Aus dem Original „Blockchain Proof-of-Work Is a Decentralized Clock“ von Gregory Trubetskoy, erschienen am 23.01.2018. Ins Deutsche übertragen von Leopold Mattes.
Viele Diskussionen über Proof-of-Work konzentrieren sich auf Systemeffekte wie Sicherheit oder Manipulationsschutz. Diese Eigenschaften sind zwar wichtig, aber nicht der eigentliche primäre Zweck. Proof-of-Work dient in erster Linie dazu, eine gemeinsame und überprüfbare zeitliche Reihenfolge von Ereignissen herzustellen – also eine dezentrale Uhr zu bilden.
Das Grundproblem: Zeit in einem dezentralen System
Jedes Kassenbuch – also auch eine Blockchain – muss Transaktionen in der richtigen Reihenfolge erfassen. Man kann kein Geld ausgeben, das man noch nicht erhalten hat, und kein Geld zweimal ausgeben.
In einem zentralen System ist das einfach: Eine vertrauenswürdige Stelle ordnet alle Transaktionen nach Zeitstempeln. Aber in einem dezentralen Netzwerk mit anonymen Teilnehmern auf der ganzen Welt gibt es niemanden, der diese Reihenfolge vorgibt.
Könnte man Transaktionen nicht einfach mit Zeitstempeln versehen? Nein, denn auf wessen Uhr sollte man sich verlassen? Jede physische Uhr – ob Atomuhren oder Serverzeiten – ist eine vertrauenswürdige dritte Partei und daher ungeeignet.
Zudem ist Zeit relativ: Netzwerkverzögerungen oder minimale Zeitdifferenzen (etwa zwischen einer Person im Flugzeug und einer am Boden) machen exakte Reihenfolgen unmöglich.
Deshalb braucht man etwas anderes: Einen Mechanismus, der ohne externe Zeitquelle zuverlässig bestimmt, was zuerst und was danach passiert.
Satoshis Lösung: Proof-of-Work als Zeitmechanismus
Dieses Problem wurde 1978 von Leslie Lamport in „Time, Clocks, and the Ordering of Events in a Distributed System“ beschrieben. Er zeigte, dass es in einem verteilten System schwierig ist, eine gemeinsame Zeitordnung zu schaffen – es sei denn, man hat synchronisierte physische Uhren.
Satoshi Nakamoto ging einen Schritt weiter. Er zeigte, dass man mithilfe von Proof-of-Work eine verteilte, dezentrale Uhr schaffen kann – also ein System, das die Reihenfolge von Ereignissen bestimmt, ohne einer zentralen Zeitquelle zu vertrauen.
Im Bitcoin-Whitepaper steht daher:
„Um einen verteilten Zeitstempel-Server auf Peer-to-Peer-Basis zu implementieren, müssen wir ein Proof-of-Work-System verwenden.“
Damit wird klar: Proof-of-Work wird in erster Linie für das Zeitproblem in verteilten Systemen angewendet.
Wie Proof-of-Work funktioniert
Beim Bitcoin Proof-of-Work geht es darum, einen Wert zu finden, dessen Hash (digitaler Fingerabruck) kleiner ist als eine bestimmte Zielzahl. Je kleiner diese Zielzahl, desto schwieriger ist die Aufgabe – und desto mehr Rechenversuche (Arbeit) sind nötig.
Da diese Arbeit Zeit kostet, ist jeder gefundene gültige Hash zugleich ein Beweis, dass Zeit vergangen ist. Die Schwierigkeit passt sich durch das Difficulty Adjustment automatisch an, sodass im Durchschnitt etwa alle zehn Minuten ein Block gefunden wird. Zwischen zwei Blöcken vergeht also immer etwa die gleiche Zeit – das ist der Takt der Bitcoin-Uhr.
Gedächtnislosigkeit und Zufall
Die verwendete Hashfunktion (SHA-256) ist gedächtnislos. Das bedeutet: Jeder Versuch ist völlig unabhängig vom vorherigen. Wie beim Münzwurf bleibt die Wahrscheinlichkeit immer gleich – egal, was zuvor passiert ist. Dadurch hat niemand einen Fortschritt oder Vorteil durch frühere Arbeit. Jeder Versuch ist ein neuer Start. Die Chance, eine Lösung zu finden, hängt also nur davon ab, wie viele Versuche pro Sekunde alle Miner gemeinsam unternehmen – also von der globalen Hashrate.
Jeder kann teilnehmen – und beeinflusst die Uhr
Sobald jemand auch nur einen Hash berechnet, nimmt er am System teil und beeinflusst die gemeinsame Uhr – auch wenn er keine Lösung findet. Das passiert überall im Universum gleichzeitig: Egal, ob ein Miner auf der Erde oder auf dem Mars arbeitet – alle lösen dasselbe Problem, ohne sich kennen oder miteinander sprechen zu müssen. Das funktioniert, weil alle dieselbe Aufgabe, dieselbe Funktion (SHA-256) und dieselbe Schwierigkeit kennen. Darum ist die Bitcoin-Uhr universell: Sie gilt für alle und überall.
Die globale Hashrate – ein Spiegel der Beteiligung
Interessanterweise weiß niemand genau, wie viele Miner es gibt oder wo sie sind.
Und trotzdem kennt man die globale Hashrate. Denn wenn alle zehn Minuten ein Block gefunden wird, lässt sich berechnen, wie viele Hashversuche dafür nötig waren. Daraus folgt: So viel Rechenleistung muss irgendwo im Netzwerk aktiv sein, sonst würden keine neuen Blöcke entstehen. Das beweist, dass Menschen oder Maschinen auf der ganzen Welt an dieser Uhr mitarbeiten – ganz ohne zentrale Koordination.
Arbeit ist Zeit
Hier liegt der entscheidende Punkt: Proof-of-Work ist somit nicht nur ein „Arbeitsnachweis“, sondern ein Zeitnachweis. Denn in der Welt der Informationen ist Rechenleistung und somit sich verändernde Information der einzige Nachweis für geleistete Arbeit in Form von realem Energie- und Zeiteinsatz.
Ein gültiger Hash zeigt, dass jemand (oder viele Miner gemeinsam) eine bestimmte Menge Zeit aufgewendet hat. Die Blockchain misst Zeit also nicht mit Sekunden, sondern mit Blöcken. Jeder neue Block ist ein Tick dieser globalen Uhr. Diese Uhr ist nicht perfekt, aber sie ist für alle dieselbe – und das ist entscheidend.
Blöcke verbinden Zeit und Geschichte
Der Hash eines gültigen Blocks dient nicht nur als Zeiteinheit, sondern verknüpft auch die gesamte Kette miteinander. So entsteht aus den einzelnen „Ticks“ eine chronologische Abfolge, also die Blockchain.
Wenn zwei Miner gleichzeitig einen Block finden, gibt es kurzzeitig zwei mögliche Ketten.
Doch beim nächsten Tick entscheidet sich automatisch, welche Kette weitergeführt wird. Damit ist auch das Byzantinische Generäle-Problem gelöst: Alle Teilnehmer einigen sich automatisch auf denselben Zustand – die längste Kette, auch wenn sie nicht miteinander kommunizieren und sich misstrauen.
Mit der längsten Kette ist hierbei allerdings nicht die Kette mit den meisten Blöcken gemeint, sondern die Kette, welche aus Wahrscheinlichkeitsgründen die meisten Hashversuche benötigt hat. Würde man jeden dieser Hashversuche allein nachrechnen, so wäre dies zeitlich die längere Aufgabe im Vergleich zu anderen Vorschlägen die Blockchain fortzusetzen.
Fazit: Proof-of-Work ist eine Uhr
Proof-of-Work wird nicht primär als Lotterie, Energie-zu-Wert-System oder Sicherheitsmechanismus eingesetzt. All diese Dinge sind aber positive Nebenwirkungen. In Wahrheit ist die Proof-of-Work-Blockchain eine dezentrale, universelle Uhr. Sie misst Zeit durch Arbeit – oder genauer gesagt: Sie beweist, dass Zeit vergangen ist.
Das ist der Grund, warum Proof-of-Work und Proof-of-Stake nicht vergleichbar sind.
Proof-of-Stake verteilt Autorität; Proof-of-Work misst Zeit. Vielleicht ist „Proof-of-Work“ also ein unpassender Name. Es geht nicht nur um Arbeit, sondern um nachweisbare verstrichene Zeit. Nachweisbare Rechenleistung ist eben nicht nur der Nachweis für aufgewendete Energie, sondern auch für aufgewendete Zeit.
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