Proof of Work (PoW): Wie Miner eine Blockchain absichern
Proof of Work (PoW) ist ein Konsensmechanismus – eine Regel, die es vielen Computern erlaubt, sich ohne zentrale Instanz auf ein gemeinsames Register zu einigen. Dabei erbringen die Teilnehmer einen kostspieligen Rechenaufwand, den jeder schnell überprüfen kann. Bei Bitcoin besteht dieser Aufwand darin, den Hash eines Blocks zu finden, der bei oder unter einem festgelegten Zielwert liegt.
Proof of Work begann als Schutz gegen Spam-Mails
Die Idee hinter Proof of Work wurde Jahre vor der Entstehung von Bitcoin vorgeschlagen, um Spam-Mails zu bekämpfen. In einem Paper mit dem Titel „Pricing via Processing or Combatting Junk Mail“, das 1992 vorgestellt und 1993 veröffentlicht wurde, schlugen Cynthia Dwork und Moni Naor vor, dass ein Nutzer eine mäßig schwierige Berechnung durchführen muss, um Zugang zu einer gemeinsam genutzten Ressource zu erhalten. Dieser Aufwand sollte von leichtfertiger Nutzung abschrecken, und die Autoren hatten dabei insbesondere Spam-Mails im Blick.
Allgemein ist ein Proof of Work ein Datensatz, der aufwendig und zeitintensiv zu erzeugen, für andere aber leicht zu überprüfen ist. Hashcash, ein von Adam Back entwickeltes System, fügte jeder E-Mail einen hash-basierten Nachweis dieser Art hinzu, um Spam und Denial-of-Service-Missbrauch abzuschrecken. Denial of Service bedeutet, einen Dienst mit Anfragen zu überfluten, sodass andere ihn nicht mehr nutzen können.
Das Bitcoin-Whitepaper vom 31. Oktober 2008, veröffentlicht unter dem Namen Satoshi Nakamoto, beschreibt ein Proof-of-Work-Design, das Hashcash ähnelt. Bitcoin nutzt es, damit sich ein Netzwerk aus Computern ohne zentrale Instanz auf eine einzige Kette von Blöcken einigen kann.
Wie funktioniert Proof of Work bei Bitcoin?
Bitcoin-Mining ist der Prozess der Erzeugung gültiger Blöcke, und das Erzeugen eines gültigen Blocks erfordert den Nachweis von Proof of Work. Ein Miner ist ein Teilnehmer, der versucht, einen gültigen Block zu finden. Ein Miner beginnt damit, wartende Transaktionen in einen Kandidatenblock zu sammeln – eine Gruppe von Transaktionen, die für die Kette vorgeschlagen werden. Anschließend füllt der Miner den Block-Header aus, eine 80 Byte große Zusammenfassung dieses Blocks.
Bitcoin hasht den Header zweimal mit SHA-256, eine Methode, die als doppeltes SHA-256 bezeichnet wird. SHA-256 ist eine kryptografische Hash-Funktion. Eine Hash-Funktion wandelt Daten beliebiger Größe in einen Fingerabdruck fester Länge um, den sogenannten Hash. Proof of Work stellt eine Bedingung: Als Zahl gelesen, muss der Hash des Headers bei oder unter dem Zielwert liegen.
Der Zielwert ist eine Schwelle, die der Hash eines gültigen Blocks nicht überschreiten darf. Die Netzwerk-Difficulty gibt an, wie viel schwerer es ist, den aktuellen Zielwert zu treffen, verglichen mit dem einfachsten Zielwert, den die Regeln zulassen. Sinkt der Zielwert, steigt die Netzwerk-Difficulty, und ein niedrigerer Zielwert lässt weniger zulässige Hashes zu, wodurch die Suche länger dauert.
Um einen anderen Hash zu erhalten, ändert ein Miner die Nonce, eine 32-Bit-Zahl, die im Header gespeichert ist. Der Miner hasht dann den Header, vergleicht das Ergebnis mit dem Zielwert und wiederholt den Vorgang. Diese Suche wird oft als Hash-Rätsel bezeichnet, doch gelöst wird hier nichts durch Cleverness: Im Durchschnitt lässt sich ein Hash bei oder unter dem Zielwert nur durch eine entsprechende Menge an Brute-Force-Arbeit finden, das heißt, durch das Ausprobieren eines Werts nach dem anderen.
Die Tabelle unten zeigt ein Beispiel derselben Suche in kleinerem Maßstab. Die Regel ist frei erfunden, sie entspricht nicht Bitcoins tatsächlicher Regel, und sie wendet SHA-256 einmal statt zweimal an. Der SHA-256-Digest des Textes „hello“, gefolgt von einer Nonce, muss mit einer festgelegten Anzahl von Nullen beginnen. Digests werden hexadezimal geschrieben, einer Basis-16-Notation, die die Ziffern 0–9 und die Buchstaben a–f verwendet. Ein Digest, der mit Nullen beginnt, ist eine kleine Zahl, weshalb jede Regel als Zielwert funktioniert.
In dieser Beispielsuche multipliziert jede zusätzliche Null die durchschnittliche Anzahl der Versuche mit 16. Eine Regel mit drei Nullen benötigt im Durchschnitt etwa 4.096 Versuche, eine Regel mit vier Nullen etwa 65.536 – doch eine einzelne Suche kann mehr oder weniger Versuche benötigen, wie die beiden erfolgreichen Zeilen zeigen: 10.285 ist mehr als 4.096, und 60.068 ist weniger als 65.536. Die Überprüfung eines dieser Ergebnisse erfordert nur eine einzige SHA-256-Berechnung.
Bitcoins tatsächliche Suche ist weitaus umfangreicher. Die erwartete Anzahl an Hashes pro Block entspricht etwa der Netzwerk-Difficulty multipliziert mit 2 hoch 32. Stand Oktober 2026 sind das im Durchschnitt mehr als 500 Trilliarden Hashes pro Block, und dieser Wert ändert sich jedes Mal, wenn die Netzwerk-Difficulty angepasst wird. Eine Trilliarde ist eine 1 gefolgt von 21 Nullen.
Die Überprüfung der Arbeit eines Blocks ist weitaus günstiger als dessen Erzeugung. Ein Node ist ein Computer im Bitcoin-Netzwerk, der Blöcke anhand der Netzwerkregeln überprüft. Um die Arbeit eines Blocks zu verifizieren, berechnet ein Node den doppelten SHA-256-Hash des Block-Headers einmal neu und vergleicht ihn mit dem Zielwert. Die Erzeugung des Blocks erforderte so viele Versuche, die Überprüfung dagegen nur eine einzige Hash-Berechnung. Genau diese Diskrepanz macht die Arbeit zu einem Nachweis.
Proof of Work lässt Nodes sich ohne zentrale Instanz auf eine Kette einigen
Zwei Miner können nahezu gleichzeitig gültige Blöcke finden, wodurch das Netzwerk mit konkurrierenden Versionen der Kette zurückbleibt. Proof of Work gibt jedem Node eine Regel zur Entscheidung: Ein Node folgt der Kette mit der meisten dahinterstehenden Arbeit – also der Kette, die am schwersten neu zu erzeugen wäre. Da jeder die Arbeit überprüfen kann, muss keine zentrale Instanz festlegen, welche Kette gilt.
Jeder Block enthält den Hash des vorherigen Blocks, sodass die Änderung eines vergangenen Blocks bedeutet, die Arbeit für diesen Block und für jeden nachfolgenden Block erneut durchführen zu müssen. Proof of Work ist so konzipiert, dass das Umschreiben der Historie kostspielig ist, und die Kosten für die Änderung eines bestimmten Blocks steigen mit jedem danach hinzugefügten Block.
Proof of Work wirkt sich auch auf Double Spending aus, also den Versuch, dieselben BTC zweimal auszugeben. Eine Zahlung rückgängig zu machen, die bereits in einem Block enthalten ist, würde bedeuten, diese Arbeit erneut zu leisten.
Miner erhalten den Block-Subsidy und Gebühren, die Netzwerk-Difficulty gibt das Tempo vor
Bei Bitcoin erhält ein Miner, dessen gültiger Block vom Netzwerk akzeptiert wird, den Block-Reward. Dieser Reward besteht aus zwei Teilen: dem Block-Subsidy, also neu geschaffenen BTC, und den Transaktionsgebühren, die von den Nutzern gezahlt werden, deren Transaktionen in diesem Block enthalten sind. Stand Oktober 2026 liegt der Subsidy für Miner seit dem letzten Halving im April 2024 bei 3,125 BTC pro Block.
Der Block-Subsidy wird alle 210.000 Blöcke halbiert, ein Ereignis, das als Halving bezeichnet wird und etwa alle vier Jahre stattfindet. Nur der Subsidy wird halbiert, die Gebühren nicht.
Alle 2.016 Blöcke passt das Bitcoin-Protokoll die Netzwerk-Difficulty an. Dabei wird gemessen, wie lange diese Blöcke gebraucht haben, anhand der in ihren Headern festgehaltenen Zeiten, und das Ergebnis mit 1.209.600 Sekunden verglichen, was zwei Wochen entspricht. Anschließend wird der Zielwert proportional neu skaliert, sodass Blöcke im Durchschnitt weiterhin etwa alle 10 Minuten eintreffen. Eine einzelne Anpassung kann die Netzwerk-Difficulty höchstens um den Faktor 4 in eine der beiden Richtungen verändern.
Die Hashrate ist die Gesamtzahl der Hashes pro Sekunde, die die Maschinen des Netzwerks berechnen. Steigt die Hashrate, treffen Blöcke tendenziell schneller als alle 10 Minuten ein, und die nächste Anpassung erhöht die Netzwerk-Difficulty. Treffen Blöcke zu langsam ein, senkt die Anpassung die Netzwerk-Difficulty. Die Anpassung misst ausschließlich Blockzeiten: Sie zählt weder Miner, noch berücksichtigt sie den Preis von BTC.
Bitcoins Blockzeit von 10 Minuten ist ein Durchschnittswert, kein Versprechen für jeden einzelnen Block. In einem statistischen Modell der Blockfindung treffen etwa 63 % der Blöcke innerhalb von 10 Minuten nach dem vorherigen ein.
Wie unterscheidet sich Proof of Work von Proof of Stake?
Proof of Work und Proof of Stake sind beides Konsensmechanismen, die bestimmen, welcher Teilnehmer den nächsten Block zu einer Blockchain hinzufügt. Eine Blockchain ist ein gemeinsames Register aus in Reihenfolge verknüpften Blöcken. Proof of Work knüpft dieses Recht an Rechenarbeit: Ein Miner hasht so lange, bis ein Block den Zielwert erfüllt.
Proof of Stake knüpft dieses Recht an Kryptowährungen, die ein Teilnehmer als Sicherheit hinterlegt, was bedeutet, dass die Coins zurückgestellt bleiben, während der Teilnehmer am Hinzufügen von Blöcken beteiligt ist. Ein Teilnehmer, der unrechtmäßige Aktivitäten versucht, kann bestraft werden.
Die beiden Mechanismen unterscheiden sich darin, was ein Teilnehmer einsetzt: Rechenarbeit bei Proof of Work, hinterlegte Coins bei Proof of Stake.
Warum verbraucht Proof of Work Strom?
Bitcoin-Mining verbraucht Strom, weil Proof of Work echte Berechnung ist, und Maschinen, die rechnen, benötigen Energie. Diese Kosten sind Teil der Definition: Ein Proof of Work erfordert Versuch und Irrtum bei der Erzeugung, und bei Bitcoin führen Maschinen genau dieses Versuch-und-Irrtum-Verfahren durch.
Jeder Hash, den eine Maschine berechnet, verbraucht etwas Energie, weshalb mehr Hashes insgesamt in der Regel mehr verbrauchte Energie bedeuten. Treten mehr Maschinen bei, treffen Blöcke tendenziell schneller ein, die Netzwerk-Difficulty steigt bei der nächsten Anpassung, und jeder Block erfordert dann im Durchschnitt mehr Hashes.
Einige politische Entscheidungsträger und Netzplaner haben Bedenken geäußert, wie sich der Stromverbrauch von Krypto-Minern in den Vereinigten Staaten auf Kosten, Zuverlässigkeit und Emissionen auswirkt. Veröffentlichte Schätzungen zum Stromverbrauch von Bitcoin unterscheiden sich je nach Methode und betrachtetem Zeitraum.
Ein gültiger Hash zeigt geleisteten Aufwand, nicht die Gültigkeit einer Transaktion
Ein Hash bei oder unter dem Zielwert zeigt, dass jemand die Arbeit geleistet hat. Er zeigt nichts darüber, ob die Transaktionen im Block gültig sind. Ein Full Node akzeptiert einen Block nur, wenn jede darin enthaltene Transaktion gültig und noch nicht ausgegeben ist, und Node-Software wie Bitcoin Core lehnt einen Block ab, der mehr als den Subsidy plus Gebühren beansprucht, unabhängig davon, wie viel Arbeit dahintersteht.
Proof of Work macht die Historie auch nicht unveränderlich. Es macht das Umschreiben der Historie kostspielig. Eine Partei, die den Großteil der Netzwerk-Hashrate kontrolliert, kann die jüngste Transaktionshistorie revidieren und verhindern, dass neue Transaktionen bestätigt werden. Das Abwarten zusätzlicher Bestätigungen – also Blöcke, die auf dem Block aufbauen, der eine Transaktion festhält – erhöht die Kosten einer Revision, beseitigt die Möglichkeit aber nicht.
Proof of Work vergütet auch keinen Aufwand. Auf Protokollebene erhält Hashing, das nicht in einem akzeptierten Block endet, keinen Block-Reward, egal wie viel Strom dafür verbraucht wurde.
27. November 2025
