Proof of Work (PoW), zu Deutsch Arbeitsnachweis, ist ein Protokoll, das ursprünglich entwickelt wurde, um Angriffe abzuwehren, die den Betrieb von Systemen stören sollen, und um unerwünschte E-Mails – den sogenannten Spam – zu unterbinden. Seinen Ursprung hat das Protokoll in einer Arbeit, die die Informatiker Cynthia Dwork und Moni Naor 1993 veröffentlichten. 1999 fand es dann durch die Arbeit der Forscher Markus Jakobsson und Ari Juels unter seinem heutigen Namen Eingang in die Fachliteratur.
Während der Entwicklung von PoW in den Neunzigerjahren lag das häufigste Einsatzgebiet darin, Versuche abzuwehren, Computersysteme lahmzulegen – allen voran DDoS-Angriffe (Denial of Service). Ebenso wurde das Proof-of-Work-Protokoll gegen Spam eingesetzt. Am 31. Oktober 2008 trat es dann in einer völlig anderen Form als bisher in Erscheinung: im Bitcoin-Whitepaper, das eine Person oder Gruppe unter dem Namen Satoshi Nakamoto veröffentlichte. Das Dokument mit dem Titel „Bitcoin: Peer-to-Peer Electronic Cash System", das die erste Kryptowährung überhaupt vorstellte, zeigte, wie ein verlässliches Zahlungssystem und eine Kryptowährung dank des Proof-of-Work-Protokolls existieren können.
Proof of Work, das im vierten Abschnitt dieses Dokuments behandelt wird, beantwortet die Frage, warum dieser Mechanismus Teil der Bitcoin-Infrastruktur ist.
So funktioniert Proof of Work
Bitcoin und viele andere Kryptowährungen sind Blockchain-Systeme, die durch Netzwerke dezentraler Nodes geschützt werden. Die Hauptaufgabe dieser Systeme besteht darin, den dauerhaften und ununterbrochenen Betrieb des Netzwerks sicherzustellen. Im Netzwerk gibt es Akteure, die Miner genannt werden und deren Aufgabe es ist, der Blockchain neue Blöcke hinzuzufügen. Möglich wird das nur durch das Lösen komplexer mathematischer Aufgaben. Da diese Aufgaben äußerst schwierig sind, braucht es dafür leistungsstarke Prozessoren.
Der erste Miner, der die Aufgabe löst und die Transaktionen im Block verifiziert, sendet das Ergebnis an das Netzwerk und erhält dafür die im Netzwerk festgelegte Belohnung in Kryptowährung sowie die Gebühren, die für die Transaktionen in diesem Block gezahlt wurden. Die von den Minern verifizierten und im Netzwerk veröffentlichten Transaktionen werden in einem verteilten Kontobuch festgehalten, das man Blockchain nennt. Alle mit dem Netzwerk verbundenen Nutzer können eine Kopie der Blockchain herunterladen und zugleich sämtliche bestätigten Blöcke selbst überprüfen.
Welche Vor- und Nachteile hat das Proof-of-Work-Protokoll?
Proof of Work, das am weitesten verbreitete und grundlegendste Protokoll der Kryptobranche, bringt radikale Veränderungen in Technologie und Wirtschaft mit sich, indem es ein Zahlungssystem und eine Währung ohne zentrale Instanz funktionieren lässt. Rechenleistung dient dabei als einer der wichtigsten Mechanismen, die die Sicherheit der Daten im Netzwerk gewährleisten. Dank des Proof-of-Work-Protokolls müssten für einen erfolgreichen Angriff auf das Bitcoin-Netzwerk mindestens 51 Prozent der Rechenleistung im Netzwerk erobert werden. Angesichts der heutigen Größe des Bitcoin-Netzwerks und seiner enormen Rechenleistung (Hashrate) ist ein solcher Angriff kaum aussichtsreich. Die Rechenleistung gibt an, wie viele Versuche die Prozessoren im Netzwerk pro Sekunde unternehmen können, und lässt sich als Verifizierungskraft verstehen.
Zwar gilt die Notwendigkeit, den Großteil der Rechenleistung zu kontrollieren, um das Netzwerk zu übernehmen, wegen der damit verbundenen Sicherheit als einer der größten Vorteile des PoW-Protokolls, doch warnen Fachleute zugleich davor, dass dies zu einer Monopolbildung führen kann. So wird dieser gewaltige Vorteil an einem bestimmten Punkt zu einem der größten Nachteile des Protokolls. Denn die Prozessoren mit dem größten Anteil können im Netzwerk auch das größte Stimmgewicht haben. Das Prinzip der Dezentralisierung, das wichtigste Merkmal des Bitcoin-Netzwerks, gerät damit in Widerspruch zu den Grundsätzen des Netzwerks, weil die Starken sich leicht die Entscheidungsmacht sichern können.
Dass aktive Bitcoin-Mining-Pools 51 % der Rechenleistung des Netzwerks erobern, ist äußerst unwahrscheinlich. 2017 gelang es dem Mining-Pool des Mining-Hardware-Herstellers Bitmain allerdings, 45 % der Rechenleistung im Netzwerk zu erreichen.
Da ein auf dem PoW-Protokoll basierendes System hohe Rechenleistung erfordert, führt es zu einem sehr intensiven Energieverbrauch. Das kann sowohl hohe Kosten als auch einen unverantwortlichen Umgang mit Energieressourcen nach sich ziehen.