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Auch wenn der „Block-für-Block-Mechanismus“ den Gegenstand des Konsenses unter den Knoten auf die neuen Transaktionen reduziert (und somit deutlich vereinfacht), muss dieser Konsens zeitnah, effizient, fair und zuverlässig erreicht werden.

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Zunächst muss geklärt werden, dass die Transaktionen, die in den nächsten Block Eingang finden sollen

 – echte und erlaubte Transaktionen aus dem Netzwerk sind und

 – den Regeln des Protokolls entsprechen.

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Diese Überprüfung leistet die Knotensoftware, indem sie u.a. die oben erwähnten Signaturen der Transaktionen verifiziert.

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Des Weiteren muss verhindert werden, dass einzelne Knoten das Netzwerk mit neuen Blöcken überschwemmen (spammen) oder alternative Versionen der Blockchain (sog. „Forks“/Abzweigungen) erzeugen. So könnte beispielsweise ein Teilnehmer das Interesse haben, eine Version der Blockchain zu erzeugen, bei der er bestimmte in der Vergangenheit liegende Transaktionen gar nicht getätigt hätte (was ihm ein sog. „Double Spending“ – ein doppeltes Ausgeben – von Bitcoins ermöglichen würde).

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Das in der Bitcoin-Blockchain zur Vermeidung solcher Aktionen implementierte Verfahren ist der sog. Proof-of-Work. Er stellt sicher, dass beim Festschreiben eines neuen Blocks eine signifikante Rechenarbeit geleistet werden muss. Im Detail funktioniert das Verfahren bei der Bitcoin-Blockchain wie folgt:

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Die Knoten stehen untereinander im Wettbewerb, wer von ihnen den nächsten Block für verbindlich erklären und somit der Blockchain hinzufügen kann. Damit sich dieser Wettbewerb lohnt, erhält der Knoten, der den Wettbewerb gewinnt, neu geschöpfte Bitcoin – derzeit 6,25 Bitcoin (ca. 70k US-Dollar) pro Block.

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Die Aufgabe, die im Wettbewerb gelöst werden soll, besteht darin, den Datenbestand des neu zu erzeugenden Blocks durch Hinzufügen weiterer frei wählbarer Bytes (der sog. Nonce) so zu ergänzen, dass der Hashwert des sich so ergebenden Datensatzes eine bestimmte Form annimmt (der Hashwert ergibt sich durch Anwenden einer Falltür-/Hashfunktion5 auf den Datensatz).

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Derzeit besteht die Aufgabe darin, die Nonce so zu wählen, dass in der Hexadezimaldarstellung6 des Hashwerts die ersten 19 Stellen Null sein müssen. Da bei einem Hash-Algorithmus jede kleinste Veränderung im Input den Output völlig verändert, kann diese Aufgabe nur durch Ausprobieren gelöst werden. Im Durchschnitt müssen derzeit also 16¹⁹ = 75.557.863.725.914.323.419.136 Möglichkeiten ausprobiert werden, um eine Lösung zu finden. Die Schwierigkeit der Wettbewerbsaufgabe wird laufend der im Bitcoin-Netzwerk zur Verfügung stehenden Rechenperformance (der „Hash-Power“) angepasst: Wird die Wettbewerbsaufgabe in tendenziell unter 10 Minuten gelöst, wird die Schwierigkeit erhöht, werden im Schnitt mehr als 10 Minuten gebraucht, wird sie reduziert. Auch diese Adjustierung hatte Nakamoto in seinem genialen Ansatz bereits vorgesehen.

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Auf Basis der oben genannten Zahlen wird sofort klar, dass enorme Investitionen in Hardware und Energie zum Betreiben der Rechenzentren nötig sind, um die benötigte Rechenleistung zu erbringen. Dies hat dazu geführt, dass nicht mehr – wie ursprünglich intendiert – alle Knoten am Proof-of-Work-Prozess teilnehmen, sondern faktisch nur noch vergleichsweise wenige und zwar solche, die auf Basis hochspezialisierter Rechenzentren operieren.

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Es ist nicht nur sehr aufwändig, die Wettbewerbsaufgabe im Proof-of-Work zu lösen, aus dem Wettbewerb gehen auch stochastisch verteilt immer andere Knoten als Sieger hervor. Dieses Zufallselement bei der Auswahl des Knotens, der den nächsten Block festschreiben darf, stellt eine zusätzliche Hürde für jeden potenziellen Angreifer auf die Integrität des Bitcoin-Netzwerks dar.

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Da die Knoten im Wettbewerb des Proof-of-Work als Belohnung neu geschöpfte Bitcoin erhalten, hat sich für sie der Name „Miner“ oder „Bitcoin-Miner“ etabliert. Wir finden diese Nomenklatur sehr unglücklich, denn sie verdreht Ursache und Wirkung: Die Knoten erbringen die für die Bitcoin-Blockchain essenzielle Dienstleistung der Sicherung der Integrität der Blockchain und werden für diese Dienstleistung bezahlt. Das könnte statt mit neuen Bitcoin auch auf Basis einer Transaktionsgebühr geschehen (was derzeit sogar bereits teilweise der Fall ist). Außerdem ist die Anzahl der durch „Mining“ hinzukommenden Bitcoins (derzeit 900 pro Tag) im Vergleich zur bestehenden Basis (ca. 18,5 Mio.) kaum von Bedeutung.7

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Verwandte Proof-of-Work-Verfahren werden übrigens seit den Neunzigerjahren genutzt, um Denial-of-Service (DoS) Attacken z.B. auf E-Mail-Server zu verhindern.

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Der Proof-of-Work ist in gewisser Weise der Dreh- und Angelpunkt der Bitcoin-Blockchain. Er schafft ein sehr hohes Maß an Sicherheit – allerdings zu sehr hohen Kosten. Wie wir sehen werden (siehe Rn. 94ff.), gibt es mittlerweile andere Blockchain-Protokolle, die alternative Verfahren einsetzen.