Bitcoin-Mining: Ein vollständiger Leitfaden

Bitcoin-Mining ist ein Prozess, der Bitcoin-Transaktionen validiert und neue Bitcoin (BTC) in Umlauf bringt.

Bitcoin-Mining leistet drei wichtige Funktionen:

• Schafft Anreize für Miner, die neue Transaktionen für die Bitcoin-Blockchain vorschlagen und verifizieren.

• Schützt die Bitcoin-Blockchain vor Angriffen.

• Verwaltet die Entstehung und den Fluss neuer Bitcoin-Einheiten, die zum ersten Mal auf den Markt kommen.

Ähnlich dem Abbau von Edelmetallen wie Gold erfordert Bitcoin-Mining spezielle Hardware, Energie und etwas Glück.

Anstatt mit Schaufeln und Pfannen konkurrieren Bitcoin-Miner jedoch mit speziell entwickelter Computerausrüstung. 

Ziel jedes Miners ist es, einen kryptografiebasierten Wettbewerb zu gewinnen. Der Gewinner jeder Runde erhält für seine Bemühungen eine begehrte Blockbelohnung. Außerdem erhält er das Recht, einen neuen Block mit ausstehenden Transaktionsdaten zur Aufnahme in die Blockchain vorzuschlagen.

Wenn dir das alles neu ist, dann lies einfach diesen Leitfaden zum Bitcoin-Mining weiter.

Möchtest du jedoch ein tieferes und technischeres Verständnis erlangen, könnte unser Artikel Wie verwenden Kryptowährungen Kryptografie? interessant für dich sein.

Ein Blockchain-Konsensmechanismus ist ein computergestütztes System, das sicherstellt, dass Teilnehmer in einem dezentralen Netzwerk einen Konsens über neue Daten erzielen können, die in die Blockchain aufgenommen werden.

Da Bitcoin-Blöcke und die darin enthaltenen Transaktionsdaten dauerhaft werden, sobald sie zur Blockchain hinzugefügt wurden, ist es entscheidend, dass diese Informationen gültig sind. 

Das Netzwerk muss beispielsweise sicherstellen, dass Benutzer nicht versuchen, Mittel zu überweisen, die sie nicht besitzen, oder dasselbe Guthaben „doppelt ausgeben“, indem sie es gleichzeitig an zwei verschiedene Personen senden.

Konsensmechanismen helfen dem Netzwerk dabei, gemeinsam über diese Fragen zu entscheiden und sicherzustellen, dass neue Transaktionen den Regeln des Protokolls entsprechen, bevor sie dauerhaft in die Blockchain aufgenommen werden.

Es gibt verschiedene Konsensmechanismen, die in einem Blockchain-Netzwerk eingesetzt werden können, jeder mit seiner eigenen Methode, um unehrliche Nutzer herauszufiltern. 

Bitcoin verwendet den PoW-Konsensmechanismus (Proof-of-Work), ein System, das Rechenleistung und Energie benötigt, um sicherzustellen, dass die Teilnehmer im besten Interesse des Netzwerks handeln. 

Diese Methode macht sich die Prinzipien der Spieltheorie zunutze, einer mathematischen Studie darüber, wie Menschen miteinander interagieren. Das PoW-System verlangt eine gewisse Investition von den Teilnehmern, z. B. Kauf von Ausrüstung und Deckung der laufenden Kosten, und hält so böswillige Akteure davon ab, das Netzwerk zu korrumpieren.

In unserem Artikel Was ist ein Blockchain-Konsensmechanismus? im Kraken Learn Center erfährst du mehr über Proof-of-Work und andere Arten von Konsensmechanismen.

Einfach gesagt ist Bitcoin-Mining ein Wettrennen, bei dem es darum geht, alle zehn Minuten ein Glücksspiel zu gewinnen.

Dabei verwenden Miner spezielle Rechner, um Zufallswerte zu generieren. Wer den Wert generiert, der den Zielwert übertrifft, gewinnt. Das Schwierige daran ist, dass Miner keinen Einfluss auf die erzeugten Werte haben. Sie müssen einfach immer wieder neue Werte generieren, in der Hoffnung, irgendwann auf einen Gewinner zu stoßen.

Ist das jemandem gelungen, wird dieser Wert an alle anderen Miner im Netzwerk gesendet, um seine Gültigkeit zu überprüfen.

Um diesen Prozess besser zu verstehen, stell dir mal Tausende von Menschen vor, die gleichzeitig und mit verbundenen Augen versuchen, einen Zauberwürfel zu lösen. 

Zu Beginn hat jeder Teilnehmer seinen eigenen, identisch gemischten Würfel. Sobald der Wettbewerb beginnt, fangen alle an, ihre Würfel zu drehen, bis ein Prüfer einen Gewinner verkündet. Die restlichen Teilnehmer nehmen ihre Augenbinden ab und überprüfen den Würfel des Gewinners, um die Lösung zu bestätigen. Dann beginnt der Wettbewerb von vorne.

Alles klar so weit? Lass uns etwas tiefer eintauchen. 

Miner treten mit speziell entwickelten Computern gegeneinander an, um kryptografische Hashes zu generieren – in der Regel viele Millionen pro Sekunde – in der Hoffnung, als Erster den richtigen Hash zu erraten.

Stell dir jeden neuen Hash wie eine einzelne Drehung des Zauberwürfels vor. 

Der Miner, der zuerst den richtigen Hash errät, erhält das Recht, einen neuen Block zur Blockchain hinzuzufügen. Und für seine Arbeit erhält der Miner eine Blockbelohnung.

Hashes sind Codes mit fester Länge, die entstehen, wenn beliebige Daten durch eine kryptografische Hashfunktion geleitet werden.

Stell dir kryptografische Hashfunktionen wie magische Codiermaschinen vor, die alles Mögliche – von einem einzelnen Buchstaben bis hin zu einer ganzen Enzyklopädie – in einen völlig eindeutigen und zufälligen Code mit fester Länge umwandeln können.

Im Laufe der Jahre sind verschiedene Arten von Hash-Algorithmen entstanden. Jeder verwendet eine andere Methode, um Eingabedaten in zufällige Codes zu verwandeln.

Das Bitcoin-Netzwerk verwendet den Secure Hash Algorithm 256 (SHA-256), der ursprünglich von der National Security Agency (NSA) der Vereinigten Staaten entwickelt wurde.

SHA-256-Hashes sind 28 Zeichen lange, hexadezimale Codes mit fester Länge, die eine Mischung aus Ziffern (0-9) und Buchstaben (A-F) enthalten. 

Unabhängig davon, wie klein oder groß die Eingabedaten sind, wird immer ein Code mit genau derselben Länge generiert. Wenn du beispielsweise das einzelne Wort „Hallo“ oder den gesamten „Herr der Ringe“-Roman durch den SHA-256-Algorithmus laufen lässt, entstehen zwei einzigartige 28-stellige Hash-Codes.

Hashes sind für den Mining-Prozess von entscheidender Bedeutung, da sie eine Reihe einzigartiger Eigenschaften besitzen.

Hashes sind:

• Deterministisch: Dieselbe Eingabe erzeugt immer genau denselben Hash-Code.

• Einseitig: Es ist zwar einfach, eine Eingabe in einen Hash-Code umzuwandeln, aber es ist unmöglich, anhand der Ausgabe zu erkennen, was die Eingabe war.

• Zufällig: Hash-Codes haben keine Ähnlichkeit mit ihren Eingabedaten.

• Eindeutig: Es gibt niemals zwei gleiche Hashes.

Das Besondere an diesen Eigenschaften ist, dass schon eine kleine Änderung der Eingabedaten zu einem völlig anderen Ausgabewert führt.

Wenn du beispielsweise einen einzigen Buchstaben im Buch „Herr der Ringe“ änderst, würde dies einen völlig neuen Hash-Code erzeugen, der vom ursprünglichen nicht wiederzuerkennen ist.

Jeder kann mithilfe einer eine kryptografischen Hashfunktion Hashes erstellen. Du kannst es sogar selbst mit einem kostenlosen Online-Hash-Rechner ausprobieren.

Um den Bitcoin-Mining-Wettbewerb zu gewinnen und Blockbelohnungen zu verdienen, müssen Miner einen Hash mit einem gleichen oder niedrigeren Wert als einem vom Bitcoin-Protokoll selbst festgelegten Zielwert erzeugen. Dieser Wert wird als Ziel-Hash bezeichnet.

Jeder Ziel-Hash hat eine bestimmte Anzahl von Nullen am Anfang. Abhängig vom aktuellen Mining-Schwierigkeitsgrad, der ebenfalls automatisch vom Protokoll festgelegt wird, kann es vorne nur wenige oder viele Nullen geben.

Je mehr Nullen am Anfang eines Ziel-Hashes stehen, desto schwieriger ist es für Miner, ihn zu knacken, und umgekehrt.

Ein typischer Bitcoin-Ziel-Hash könnte zum Beispiel so aussehen:

00000000000a28ba41fe240e0b37

Ein Ziel-Hash, der leichter zu knacken ist, könnte so aussehen:

000agh3h5g6711deabcc650918d9

Ist dir aufgefallen, dass er deutlich weniger Nullen am Anfang hat?

Obwohl dies trivial erscheinen mag, ist es um ein Vielfaches schwieriger den Wettbewerb zu gewinnen, wenn auch nur eine einzige zusätzliche Null am Anfang hinzugefügt wird. 

Man kann sich das vorstellen wie den Unterschied zwischen dem einmaligen Werfen einer Münze mit dem Landen auf „Kopf“ dreimal in Folge im Vergleich zu zwanzigmal in Folge.

Der Ziel-Hash für jeden neuen Transaktionsblock wird zunächst als Teil des vorherigen Blocks an das Netzwerk gesendet. Diese Information wird im Block-Header gespeichert, der ein Teil des Bitcoin-Blocks ist und mehrere wichtige Informationen zur Identifizierung enthält.

Ebenfalls im Block-Header befindet sich ein Wert namens Nonce, was für „Number used once“ (einmal verwendete Nummer) steht.” 

Wenn ein Hash erstellt wird, um den Ziel-Hash zu übertreffen, nehmen alle Miner den Block-Header des vorherigen Blocks, ändern die Nonce in eine neue Zahl und lassen sie durch den SHA-256-Hashing-Algorithmus laufen. Jedes Mal, wenn der Nonce-Wert geändert wird, entsteht ein völlig neuer Hash.

Da Miner nicht wissen können, welche Eingaben welche Hashes produzieren, ist das Übertreffen des Zielwerts einfach eine Frage des Ausprobierens. 

Der Prozess des Rätselns und Überprüfens geht so lange weiter, bis ein Miner erfolgreich einen Hash erstellt, der gleich viele oder mehr Nullen am Anfang hat wie der aktuelle Ziel-Hash.

Der siegreiche Miner schlägt dann allen anderen Minern in der Blockchain einen neuen Block mit Transaktionsdaten vor, damit sie ihn unabhängig überprüfen können. Diese anderen Miner, die den Mining-Wettbewerb nicht gewonnen haben, überprüfen den vorgeschlagenen Block unabhängig voneinander, um sicherzustellen, dass er gültig ist.

Ob man den Mining-Wettbewerb gewinnt und die Blockbelohnung erhält, hängt von drei Schlüsselfaktoren ab:

1. Hashrate.

2. Mining-Schwierigkeit.

3. Ausrüstung.

Hashrate

Die Hashrate ist eine Metrik, mit der die gesamte Rechenleistung aller Miner in einem Blockchain-Netzwerk verfolgt wird. Kurz gesagt, sie kombiniert die Anzahl der Hashes pro Sekunde, die jeder Miner mit seinen Maschinen produziert. 

Diese Messung gibt Aufschluss über die Gesamtgröße des Mining-Netzwerks einer Blockchain und darüber, wie sicher sie gegen Mehrheitsangriffe ist.

Steigt die Hashrate eines Netzwerks, führt dies oft zu einer erhöhten Mining-Schwierigkeit und umgekehrt.

Um auf das Beispiel mit dem Zauberwürfel zurückzukommen: Je mehr Personen am Wettbewerb teilnehmen, desto geringer sind die Gewinnchancen.

Mining-Schwierigkeit

Das Bitcoin-Protokoll verfügt über eine integrierte Funktion, die den Schwierigkeitsgrad des Mining-Wettbewerbs automatisch anpasst, um sicherzustellen, dass Miner weiterhin neue Blöcke so nah wie möglich am Ziel von 10 Minuten Blockzeit finden.

Wie bereits erwähnt, kommen neu geprägte Bitcoins durch Blockbelohnungen in Umlauf, jedes Mal wenn ein Miner erfolgreich den Ziel-Hash knackt und das Recht erhält, einen neuen Block zur Blockchain hinzuzufügen.

Um sicherzustellen, dass der Markt nicht mit neuen Coins überschwemmt wird, wenn das Netzwerk mit immer mehr neuen Minern wächst, wurde vom Schöpfer von Bitcoin, Satoshi Nakamoto, vor der Einführung von Bitcoin ein algorithmisches System zur Anpassung der Schwierigkeit in das Bitcoin-Protokoll kodiert, um dieses Problem zu lösen.

Der Algorithmus für die Schwierigkeit des Bitcoin-Minings sieht so aus, dass das Protokoll nach jeweils 2.016 Blöcken (ca. alle zwei Wochen) prüft, wie lange es gedauert hat, bis Miner den Gewinner-Hash für jeden Block gefunden haben, und diese Zeit mit den 20.160 Minuten vergleicht, die es dauern sollte (10 x 2.016). 

Steigt die Zahl der Bitcoin-Miner plötzlich stark an und werden neue Blöcke zu schnell gefunden, erhöht der Algorithmus den Schwierigkeitsgrad des Ziel-Hashes (die Anzahl der Nullen am Anfang wird also erhöht), um die Miner zu verlangsamen.’

Umgekehrt vereinfacht der Algorithmus die nachfolgenden Ziel-Hashes (indem er die Anzahl der Nullen am Anfang verringert), wenn die Zahl der Miner sinkt oder es zu lange dauert, bis sie neue Blöcke entdecken.

Stell dir das vor, als würde man den Schwierigkeitsgrad für das Lösen des Zauberwürfels anpassen, indem die Anzahl der Reihen des Würfels erhöht oder verringert werden.

Ein 3x3-Würfel wäre zum Beispiel viel einfacher zu lösen als ein 5x5-Würfel.

Ausrüstung

Um sich im Netzwerk einen Wettbewerbsvorteil gegenüber anderen zu verschaffen, verwenden viele Miner ASIC-Mining-Rigs (anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise). Diese Maschinen können Hunderte von Millionen Hashes pro Sekunde generieren und parallel betrieben werden, um den Besitzern eine größere Chance zu geben, Blockbelohnungen zu gewinnen.

Mehrere große börsennotierte Unternehmen, darunter Riot Platforms, Marathon Digital und CleanSpark Inc., betreiben derzeit riesige Krypto-Mining-Anlagen mit Tausenden von ASIC-Mining-Maschinen.

Die Beteiligung dieser großen Unternehmen hat die gesamte Hashrate von Bitcoin dramatisch erhöht, wodurch es immer schwieriger wird, neue Blöcke zu entdecken.

Die aktuelle Bitcoin-Hashrate kann jederzeit mithilfe verschiedener kostenloser Online-Hashrate-Diagramme eingesehen werden.

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