werden nachfolgend beschrieben.

Bitcoin (BTC)

Bitcoin nimmt die Pionierrolle bei PoW ein, denn die Bitcoin-Blockchain war die erste, die PoW als Konsens-Mechanismus nutzte. Dieser wurde von Satoshi Nakamoto, dem Schöpfer von Bitcoin, mit der Idee entwickelt, wirtschaftliche Anreize mit der Sicherung der Integrität der Bitcoin-Blockchain zu kombinieren. In der Bitcoin-Blockchain müssen die Teilnehmer im Sinne des PoW-Protokolls kryptografische Aufgaben lösen, um neue Blöcke für die Blockchain vorschlagen zu können. Eine detaillierte Beschreibung des PoW-Mechanismus von Bitcoin ist in Nakamotos Whitepaper nachzulesen.

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Ethereum (ETH)

Auch Ethereum setzte zu Beginn auf Proof of Work als Validierungsprozess in der Blockchain. Teilnehmer stellten ihre Rechenleistung für die dezentrale Blockchain zu Verfügung, um durch erfolgreiche Berechnung des Blocks Coins zu verdienen. Bei diesem Prozess wird allerdings sehr viel Strom verbraucht - zu einem großen Teil sogar umsonst. Denn nur jener Netzwerkteilnehmer, der als erster die erfolgreiche Rechnung aufstellt, bildet einen neuen Block und erhält Coins. Alle Rechenleistungen der übrigen Teilnehmer sind in diesem Fall umsonst. Ein weiterer Bottleneck sind die damit verbundenen hohen Transaktionskosten bei der Ausführung von dApps.

Aus diesem Grund wechselt das Projekt im Rahmen von Ethereum 2.0 von Proof of Work zu Proof of Stake (PoS). Hierbei stimmt das Netzwerk automatisiert darüber ab, wer unter den aktiven Netzwerkteilnehmern den nächsten Block erstellen soll. Die Abstimmung kann nach unterschiedlichen Regeln erfolgen, etwa auf Basis des vom jeweiligen Teilnehmer gehaltenen Coin-Vermögens. Im Vergleich zu PoW verbraucht PoS nur einen Bruchteil an Energie, um die Blockchain aufrechtzuerhalten.

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Dogecoin (DOGE)

Dogecoin ist eine Peer-to-Peer-Kryptowährung, die auf dem Internetphänomen Doge basiert. Dogecoin leitet sich vom Open-Source-Projekt Litecoin ab. Auch hierbei handelt es sich um eine Peer-to-Peer-Kryptowährung. Dogecoin verwendet einen Proof-of-Work-Algorithmus, der jenem von Bitcoin gleicht. Auch bei Doge berechnen Miner neue Blöcke und verarbeiten damit ausstehende Transaktionen. Ein wesentlicher Unterschied zu Bitcoin liegt hier in der Anzahl an Coins, die generiert werden können. Diese sind bei Bitcoin auf maximal 21 Millionen Coins begrenzt, während Dogecoin ursprünglich auf 100 Milliarden Coins begrenzt war.

Litecoin (LTC)

Litecoin wurde knapp nach Bitcoin entwickelt und war damit eine der ersten Altcoins. Litecoin gilt als das "Silber" der Kryptowährungen, während Bitcoin als digitales Gold angesehen wird. Dies ist grundsätzlich auch die Zielsetzung bei der Entwicklung von Litecoin gewesen: eine schnelle und kostengünstige Alternative zu Bitcoin zu finden.

Die Entwicklung von Litecoin basiert auf einer so genannten "Hard Fork" der Bitcoin-Blockchain. Das Gegenteil hierzu ist die "Soft Fork", bei der eine Änderung des Software-Protokolls erfolgt, bei der zuvor validierte Transaktionen bzw. Blocks ungültig gemacht werden. Dies geschieht durch eine Mehrheit der Miner, die anschließend das neue Upgrade durchführen und die neuen Regeln anwenden. Eine Hard Fork liegt hingegen vor, wenn der Code stark modifiziert wurde, sodass die neue Version nicht mehr mit früheren Blöcken kompatibel ist. In diesem Fall teilt sich die ursprüngliche Blockchain auf - im konkreten Fall entstand durch diese Aufteilung Litecoin.

Proof of Work vs. Proof of Stake: Die Unterschiede

Der Unterschied zwischen Proof of Stake und PoW ist die Art und Weise, wie eine Transaktion auf der Blockchain validiert wird. Auf der dezentralen Blockchain wird die Validierung von Konsens-Mechanismen übernommen.

Proof of Work

Proof of Work basiert auf Mining. Netzwerkteilnehmer, die eine kryptografische Aufgabe lösen und damit Transaktionen validieren und neue Blöcke generieren, erhalten eine Belohnung in Form von Coins.

Proof of Stake

Bei Proof of Stake ist kein Mining notwendig. Stattdessen wird die Kryptowährung dadurch generiert, dass Anteile davon in einer Wallet gehalten und entsperrt werden. Dieser Prozess wird als Staking bezeichnet. Als Anreiz die Kryptowährungen zu sperren und neue Blöcke zu generieren, erhalten die Netzwerk-Teilnehmer die anfallenden Transaktionsentgelte pro Block als Reward.

Ein weiterer erheblicher Unterschied ist der Energieverbrauch der beiden Mechanismen. Dieser ist bei PoW ungleich höher, weshalb beispielsweise Ethereum das Protokoll auf PoS umstellt.

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Laut einer Studie der Cambridge University liegt der Energieverbrauch von Bitcoin bei 130 TWh pro Jahr. Dies ist vergleichbar mit dem jährlichen Energieverbrauch von Ländern wie Argentinien. Hingegen liegt der Energieverbrauch von Ethereum bei nur 26 TWh jährlich.

Fazit zum Konsensalgorithmus PoW

PoW ist ein bewährter Konsens-Algorithmus, der für Kryptowährungen wie Bitcoin oder Ethereum verwendet wird. Der Bitcoin-Algorithmus heißt SHA-256, der Ethereum-Algorithmus heißt Ethash. PoW sorgt für eine manipulationssichere Blockchain, allerdings hat der Algorithmus einige Nachteile. Insbesondere erfordert das Lösen der kryptografischen Aufgaben sehr viel Zeit und Energieund ist damit sehr kostenintensiv. Aus diesem Grund setzen mittlerweile viele Kryptowährungen auf Proof of Stake.

Häufige Fragen (FAQ) zu Proof of Work

In diesem Abschnitt geben wir Antworten auf die wichtigsten Fragen zu Proof of Work.

  • Was bedeutet Mining bei Proof of Work?

    Proof of Work (PoW) ist ein Algorithmus, der Blockchain-Teilnehmern, die eine kryptografische Aufgabe lösen und dadurch Transaktionen validieren und neue Blöcke erzeugen, eine Belohnung (Reward) in Form von Coins zugesteht. Dieser Prozess wird Mining genannt.
  • Welche Vorteile hat Proof of Work?

    Zwar ist Proof of Work sehr ressourcenaufwendig, doch der Mechanismus bietet auch Vorteile. Der größte Vorteil ist, dass alle Miner die gleiche Entlohnung erhalten. Es ist zudem nicht möglich, dass Teilnehmenr durch Betrug mehr Coins erhalten als andere. Ungültige bzw. nicht validierte Transaktionen sind nicht zulässig, sodass die Blockchain und die darauf gespeicherten Daten manipulationssicher sind.
  • Welche Nachteile hat Proof of Work?

    Proof of Work ist sehr zeit- und energieintensiv. Für das Lösen der kryptografischen Aufgaben ist viel Rechenleistung und damit ein hoher Stromverbrauch notwendig. Zudem besteht bei PoW die Möglichkeit einer sogenannten 51-Prozent-Attacke. Dies heißt, dass Mining-Pools, die größer gleich 51 Prozent der Mining-Leistung aufbringen, die Stabilität und Sicherheit des Netzwerks gefährden können.
  • Verbraucht Proof of Work Mining viel Energie?

    Proof of Work verbraucht weitaus mehr Energie als Proof of Stake, weil viel Rechenleistung notwendig ist, um die Rechenaufgaben zu lösen. Daraus ergibts ich ein hoher Stromverbrauch.

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