Bitcoin-Mining

Bitcoin-Mining – Sicherheit und Marktdynamik

Das Bitcoin-Mining – mining auf deutsch „schürfen“ – ist ein zentraler Bestandteil von Bitcoin. Die Analogie zu den Begriffen „Mine“ und „schürfen“ aus dem Bergbau, beschreibt sehr gut das durch diesen Prozess etwas Neues entsteht, in diesem Fall Bitcoins. Die ausgeschütteten Bitcoins sind die Belohnung und finanzieller Anreiz um das Bitcoin-Netzwerk bzw. die Transaktionen (Überweisungen) abzusichern.

Andreas M. Antonopoulos hat kürzlich bei der MIT Bitcoin Conference das Bitcoin-Mining und die zugrunde liegenden Mechanismen (Minute 34 bis 51) sehr gut erklärt. Ich werde hier Teile seine sehr guten Analogien und Beispiele verwenden um das Thema zu erklären.

Anreizmechanismen des Bitcoin-Mining

Die Ausschüttung von Bitcoins als Belohnung sind nicht per Zufall so gewählt worden. Um die Transaktionen im Netzwerk zu sichern müssen die teilnehmenden Miner mathematische Probleme lösen (Hashing). Der erste der die Lösung gefunden hat bekommt die Belohnung in Form von Bitcoins ausgeschüttet (mit heutigen Stand 25 Bitcoins). Alle anderen Miner können die Korrektheit der Lösung – sobald diese bekannt ist – sehr leicht gegenprüfen und bestätigen. Der Schwierigkeitsgrad dieser mathematischen Probleme wird alle 2 Wochen dynamisch angepasst (Glossar: Ziel-Schwierigkeitsgrad. Damit wird sichergestellt das nur alle circa 10 Minuten eine Lösung für das Problem gefunden wird. So werden Schwankungen der Rechenleistung ausgeglichen und es wird verhindert dass durch massive Rechenleistungssteigerung ein einzelner Miner z.B. alle 3 Minuten die Belohnung kassieren kann. Wichtig in diesem Zusammenhang ist, dass das Mining richtig Geld in Form von Strom und Hardware kostet. Das heißt ein Bitcoin Miner muss Geld investieren und geht ein Risiko ein um vom Mining zu profitieren. Ohne Risiko keine Belohnung.

Mathematische Probleme lösen – Sicherung der Transaktionen

Im oben genannten Vortrag von Andreas M. Antonopoulos bringt er ein sehr gutes Vergleichsbeispiel anhand des bekannten mathematischen Spiels Sudoku. Beim Sudoku müssen Zahlenreihen vervollständigt werden.

Ein kleines Sudoku ist einfach zu lösen, die Überprüfung ob das Ergebnis korrekt ist geht sogar noch einfacher. Je größer die Anzahl der Zeilen und Spalten wird desto (exponentiell) schwieriger wird es die Lösung zu finden.

Angenommen es gibt eine Sudoku-Webseite wo jeder mitmachen kann. Es gibt pro richtiger Lösung für ein Sudoku 100 EUR zu gewinnen. Es kann jeweils nur der Schnellste gewinnen. Derzeit dauert die Lösung eines Sudokus durchschnittlich 10 Minuten. Es kommen hunderte Teilnehmer dazu und die durchschnittliche Zeit zur Lösung verringert sich auf 8 Minuten. Damit jetzt wieder eine Durchschnittszeit von 10 Minuten erreicht wird muss der Schwierigkeitsgrad des Sudokus erhöht werden. Wir fügen 20% mehr Zeilen und Spalten hinzu damit pro Lösung wieder 10 Minuten vergehen. (Man spricht hier von der oben genannten Anpassung des Schwierigkeitsgrades; siehe Ziel-Schwierigkeitsgrad)

Je mehr Teilnehmer mitmachen desto schwieriger wird es jetzt statistisch gesehen für jeden Einzelnen eine Lösung zu finden. Ein paar schlaue Teilnehmer holen sich also Freunde und Familienmitglieder als Verstärkung und schließen sich zu einer Sudoku-Teams zusammen. Sie schaffen es so schneller als die anderen Einzelkämpfer Sudokus zu lösen und teilen sich die Belohnung untereinander auf. Die Einzelkämpfer merken dass sie keine Chance haben und schließen sich ebenfalls zu Sudoku-Teams zusammen um mithalten zu können und ein Stück des Kuchens zu ergattern.
In Bezug auf Bitcoin-Mining handelt es sich bei den Teams um so genannte Mining-Pools. Hier bündeln Miner ihre Rechenleistung und teilen sich die Belohnung untereinander auf.

Um auf unser Sudoku Beispiel zurück zu kommen: durch die Sudoku-Teams werden die Lösungen natürlich wieder schneller als alle 10 Minuten gefunden und es steht erneut eine Anpassung des Schwierigkeitsgrades an um die durchschnittliche Lösungsdauer wieder auf 10 Minuten zu heben. Sollten Miner ausfallen ist es auch möglich das der Schwierigkeitsgrad geringer wird. Das System passt sich also an die Rechenpower der Miner dynamisch an.

Weitere Info: Den Verlauf des Bitcoin-Schwierigkeitsgrades kann man sich z.B. bei Blockchain.info ansehen. Imposant ist hier dass die Linie von 2009 bis Ende 2013 scheinbar 0 ist obwohl in diesen Jahren der Schwierigkeitsgrad auch alle zwei Wochen prozentual zweistellig gewachsen ist. Sag hallo zum exponentiellem Wachstum.

Bitcoin-Mining: Belohnungssystem

1. Belohnung durch Ausschüttung von Bitcoins

Bitcoin ist so programmiert dass durch das Bitcoin-Mining insgesamt 21 Millionen Bitcoins ausgeschüttet werden. Mit heutigem Stand sind bereits mehr als 14 Mio. (d.h. 2/3) der gesamten 21 Mio. ausgeschüttet worden. Die Anzahl der ausgeschütteten Bitcoins halbiert sich alle 4 Jahre (alle 210.000 gefundene Blöcke). Anfangs (ab 2008) wurden pro gefundenen Block (gelöstes Sudoku) 50 Bitcoins ausgeschüttet. Seit Ende 2012 sind es bis heute 25 Bitcoins. Die nächste Halbierung der Belohnung wird für 2016/2017 erwartet. Dann werden 12,5 Bitcoins ausgeschüttet, nach weiteren 4 Jahren 6,75, usw. Erst im Jahr 2140 werden alle 21 Mio. Bitcoins ausgeschüttet worden sein.

2. Belohnung durch Transaktionsgebühren

Als zweite Einnahmequelle erhalten die Miner die Transaktionsgebühren. Für jede Transaktion kann ein Benutzer auch eine theoretisch frei wählbare einstellen. Diese bewegt sich im Normalfall im Bereich von ein paar Euro-Cent (ab 0,0001 Bitcoins). Es ist unter gewissen Umständen auch möglich Bitcoins ohne Transaktionsgebühr zu überweisen – allerdings besteht hier die Gefahr dass es länger (mehrere Tage) dauert bis die Überweisung durchgeführt wird. Miner sind nämlich nicht verpflichtet Transaktionen ohne Transaktionsgebühr aufzunehmen.

Das für mich faszinierende an den beiden Belohnungssystemen ist dass der Bitcoin-Erfinder (oder die Gruppe von Erfindern) sehr weit voraus gedacht haben. In den ersten Jahren bis heute ist das Transaktionsvolumen sehr gering – d.h. die Einnahmen der Miner durch Transaktionsgebühren ist dementsprechend mager und würde ökonomisch wohl keinen Sinn machen (derzeit ca. 10-15 Bitcoins). Daher gibt es jetzt am Anfang noch relativ große Mengen an ausgeschütteten Bitcoins die das Mining subventionieren und lukrativ halten. Nach und nach werden aber immer weniger Bitcoins ausgeschüttet. Durch weitere Verbreitung und die steigende Anzahl an Transaktionen und damit Transaktionsgebühren sollte das Mining in Zukunft alleine durch die Transaktionsgebühren lukrativ bleiben. Wir werden sehen ob der Plan aufgeht.

Bitcoin-Mining: Energieverschwendung und zu teuer?

Oft wird die Kritik laut dass Bitcoin-Mining eine Energieverschwendung sei weil es soviel Strom kostet (ca. >650 Mio. $ / Jahr). Es wird dabei aber ausser acht gelassen das Bitcoin mit der heutigen Rechenleistung das Hundertfache der Rechenleistung aller Top-500 Supercomputer zusammen übersteigt und damit das Bitcoin-Netzwerk – die Grundlage für die Bitcoins als globale Währung – seit 2009 erfolgreich gegen jegliche Angriffe absichert. Derzeit ist die gesamte Bitcoin-Marktkapitalisierung mit 3,5 Mrd. US-$ sehr gering und das Verhältnis zwischen Energiekosten zu dem Wert der zu sichernden Transaktionen erscheint im Verhältnis irrsinnig hoch. Es wird aber vergessen dass das Bitcoin-Netzwerk mit der heutigen Rechenleistung Transaktionen im Wert von hunderten Milliarden oder Trillionen absichern kann ohne die Rechenleistung zu steigern zu müssen. Das heißt wir leisten uns mit dem jetzigen Stand die Sicherheitsstufe einer Weltwährung – verwenden es aber nur als Kaffeekassa. Bei mehreren hundert Milliarden an Transaktionsvolumen ist das Verhältnis der Energiekosten pro Transaktion aber gerade zu verschwindend gering und mit abstand das effizienteste Währungssystem überhaupt.

Weitere Info: Abgesehen davon ist der Energieverbrauch im Verhältnis zu anderen Industrien und dem Banksystem schon heute sehr gering.

Zugrundeliegende Marktdynamik

Anders als bei einem herkömmlichen Markt wird beim Bitcoin-Mining das Zusammenspiel von Angebot und Nachfrage durch die Anpassung des Schwierigkeitsgrades beeinflusst und sozusagen immer wieder „gerade gerichtet“. Es führt erstmals zum bisher eher theoretischen Konzept eines Vollkommenen Marktes. Die dynamische Anpassung des Schwierigkeitsgrades stellt sicher dass das Angebot (Mining/Sicherung der Transaktionen) im Verhältnis zu den Energiekosten ausgeglichen ist. So ist es unmöglich auf dauer ineffizient gegen den Markt zu arbeiten. Diese Markttransparenz führt zu sehr geringen Margen und immer effizienterem Mining. So war es 2011 noch möglich mit Grafikkarten Bitcoins auf einem PC zu minen. Heute erfolgt das Mining durch diesen eingebauten Drang zur Effizienz durch spezielle Prozessortechnologie (ASIC) in Rechenzentren in Ländern mit günstigen Marktbedingungen (Strom, Arbeitskosten, etc).

Fazit

Es ist erstaunlich wie vorausschauend der/die Bitcoin Erschaffer waren. Durch den finanziellen Anreiz für Miner und den sich dynamisch anpassenden Schwierigkeitsgrad ist ein Umfeld entstanden dass mittlerweile eine unglaubliche Rechenleistung zur Sicherung des Netzwerks bereitstellt. Die Rechenleistung übertrifft die gesamte kombinierte Rechenleistung aller Top-500 Supercomputer zusammen um das Hundertfache und mehr. Es kostet keinen Cent mehr ob jetzt 10 Transaktionen getätigt werden oder 100 Milliarden.

Fotonachweis Headerphoto: ©arinahabich / fotolia.com

Veröffentlicht von

ndeet

Webdeveloper, Unternehmer und Nicht-Stehen-Bleiber.