Die Anfänge

Die Begriffe Kryptowährung und Bitcoin gehen Hand in Hand. Und dies hat einen guten Grund. Bitcoin war die erste digitale Währung und ist auch bis heute die mit Abstand bekannteste. Das Konzept für die Währung wurde im Jahr 2008 von Satoshi Nakamoto entwickelt. Die ersten Ideen einer ausschließlich digitalen Währung reichen jedoch weiter zurück. Im Jahr 1998 wurde von Nick Szabo bereits ein Mechanismus für eine dezentrale digitale Währung, namens "bit gold", entworfen. Diese wurde jedoch nie implementiert, gilt allerdings gleichhin als direkter Vorläufer der Bitcoin Architektur.

Entwicklung

Mit der Veröffentlichung des Bitcoin Netzwerkes im Jahre 2009 fiel der Startschuss für den Markt der Kryptowährungen. Es sollte jedoch noch einige Jahre dauern, bis der Hype um die Währungen ein nie erwartetes Hoch erreicht. Während bis 2014 nur sehr wenige Kryptowährungen existierten, so nahm der Hype um Krypto ab 2015 langsam Fahrt auf. Mittlerweile gibt es über 10000 gelistete Kryptowährungen und die Anzahl wächst stetig.

Liste der ersten Kryptowährungen

• Bitcoin: 2009
• Litecoin: 2011
• Bytecoin: 2012
• Ripple: 2013
• Dogecoin: 2013
• Dash: 2014
• Ethereum: 2015

Was genau ist eine Kryptowährung?

Eine Kryptowährung ist also eine ausschließlich digitale Währung. Doch was bedeutet das eigentlich genau? Kryptowährungen basieren auf einem dezentral organisierten Buchungssystem. Dieses System wird von den Teilnehmern gemeinsam verwaltet, indem die Transaktionen in einer Datenbank verzeichnet werden. Vorteil hierbei ist, dass das System keinen geographischen Beschränkungen unterliegt und somit landesübergreifend genutzt werden kann. Um die Funktionsweise von Kryptowährungen allerdings genauer zu verstehen, muss man sich das Konzept der Blockchain anschauen.

Was ist eine Blockchain?

Eine Blockchain ist eine kontinuierlich erweiterbare Liste von Datensätzen, auch "Blöcke" genannt, welche mittels kryptographischer Verfahren miteinander verkettet sind. Einfacher ausgedrückt ist die Blockchain eine Datenbank, in der im Beispiel von Bitcoin, alle Bitcoin-Transaktionen verzeichnet sind. Man kann sich dies wie ein Buchungssystem vorstellen, in dem alle getätigten Transaktionen vermerkt werden.

Transaktionen

Transaktionen beschreiben im Bitcoin Netzwerk einen Transfer eines Betrages zwischen Bitcoin-Wallets, der in die Blockchain eingetragen wird. Ein Bitcoin Wallet enthält hierbei alle Informationen, die für den Zugriff auf die Bitcoin Blockchain benötigt werden. Möchte Person A also Geld an Person B überweisen, so wird diese Transaktion mit dem spezifischen Private key von Person A signiert, um zu verifizieren, dass die Transaktion auch wirklich von Person A getätigt wurde.

Bestandteile eines Blocks

Im Kontext der Blockchain ist die Rede von sogenannten "Blöcken", die der Blockchain angehängt werden. Doch was sind die Bestandteile eines solchen Blocks? Zunächst einmal enthält ein Block einen kryptographisch sicheren Hash des vorhergehenden Blocks. Daher auch der Name "Blockchain". Weiterhin enthält ein Block verschiedene Transaktionen, die in dem Netzwerk durchgeführt wurden. Mit Anhängen des Blocks an die Blockchain, werden diese Transaktionen bestätigt.

Konsens

Die Blockchain wird NICHT zentral gespeichert, sondern als verteiltes Register geführt. Alle Beteiligten speichern somit eine eigene Kopie. Alle Transaktionen werden von Teilnehmern des Netzwerks bestätigt. Es gibt somit keine zentrale Instanz, die diese Aufgabe übernimmt. Da jeder Teilnehmer eine eigene Kopie der Blockchain verwaltet, muss sich unter den Teilnehmern in diesem dezentralen Netzwerk auf eine identische Version der Blockchain geeinigt werden. Hierfür kommen sogenannte Konsensmechanismen zum Einsatz. Einer von diesen ist Proof-of-Work, welcher im nächsten Abschnitt näher erläutert wird.

Allgemein

Proof of Work ist ein Konsensmechanismus, um sich in einem dezentralen Netzwerk auf eine identische Version der Blockchain zu einigen. Das Prinzip von Proof-of-Work basiert darauf, dass Miner in einem Netzwerk nachweisen müssen, dass ein bestimmter Aufwand erbracht wurde, um einen neuen Block zu erzeugen und die darin enthaltenen Transaktionen zu bestätigen.

Wofür Proof of Work?

Die Verwendung von Proof of Work stellt fundamentale Prinzipen von Kryptowährungen sicher:

1. Stellt klar, welche Blockchain die richtige ist: Nämlich die, in welche die meiste Rechenkapazität geflossen ist.

2. Sichert das Netzwerk vor potentiellen Angreifern. Diese müssten mehr Energie aufwenden, als alle anderen Miner insgesamt zur Verfügung haben.

3. Sichert das algorithmische Geldmengenwachstum.

Funktionsweise

Das Durchführen des Proof-of-Work-Mechanismus wird im Zusammenhang mit der Blockchain auch als "Mining" bezeichnet. Wie funktioniert das Minen von Bitcoins also genau?

1. Miner sammeln ausstehende Transaktionen.

2. Transaktionen werden zusammengefügt in einen Block.

3. Miner lösen Rateaufgabe, um Transaktionen zu bestätigen.

4. Der erste Miner, der die Rateaufgabe löst, erhält Belohnung.

5. Block wird der Blockchain hinzugefügt.

Zusammenfassung

Das Ziel des Mining ist eine Rateaufgabe schneller als alle anderen Miner zu lösen, um so einen Block mit Transaktionen der Blockchain hinzufügen zu dürfen, und dafür eine Belohnung in Form von Bitcoins zu erhalten. Die Belohnung setzt sich aus dem Blockanteil und den Transaktionsgebühren zusammen. Das Lösen der Aufgabe beträgt dabei im Fall von Bitcoin circa 10 Minuten. Doch genau diese Form des "Mining" erfordert einen enormen Energieaufwand, da alle Miner gleichzeitig am Lösen der Aufgabe arbeiten. Deshalb lohnt es sich einmal den Energieverbrauch, sowie den CO2-Fußabdruck von Bitcoin näher zu betrachten.

Bitcoin Energieverbrauch

Bitcoin CO2-Fußabdruck

Allgemein

Ein Smart Contract ist ein Programm, das unter programmierten Konditionen Krypto-Transaktionen ausführt. Wenn die Konditionen eintreffen, werden die Transaktionen automatisch ausgeführt und dies ohne zentrale Autorität, die diese Transaktion erst genehmigen müsste. Die Konditionen unter denen eine Transaktion ausgeführt wird, obliegen ganz dem Käufer und Verkäufer. Da Smart Contracts auf der Blockchain gespeichert werden und die Blockchain öffentlich einsehbar ist, trifft dies auch auf die Smart Contracts zu.

Anwendungen

Smart Contracts ermöglichen es dezentralisierte Anwendungen (DApps) zu entwickeln. Diese Art von Software bringt einige Vorteile mit sich.

DApps haben keinen Besitzer

DApps sind frei von Zensur

DApps bieten einen anonymen Login und Nutzung

Warum kann man Smart Contracts vertrauen?

Da Smart Contracts auf der Blockchain gespeichert werden, sind die Konditionen unveränderlich und der Smart Contract kann niemals manipuliert werden. Eine böswillige Person hat keine Chance den Smart Contract auszuführen, da die Blockchain ein verteiltes System ist und die Smart Contracts von allen Teilnehmern des Netzwerks per Konsensmechanismus ausgeführt werden.

Wie und wo kann man Smart Contracts erstellen?

Smart Contracts werden in einer Programmiersprache geschrieben, aber nicht jede Blockchain ermöglicht das Erstellen von Smart Contracts. Die bekannteste Blockchain mit Unterstützung für Smart Contracts ist Ethereum, auf der mit der Programmiersprache Solidity Smart Contracts entwickelt werden können. Es gibt allerdings immer mehr Möglichkeiten auch ohne Programmierkenntnisse Smart Contracts zu erstellen. Das geht auf der Cardano Blockchain mit dem Marlowe Playground über eine grafische Benutzeroberfläche.

Nachhaltigkeit

Das Minen von Kryptowährungen, die dem Proof of Work Konsensmechanismus unterliegen verbraucht sehr große Mengen an Energie. So wird Bitcoins aktueller jährlicher Energieverbrauch auf über 134 TWh geschätzt. Das entspricht dem Energieverbrauch eines mittelgroßen Landes wie Argentinien. Eine einzelne Transaktion mit Bitcoin auszuführen verbraucht über 1700 kWh, soviel verbraucht ein durchschnittlicher US-Haushalt in 2 Monaten. Für Ethereum sieht es nicht viel besser aus, auch dessen Energieverbrauch wird auf 54 TWh geschätzt und ist vergleichbar mit Griechenland. Eine Transaktion auf Ethereum auszuführen verbraucht über 120 kWh an Energie, ein US-Haushalt verbraucht innerhalb von 4 Tagen weniger Energie.

Skalierbarkeit

Je mehr Transaktionen auf dem Bitcoin oder Ethereum Netzwerk getätigt werden, umso länger dauert es diese Transaktionen von Minern verifizieren zu lassen und umso höher sind auch die Transaktionsgebühren, die für die Miner fällig werden. So war es es nicht unüblich, dass eine Transaktion auf Ethereum im Mai 2021 erst nach Stunden verifiziert wurde und über 500€ an Transaktionsgebühren kostete. Die einzige Möglichkeit ein auf Proof of Work basierendes Netzwerk zu skalieren, ist es, bessere und teurere Hardware zu verwenden, was den Stromverbrauch und die Transaktionsgebühren exponentiell steigen lässt.

Zentralisierung

Der Energieverbrauch von Bitcoin und Ethereum stieg in den letzten Jahren raketenhaft an. Je mehr Menschen sich an dem Mining beteiligen, desto schwieriger wird es sich in dem Wettkampf um den Block durchzusetzen und die Anforderungen an die Hardware steigen. In Bitcoins Anfangszeiten war es noch möglich mit einer herkömmlichen CPU Transaktionen zu verifizieren. Mittlerweile ist das nur noch mit sogenannten ASIC-Minern profitabel. Diese ASIC-Miner sind teuer, patentiert, werden von privaten Unternehmen hergestellt und sind somit nur begrenzt verfügbar. Die Bedingung auf ASIC Hardware zurückzugreifen ist ebenso eine Triebkraft für Zentralisierung, wie die Tatsache, dass durch die ansteigende Schwierigkeit beim Minen immer mehr Miner sich zu Mining-Pools zusammenschließen. Außerdem spielt die geografische Lage eine große Rolle auf den Strompreis und somit die Profitabiliät. Es entstehen Mining-Farmen mit Hardware im Wert von über 100 Millionen Euro, wodurch es schon jetzt ein Geschäft ist, das nur noch für Reiche umsetzbar ist.

Angriffsmöglichkeiten

51 % Angriffe

Proof of Work ist anfällig für 51 % Angriffe. Das bedeutet, dass jemand, der über 51 % der Rechenleistung des gesamten Netzwerks verfügt, diese Rechenleistung dafür nutzen kann, um fehlerhafte Transaktionen im Eigeninteresse zu verifizieren. Über 51 % der Rechenleistung eines Proof of Work Netzwerks zu besitzen ist mit einer Vollmacht über dieses System gleichzusetzen. Durch die zunehmende Zentralisierung in Proof of Work Netzwerken ist dies durchaus denkbar.

DDoS Angriffe

Verteilte Zugriffsverweigerungsangriffe können Knoten im Proof of Work Netz ausschalten. Dadurch wird Rechenleistung aus dem Netz genommen und ein 51 % Angriff wird wahrscheinlicher.

Allgemein

Proof of Stake Protokolle sind eine Klasse von Konsensmechanismen für Blockchains. Proof of Stake wurde entwickelt, um die Probleme von Proof of Work umweltfreundlich und skalierbar zu lösen, ohne dabei die Sicherheit aufgeben zu müssen. Im Gegensatz zu Proof of Work reizt Proof of Stake keinen extremen Energieverbrauch an. Außerdem ändert sich im Kontext von Proof of Stake die Terminologie. So gibt es keine Miner sondern sogenannte Validator und statt dem Minen wird vom Minten oder Forgen von Blöcken gesprochen. Die prominenteste Kryptowährung mit dem meisten Stake ist Cardano, bei der über 70% der Währung gestaket ist und somit auch nicht mehr anfällig für 51% Angriffe ist.

Wie funktioniert Proof of Stake?

Bei Proof of Stake wird unter Berücksichtigung von verschiedenen Faktoren eine gewichtete Zufallsentscheidung getroffen, welcher Validator den nächsten Block münzen darf und die Kryptowährung als Block-Belohnung erhält. Dabei spielt die Menge des "Stakes", also der Menge der jeweiligen Kryptowährung, die größte Rolle. Je höher der Stake, umso höher ist die Chance, dass der Validator ausgewählt wird, um den Block zu münzen. Um Chancengleichheit langfristig zu wahren, gibt es dabei auch eine Obergrenze, über der hinaus es keinen Unterschied mehr macht, wie wahrscheinlich es ist, dass der Validator ausgewählt wird. Die maximale Menge an Stake pro Validator verringert sich ebenfalls, was Dezentralisierung anreizt und keine Zentralisierung folgt wie bei Proof of Work.

Sicherheit von Proof of Stake

Wenn ein Validator dabei erwischt wird, falsche Blöcke zu validieren, riskiert er dabei das gesamte Stake zu verlieren. Der berüchtigte 51% Angriff ist nun auch nicht mehr mit Rechenleistung sondern mit dem Stake der Kryptowährung möglich. Bei den Marktkapitalen von den Kryptowährungen heutzutage bedeutet dies, einen Stake im zwei bis dreistelligen Millardenbereich aufbringen zu müssen und langfristig erhöht sich dies nur, also wird es immer unwahrscheinlicher, dass so ein 51% Angriff durchgeführt werden kann. Mit dem Ouroboros Protokoll von Cardano existiert ebenfalls ein Proof of Stake Algorithmus, dessen Sicherheit mathematisch bewiesen ist, wenn mindestens 51% der Kryptowährung gestaked wird. Die Sicherheit ist also im Vergleich zu Proof of Work gleichwertig oder gar höher einzuschätzen.

Energiebilanz

Kryptowährungen wie Cardano verbrauchen teilweise pro Knoten, die auf einem Raspberry Pi laufen können, nur 15 bis 18 Watt. Dies ist millionenfach energieeffizienter als zum Beispiel Bitcoin. Auch andere Kryptowährungen wie XRP, Tezos, EOS oder IOTA sind in diesem Bereich anzusiedeln. Es gibt also eine klare Entwicklung zu klimafreundlicheren Varianten von Kryptowährungen und es benötigt kein Proof of Work, um sicher, effizient und skalierbar zu sein. Die Grafik weiter unten zeigt diese Maßstäbe auch noch einmal auf.

Cardano (Proof of Stake)

Statistik

Allgemein

Auf den ersten Blick würde man Kryptowährungen wohl nicht mit Umweltschädlichkeit in Verbindung bringen. Beschäftigt man sich jedoch eingehender mit den Kryptowährungen zugrundeliegenden Mechanismen, so wird erschreckend schnell klar, dass das genaue Gegenteil der Fall ist. Kryptowährungen sind unersättliche Stromfresser, zu einer Zeit, wo die Auswirkungen unseres Handelns immer spürbarer auf unserer Umwelt lasten. Allen voran geht in dieser Entwicklung Bitcoin, die wohl bekannteste aller Kryptowährungen.

Bitcoin

Bitcoin ist die umweltschädlichste Kryptowährung der Welt. Hauptverantwortlich dafür ist vor allem die verwendete Technologie zum "Minen" von Bitcoins, der sogenannte Proof of Work Mechanismus. Der immense Energieverbrauch ist dabei jedoch nur die eine Seite. Auf der anderen Seite muss man sich anschauen, woher diese Energie bezogen wird. Die meisten Anlagen zum "Minen" von Bitcoins lassen sich in China lokalisieren und verlassen sich zu großen Teilen auf Energie aus Kohlekraftwerken. Diese Art der Erzeugung von Strom ist die klimaschädlichste Form der Energiegewinnung.

Lösungsansatz

Ein Lösungsansatz ist der bereits vorgestellte Proof of Stake Mechanismus, welcher den Energieverbrauch, der ihn benutzenden Kryptowährung, drastisch reduziert. Währungen wie Cardano nutzen diesen Mechanismus bereits und auch Ethereum, die bekannteste Kryptowährung nach Bitcoin, plant den Wechsel hin zur umweltfreundlicheren Alternative. Ein weiterer Ansatz ist die Energiegewinnung aus erneuerbaren Quellen. Serverfarmen in China beziehen ihre Energie meist aus Kohlekraft. Andere Länder wie Island oder Norwegen haben jedoch bereits gezeigt, dass das Minen von Bitcoins auch mit "grünen" Strom eine Zukunft hat.

Ausblick

Kryptowährungen werden wohl in den nächsten Jahren und Jahrzehnten immer mehr zur Normalität werden. Das geht vor allem aus den stetig wachsenden Zahlen rund um Bitcoin und Co. hervor. Ihr großes Potenzial, transnationale Zahlungen mit geringen Kosten und ohne Verzögerungen und Wechselkursschwankungen zu ermöglichen, ist enorm. Proof of Stake könnte dabei die Zukunft der Kryptowährungen in einer Welt werden, in der Umweltfreundlichkeit eine immer größere Rolle einnimmt.