Was ist Mining?

Der Begriff «Mining» – auf Deutsch Bergbau oder Schürfen – ist an die Goldförderung angelehnt. Der Vergleich passt aber nur bedingt. Um zu verstehen, was beim Bitcoin-Mining wirklich passiert, muss man zuerst wissen, welches Problem es löst.

Das Problem: Digitales lässt sich kopieren

Digitale Dateien lassen sich beliebig vervielfältigen, ohne dass man Original und Kopie unterscheiden kann. Für Fotos oder Musik ist das praktisch. Für Geld ist es fatal: Wenn sich digitales Geld kopieren liesse, könnte jede und jeder denselben Betrag mehrfach ausgeben. Man nennt das Doppelausgabe.

Die naheliegende Lösung ist eine zentrale Stelle, etwa eine Bank, die jede Zahlung prüft und genehmigt. So funktioniert unser heutiges Geld. Der Preis dafür: Diese Stelle kann Zahlungen verweigern, Konten schliessen oder Guthaben beschlagnahmen. Sie kann Fehler machen, gehackt werden oder unter politischen Druck geraten. Und alle Teilnehmenden müssen ihr vertrauen. Eine dezentrale Lösung ohne Mittelsmann schien auf den ersten Blick unmöglich – bis Satoshi Nakamoto im Oktober 2008 das Bitcoin-Whitepaper veröffentlichte.

Die Lösung: Proof of Work

Bitcoin löst das Problem mit einem Verfahren namens Proof of Work, auf Deutsch Arbeitsnachweis. Wer einen neuen Block an die Blockchain anhängen will, muss nachweisen, dass er dafür echte Arbeit geleistet – und Energie eingesetzt – hat. Dieser Nachweis lässt sich nicht fälschen, aber von allen anderen in Sekundenbruchteilen überprüfen. Das verhindert Doppelausgaben und macht es praktisch unmöglich, die Vergangenheit umzuschreiben.

Bitcoin und Gold

Bei Gold wird die Förderung mit der Zeit schwieriger und teurer, weil die leicht zugänglichen Vorkommen erschöpft sind. Die Knappheit von Gold ist physisch: Man kann es nicht einfach herstellen. Bei digitalen Gütern muss Knappheit dagegen künstlich geschaffen werden. Geld kann deshalb nicht als einfache Datei existieren. Es gibt keine Bitcoin, die auf Festplatten liegen wie Goldbarren im Tresor.

Bitcoin ist vielmehr ein Netzwerk aus vielen Computern, die sich auf gemeinsame Regeln und auf die vollständige Geschichte aller Überweisungen einigen. Der Zweck des Minings ist es, diese Geschichte zu schützen – nicht, Bitcoin herzustellen. Die neuen Bitcoin, die dabei entstehen, sind nur der Anreiz, mitzumachen.

Die Blockchain als Werkzeug

Überweisungen werden in Blöcken gesammelt und in zeitlicher Reihenfolge aneinandergehängt. Jeder Block enthält einen Verweis auf den vorherigen, sodass jede Änderung an einem alten Block alle folgenden ungültig macht. Diese Idee der Verkettung gab es in der Informatik schon vor Bitcoin.

Die eigentliche Erfindung von Bitcoin ist eine andere: ein Verfahren, das ohne zentrale Stelle festlegt, wer den nächsten Block anhängen darf und welche Kette die gültige ist, wenn es Unterschiede gibt. Proof of Work löst das allein mit Mathematik und klugen wirtschaftlichen Anreizen. Mehr zur Verkettung in Was ist eine Blockchain?

Ein Würfelspiel

Um Mining zu erklären, werden oft Sudoku oder Lotterien bemüht. Am besten passt aber ein Würfelspiel.

Stell dir einen Würfel mit 1'000 Seiten vor – in der echten Welt unhandlich, auf dem Computer aber leicht zu simulieren. Ein Spielleiter legt einen Zielwert fest, zum Beispiel 10. Alle Spielerinnen und Spieler würfeln, so schnell sie können. Wer als Erste eine Zahl würfelt, die kleiner oder gleich 10 ist, gewinnt die Runde – etwa mit einer 7.

Wer schneller würfelt, gewinnt öfter: Die Chance pro Wurf ist für alle gleich, aber wer mehr Würfe pro Minute schafft, hat pro Minute die besseren Chancen. Das führt dazu, dass alle immer schneller würfeln. Irgendwann ist das Spiel zu leicht, und die Runden sind viel zu schnell vorbei.

Ein Beispiel: Ist der Zielwert 10 und der Würfel hat 1'000 Seiten, gewinnt im Schnitt jeder hundertste Wurf. Schafft eine Spielerin 10 Würfe pro Minute, gewinnt sie im Schnitt alle zehn Minuten einmal. Ein Spieler mit 100 Würfen pro Minute gewinnt im Schnitt jede Minute. Wer doppelt so viel würfelt, gewinnt also doppelt so oft – aber jeder einzelne Wurf hat für alle dieselbe Chance. Es gibt keinen Trick und keine Abkürzung.

Die Schwierigkeit passt sich an

Deshalb passt der Spielleiter den Zielwert regelmässig an. Würfeln alle schneller, senkt er ihn, zum Beispiel auf 5 – die 7 würde jetzt nicht mehr gewinnen. Würfeln weniger Spieler, hebt er ihn an. Er schaut dafür, wie lange die letzten Runden gedauert haben, und stellt den Zielwert so ein, dass eine Runde im Schnitt etwa zehn Minuten dauert. Mit etwas Glück kann trotzdem jemand schon beim ersten Wurf gewinnen – bei einem sehr tiefen Zielwert ist das aber extrem selten.

Natürlich wirft das Fragen auf: Was für ein Würfel ist das? Wie verhindert man Betrug? Wie kann man prüfen, dass jemand wirklich eine kleine Zahl gewürfelt hat? Und wer ist der Spielleiter?

Wie es wirklich funktioniert

Der Würfel: SHA-256

Statt eines Würfels verwendet Bitcoin eine Hashfunktion namens SHA-256. Sie hat drei Eigenschaften, die sie zum perfekten Würfel machen:

• Deterministisch: Dieselbe Eingabe ergibt immer dasselbe Ergebnis – wie ein Wurf, der sich exakt gleich wiederholen lässt. Deshalb kann jede und jeder ein Ergebnis nachprüfen.
• Unvorhersehbar: Schon die kleinste Änderung an der Eingabe verändert das Ergebnis vollständig. Was herauskommt, weiss man erst, wenn man es ausprobiert – also «würfelt».
• Nicht umkehrbar und kollisionsresistent: Aus dem Ergebnis lässt sich die Eingabe nicht zurückrechnen, und man findet praktisch keine zwei Eingaben mit demselben Ergebnis. Mathematisch muss es solche Paare zwar geben, weil es mehr mögliche Eingaben als Ergebnisse gibt, aber man kann sie nicht gezielt finden.

Ein Hash ist letztlich eine riesige Zahl. SHA-256 kennt 2²⁵⁶ mögliche Ergebnisse – eine Zahl in der Grössenordnung der Atome im sichtbaren Universum. Unser Würfel hat also nicht 1'000, sondern unvorstellbar viele Seiten.

Würfeln mit Blöcken

Ein Miner ist ein Knoten im Netzwerk, der Überweisungen empfängt, prüft und weiterleitet. Aus den wartenden Überweisungen im Mempool stellt er einen Block-Kandidaten zusammen. Dieser enthält alles, was ein Block braucht – nur noch keinen gültigen Arbeitsnachweis.

Jetzt würfelt der Miner: Er berechnet den Hash des Kandidaten. Liegt das Ergebnis über dem Zielwert, ändert er eine Kleinigkeit – eine Zahl namens Nonce – und rechnet erneut. Das wiederholt er, bis ein Hash unter dem Zielwert liegt. Gültige Blöcke erkennt man daran, dass ihr Hash mit vielen Nullen beginnt. Findet ein Miner einen solchen Block, schickt er ihn ins Netzwerk. Alle anderen können den Hash mit einer einzigen Berechnung nachprüfen. Schummeln ist unmöglich.

Der Spielleiter: alle

Einen Spielleiter gibt es nicht. Jeder Knoten berechnet den Zielwert selbst, nach festen Regeln: Alle 2016 Blöcke, also etwa alle zwei Wochen, wird geschaut, wie lange diese Blöcke gedauert haben, und der Zielwert entsprechend angepasst. Weil alle dieselben Regeln und dieselbe Blockchain haben, kommen alle auf denselben Wert. Manipulieren kann ihn niemand.

Ein einzelner Hash ist für einen Computer eine Kleinigkeit. Damit aber im Schnitt nur alle zehn Minuten ein Block gefunden wird, muss das gesamte Netzwerk heute Hunderte Trillionen Versuche pro Sekunde machen. Die aktuelle Hashrate siehst du auf meiner Bitcoin-Seite.

Wenn zwei gleichzeitig gewinnen

Ab und zu finden zwei Miner fast gleichzeitig einen gültigen Block. Dann gibt es für kurze Zeit zwei mögliche Versionen der Blockchain, und ein Teil des Netzwerks arbeitet mit der einen, ein Teil mit der anderen. Das löst sich von selbst: Sobald auf einer der beiden Versionen der nächste Block gefunden wird, ist sie die längere – genauer: die mit mehr geleisteter Arbeit –, und alle wechseln zu ihr. Der andere Block verfällt, und die Überweisungen darin landen wieder im Mempool. Darum gilt eine Zahlung erst nach einigen Bestätigungen als wirklich sicher.

Mining-Pools

Ein einzelnes Mining-Gerät findet heute im Schnitt erst nach vielen Jahren einen Block – ein reines Glücksspiel mit sehr unregelmässigen Einnahmen. Deshalb schliessen sich die meisten Miner zu Pools zusammen. Alle würfeln gemeinsam, und wer einen Block findet, teilt die Belohnung mit allen anderen, je nachdem, wie viel Rechenleistung sie beigetragen haben. Wie viel jeder leistet, misst der Pool mit sogenannten Shares: Versuche, die zwar keinen gültigen Block ergeben, aber nahe dran sind.

Pools stellen in der Regel auch die Blockvorlage zusammen, also die Auswahl der Überweisungen. Das gibt grossen Pools Einfluss. Neue Verfahren erlauben es den einzelnen Minern deshalb, ihre Blockvorlage selbst zu wählen. Und weil Miner jederzeit den Pool wechseln können, verliert ein Pool schnell an Leistung, wenn er sich schlecht verhält.

Warum sich die Vergangenheit nicht ändern lässt

Wer einen alten Block verändert, ändert auch dessen Hash. Der Arbeitsnachweis ist damit ungültig, und der Block müsste neu «erwürfelt» werden. Weil alle folgenden Blöcke auf ihm aufbauen, müssten auch sie alle neu berechnet werden – und das schneller, als der Rest der Welt neue Blöcke anhängt. Bei der heutigen Schwierigkeit ist es praktisch unmöglich, auch nur wenige Blöcke umzuschreiben.

Warum Miner nicht betrügen

Mining kostet viel Geld: teure Spezialgeräte und grosse Mengen Strom. Ein Block mit ungültigen Überweisungen wird vom Netzwerk abgelehnt, selbst wenn der Arbeitsnachweis stimmt. Ein Miner, der betrügen wollte, verlöre also seine Belohnung und bliebe auf den Kosten für Geräte und Strom sitzen. Ehrlich zu sein ist schlicht die profitabelste Strategie.

Und der Energieverbrauch?

Weil Miner sehr viele Varianten durchprobieren müssen, brauchen sie viel Rechenleistung und damit viel Energie. Bitcoin wird deshalb oft als Stromfresser kritisiert. Der Verbrauch ist aber kein Fehler, sondern genau das, was das Netzwerk sicher und dezentral macht: Wer angreifen will, muss mehr Energie aufbringen als alle ehrlichen Miner zusammen.

Energieverbrauch ist zudem nicht automatisch schlecht. Miner sind flexible Abnehmer, die ihre Geräte in Sekunden ein- und ausschalten können. Sie können Stromnetze stabilisieren und überschüssige Energie nutzen, die sonst verloren ginge – das macht den Bau von Wind-, Solar- und Wasserkraftwerken rentabler. Untersuchungen der Universität Cambridge kommen zum Schluss, dass ein grosser Teil des Bitcoin-Minings mit nachhaltiger Energie betrieben wird. Mehr dazu in Zehn Irrtümer über Bitcoin.

Das Wichtigste im Überblick

• Mining verhindert, dass Bitcoin doppelt ausgegeben werden, ohne dass es eine Bank braucht.
• Miner «würfeln» mit der Hashfunktion SHA-256, bis ein Block-Hash unter dem Zielwert liegt.
• Die Schwierigkeit passt sich alle 2016 Blöcke an, damit im Schnitt alle zehn Minuten ein Block entsteht.
• Jede und jeder kann einen Block mit einer einzigen Rechnung überprüfen; Betrug lohnt sich nicht.
• Je mehr Blöcke auf einen Block folgen, desto unmöglicher wird es, ihn zu ändern.
• Der Energieeinsatz ist der Preis für Sicherheit ohne zentrale Stelle.

Welche Geräte heute zum Mining verwendet werden, erkläre ich in Was sind ASIC-Miner?, und wie sich die Belohnung zusammensetzt, in Block Reward, Subsidy und Coinbase-Transaktion.