Bitcoin-Netzwerk

mini|Eine Darstellung einer Bitcoin-Überweisung.

Das Bitcoin-Netzwerk besteht aus einem Peer-to-Peer-Verbund (P2P) von Knotenpunkten, die das Bitcoin-Protokoll umsetzen. Das Protokoll selbst realisiert ein hochverfügbares, öffentliches und dezentralisiertes Register. Die Knotenpunkte gewährleisten, dass jede Aktualisierung des Registers den Regelungen des Bitcoin-Protokolls entspricht.

Nutzer übermitteln kryptographisch signierte Nachrichten an das Netzwerk, indem sie Software für Bitcoin-Kryptowährungsbrieftaschen verwenden. Diese Nachrichten stellen vorgeschlagene Transaktionen dar, Änderungen, die im Register vorgenommen werden sollen. Jeder Knoten verfügt über eine Kopie der gesamten Transaktionshistorie des Registers. Sollte eine Transaktion gegen die Regeln des Bitcoin-Protokolls verstoßen, wird sie ignoriert. Transaktionen werden ausschließlich durchgeführt, wenn das gesamte Netzwerk deren Durchführung befürwortet. Dieser „vollständige Netzwerkkonsens“ (englisch „full network consensus“) wird erreicht, wenn jeder Knoten im Netzwerk die Ergebnisse einer Arbeitsnachweisoperation (englisch Proof of Work), bekannt als Mining, verifiziert. Das Schürfen bündelt Transaktionsgruppen in Blöcken und erzeugt einen Hash-Code, der den Regeln des Bitcoin-Protokolls entspricht. Die Erstellung dieses Hashes erfordert einen hohen Energieaufwand, doch ein Netzwerkknoten kann die Gültigkeit des Hashes mit minimalem Energieverbrauch überprüfen. Schlägt ein Miner dem Netzwerk einen Block vor und sein Hash ist gültig, werden der Block und die damit verbundenen Änderungen im Ledger zur Blockchain hinzugefügt, woraufhin sich das Netzwerk den noch nicht verarbeiteten Transaktionen zuwendet. Im Falle eines Konflikts gilt die längste Kette als korrekt.

Im Durchschnitt wird alle 10 Minuten ein neuer Block erzeugt.

Satoshi Nakamoto, der anonyme Schöpfer des Protokolls, gab an, dass die Konzeption und Programmierung von Bitcoin im Jahr 2007 begannen. Das Projekt wurde 2009 als Open-Source-Software veröffentlicht.

Das Netzwerk benötigt eine minimale Struktur, um Transaktionen zu teilen. Ein ad-hoc, dezentralisiertes Netzwerk von Freiwilligen genügt. Nachrichten werden nach dem Best-Effort-Prinzip übertragen, und Knoten können das Netzwerk nach Belieben verlassen und wieder beitreten. Bei einer erneuten Verbindung lädt ein Knoten neue Blöcke von anderen Knoten herunter und überprüft sie, um seine lokale Kopie der Blockchain zu vervollständigen.

Transaktionen mini|Eine tatsächliche Bitcoin-Transaktion einschließlich der Gebühr von einer webbasierten Kryptowährungsbörse zu einer Hardware-Wallet. mini|110px|links|Die beste Kette besteht aus der längsten Reihe von Transaktionsaufzeichnungen vom Genesis-Block bis zum aktuellen Block oder Eintrag. Verwaiste Aufzeichnungen existieren außerhalb der besten Kette.

Ein Bitcoin wird durch eine Abfolge digital signierter Transaktionen definiert, die mit der Schöpfung des Bitcoins als Blockbelohnung begannen. Der Eigentümer eines Bitcoins überträgt diesen, indem er ihn digital an den nächsten Eigentümer signiert, ähnlich wie bei der Indossierung eines herkömmlichen Bankschecks. Ein Zahlungsempfänger kann jede vorherige Transaktion überprüfen, um die Besitzkette zu verifizieren. Anders als bei traditionellen Scheckindossierungen sind Bitcoin-Transaktionen irreversibel, was das Risiko von Rückbuchungsbetrug ausschließt.

Obwohl es möglich ist, Bitcoins individuell zu behandeln, wäre es umständlich, für jeden Bitcoin in einer Transaktion eine separate Transaktion zu verlangen. Daher dürfen Transaktionen mehrere Eingaben und Ausgaben enthalten, was das Aufteilen und Zusammenführen von Bitcoins ermöglicht. Gewöhnliche Transaktionen haben entweder eine einzelne Eingabe aus einer größeren vorherigen Transaktion oder mehrere Eingaben, die kleinere Beträge kombinieren, sowie ein oder zwei Ausgaben: eine für die Zahlung und eine für die Rückgabe des Wechselgelds, falls vorhanden, an den Sender. Jegliche Differenz zwischen den Gesamtbeträgen der Eingaben und Ausgaben einer Transaktion geht als Transaktionsgebühr an die Miner.

Mining

mini|GPU-basiertes Mining-Rig, 2012 mini|Eine Bitcoin-Mining-Farm, 2018

Um einen verteilten Zeitstempel-Server in einem Peer-to-Peer-Netzwerk zu bilden, verwendet Bitcoin ein Proof-of-Work-System. Diese Arbeit wird oft als Bitcoin-Mining bezeichnet.

Während des Minings wird nahezu die gesamte Rechenleistung des Bitcoin-Netzwerks dazu verwendet, kryptographische Aufgaben zu lösen, den sogenannten Proof-of-Work. Ihr Zweck ist es sicherzustellen, dass die Erzeugung gültiger Blöcke einen bestimmten Aufwand erfordert, sodass eine nachträgliche Modifikation der Blockchain, wie im Szenario des 51-%-Angriffs, praktisch ausgeschlossen werden kann. Aufgrund der Schwierigkeit bilden Miner „Mining-Pools“, um trotz dieser hohen Energieanforderungen, kostspieligen Hardwareeinsätzen und/oder Hardware unter ihrer eigenen Kontrolle Auszahlungen zu erhalten. Der größte Anteil der Mining-Pools befindet sich in China, wo auch die meisten Miner – oder etwa 75 % der Rechenleistung – der Kryptowährung ansässig sind.

Die Anforderung eines Arbeitsnachweises zur Akzeptanz eines neuen Blocks in der Blockchain war Satoshi Nakamotos Schlüsselinnovation. Der Mining-Prozess beinhaltet die Identifizierung eines Blocks, der, wenn er zweimal mit SHA-256 gehasht wird, eine Zahl ergibt, die kleiner ist als das vorgegebene Schwierigkeitsziel. Während die durchschnittlich benötigte Arbeit im umgekehrten Verhältnis zum Schwierigkeitsziel zunimmt, kann ein Hash stets durch das Ausführen einer einzigen Runde von doppeltem SHA-256 verifiziert werden.

Für das Bitcoin-Zeitstempelnetzwerk wird ein gültiger Arbeitsnachweis gefunden, indem ein Nonce erhöht wird, bis ein Wert gefunden ist, der dem Hash des Blocks die erforderliche Anzahl an führenden Nullbits verleiht. Sobald das Hashing ein gültiges Ergebnis erbracht hat, kann der Block nicht geändert werden, ohne die Arbeit zu wiederholen. Da spätere Blöcke danach verkettet werden, würde die Arbeit zur Änderung des Blocks das Wiederholen der Arbeit für jeden nachfolgenden Block einschließen. Kommt es zu einer Abweichung im Konsens, kann es zu einer Abspaltung der Blockchain kommen.

Der Mehrheitskonsens bei Bitcoin wird durch die längste Kette dargestellt, deren Erstellung den größten Aufwand erforderte. Wenn eine Mehrheit der Rechenleistung von ehrlichen Knoten kontrolliert wird, wird die ehrliche Kette am schnellsten wachsen und alle konkurrierenden Ketten übertreffen. Um einen früheren Block zu ändern, müsste ein Angreifer den Arbeitsnachweis für diesen Block und alle folgenden Blöcke neu erbringen und dann die Arbeit der ehrlichen Knoten übertreffen. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein langsamerer Angreifer aufholt, nimmt exponentiell ab, wenn nachfolgende Blöcke hinzugefügt werden.

Um der steigenden Hardwaregeschwindigkeit und dem schwankenden Interesse am Betrieb von Knotenpunkten über die Zeit Rechnung zu tragen, wird die Schwierigkeit, einen gültigen Hash zu finden, etwa alle zwei Wochen angepasst. Werden Blöcke zu schnell erzeugt, erhöht sich die Schwierigkeit, und es werden mehr Hashes benötigt, um einen Block zu erstellen und neue Bitcoins zu generieren.

mini|Die Mining-Schwierigkeit hat sich deutlich erhöht.

Schwierigkeitsgrad und Mining-Pools mini|Die größten Bitcoin-Mining-Pools nach Ländern, in denen die Pools im April 2020 ansässig waren.

Das Bitcoin-Mining ist ein Wettbewerbsumfeld, in dem sich ein regelrechter „Rüstungswettlauf“ durch die verschiedenen genutzten Hashing-Technologien zeigt: Angefangen von einfachen zentralen Verarbeitungseinheiten (CPUs), über hochentwickelte Grafikprozessoren (GPUs), programmierbare Schaltkreise (FPGAs) bis hin zu anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs). Jede dieser Technologien verringerte die Rentabilität der weniger spezialisierten Vorgänger. Heute dominieren bitcoin-spezifische ASICs das Mining und übertreffen die Geschwindigkeit von GPUs um das bis zu 300-Fache. Die Schwierigkeit des Mining-Prozesses wird periodisch an die im Netzwerk aktive Rechenleistung angepasst. Mit der zunehmenden Schwierigkeit, Bitcoins zu minen, verzeichnen Hersteller von Computerhardware einen Anstieg im Verkauf hochentwickelter ASIC-Produkte.

Rechenleistung wird häufig gebündelt oder in einem „Pool“ zusammengefasst, um Schwankungen im Einkommen der Miner zu verringern. Einzelne Mining-Rigs müssen oft lange Zeiträume warten, um einen Block von Transaktionen zu bestätigen und eine Zahlung zu erhalten. In einem Pool erhalten alle teilnehmenden Miner jedes Mal eine Zahlung, wenn ein beteiligter Server einen Block löst. Diese Zahlung hängt von der Menge der Arbeit ab, die der einzelne Miner zur Findung des Blocks beigetragen hat, und vom Zahlungssystem, das der Pool verwendet.

Energiequellen und -verbrauch

mini|links|Der Stromverbrauch von Bitcoin im Jahr 2021

Im Jahr 2013 schätzte Mark Gimein den Stromverbrauch auf etwa 40,9 Megawatt (982 Megawattstunden pro Tag). Hass McCook veranschlagte im Jahr 2014 80,7 Megawatt (80.666 kW). Laut einer Einschätzung von The Economist würde der kombinierte Stromverbrauch sogar dann, wenn alle Miner moderne Anlagen nutzen würden, 166,7 Megawatt (1,46 Terawattstunden pro Jahr) betragen. Der Cambridge Bitcoin Electricity Consumption Index legt nahe, dass der Energieverbrauch des Bitcoin-Netzwerks von 1,95 Terawattstunden pro Jahr Ende 2014 auf 77,1 Terawattstunden pro Jahr bis Ende 2019 angestiegen ist.

Um geringere Stromkosten zu erreichen, haben sich einige Bitcoin-Miner in Gegenden wie Island niedergelassen, wo geothermische Energie preiswert ist und die kühle Luft zur Kühlung beiträgt. Der hohe Strombedarf der beim Mining eingesetzten Hardware macht die Energieversorgung zu einem zentralen Standortfaktor, wie Branchenanalysen zum Energieverbrauch des Bitcoin-Netzwerks zeigen. Zur Darstellung des Zusammenhangs zwischen Energieverbrauch und Mining werden Rechenmodelle eingesetzt, die Strompreise, Geräteleistung und Netzwerkschwierigkeit abbilden. Chinesische Bitcoin-Miner sind dafür bekannt, in Tibet Wasserkraft zu nutzen, um die Stromkosten zu senken. Nordamerikanische Unternehmen verwenden abgelagertes Gas als kosteneffiziente Energiequelle für das Bitcoin-Mining. In West-Texas wird Bitcoin-Mining durch Windenergie betrieben. Stand April 2021 wurde mindestens ein Drittel des Bitcoin-Minings in Chinas Region Xinjiang durch Kohle angetrieben.

Eine Studie aus dem Jahr 2021 ergab, dass die CO2-Emissionen des Bitcoin-Minings in China, wo vor Mitte 2021 ein Großteil des Proof-of-Work-Algorithmus berechnet wurde, gegen Ende der 2010er Jahre rapide angestiegen sind. Diese Emissionen wurden größtenteils durch nicht erneuerbare Energiequellen angetrieben und es wurde erwartet, dass sie die jährlichen Gesamtemissionen von Ländern wie Italien und Spanien im Jahr 2016 übertreffen würden, was die internationalen Bemühungen zur Eindämmung des Klimawandels beeinträchtigte. Es wurde auch festgestellt, dass das Bitcoin-Mining im Jahr 2021 mehr Energie verbrauchte als das Land Neuseeland. Ein formelles Verbot des Kryptowährungs-Minings in China im Mai 2021, das sowohl im September als auch im November wiederholt wurde, führte zur Verlagerung eines Großteils der Mining-Ausrüstung außerhalb Chinas. Dennoch verblieben bis zu 20 Prozent „aller weltweiten Bitcoin-Miner in China, weit entfernt von ihrem Höchststand von etwa 65% bis 75% des globalen Marktes“. Bis Dezember 2021 hatte sich die globale Hashrate größtenteils auf das Niveau vor Chinas Durchgreifen erholt, wobei der Anteil der gesamten Mining-Leistung zunehmend aus den USA (35,4 %), Kasachstan (18,1 %) und Russland (11 %) stammte.

Verfahren mini|Avalon – ein ASIC-basierter Mining-Computer

Hier sind die grundlegenden Schritte des Bitcoin-Mining-Prozesses: