Das Bitcoin-Handbuch – Tutorial zur digitalen Währung: Wie entstehen Bitcoins und was ist Mining?

In „Das Bitcoin-Handbuch: Tutorial zur digitalen Währung“ machen sich die Autoren Tobias Gillen und fX auf, alles rund um die digitale Währung Bitcoin zu verstehen. Als Anfänger wollen sie sich dabei langsam vortasten und andere Einsteiger mitnehmen sowie Wissende einladen, an der Reise teilzuhaben und wichtige Punkte zu ergänzen. In Kapitel 2 geht es um die Entstehung eines Bitcoins und das sogenannte Mining.

Seit dem letzten Mal habe ich grundsätzlich verstanden, was der Bitcoin ist, dass er unter geheimnisvollen Umständen das Licht der Welt erblickt hat und trotz zahlreicher Skandale immer erfolgreicher wird. Ungeklärt ist bisher die Frage, wie er eigentlich entsteht. Das soll sich jetzt ändern.

Produktionslimit, aber ohne Notenpresse

Was der Bitcoin ist bzw. wie er entsteht kann man aus meiner Sicht gut in Abgrenzung zu anderen „normalen“ Währungen wie dem US-Dollar oder dem Euro nachvollziehen weniger gut eignen sich Beispiele wie der Forex-Handel oder Devisenmarkt. Diese Währungen werden, vereinfacht gesagt, von den Monopolträgern, also den Notenbanken, geschaffen. Die gesamte Geldmenge steuern sie dabei je nach Bedarf. Vor allem in Bezug auf die Inflationsrate schauen die Notenbanker unter anderem darauf, wie viel Geld gedruckt und in Umlauf gebracht wird.

Beim Bitcoin ist das alles anders. Hier gibt es kein staatliches Monopol, das Produktion und Menge der Bitcoins steuert. Stattdessen werden sie von Nutzern generiert, allerdings gibt es eine Obergrenze und viele Regeln. Die maximale Bitcoin-Geldmenge ist auf 21 Millionen limitiert. Mehr kann es nicht geben, das wollte Satoshi Nakamoto, Initiator des Bictoin, so.

Eine Tabelle verrät mir, dass diese Summe erst im Jahr 2136 erreicht wird. Ich erfahre auch, dass sechs Mal pro Stunde neue Bitcoins hinzukommen; und zwar immer dann, wenn ein neuer „Block“ produziert wird. Je nachdem in welcher „Reward Era“ man sich befindet sind diese Blöcke Bitcoins wert. In den ersten vier Jahren gab es noch 50 Bitcoins pro Block, aktuell gibt es 25. Alle vier Jahre halbiert sich diese Zahl. Im Jahre 2017 wird es dann nur noch 12,5 Bitcoins pro Block geben.

Verwirrende Begriffe

Irgendwie verständlich soweit, wir müssen nur noch rausfinden, was genau es mit diesen Blocks auf sich hat. Im Erklär-Video zum Bitcoin sah das mit der Entstehung ja noch ganz einfach aus. Dort werden die Bitcoins mit einem digitalem Hämmerchen aus einem virtuellen Block geklopft (auf Englisch: mining).  Soweit die Erklärung für Erstklässler, die uns nicht wirklich weiter hilft.

Auf dem Bitcoin-Wiki hört es sich aber dann gleich wieder sehr abstrakt an: „Neue Bitcoins werden jedes Mal generiert, wenn ein Netzwerk-Knoten die Lösung zu einem bestimmten, schwer lösbaren mathematischen Problem findet (d.h. einen neuen Block erstellt), was einen sog. Proof-of-Work darstellt.“

„Proof of what?“, frage ich mich und ziehe zu Bitcoin.org weiter. Da hört es sich etwas verständlicher an. Mining ist hier auch nicht mit „Schürfen“ (also produzieren) sondern mit „Verarbeitung“ übersetzt. Hier erfährt man, dass es beim Mining um die Verarbeitung der Transaktionen im Bitcoin-Netzwerk geht.

Eindeutige Transaktionen

Jede Transaktion muss dabei in einer sogenannten Blockkette aufgenommen werden. Über diese Blockkette stellen die Teilnehmer Einigkeit über den Status des Systems her. Bestätigte Transaktionen müssen also eindeutig im Block auftauchen. Mining, heißt es weiter, folgt einem Lotterieprinzip, das verhindert, dass Einzelpersonen Bestandteile der Blockkette verändern können.

Ich merke, dass ich langsam schlauer werde, Begriffe wie Blockkette, Proof-of-Work oder Lotterieprinzip lassen mich aber immer noch etwas ratlos zurück. Also doch noch einmal zurück in die Grundschule. Unter entsprechender Überschrift, „Bitcoin-Erklärung für 5-Jährige„, werde ich endlich fündig.

Die problembezogene Erklärung hilft weiter. Wie bei jeder digitalen Währung bzw. jedem digitalen Zahlvorgang stellt sich nämlich auch beim Bitcoin zunächst die Frage, wie man eindeutig Besitzansprüche klärt. Jeden Bitcoin darf es für alle ja nur einmal geben. Das erfordert eine eindeutige Signatur.

Im Unterschied zu anderen Zahlsystemen (z.B. Kreditkarten) ist der Bitcoin aber ein dezentrales System, was in diesem Fall bedeutet, dass Transaktionen nicht über eine zentrale Stelle (z.B. eine Kreditkartenfirma) abgewickelt werden. Das Fehlen einer zentralen Stelle macht es aber schwierig, für Sicherheit zu sorgen. Mit anderen Worten: Irgendetwas im dezentralen Bitcoin-System muss dafür sorgen, dass Transaktionen nicht mehrfach vorkommen und muss verhindern, dass irgendjemand falsche Transaktionen einschleust bzw. sein Geld mehrfach ausgibt. Dazu muss sichergestellt sein, dass jeder Nutzer stets den aktuellen Stand aller Transaktionen und natürlich deren Historie kennt.

Die Block Chain

Erfinder Satoshi hat genau für dieses Problem eine Lösung gefunden. Die beginnt bereits bei der Einrichtung der digitalen Geldbörse – dem „Wallet“ (dazu später mehr). Beim ersten Öffnen verbindet sich der Rechner nämlich mit anderen Nutzern im Netzwerk (Peers). Jede Transaktion wird an diese Peers weitergegeben, die prüfen, ob die Transaktion legitim ist und sie ihrerseits wieder weitergeben. Irgendwann in diesem Prozess erreicht sie dann alle Nutzer.

Für die Kontrolle der Transaktionen sind Bitcoin-Miner zuständig. Miner sind dabei Nutzer mit einer besonderen Aufgabe. Sie besteht vereinfacht gesagt darin, Rechenleistung zur Validierung der Transaktionen zur Verfügung stellen.

Dazu sammeln die Miner unabhängig voneinander alle Zahlungen und versuchen jeweils mehrere hundert davon in Blocks zu bündeln. Mit einem aufwendigen (von der NSA entwickelten) kryptologisch-mathematischen Verfahren wird ihnen das aber nicht leicht gemacht. Die Berechnung nimmt deshalb einige Zeit in Anspruch.

Immer wenn ein Nutzer es geschafft hat, einen solchen Block zu erstellen, dann wird dieser Block zunächst von den anderen Nutzern überprüft und alsdann in die Transaktionshistorie, die sogenannte Blockchain eingefügt.

Der Nutzer, der am schnellsten den neuen Block erstellt, gewinnt gewissermaßen das Wettrennen, denn er macht die Berechnungsversuche der anderen Nutzer hinfällig. Der Gewinner, also der Miner mit dem richtigen Ergebnis, erhält eine Belohnung.

Wie oben erklärt, liegt diese aktuell bei 25 Bitcions. Je mehr Rechenleistung er bei diesem Vorgang zur Verfügung gestellt hat, desto höher seine Chancen auf Erfolg. Das Lotterieprinzip, von dem wir vorhin gehört haben, wird damit nun etwas klarer.

Proof of Work

Die Erstellung und Überprüfung eines Blocks ist also kompliziert und hat etwas mit Kryptologie und Mathematik zu tun. Dreh- und Angelpunkt ist die Feststellung, dass es keine unterschiedlichen Blockchains geben darf.

Wie wir vorhin gelernt haben, geht es um die Lösung eines schwierigen mathematischen Problems. Im Falle des Proof of Work besteht das darin, dass den Nutzern die Erstellung eines neuen Blocks für die Blockchain schwer gemacht wird. Die Aufgabe der Miner ist es, die Lösung für ein mathematisches Problem zu finden. Der Trick: Die Lösung ist bekannt, der Weg dahin nicht.

Oder anders gesagt: Es ist mathematisch recht leicht, ein passendes Resultat (Output) zu einer gegebenen Formel (Input) zu finden. Der umgekehrte Weg hingegen ist ein schwieriges mathematisches Unterfangen. Der sinnvollste Weg besteht darin, so lange Möglichkeiten durchzuprobieren, bis das Resultat passt. Nach diesem Prinzip funktioniert das Mining.

Alle Miner im Netzwerk probieren so lange Möglichkeiten aus, bis der erste eine Lösung findet. Dazu ist es mehr als sinnvoll, viel Rechenpower mitzubringen. Entsprechend seines Anteils an Rechenpower im Gesamtnetzwerk hat der jeweilige Miner nämlich eine Chance, auf die richtige Lösung zu kommen. Ein Beispiel: Wir haben gesehen, dass Blocks ungefähr alle 10 Minuten entstehen. Besitzt ein Nutzer nun 10 Prozent der gesamten Rechenleistung, dann braucht er im Schnitt 100 Minuten zur Lösung eines Blocks.

Er kann natürlich auch Glück haben und schneller als andere eine Lösung finden. Darin besteht aber eine Gefahr, denn ein Nutzer könnte es ja darauf anlegen, den anderen einen falschen Block unterzuschieben.

Damit die anderen das aber auch im weiteren Verlauf nicht merken, müsste er es schaffen, auch in der Folge weitere falsche Blocks an die Blockchain anzufügen. Mathematisch sinkt die Wahrscheinlichkeit dafür aber exponentiell. Gefährlich wird es deshalb erst dann, wenn ein einzelner Nutzer mindestens 51 Prozent der Netzwerk-Rechenleistung besitzt. Wir kommen darauf zurück.

Hash-Tags und Merkle-Trees

Das beschriebene Trial- and Error-Verfahren zur Lösung der mathematischen Funktionen wird im Bitcoin-Protokoll durch sogenannte Hash-Funktionen (SHA-2) gelöst. Jede Transaktion beruht auf einer solchen Funktion, das heißt, sie hat einen bestimmten Hash. Die Blocks bündeln diese einzelnen Transaktionen.

Um das zu erreichen, organisiert man die einzelnen Hashs in einem sogenannten Merkle-Tree. Dabei werden die einzelnen Transaktionen solange paarweise zu einem neuen Hash gebündelt, bis es nicht mehr weiter geht. Diese oberste Ebene nennt man Root-Hash (Tx_Root). Dieser Root-Hash wiederum ist ein notwendiger Bestandteil, um die Blockchain fortzuführen. Kleinste Änderungen in der Hash-Historie ändern dabei den Wert des Root-Hash.

Damit nicht alle Berechnungen aus der Vergangenheit immer wieder erneut erstellt werden müssen, nimmt man diesen Root Hash und ergänzt ihn mit dem Hash des vorherigen Blocks.

Zeitstempel und eine Art Rundenzähler (Nonce) machen einen neuen Block vollständig. Der Nonce zählt, wie viele Versuche benötigt wurden, um eine Lösung für das Ausgangsproblem zu finden. Dieses Bündel dient als Grundlage für den Proof of Work und macht die Blockchain anschlussfähig. Alle Rechner im Netzwerk müssen nur noch den neuen Block auf seine Gültigkeit überprüfen.

tl;dr: Wie nochmal?

Mal wieder muss ich mich an die Aufforderung vom Beginn erinnern: Man muss sich etwas Zeit zum Einlesen nehmen. Es hat mich viel Mühe gekostet, bis ich hinter die ganzen Begriffe gestiegen bin. Gefühlt bin ich trotzdem nur etwas näher am Bitcoin dran.

Fassen wir noch einmal zusammen: Im Bitcoin-Netzwerk sind irgendwie alle Nutzer miteinander verbunden, es gibt keine zentrale Instanz die alles kontrolliert. Im System werden Transaktionen abgewickelt, dabei wird es durch einen speziellen Mechanismus abgesichert, der die Eindeutigkeit jedes Bitcoins garantiert.

Der Mechanismus funktioniert, indem Nutzer ihre Computer in eine Art Wettrennen schicken. Derjenige, der am schnellsten eine bestimmte Berechnung durchführt, gewinnt und wird mit Bitcoins entlohnt, alle anderen gehen leer aus. Der Rechner mit der höchsten Rechenpower hat die größten Chancen.

Der Gewinner dient aber mit seinen Berechnungen zugleich dem gesamten System, denn er sichert vergangene und weitere Transaktionen. Alle Informationen über die gesamten Transaktionen im Bitcoin-Netz sind dabei in der Block Chain gespeichert und immer dann, wenn nun jemand eine Berechnung abschließt, wird die Kette um einen weiteren Block ergänzt.

Soviel für heute. Die Frage, wie man selbst zum Bitcoin-Miner wird bzw. ob sich das überhaupt lohnt, beantworten wir bald.

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Bilder: fX, Techmine.pl, Wikimedia