Wie Bitcoin-Mining funktioniert

Wie funktioniert das Bitcoin-Mining?

In der vorherigen Lektion hast du gelernt, was ein Bitcoin-Miner ist, wie er neue Transaktionen in seinem Speicherpool speichert und dann den "Mining"-Prozess durch die Erstellung eines Kandidatenblocks startet.

Wenn das, was ich gerade geschrieben habe, für dich wie eine Fremdsprache klingt, empfehle ich dir dringend, mit der ersten Lektion meines Anfängerleitfadens für Bitcoin-Mining zu beginnen.

Wenn du noch dabei bist, lass uns den Kandidatenblock genauer betrachten ...

So wie man dich in zwei grundlegende Teile mit einem Kopf und einem Körper unterteilen kann, kann ein Kandidatenblock in zwei Teile unterteilt werden:

1. Blockkopf (gelber Bereich)
2. Blockkörper (grauer Bereich)
   

Wenn wir uns einen Kandidatenblock genauer ansehen, enthält er tatsächlich NICHT nur Transaktionen.

Wenn ein Miner einen Kandidatenblock erstellt, enthält dieser einen"Blockheader"(gelber Bereich).

Der "Körper" des Blocks (grauer Bereich) enthält die Transaktionen.

Neben einer Reihe von Transaktionen enthält ein Kandidatenblock auch einige Metadaten, die eine "Zusammenfassung" des Blocks darstellen.

Metadaten sind Daten, die Informationen über andere Daten liefern. In diesem Fall liefern die Metadaten Informationen über den Block selbst. Diese Informationen werden als "Blockheader" bezeichnet.

Im Blockheader befinden sich mehrere Datenelemente.

Für diese Lektion werde ich die Inhalte des Blockheaders vereinfachen.

Zeitstempel

Das erste Datenelement im Blockheader ist der"Zeitstempel".

Der Zeitstempel gibt an, wann der Block erstellt wurde.

Hash des vorherigen Blocks

Das nächste Datenelement wird als "Vorheriger Block" oder genauer gesagt als"Vorheriger Block-Hash"bezeichnet.

Der "Previous Block Hash" ist der Block-Hash des vorherigen Blocks in der Blockchain.

Um zu verstehen, was dies bedeutet, müssen wir uns die Datei ansehen.

Wenn wir uns nun die Datei ansehen, können wir erkennen, dass die Daten auf eine bestimmte Weise strukturiert sind.

Stellen wir uns dies als Blockchain vor .

Der vom Miner erstellte Kandidatenblock muss über dem neuesten Block hinzugefügt werden.

Nehmen wir an, der neueste Block ist der blau markierte.

Da der Block-Hash des blau markierten Blocks der aktuellste Block in der Datei (der "Blockchain") ist , ist dies der Block, auf dem der Miner aufbauen möchte.

Man kann sich den Block-Hash als eine benutzerdefinierte ID-Nummer für einen Block vorstellen.

Der Miner fügt diesen also als"Vorherigen Block-Hash"in den Block-Header seines EIGENEN Kandidatenblocks ein.

"Transaktionszusammenfassungs"-Hash

Der nächste Datensatz ist das, was ich als "Transaktionszusammenfassungs-Hash" bezeichne .

Wie der Name schon sagt, handelt es sich um eine "Zusammenfassung" aller Transaktionen im Block, ausgedrückt als Zeichenkette.

Ohne ins Detail zu gehen, werden alle Transaktionen im Block ( rot hervorgehoben) in eine Hash-Funktion gesetzt und in einer bestimmten Reihenfolge gehasht, sodass am Ende ein einziger Hash entsteht.

Dieser Hash wird als "Transaktionszusammenfassungs-Hash" verwendet.

Dieser Hash liefert einen eindeutigen"Fingerabdruck", der auf allen in einem Block enthaltenen Transaktionen basiert.

Dies hilft sicherzustellen, dass Transaktionen nicht manipuliert wurden.

Dieser "Transaktionszusammenfassungs"-Hash wird auch als"Merkle-Root"bezeichnet. 🤓

Denkt daran, dass eine winzige Änderung der Daten den Hash völlig verändert. Das bedeutet, dass, wenn jemand in Zukunft versuchen würde, eine Transaktion im Block zu ändern, dies dazu führen würde, dass sich der Hash der "Transaktionszusammenfassung" ändert und völlig anders ist als der ursprüngliche Wert, der im Block-Header steht.

Im Grunde würde eine Änderung der Transaktion einen völlig anderen "Fingerabdruck" erzeugen, der nicht mit dem ursprünglichen "Fingerabdruck" übereinstimmen würde.

Diese Änderung würde jeden sofort wissen lassen, dass eine Transaktion (oder mehrere) manipuliert wurde(n).

Block-Hash

Bisher enthält der Block-Header drei Daten:

1. Zeitstempel
2. Hash des vorherigen Blocks
3. "Transaktionszusammenfassung"-Hash

Der nächste Schritt besteht dann darin, diese Block-Header-Daten in eine Hash-Funktion zu setzen.

Dadurch wird eine Zufallszahl erzeugt, die als"Block-Hash"bezeichnet wird.

(Obwohl die genauere Bezeichnung "Block-Header-Hash" lauten sollte, da es sich um den Hash nur des Block-Headers und nicht des gesamten Blocks handelt.)

Genau wie der zuvor erwähnte "Previous Block Hash" kann man sich den "Block Hash" als eine benutzerdefinierte ID-Nummer vorstellen, die dem Kandidatenblock zugewiesen wird.

Warum macht der Miner das?

Damit der Miner seinen Block zur Blockchain hinzufügen kann, muss er einen Block-Hash finden, der eine bestimmte Anforderung erfüllt.

Wenn er diese Anforderung NICHT erfüllen kann, wird der Block NICHT als gültig angesehen und der Miner kann seinen Block nicht zur Blockchain hinzufügen.

Genauer gesagt muss der Block-Hash eine Zahl sein, die mit einer bestimmten Anzahl von Nullen beginnt.

Wie viele Nullen genau?

Das ist unterschiedlich. Die Software des Bitcoin-Systems bestimmt die Mindestanzahl an Nullen, mit der der Block-Hash beginnen sollte.

Ursprünglich war nur eine geringe Anzahl von Nullen erforderlich, aber als immer mehr Miner hinzukamen, begann die Bitcoin-Software, eine größere Anzahl von Nullen zu verlangen.

Ein Miner muss eine Ausgabe (den "Block-Hash") generieren, die den von der Bitcoin-Software festgelegten Ausgabeschwellenwert erfüllt.

Dieser "Schwellenwert" gibt lediglich die Anzahl der Nullen an, mit denen der Block-Hash beginnen muss.

Es ist wie beim Limbo-Tanz.

Je niedriger der Schwellenwert, desto mehr Nullen sind erforderlich.

Je mehr Nullen erforderlich sind, desto schwieriger ist es, einen "korrekten" Block-Hash zu finden.

Dies liegt daran, dass mehr führende Nullen weniger mögliche Lösungen bedeuten, was bedeutet, dass mehr Zeit erforderlich ist, um einen korrekten Block-Hash zu "finden".

Einen Wert zu finden, der mit drei Nullen beginnt, wie"000123...",ist viel schwieriger als einen Wert mit sechs Nullen wie"000000123..."zu finden.

Hier ist ein aktuelles Beispiel für einen gültigen Block-Hash:

0000000000000000000586b367c292dfd274bf2e67575cf8b4d00735fc1df6ff

Beachte, mit wie vielen Nullen es beginnt.

Die "bestimmte Anzahl von Nullen" ergibt sich aus dem sogenannten"Mining-Schwierigkeitsgrad". Dieser wird von der Software, die das Bitcoin-Netzwerk betreibt, automatisch nach oben oder unten angepasst. Der Schwierigkeitsgrad ändert sich je nach Anzahl der Miner. Je mehr Computer am Mining beteiligt sind, desto größer ist der Schwierigkeitsgrad und desto mehr Nullen werden zu Beginn benötigt, was es schwieriger macht, die gewinnende Nonce zu finden.

Ein Block-Hash kann als sehr große Zahlinterpretiert werden und muss unter einem bestimmten Schwellenwert liegen. Aus diesem Grund beginnen Block-Hashes mit einer Reihe von Nullen, gefolgt von einer alphanumerischen Zeichenfolge. Einige Blöcke haben bis zu zwanzig führende Nullen, während frühere Blöcke nur acht haben. Die Anzahl der erforderlichen Nullen zeigt in etwa die Schwierigkeit des Mining zum Zeitpunkt der Veröffentlichung des Blocks an.

Was passiert, wenn der Block-Hash nicht mit der erforderlichen Anzahl von Nullen beginnt?

Dann kann der Block NICHT zur Datei (der "Blockchain") hinzugefügt werden.

Glücklicherweise kann der Miner mehrere Versuche unternehmen.

Wenn ein Miner jedoch nur den Block-Header, der nur den Zeitstempel, den Hash des vorherigen Blocks und den Hash der "Transaktionszusammenfassung" enthält, erneut durch die Hash-Funktion laufen lässt, würde er immer das gleiche Ergebnis erhalten.

Der Miner muss die Daten irgendwie ändern, bevor er versucht, den Block-Header erneut zu hashen.

Bitcoin bietet eine Möglichkeit!

Die Nonce

Im Block-Header gibt es ein zusätzliches Feld, das"Nonce"(hellblaue Box) genannt wird.

Es gibt einen speziellen Teil des Block-Headers, den Miner mit einer beliebigen Zahl füllen können.

Der Miner kann jede beliebige Zahl eingeben.

Die Nonce ist völlig unabhängig von den Transaktionen im Block. Ihr einziger Zweck besteht darin, es den Minern zu ermöglichen, sie mit einer Zahl zu füllen und die Zahl zu ändern, wenn der Block-Hash nicht die Anforderung erfüllt, mit einer bestimmten Anzahl von Nullen zu beginnen.

Durch die Verwendung einer Nonce kann ein Miner die Ausgabe der Hash-Funktion manipulieren, um die gewünschte Ausgabe zu "erraten".

Da die anderen Daten im Block-Header nicht geändert werden können, ist die Nonce das einzige Datenelement, das geändert werden kann.

Wenn also der erste Hash-Versuch des Block Headers fehlschlägt, ändert der Miner den Wert der Nonce.

Man kann sich diesen Prozess so vorstellen, als würde man versuchen, die Kombination eines Zahlenschlosses zu finden .

Es gibt keine Abkürzungen, wenn man versucht, die Zahlenkombination zu finden, mit der man es aufschließt. Man muss jede mögliche Kombination ausprobieren, bis man irgendwann zufällig die richtige findet.

Du musst immer wieder raten, bis du Glück hast!

Und genauso wie es extrem einfach und schnell ist , zu überprüfen, ob eine Schlosskombination die richtige ist (entweder sie öffnet oder nicht), ist es für den Miner und für andere Knotenpunkte danach extrem einfach und schnell zu überprüfen, ob die Nonce tatsächlich die richtige ist.

Der Miner steht auch im Wettbewerb mit anderen Minern. Der erste Miner, der eine Nonce findet, die zu einem gültigen Block-Hash führt, erhält das Recht, seinen Block in die Blockchain einzufügen, und wird dafür belohnt.

Nehmen wir zum Beispiel an, dass der Block-Hash mit mindestens vier Nullen beginnen muss.

Die einzige Möglichkeit, einen Block-Hash mit der erforderlichen Anzahl von anfänglichen Nullen zu finden, besteht darin, einen Nonce-Wert zufällig auszuwählen und den Block-Header durch die Hash-Funktion laufen zu lassen.

In diesem Szenario beginnt der Miner mit "0" als Nonce-Wert (hellblaue Box).

Wenn dies nicht zum gewünschten Ergebnis führt, kann der Miner nur noch einmal mit einer anderen Nonce versuchen.

Der Miner ändert den Nonce und beginnt dann von vorne, bis er einen Block-Hash mit mindestens der erforderlichen Mindestanzahl an Nullen findet. In diesem Fall vier Nullen.

Denke daran, dass selbst bei einer kleinen Anpassung mit einer Hash-Funktion selbst die kleinste Änderung zu völlig anderen Ergebnissen führen kann.

Der erste Versuch des Miners bestand also darin, die Zahl "0" in der Nonce zu verwenden. Anschließend wird der Block-Header durch die Hash-Funktion geleitet und geprüft, ob der Block-Hash mit vier Nullen beginnt.

Wie du sehen kannst, beginnt der Bloch-Hash nur mit zwei Nullen, sodass er die Kriterien für das Hinzufügen des Blocks zur Blockchain NICHT erfüllt.

Wenn die Ausgabe ungültig ist, versucht der Miner es mit anderen Nonce-Werten.

Da der Wert "0" nicht funktioniert hat, kann der Miner den Wert des Noncein "1"(hellblaue Box) ändern und dann den Block-Header erneut durch die Hash-Funktion laufen lassen.

Wie du sehen kannst, beginnt der Block-Hash ohne Nullen, sodass auch dies nicht funktioniert.

Da der Wert "1" nicht funktioniert hat, kann der Miner den Wert von "Nonce"in "2"(hellblaues Kästchen) ändern und dann den Block-Header erneut durch die Hash-Funktion laufen lassen.

In diesem Fall beginnt der Block-Hash schließlich mit vier Nullen und erfüllt die Kriterien.

Es ist ein erfolgreiches Block-Hash-Ergebnis! 🎉

Wie du sehen kannst, ist es unvorhersehbar, welche Nonce einen Block-Hash mit der richtigen Anzahl von Nullen erzeugt, sodass der Miner immer wieder verschiedene Nonces ausprobieren muss, um den richtigen Wert zu finden.

Miner können über lange Zeiträume hinweg nach dem richtigen Nonce suchen, ohne dass es garantiert ist, dass sie ihn jemals finden werden. Die meisten werden es nie!

Die Nonce wird als Zähler verwendet, dessen Wert ständig erhöht wird, bis entweder der richtige Block-Hash gefunden wird oder ein anderer Miner dies tut.

Es ist wie ein Zahlenerratenspiel!

Man versucht einfach, einen Hash zu finden, der mit einer bestimmten Anzahl von Nullen beginnt, indem man den Wert der Nonce ändert.

Bergleute tun dies wiederholt ... IN DER HOFFNUNG, dass das Ergebnis einen Block-Hash erzeugt, der die Kriterien erfüllt.

Je leistungsfähiger ihre Computer sind, desto mehr "Vermutungen" können sie anstellen.

Dieser "Erratungsprozess" wird als Mining bezeichnet.

Der "gewinner" unter den Minern wird mit einer festgelegten Anzahl von Bitcoins (plus Transaktionsgebühren) belohnt, die als"Blockbelohnung" bezeichnet wird.

Ein Miner gewinnt die Blockbelohnung etwa alle 10 Minuten.

Mining ist ein monotoner und sich wiederholender Prozess:

Man nehme einen Blockheader mit der Nonce, hashe ihn, prüfe, ob der Hash mit einer bestimmten Anzahl von Nullen beginnt, und wenn nicht, wiederhole den Vorgang mit einer anderen Nonce.

Ich werde schon müde, wenn ich nur daran denke. 😴

Wenn du also liest oder hörst, dass es beim Mining um das "Lösen komplexer mathematischer Probleme" geht, dann weißt du jetzt, dass das keine korrekte Beschreibung ist.

Mining hat nichts Komplexes an sich! Der Prozess selbst ist ziemlich einfach. Man versucht nur, so schnell wie möglich oder gerade schnell genug die richtige Zahl zu erraten, um der ERSTE Miner zu sein, der richtig rät, damit der eigene Kandidatenblock derjenige ist, der zur Blockchain hinzugefügt wird. Das ist alles!

Die "Hash-Rate" gibt die "Schätzleistung" eines Mining-Computers an. Je mehr Hashes du pro Sekunde erraten kannst, desto höher ist deine Hash-Rate. Zum Beispiel entsprechen 1 Billion (1.000.000.000) Schätzungen pro Sekunde einer Hash-Rate von 1 Terrahash (TH/s).

Nur weil der Prozess einfach ist, heißt das nicht, dass er leicht ist. Deshalb wird er "Mining" genannt. Man versucht, die richtige Zahl "auszugraben", was viel Aufwand erfordert, ähnlich wie beim tatsächlichen Bergbau in der realen Welt.

Sobald der Miner eine Nonce gefunden hat, mit der er einen Block-Hash generieren kann, der den Anforderungen entspricht (beginnt mit mindestens 4 Nullen), wird der Block zur Kopie der Datei des Miners (der "Blockchain") hinzugefügt.

Erinnert ihr euch noch daran, dass der blaue Block der neueste Block in der Blockchain des Miners war? Jetzt nicht mehr.

Da der Miner die richtige Nonce erraten konnte, konnte er seinen Block zur Blockchain hinzufügen (grün markiert).

Aus der Vogelperspektive betrachtet wurde die Datei auf dem Computer des Miners also aktualisiert ( grün markiert).

Anschließend überträgt der Knoten diesen Block an benachbarte Knoten, mit denen er direkt verbunden ist.

Die Knoten überprüfen und verifizieren ihn und stellen sicher, dass der Block-Header einen Block-Hash erzeugt, der die Kriterien erfüllt. In diesem Fall muss der Block-Hash mit vier Nullen beginnen.

Diese Knoten aktualisieren ihre Datei (die "Blockchain"), indem sie den Block zur Datei hinzufügen.

IHRE Datei wird aktualisiert und entspricht nun der Version des siegreichen Miners (grüne Datei).

Alle Transaktionen in ihrem Mempool, die Teil dieses Gewinnerblocks sind, wechseln von"frisch"(oder "unbestätigt") zu"bestätigt"und werden nun dauerhaft zur Datei hinzugefügt.

Alle widersprüchlichen Transaktionen werden verworfen.

Dank des Mining-Prozesses wird nur die violette Transaktion in die Blockchain aufgenommen.

Dann geben diese Knoten den Block an andere Knoten weiter.

Sobald der neue Block von einer Mehrheit der Miner akzeptiert wird, beginnen alle Miner von vorne und erstellen einen brandneuen Kandidatenblock, und der Mining-Prozess wiederholt sich.

Mining fungiert als Sortiermechanismus für Transaktionen in einem Computernetzwerk, in dem "abgebaute" Blöcke das letzte Wort darüber haben, was in die Blockchain gehört.

Der Block-Hash dieses neu erstellten Blocks wird nun von den Minern für den "Vorherigen Block-Hash" in ihren Kandidatenblöcken verwendet.

Der Block-Hash fungiert als"Kette".

Die Miner müssen nun den Block-Hash des vorherigen Blocks in den neuen Block einfügen, den sie erstellen.

Das bedeutet beispielsweise, dass Miner, um Block 101 zu minen, den Hash von Block 100 kennen müssen.

Bevor Block 101 gemined wurde, kann Block 102 nicht gemined werden.

Dies zwingt die Miner dazu, sich auf Block 101 zu konzentrieren, der wiederum den Hash von Block 100 enthält. Kein Miner kann überspringen.

Aber anstatt dass jeder Block eine "Blocknummer" hat, verweist jeder Block über seinen Block-Hash auf den vorherigen Block.

Das bedeutet, dass jeder Block mit jedem anderen Block verknüpft ist und soeine "Blockkette"entsteht, die als Blockchain bezeichnet wird.

Diese "Blockkette" wird nicht durch Blocknummern, sondern durch Block-Hashes zusammengehalten.

Warum man bei Bitcoin nicht betrügen kann

Nehmen wir an, alle arbeiten an Block 101.

Aber ein Miner möchte eine Transaktion in Block 80 ändern.

Er müsste seine Änderungen vornehmen und alle Berechnungen für die Blöcke 80–100 wiederholen UND auch Block 101 erstellen.

Das sind 21 Blöcke teurer Rechenarbeit!

Und nicht nur das, der Miner müsste all dies tun, bevor die anderen Miner im Bitcoin-Netzwerk den aktuellen Block (Block 101), an dem sie arbeiten, fertigstellen. Das ist im Grunde unmöglich.

Es ist sehr schwierig, Transaktionen zu manipulieren, die bereits Teil der Blockchain sind.

Das ist gemeint, wenn Blockchains als unveränderlich bezeichnet werden.

Proof-of-Work (PoW)

Der Prozess des Minings wird oft als"Proof-of-Work"oder PoW bezeichnet.

PoW ist als"Konsensmechanismus" bekannt, den Bitcoin verwendet, um alle Knoten dazu zu bringen, sich auf die "offizielle" Kopie der Bitcoin-Blockchain zu einigen. Auf diese Weise kann Bitcoin einen Konsens erzielen, ohne dass eine Streitbeilegung oder ein Eingreifen einer zentralen Behörde erforderlich ist.

Der Begriff "Proof-of-Work" bezieht sich lediglich auf die Tatsache, dass es "Arbeit" erfordert, einen Block-Hash unter einem bestimmten Schwellenwert zu finden. Und sobald dies gelingt, kann es jeder überprüfen, was den "Beweis" liefert.

Der Prozess des "Erratens einer Nonce" und des anschließenden Durchlaufens des Block-Headers durch die Hash-Funktion wird als Nachweis dafür verwendet, dass man eine erforderliche Menge an "Arbeit" an seinem Block geleistet hat.

Der erste Miner, der einen gültigen Hash erzeugt, darf einen neuen Block zur Blockchain hinzufügen und erhält eine Belohnung in Form von Bitcoins.

Wenn sich eine große Anzahl von Minern dem Bitcoin-Netzwerk anschließt, wird der PoW angepasst, um das Auffinden eines gültigen Block-Hash zu erschweren. Wenn diese erhöhte Schwierigkeit zu viele Miner abschreckt und sie das Mining einstellen, wird die Schwierigkeit verringert, um das Mining zu erleichtern.

Dieser Prozess, der als "Schwierigkeitsanpassung" bezeichnet wird, findet etwa alle zwei Wochen statt und stellt sicher, dass etwa alle 10 Minuten neue Blöcke zur Blockchain hinzugefügt werden, unabhängig davon, wie viele Miner dem Netzwerk beitreten oder es verlassen.

Schwierigkeitsanpassungen werden auf der Grundlage der Geschwindigkeit vorgenommen, mit der Miner neue Blöcke erstellen.

Durch die Anpassung der Schwierigkeit des Minings kann Bitcoin sicherstellen, dass neue Bitcoins mit einer vorgegebenen Rate erstellt werden, unabhängig von der Rechenleistung der am Netzwerk beteiligten Computer.

Die Anpassung der Schwierigkeit ist wichtig, da sie sicherstellt, dass die Miner nicht zu schnell zu viele Bitcoins aus dem Bestand schürfen können.

Die für das Mining erforderliche spezielle Computerhardware und der Strom bedeuten auch, dass ein Angriff auf das Netzwerk unerschwinglich teuer wäre. Dadurch werden die Sicherheit und Integrität der Bitcoin-Blockchain gewährleistet.

Wer über genügend Rechenleistung verfügt, um das Netzwerk anzugreifen, ist besser beraten, ehrlich zu minen und sich die Blockprämie (neue Bitcoins plus Transaktionsgebühren) zu verdienen.

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Zusammenfassung

Herzlichen Glückwunsch! Du weißt jetzt, wie das "Mining" bei Bitcoin funktioniert!

• Miner suchen nach einem akzeptablen Hash, der der "Block-Hash" sein wird, indem sie eine Nonce auswählen, die Hash-Funktion ausführen und die Ausgabe überprüfen.
• Wenn der Hash nicht die richtige Anzahl an führenden Nullen hat, ändern die Miner die Nonce, führen die Hash-Funktion aus und überprüfen das Ergebnis erneut.
• Wenn ein Miner schließlich das Glück hat, eine funktionierende Nonce zu finden und "gewinnt", wird der Block an andere Knoten (einschließlich anderer Miner) im Bitcoin-Netzwerk gesendet, von denen jeder die Hash-Funktion mit der Nonce des siegreichen Miners ausführen und überprüfen kann, ob sie funktioniert.
• Wenn die Lösung von der Mehrheit der Knoten akzeptiert wird, wird der Block zur Blockchain hinzugefügt und der siegreiche Miner erhält die Blockbelohnung.
• Alle Miner "setzen zurück" und beginnen mit der Arbeit an einem neuen Kandidatenblock, wobei sie den Hash des kürzlich abgebauten Blocks als Referenz in ihrem Block-Header (als "Vorheriger Block-Header") verwenden.
• Dieser Prozess, bei dem Miner versuchen, eine korrekte Nonce zu "erraten" oder zu finden, wird als "Proof-of-Work" (PoW) bezeichnet.

Nachdem wir nun etwas über Miner und Mining gelernt haben, aktualisieren wir unsere Karte des Bitcoin-Systems: