What is Ethereum Mining? [The Most Comprehensive Step-by-Step Guide]

Updated on: April 24th, 2020
This content has been Fact-Checked.
ethereum mining

Ethereum, wie Bitcoin, verwendet derzeit den Proof-of-Work (POW) Konsensmechanismus. Mining ist zufällig das Lebensblut aller POW-basierten Kryptowährungen. Ethereum Mining beinhaltet Bergleute aus der ganzen Welt, die ihre Zeit und Verarbeitungsleistung nutzen, um kryptografisch harte Rätsel zu lösen. Wenn sie erfolgreich sind, können die Bergleute der Ethereum Blockchain Blöcke hinzufügen und eine Belohnung dafür verdienen.

Das Verständnis von Ethereum Mining und die Notwendigkeit eines Hybrid-Modells

Um Ethereum Mining zu verstehen, müssen Sie verstehen, was POW ist und warum es überhaupt benötigt wurde. Ein dezentrales Netzwerk wie Ethereum erfordert Konsensmechanismen, damit es Entscheidungen trifft. Bevor Satoshi Nakamoto Bitcoin und seinen zugrunde liegenden POW-Algorithmus schuf, gab es mehrere Versuche, ein legitimes dezentrales Peer-to-Peer-Digitalwährungssystem zu schaffen. Sie waren jedoch alle erfolglos, weil sie das „Problem des byzantinischen Generals“ nicht beantworten konnten.

Was ist das Problem des byzantinischen Generals?

Understanding Ethereum Mining and the Need for Proof of Stake

Bild mit freundlicher Genehmigung: Medium

Ok so stellen Sie sich vor, dass es eine Gruppe von byzantinischen Generälen gibt und sie wollen eine Stadt angreifen. Sie stehen vor zwei sehr unterschiedlichen Problemen:

Die Generäle und ihre Armeen sind sehr weit voneinander entfernt, so dass eine zentralisierte Autorität unmöglich ist, was einen koordinierten Angriff sehr schwer macht.

Die Stadt hat eine riesige Armee und der einzige Weg, den sie gewinnen können, ist, wenn sie alle auf einmal angreifen.

Um eine erfolgreiche Koordination zu erzielen, schicken die Armeen auf der linken Seite des Schlosses einen Boten zu den Armeen auf der rechten Seite des Schlosses mit einer Nachricht, die sagt „ATTACK MITTWOCH“. Angenommen, die Armeen auf der rechten Seite sind nicht auf den Angriff vorbereitet und sagen: „Nein. ATTACK FREITAG“ und schicken Sie den Boten durch die Stadt zurück zu den Armeen auf der linken Seite. Hier stehen wir vor einem Problem. Eine Reihe von Dingen kann dem armen Boten passieren. Er konnte von der Stadt gefangen genommen, kompromittiert, getötet und durch einen anderen Boten ersetzt werden. Dies würde dazu führen, dass die Armeen mit Informationen manipuliert werden, die zu einem unkoordinierten Angriff und einer Niederlage führen können.

Dies hat auch klare Verweise auf Blockchain. Die Kette ist ein riesiges Netzwerk; wie können Sie ihnen vertrauen? Wenn Sie jemanden 4 Ether von Ihrer Brieftasche schicken würden, woher würden Sie sicher wissen, dass jemand im Netzwerk nicht daran manipulieren und 4 in 40 Ether ändern wird?

Satoshi Nakamoto konnte das Problem des byzantinischen Generals umgehen, indem er das Arbeitsprotokoll erfand. So funktioniert es. Angenommen, die Armee auf der linken Seite möchte eine Nachricht namens „ATTACK MONTAG“ an die Armee auf der rechten Seite senden, sie werden bestimmte Schritte folgen.

Erstens werden sie eine „Nonce“ an den Originaltext anhängen. Die Nonce kann ein beliebiger Hexadezimalwert sein.

Danach hash sie den Text, der mit einer Nonce angehängt wurde, und sehen das Ergebnis. Nehmen wir an, hypothetisch gesprochen, die Armeen haben sich dafür entschieden, nur Nachrichten zu teilen, die, beim Hashing, ein Ergebnis ergeben, das mit 5 Nullen beginnt.

Wenn die Hash-Bedingungen erfüllt sind, senden sie den Messenger mit dem Hash der Nachricht. Wenn nicht, ändern sie den Wert der Nonce zufällig, bis sie das gewünschte Ergebnis erhalten. Diese Aktion ist extrem mühsam und zeitaufwendig und benötigt viel Rechenleistung.

Wenn der Messenger von der Stadt gefangen wird und die Nachricht manipuliert wird, wird der Hash selbst entsprechend den Hash-Funktionseigenschaften drastisch geändert. Wenn die Generäle auf der rechten Seite, sehen, dass die Hash-Nachricht nicht mit der erforderlichen Menge von 0s beginnt, dann können sie einfach den Angriff abrufen.

Es gibt jedoch eine mögliche Lücke.

Keine Hash-Funktion ist 100% kollisionsfrei. Was ist, wenn die Stadt die Nachricht bekommt, manipuliert und dann dementsprechend die Nonce ändert, bis sie das gewünschte Ergebnis erhalten, das die erforderliche Anzahl von 0s hat? Dies wird extrem zeitaufwendig sein, aber es ist immer noch möglich. Um dem entgegenzuwirken, werden die Generäle Stärke in Zahlen verwenden.

Angenommen, statt nur ein General auf der linken Seite Nachrichten an einen General auf der rechten Seite zu senden, gibt es 3 Generäle auf der linken Seite, die eine Nachricht an die auf der rechten Seite senden müssen. Um dies zu tun, können sie ihre eigene Nachricht erstellen und dann die kumulative Nachricht hash und dann eine Nonce an den resultierenden Hash anhängen und sie erneut hash. Diesmal wollen sie eine Nachricht, die mit sechs 0s beginnt.

Offensichtlich wird dies extrem zeitaufwendig sein, aber dieses Mal, wenn der Bote von der Stadt gefangen wird, wird die Menge an Zeit, die sie brauchen, um die kumulative Nachricht zu manipulieren und dann die entsprechende Nonce für den Hash zu finden, unendlich mehr sein. Es kann sogar Jahre dauern. Also, wenn die Generäle anstelle eines Boten mehrere Boten senden, wenn die Stadt sogar auf halbem Weg durch den Berechnungsprozess ist, werden sie angegriffen und zerstört.

Die Generäle auf der rechten Seite haben es ziemlich einfach. Alles, was sie tun müssen, ist, die Nachricht mit der richtigen Nonce anzuhängen, die ihnen gegeben wird, zu hash und zu sehen, ob der Hash übereinstimmt oder nicht. Hashing einer Zeichenfolge ist sehr einfach zu tun. Das ist im Wesentlichen der Prozess hinter dem Proof-of-Work.

Der Prozess hinter der Suche nach der Nonce für das entsprechende Hash-Ziel sollte extrem schwierig und zeitaufwendig sein.

Allerdings sollte die Überprüfung des Ergebnisses sehr einfach sein, um festzustellen, ob kein Fehler begangen wurde.

Okay, jetzt wissen Sie, was das Grundprinzip hinter dem Bergbau ist. Jetzt schauen wir uns an, wie es tatsächlich passiert.

Die verschiedenen Arten des Bergbaus

CPU Mining: Dies ist die grundlegendste Form des Mining. Die Idee hinter CPU-Mining ist einfach. Jeder, überall kann seinen Computer für meine verwenden. Obwohl diese Methode nicht mehr so anwendbar ist, ist sie ein guter Einstiegspunkt

GPU Mining: Als nächstes haben wir GPU-Mining. Die GPU oder Grafikverarbeitungseinheit ist Teil des Video-Rendering-Systems eines Computers. Die typische Funktion einer GPU besteht darin, beim Rendern von 3D-Grafiken und visuellen Effekten zu helfen, so dass die CPU nicht muss. Die GPUs bieten ein wesentlich stärkeres System für den Bergbau als die CPU. Einige ASIC-resistente Münzen wie Monero werden über GPU.Bitcoin/Ethereum ursprünglich so abgebaut, aber dies wurde immer schwieriger, da die Schwierigkeit zunahm. Wir werden später mehr über Schwierigkeiten im Guide sprechen.

FPGA Mining: FPGA oder Feldprogrammierbare Gate Array Mining ist der nächste Schritt vom GPU-Mining. Laut diesem Artikel von Free Learner, FPGA „ist ein Gerät, das eine Reihe von Gate-Arrays hat (offensichtlich), die Wahrheitstabellen erstellen Eingänge aus einem Datenstrom zu berechnen, und Ausgabe ein gewünschtes Ergebnis. In der Industrie können Sie dies verwenden, um einen Branchenprozess zu optimieren, z. B. das Schneiden von 2x4s aus einem Protokoll, das maschinelle Lernen zu ermöglichen oder sogar die DNA-Sequenzierung durchzuführen. FPGAs Excel bei jeder Aufgabe, die in einem parallelen Prozess ausgeführt werden kann, z. B. einem Mining-Hash, um eine Ausgabe zu erstellen, die zu einem erfolgreichen Hash führt, und wenn Sie Glück haben, einen erfolgreichen Block.“

ASIC Mining: ASIC steht für Application-Specific Integrated Circuit und wurde für den spezifischen Zweck des Mining Bitcoin und Litecoin erstellt. Die Idee, Maschinen, die speziell für den Bergbau entwickelt wurden, war ihrer Zeit voraus, so dass, als KNCMiner ihre Vorbestellungen für ASICs startete, sie in den ersten 5 Stunden 25 Millionen US-Dollar an Bestellungen erhielten. Bitcoin und Litecoin werden jetzt ausschließlich über ASICs abgebaut. Bitmain hat kürzlich ASICs für Ethereum veröffentlicht.

Wie man ein Ethereum Mining Rig baut

In Ordnung, jetzt, da wir durch die verschiedenen Arten von Bergbau gegangen sind, Lassen Sie uns Ihre Ethereum Mining Rig einrichten!

Bevor wir einen riesigen Schrei zu diesem Artikel von Antonio Madeira für Crypto Compare fortsetzen.

Sie benötigen die folgenden Teile Hardware.

Hauptplatine.

GPU.

Festplatte.

WIDDER.

Netzteil.

Hauptplatine

Das Motherboard ist die Basis des Mining-Rigs. Die Anzahl der GPUs, die Sie verwenden können, hängt direkt mit der Anzahl der GPU-Steckplätze zusammen, die Ihr Motherboard hat. Je mehr GPUs Sie an Ihr Motherboard anschließen können, desto höher ist Ihre Hash-Rate, d. h. die Rate, mit der Sie Hashes berechnen.

Einige Beispiele für gute Mining-Motherboards sind:

Asus B250 Bergbauexperte:

Understanding Ethereum Mining and the Need for Proof of Stake

ASRock H110 Pro BTC+

Understanding Ethereum Mining and the Need for Proof of Stake

GPU

Bevor Sie GPUs erhalten, müssen Sie sich zwei Fragen stellen:

Wie mächtig möchten Sie, dass Ihr Rig sein soll?

Wie viel möchten Sie ausgeben?

Stellen Sie sicher, dass Sie effiziente GPUs erhalten.

Hier ist ein Diagramm der Leistungsstufen verschiedener GPUs in Ethereum Mining, wie NiceHashMiner gesehen:

Understanding Ethereum Mining and the Need for Proof of Stake

Festplatte

Jetzt benötigen Sie etwas, um Ihr Betriebssystem und Ihre Mining-Software zu speichern. Dafür benötigen Sie eine Festplatte. Dazu ist eine Standard-SSD (Solid State Drive) Festplatte.

Also, wie groß sollte Ihre Festplatte sein? Wenn Sie planen, die gesamte Blockchain herunterzuladen, sollten Sie genügend Platz haben, um das zukünftige Wachstum auszugleichen.

WIDDER

RAM oder Random Access Memory ist für eine schnelle Berechnung und Informationsberechnung erforderlich. Ein 4 GB RAM sollte mehr als genug sein.

Stromversorgungseinheit

Die Größe des Netzteils hängt davon ab, wie viele GPUs Sie verwenden. Zunächst müssen Sie also den Stromverbrauch Ihrer GPUs und aller anderen Komponenten zusammenfassen, um sicherzustellen, dass die Kapazität des Netzteils mehr als die Summe Ihrer GPUs ist. Also, wenn Sie 2 220 Watt GPUs verwenden und andere Komponenten 250 Watt verbrauchen, dann muss Ihr Netzteil mehr als (2*220 + 250) 690 Watt haben.

Understanding Ethereum Mining and the Need for Proof of Stake

Bild Credit: Tom's HARDWARE

Software für den Bergbau

Erstens müssen Sie natürlich ein Betriebssystem haben.

Sie können ETHOS herunterladen, die eine speziell entwickelte APP für Ethereum Mining ist. Es ist eine 64-Bit-Linux-Distribution, die Ethereum sofort einsatzbereit miniert, so dass Sie alle Ihre Rigs von einem einzigen Ort aus steuern und gegebenenfalls auf bestimmte GPUs aufschlüsseln können. ETHOs unterstützt eth-proxy/stratum unmittelbar nach der Installation

Hier können Sie ETHOs einchecken.

MyEtherWallet einrichten

Nachdem Sie alles eingerichtet haben, müssen Sie eine Ethereum Wallet erstellen. Es hat keinen Sinn, all diese Münzen zu gewinnen, wenn Sie nicht angemessene Maßnahmen ergreifen. Sie können unseren Leitfaden zu Krypto-Geldbörsen genau hier lesen. Meine Ethereum Wallet ist eine der besten Geldbörsen da draußen, obwohl sie einige Probleme in letzter Zeit konfrontiert haben.

Im Folgenden sind die Schritte, die erforderlich sind, um Ihr MyEtherWallet einzurichten:

Gehen Sie zuerst zu MyEtherWallet.com.

Understanding Ethereum Mining and the Need for Proof of Stake

Als nächstes klicken Sie auf die Registerkarte Hilfe.

Understanding Ethereum Mining and the Need for Proof of Stake

Scrollen Sie nach unten und klicken Sie auf Option 5:

Öffnen Sie nun den hier hervorgehobenen Link:

Understanding Ethereum Mining and the Need for Proof of Stake

Danach laden Sie diese ZIP-Datei auf Ihren Computer herunter:

Understanding Ethereum Mining and the Need for Proof of Stake

Öffnen Sie nun die ZIP-Datei in Ihrem Computer und klicken Sie auf die index.html Datei. Bevor Sie das tun, schalten Sie Ihr Internet so aus, dass Sie offline sind.

Understanding Ethereum Mining and the Need for Proof of Stake

Erstellen Sie nun ein neues Passwort und generieren Sie Ihre Brieftasche, stellen Sie sicher, dass Sie ein starkes Passwort eingeben:

Understanding Ethereum Mining and the Need for Proof of Stake

Jetzt müssen Sie Ihre Keystore-Datei herunterladen, die im Grunde Ihre Wallet-Datei ist. Vergewissern Sie sich, dass Sie diese Datei sichern. Nachdem Sie mit diesem Klick auf „Ich verstehe. Weiter.“

Understanding Ethereum Mining and the Need for Proof of Stake

Und da hast du auch, deine Brieftasche wurde generiert. Was Sie hier sehen, ist Ihr privater Schlüssel. Teilen Sie dies NICHT mit jemandem.

Understanding Ethereum Mining and the Need for Proof of Stake

Sie sollten jetzt Ihre Brieftasche drucken, indem Sie auf die Schaltfläche „Drucken“ klicken. Das ist es, was Sie bekommen. Beachten Sie, dass Sie sowohl Ihre privaten als auch öffentlichen Schlüssel hier sehen können:

Understanding Ethereum Mining and the Need for Proof of Stake

Und da hast du es. So erstellen Sie eine Ethereum Papierbörse.

Ethereum Mining Solo vs Mining Pools

In Ordnung, also haben Sie das gesamte System und Ihre Brieftasche eingerichtet. Jetzt müssen Sie entscheiden, wie Sie zu meinem gehen.

Gehst du zu mir allein oder gehst du zu mir in einem Pool?

Du kannst natürlich allein meinen, aber es gibt einen Grund, warum niemand mehr Ethereum solo miniert. Es ist äußerst unpraktisch und Sie werden keine Ergebnisse sehen.

Deshalb bevorzugen die Menschen Mining-Pools.

Was sind Bergbaupools?

(HINWEIS: In diesem Abschnitt werden wir ausschließlich wrt BTC sprechen).

Die gesamte Blockchain funktioniert wegen eines Netzwerks von „Bergleuten“. Die Miner „meinen“ im Grunde für neue Blöcke in der Blockchain, indem sie komplexe kryptografische Rätsel mit ihrer Rechenleistung lösen. Dadurch erhalten sie eine Mining-Belohnung, die 12,5 BTC beträgt.

Sobald sie erfolgreich einen Block abgebaut haben, erhalten sie die Macht, Transaktionen innerhalb des Blocks zu platzieren. Das ist im Grunde, wie Transaktionen in der gesamten Kryptowährung passieren, ein Miner legt in den Datensatz der Transaktion innerhalb des Blocks.

Denken Sie nun daran, eine Sache, es gibt nur eine begrenzte Anzahl von Bitcoins, die erstellt wurden (21 Millionen Münzen). Satoshi Nakamoto, der Schöpfer von Bitcoins, sah vor, dass mit immer mehr Bergleuten die Rate des Bitcoin-Minings exponentiell steigen würde, so dass alle verfügbaren Bitcoins in ein paar Jahren abgebaut werden konnten!

Nun könnte dies eine Katastrophe für Bitcoins sein, denn wie alle wirtschaftlichen Rohstoffe liegt der Wert von Bitcoin in Angebot und Nachfrage. Wenn das Angebot an Bitcoins plötzlich zunimmt, würde das die Nachfrage verringern, was wiederum seinen Wert schaden würde. Die Beziehung zwischen Angebot und Nachfrage ist eines der kritischsten wirtschaftlichen Konzepte, wie das Diagramm für Angebot und Nachfrage aussieht:

Understanding Ethereum Mining and the Need for Proof of Stake

Um zu verhindern, dass die Bitcoins aus der Hand gehen und um es zu einem nachhaltigeren Modell zu machen, implementierte Satoshi ein System zur Schwierigkeitsanpassung.

Was ist die Schwierigkeitseinstellung? Wenn immer mehr Blöcke abgebaut werden, erhöht sich die Schwierigkeit der kryptographischen Puzzles exponentiell. Grundsätzlich, je mehr Bitcoins Sie abbauen, desto schwieriger wird der Prozess des Bergbaus. Die Bergleute fanden bald heraus, dass sie selbst nicht mehr effizient abbauen können, der Prozess wurde immer teurer. Also beschlossen sie, ihre Ressourcen zusammen zu bündeln und Cliques und Gruppen zu bilden, um Bitcoin effizienter zu minieren. Diese Gruppen von Bergleuten werden „Bergbaupools“ genannt.

Vor- und Nachteile von Bergbaupools

Vorteile

Die Pools werden von Pool-Managern betrieben. Es ist viel einfacher, das gesamte Netzwerk zu aktualisieren, da die Poolmanager das Netzwerk nicht mit zufälligen unabhängigen Bergleuten koordinieren können.

Reduziert die Varianz der Mining-Belohnungen: Einer der größten Gründe, warum Miner sich an Pools beteiligen, besteht darin, die Varianz ihrer Mining-Belohnungen zu reduzieren. Um zu verstehen, was Varianz bedeutet und wie das Bergleute beeinflusst, müssen wir einige Mathematik machen. Dank an L.M. Goodman und ihren mittleren Artikel für die Erklärung.

Lassen Sie uns zuerst verstehen, was Bernoulli-Distribution ist. Die Bernoulli-Verteilung besagt im Grunde, dass für jede diskrete Verteilung, die zwei Ergebnisse „Erfolg“ und „Fehler“ hat, wenn die Erfolgswahrscheinlichkeit p ist (wobei 0 p 1), dann die Wahrscheinlichkeit eines Fehlers ist 1-p.

Nun, lassen Sie uns dies in Bitcoin anwenden. Wenn ein Bergmann einen Bruchteil „p“ der gesamten Bergbauleistung steuert und infolgedessen eine Wahrscheinlichkeit p hat, einen neuen Block zu minieren, wo 0 p 1, dann, wenn Bernoullis Verteilung angewendet wird, hat er/sie die Wahrscheinlichkeit von (1-p), einen neuen Block NICHT zu minieren.

In Bernoullis Verteilung: Varianz = p* (1-p)

Mal sehen, wie viele Blöcke in einem Jahr abgebaut werden.

Alle 10 Minuten wird 1 Block abgebaut. Das heißt, jede Stunde 6 Blöcke, jeden Tag 24 x 6 Blöcke und jedes Jahr werden 365*24*6 Blöcke abgebaut.

Grundsätzlich wird für einen Bergmann, der „p“ Wahrscheinlichkeit eines Bergbaus einen Block hat, voraussichtlich 365*24*6*p Blöcke pro Jahr minieren. Das ist ihre erwartete Rendite.

Ebenso lautet die allgemeine Standardabweichung, mit der sie das gesamte Jahr konfrontiert werden: 365*24*6*p* (1-p).

Nun werden wir „Standardabweichung“ definieren. Standardabweichung ist ein Begriff, der definiert, wie stark die Mitglieder einer bestimmten verteilten Gruppe vom Mittelwert der Gruppe abweichen.

Im Zusammenhang mit der Blockchain und diesem Beispiel besteht die Standardabweichung darin, wie viel die Belohnung dieses Bergarbeiters von der erwarteten Belohnung abgewichen ist.

Standardabweichung = [sqrt] Varianz/erwarteter Rendite.

Nun, wie wir wissen:

Varianz = 365*24*6*p* (1-p)

erwartete Rendite = 365*24*6*p

Also, wenn wir diese Werte ersetzen, erhalten wir:

Standardabweichung = [sqrt] (365*24*6*p* (1-p))/365*24*6*p

Nehmen wir nun ein Beispiel.

Angenommen, ein Miner besitzt 0,01% der Hash-Rate im Netzwerk. (Bedeutung p=0,0001).

Wenn Sie die Werte entsprechend der Standardabweichungsgleichung ersetzen, erhalten Sie eine Standardabweichung von 0,4364 ODER 43,6%!!

Eine Abweichung von 43,6% von der erwarteten Belohnung oder ein Bergmann, der 0,01% Hashrate besitzt.

Die einzige Lösung, um diese Abweichung und Varianz zu verringern, besteht darin, Ressourcen zusammen zu bündeln, um den Gesamt-Hashrate-Prozentsatz zu erhöhen, was genau das ist, was Mining-Pools bieten.

Nachteile

Viel hängt von der Ethik des Poolmanagers ab.

Zentralisierung: Wir werden später mehr darüber sprechen.“

Vorteile der Minenwerdung

Also, warum solltest du Bergmann werden?

Du bekommst Ether! In erster Linie der offensichtlichste Grund. Du bekommst deinen eigenen Ether. Und in dem Moment, in dem Sie einen Block minieren, erhalten Sie eine Transaktionsgebühr für alle Transaktionen, die darin gehen.

Wenn Sie an Ethereum oder Cryptocurrency im Allgemeinen glauben, dann erhalten Sie eine Stimme im Netzwerk durch Mining.

Schließlich, wenn Ethereum zu Proof of Stake übergeht, wird der Aufbau einer großen Ethereum-Ablagerung jetzt durch Proof of Work definitiv hilfreich sein.

Was ist ein Beweis für den Einsatz?

Apropos Proof of Stake (POS), was genau bedeutet es und warum wird Ethereum darauf übergehen? Konzentrieren wir uns vorerst auf den ersten Teil der Frage.

Der Nachweis des Einsatzes wird den gesamten Bergbauprozess virtuell machen und Bergleute durch Validatoren ersetzen.

So wird der Prozess funktionieren:

Die Validatoren müssen einige ihrer Münzen als Einsatz einsperren.

Danach werden sie beginnen, die Blöcke zu validieren. Das heißt, wenn sie einen Block entdecken, der ihrer Meinung nach der Kette hinzugefügt werden kann, werden sie ihn validieren, indem sie eine Wette darauf platzieren.

Wenn der Block angehängt wird, erhalten die Validatoren eine Belohnung im Verhältnis zu ihren Wetten.

Understanding Ethereum Mining and the Need for Proof of Stake

POS wird Bergbau komplett virtuell machen und die Verschwendung, die durch POW entstehen wird, erheblich reduzieren.

Ethereum POS-Implementierung wird Casper-Protokoll genannt.

Warum wurde Casper gebraucht? Es stellt sich heraus, dass es ein großes Problem bei der POS-Implementierung gibt.

Die größte Straßensperre zum Nachweis des Einsatzes

Ethereum Entwickler immer geplant, schließlich auf den Beweis der Beteiligung zu bewegen, das war immer ihr Plan. Bevor sie dies jedoch tun konnten, mussten sie einen der größten Mängel an Proof of Stake (POS) beheben.

Betrachten Sie dieses Szenario für einen Moment:

Understanding Ethereum Mining and the Need for Proof of Stake

Angenommen, wir haben eine Situation wie die oben. Es gibt eine blaue Hauptkette und eine rote Kette, die Art von Zweigen von der Haupt selbst. Was gibt es, um einen bösartigen Bergmann davon abzuhalten, auf den roten Blöcken abzubauen und eine harte Gabel zu zwingen?

In einem Proof-of-Work (POW) -System kann dieses Risiko gemindert werden.

Angenommen, der bösartige Bergmann Alice will auf der roten Kette meinen. Selbst wenn sie all ihre Hash-Macht dafür widmet, wird sie keinen anderen Bergmann dazu bringen, sich ihr an der neuen Kette anzuschließen. Alle anderen werden weiterhin an der blauen Kette meinen, weil es profitabler und risikofreier ist, auf der längeren Kette zu minen.

Denken Sie daran, POW ist extrem teuer ressourcenweise.

Es macht keinen Sinn für einen Bergmann, so viel Ressourcen für einen Block zu verschwenden, der sowieso vom Netzwerk abgelehnt wird. Daher werden Kettenspalten in einem Proof of Work System wegen der Menge an Geld vermieden, die der Angreifer verschwenden muss.

Die Dinge sehen jedoch ein wenig anders aus, wenn Sie POS einbringen.

Wenn Sie ein Validator sind, können Sie einfach Ihr Geld sowohl in die rote als auch in die blaue Kette legen, ohne Angst vor Auswirkungen überhaupt. Egal, was passiert, du wirst immer gewinnen und nichts zu verlieren haben, trotz wie böswillig deine Handlungen sein können.

Dies wird das Problem „Nichts auf dem Spiel“ genannt, und das ist etwas, das Ethereum ansprechen musste.

Sie brauchten ein Protokoll, das POS implementieren und das Problem „Nichts auf dem Spiel“ mildern konnte.

Ethereum Mining: Geben Sie Casper ein

Casper ist das POS-Protokoll, das Ethereum gewählt hat. Während ein ganzes Team damit beschäftigt war, es zu schaffen, wird Vlad Zamfir oft als „Gesicht des Casper“ gutgeschrieben.

Understanding Ethereum Mining and the Need for Proof of Stake

Image Credit: Blocknomi.

Wie unterscheidet sich Casper von anderen Proof of Stake Protokollen?

Casper hat einen Prozess implementiert, mit dem sie alle bösartigen Elemente bestrafen können. So würde POS unter Casper funktionieren:

Die Validatoren setzen einen Teil ihrer Ether als Pfahl ein.

Danach werden sie beginnen, die Blöcke zu validieren. Das heißt, wenn sie einen Block entdecken, der ihrer Meinung nach der Kette hinzugefügt werden kann, werden sie ihn validieren, indem sie eine Wette darauf platzieren.

Wenn der Block angehängt wird, erhalten die Validatoren eine Belohnung im Verhältnis zu ihren Wetten.

Wenn ein Validator jedoch in böswilliger Weise handelt und versucht, ein „Nichts auf dem Spiel“ zu tun, werden sie sofort getadelt und ihr ganzes Spiel wird gekürzt.

Wie Sie sehen können, ist Casper entworfen, um in einem vertrauenslosen System zu arbeiten und byzantinischer Fault Tolerant zu sein.

Jeder, der in böswilder/byzantinischer Weise handelt, wird sofort bestraft, indem er seinen Pfahl abhauen lässt. Hier unterscheidet es sich von den meisten anderen POS-Protokollen. Bösartige Elemente haben etwas zu verlieren, so dass es unmöglich ist, nichts auf dem Spiel zu stehen.

Dies ist nicht der einzige Ort, an dem Casper die Validatoren bestraft.

Wie Hudson James und Joris Bontje in ihren Antworten in „StackExchange“ bemerken, entwirft Casper härtere Anreize, um Netzwerksicherheit zu gewährleisten, einschließlich der Bestrafung von Bergleuten, die offline gehen, unbeabsichtigt oder nicht.

Dies bedeutet, dass Validatoren auf ihre Knotenverfügbarkeit achten müssen. Unachtsamkeit oder Faulheit werden dazu führen, dass sie ihren Einsatz verlieren. Diese Eigenschaft reduziert die Zensur von Transaktionen und die Gesamtverfügbarkeit.

Zusammen mit all dem verleiht die Eigenschaft „Slashing“ Casper auch einen deutlichen Vorteil gegenüber normalen Proof of Work Protokollen.

Lassen Sie uns unser Kettendiagramm wieder zurückbringen:

Understanding Ethereum Mining and the Need for Proof of Stake

In einem Arbeitsprotokoll spielt es keine Rolle, ob ein Bergmann auf der blauen Kette oder der roten Kette abgebaut hat. Sowohl der ehrliche als auch der böswillige Bergmann hätte die gleiche Menge an Ressourcen ausgegeben.

In Casper jedoch, wenn ein ehrlicher Validator auf der blauen Kette Minen, dann würden sie eine Belohnung im Verhältnis zu ihrer Wette erhalten, aber ein böswilliger Miner bekommt ihren Einsatz für Wetten auf die rote Kette abgeschlitzt.

Ok, das ist alles gut und gut, aber wie wird Ethereum sicherstellen, dass Bergleute von POW zu POS weitergehen?

Sie planen, das mit einer Bombe für Schwierigkeiten zu tun.

Was ist die Schwierigkeitszeitbombe?

Was gibt es, um die Bergleute anzuregen, von einem Proof-of-Work-Protokoll zu einem Proof-of-Stake Protokoll zu wechseln?

Bergleute kaufen tausende Ausrüstung im Wert von Dollar, damit sie für Blöcke abbauen können. Sobald POS an Bord kommt, wird alles, was Ausrüstung wertlos. Stellen Sie sich vor, so viel Geld auszugeben und super komplizierte Pools aufzubauen, und all das wird völlig nutzlos.

Wenn das der Fall ist, was sollen die Bergleute davon abhalten, sich an der alten Arbeitsnachweiskette zu halten und weiter darauf abzubauen? Dies wird im Wesentlichen drei Ethereum Münzen erstellen: Ethereum Classic, Ethereum Proof-of-Work und Ethereum Proof-of-Stake. Das wird ein absoluter Albtraum.

Dies wird nicht nur den wirtschaftlichen Wert und die Glaubwürdigkeit von Ethereum erheblich verringern, es wird auch die Hashrate der Gesamtkette verwässern, die es anfällig für Hacker-Angriffe machen kann.

Um sicherzustellen, dass es einen angemessenen Anreiz für Bergleute gibt, der neuen Kette beizutreten, haben die Ethereum Entwickler die Schwierigkeitszeitbombe eingeführt. Die Zeitbombe wurde am 7. September 2015 eingeführt. Um zu verstehen, wie die Schwierigkeitszeitbombe funktioniert, ist es wichtig zu verstehen, wie schwierig und Bergbau funktioniert.

Was ist Schwierigkeit und wie funktioniert es?

Das Konzept der Schwierigkeit begann mit Bitcoin. Als Bitcoin zum ersten Mal eingeführt wurde, war das Mining extrem einfach und jeder konnte es mit seinem PC tun. Da Bitcoin jedoch immer beliebter wurde, nahm die Anzahl der Bergleute im Netzwerk zu. Dies erhöhte eine sehr reale Möglichkeit, dass Bergleute außer Kontrolle gehen und alle verbleibenden Bitcoins innerhalb eines Jahres abbauen. Satoshi Nakamoto stellte sich dieses Geschehen vor und führte daher das „Schwierigkeitsgrad“ -System ein.

Das Schwierigkeitssystem funktioniert wie folgt: Bergleute geben ihre Rechenleistung aus, um kryptografische Rätsel zu lösen. Die Art und Weise, wie sie das tun, ist, dass sie zufällig eine zufällige Zeichenfolge (genannt nonce) an den Hash des Blocks anhängen und dann die ganze Zeichenfolge hash. Wenn die resultierende Zahl kleiner als eine bestimmte feste Zahl ist, wird sie als erfolgreich angesehen und der neue Block wird zur Blockchain hinzugefügt. Diese „Nonce“ zu finden ist extrem schwierig und zufällig, und das ist das Herz aller Bergwerke.

Wenn wir den gesamten Prozess zusammenführen würden, dann wäre es so aussehen:

Der Hash des Inhalts des neuen Blocks wird genommen.

Eine Nonce (zufällige Zeichenfolge) wird an den Hash angehängt.

Die neue Zeichenfolge wird erneut gehasht.

Der letzte Hash wird dann mit dem Schwierigkeitsgrad verglichen und gesehen, ob er tatsächlich kleiner ist oder nicht.

Wenn nicht, wird die Nonce geändert und der Prozess wiederholt sich erneut.

Wenn ja, wird der Block der Kette hinzugefügt, und das öffentliche Buch wird aktualisiert und über den Zusatz benachrichtigt.

Die Bergleute, die dafür verantwortlich sind, haben die Blockbelohnung gegeben.

Der Schwierigkeitsgrad wird jeden 2016. Block angepasst.

Der Schwierigkeitsgrad ist direkt proportional zu der Geschwindigkeit, mit der die Blöcke abgebaut werden. Bitcoin hat eine durchschnittliche Blockzeit von 10 Minuten.

Wenn die Blockzeit darunter geht, wird der Schwierigkeitsgrad erhöht, wenn er steigt, nimmt die Schwierigkeitszeit ab. Dies geschieht, um sicherzustellen, dass die Blockzeit von Bitcoin ~10 Minuten bleibt.

Dies ist im Grunde, wie Bitcoin-Mining funktioniert und Ethereum folgt auch dem gleichen Protokoll, der Unterschied besteht darin, dass ein Block alle 15 Sekunden in Ethereum abgebaut wird.

Die folgende Grafik zeigt die zunehmende Schwierigkeit in Ethereum:

Understanding Ethereum Mining and the Need for Proof of Stake

Also, was wird die Schwierigkeitszeitbombe tun?

Die Schwierigkeitsbombe wird die Schwierigkeit exponentiell erhöhen, so dass der Bergbau unmöglich wird.

Wie bereits erwähnt, passt sich der Schwierigkeitsgrad an die Geschwindigkeit an, mit der die Blöcke abgebaut werden. Der Algorithmus zur Schwierigkeitsanpassung von Ethereum sieht folgendermaßen aus:

block_diff = parent_diff + parent_diff // 2048 * max (1 — (block_timestamp — parent_timestamp) // 10, -99) + int (2** (((block.number // 100000) — 2))

(Hier ist „//“ der Divisionsoperator so, dass 6//2 = 3 und 9//2 = 4.)

Also, lasst uns verstehen, was das im Grunde auf einfachem Englisch bedeutet:

Block_TimeStap = die Zeit, zu der der Block abgebaut wurde.

parent_timestamp = die Zeit, zu der der übergeordnete Block aka der Block, bevor dieser abgesenkt wurde.

Wenn (block_timestamp — parent_timestamp) 10 Sekunden, dann wird der Schwierigkeitsgrad „parent_diff // 2048 * 1“ hinzugefügt.

Wenn (block_timestamp — parent_timestamp) zwischen 10-19 Sekunden liegt, bleibt der Schwierigkeitsgrad gleich.

Wenn (block_timestamp — parent_timestamp) 20 Sekunden, wird der Schwierigkeitsgrad um „parent_diff // 2048 * -1“ auf ein Maximum von „parent_diff // 2048 * -99“ reduziert.

So funktionierte der Algorithmus zur Schwierigkeitsanpassung in der Homestead-Version von Ethereum. Die Idee ist, die Blockzeit ~15 Sekunden zu halten.

Also, was die Schwierigkeitsbombe tun wird, ist, dass sie die Schwierigkeit um einen so exponentiellen Betrag erhöht, ohne sie anzupassen, dass es mehr und mehr Zeit braucht, um die kryptografischen Rätsel zu lösen. Schließlich wird es fast unmöglich werden, auf der Kette zu minen. Dieses Phänomen wird die „Ethereum Ice Age“ genannt, die Zeit alle Bergbau POW Stil wird unmöglich.

Wenn dies geschieht, haben die Bergleute keine Option, ABER, die neue Ethereum Kette zu gehen, die Proof-of-Stake darauf hat.

Also, warum ist das erwünscht? Welche Probleme haben wir mit dem Proof of Work, den Proof of Stake lösen will?

Warum wird POS über POW benötigt?

Es gibt mehrere Vorteile der Implementierung von Proof-of-Stake. Sie können alle in den folgenden Kategorien aufgelistet werden. (Großer Schrei an Jon Choi und seinen Artikel).

Hilft bei der Dezentralisierung.

Energieeffizienz.

Wirtschaftliche Sicherheit.

Skalierung.

Übergang zu POS.

Ethereum Mining: Dezentralisierung erreichen

Wie wir oben gesehen haben, sind POW-Protokolle nicht mehr wirklich dezentralisierungsfreundlich. Schauen wir uns das Hashrate-Verteilungsdiagramm für Bitcoin an:

Understanding Ethereum Mining and the Need for Proof of Stake

Und hier ist die Hashratverteilung der Bergbaupools in Ethereum:

Understanding Ethereum Mining and the Need for Proof of Stake

Bild mit freundlicher Genehmigung: EtherChain.org

Wie Sie sehen können, ist der Großteil der Hashrate in einigen spezifischen Pools konzentriert und das bedeutet, dass sie, egal was passiert, immer eine bessere Chance haben, Blöcke abzubauen und Belohnungen zu erhalten als jeder andere.

Da sie mehr Geld erhalten können, können sie sich daher bessere und schnellere ASICs leisten. Das bedeutet im Grunde, dass große Mining-Pools immer einen Vorteil gegenüber Einzelpersonen und kleineren Pools haben. Mit anderen Worten, die Reichen werden immer reicher.

Der Proof-of-Stake macht dies völlig irrelevant, indem er den Bergbau komplett virtuell macht. Dies ist jedoch nicht die einzige Möglichkeit, POS die Auswirkungen der Zentralisierung zu mildern. Um das zu verstehen, müssen wir zuerst wissen, was „Economies of Scale“ bedeutet. (Vielen Dank ACDClearship Youtube-Kanal für die Daten).

Wenn es um die Produktion geht, gibt es zwei Arten:

Short Run Produktion.

Langlebige Produktion.

In der kurzfristigen Produktion sind zumindest die Eingangsressourcen fixiert. Betrachten Sie eine kleine Pizzeria, die nur einen Ofen hat. Es spielt keine Rolle, ob sie 1 Pizza von 25 produzieren müssen, es gibt den einzigen Ofen, den sie verwenden können, um diese Pizzen zu kreieren.

Auf lange Sicht sind alle Ressourcen variabel, und hier kommen Skaleneffekte ein.

In einer langfristigen Produktion, bei der die Menge der Eingaberessourcen variabel ist, was passiert, wenn Sie die Eingabe verdoppeln? Es gibt nur drei Ergebnisse für dieses spezielle Szenario. Wir nennen dies „Returns to scale“.

Die Ausgabe verdoppelt sich mehr als. Das heißt, es gibt eine zunehmende Rückkehr zur Skalierung.

Die Ausgabe verdoppelt sich. Das heißt, es gibt eine feste Rückkehr zur Skalierung.

Die Ausgabe verdoppelt sich nicht. Das heißt, es gibt abnehmende Returns zur Skalierung.

Im Folgenden wird Ihnen eine grafische Darstellung der Skaleneffekte gezeigt.

Understanding Ethereum Mining and the Need for Proof of Stake

Bild mit freundlicher Genehmigung: Wikipedia

Was genau ist hier los?

Wenn die Produktion von Q auf Q2 erhöht wird, sinken die Gesamtkosten der Produktion von C auf C1. Dies wird Größenvorteile genannt.

Danach gleicht es für ein bisschen aus. Hier erhalten Sie konstante Returns zur Skalierung.

Und wenn Sie darüber hinaus gehen, steigen die Kosten, wenn Sie die Ausgabe über Q2 hinaus erhöhen.

Dies bedeutet, dass große Unternehmen die durchschnittlichen Kosten ihrer Produkte senken können, indem sie die Anzahl ihrer Outputs erhöhen! (Bis zu einem Limit)

In gewisser Weise... mehr ist weniger!

Lassen Sie uns ein reale Beispiel dafür nehmen.

Die anfänglichen Kosten eines kleinen Bäckers werden offensichtlich geringer sein als die eines großen Backunternehmens, weil das Unternehmen in viele Maschinen investieren muss. Auf lange Sicht werden die durchschnittlichen Kosten jedes einzelnen Brotes für das Unternehmen viel geringer sein als für den Bäcker.

Ok, das alles ist in Ordnung, aber wie gilt es für Mining-Pools?

Ähnlich wie bei großen Konzernen können größere Mining-Pools die Kosten ihrer Input-Ressourcen senken:

Amortisierung von Fixkosten über einen größeren Vorgang.

Verhandlungsmacht durch die Tätigkeit als größere Einheit.

Was das im Grunde bedeutet, ist, dass ein großer einflussreicher Mining-Pool, Dollar für Dollar, mehr Hash-Rate als andere Pools generieren kann, selbst wenn sie die gleiche Menge an Geld ausgeben.

Dieses Problem wird im Proof-of-Stake aus einem einfachen Grund vollständig gemildert. In POS investieren Sie eine Beteiligung. Sie können nicht einfach zusammenbündeln und Ihren Einsatz wertvoller Dollar für Dollar machen. Am Ende des Tages, 1 Dollar = 1 Dollar. Größenvorteile funktionieren hier nicht.

Energieeffizienz

Das größte Problem der Proof-of-Work ist die Energieverschwendung. Das Schlimmste ist, dass es Energieverschwendung im Interesse der Energieverschwendung ist. Insbesondere Bitcoin ist gefräßig in seinem Appetit auf Energie. Schauen Sie sich das an:

Understanding Ethereum Mining and the Need for Proof of Stake

Bild mit freundlicher Genehmigung: Digicnomist

Wie wäre es mit ein paar mehr Zahlen (Höflichkeit Digicmonist)

Understanding Ethereum Mining and the Need for Proof of Stake

Es gibt zwei Zahlen, auf die Sie sich konzentrieren sollten:

Die jährlichen globalen Bergbaukosten von Bitcoin betragen $1,423.794.674.

Allein Bitcoin verbraucht jährlich 28,48 TWh Strom. Das Land Ecuador verbraucht rund 21 TWh!

Vergleichen wir den Energieverbrauch von Bitcoin im Vergleich zu einigen Ländern:

Understanding Ethereum Mining and the Need for Proof of Stake

Bitcoin verbraucht mehr Strom als Irland, Bahrain und Slowakische Republik!

Okay, lassen Sie uns sogar das Spielfeld.

Was passiert, wenn wir Bitcoin mit anderen Zahlungssystemen vergleichen? Sagen Sie... Visa.

Wie vergleicht der Stromverbrauch von Bitcoin mit dem von Visa?

Understanding Ethereum Mining and the Need for Proof of Stake

Ja... nicht gut.

Es ist also offensichtlich, dass Bitcoin viel Macht isst, und es gibt eine Menge Geld für die Ressourcen ausgegeben. Aber was ist mit den externen Kosten? Die Auswirkungen, die dieser Energieverbrauch auf die Umwelt hat, müssen immens sein.

Obwohl es keinen Zweifel gibt, dass Bitcoin und POW viele positive soziale Veränderungen vorgenommen haben, sollten wir zumindest sehen, was ein großes POS-System tun kann und ob es genauso gut funktioniert, ohne so viel Strom zu verbrauchen.

Wirtschaftliche Sicherheit

Der größte Vorteil, den POS und vor allem Casper hat, ist seine wirtschaftliche Sicherheit. Denken Sie darüber nach, nehmen Sie an, Sie sind ein Validator und Sie haben Ihr eigenes Geld als Beteiligung am Netzwerk gespeichert. Es liegt in Ihrem eigenen Interesse, im besten Interesse des Netzwerks zu handeln. Warum sollten Sie böswillig handeln, wenn Sie wissen, dass es einen großen Teil Ihres Pfahls gibt, der abgeschrägt und übernommen werden kann, wenn Sie das tun?

Warum würdest du ein Netzwerk angreifen und den Wert der Münze schaden, wenn du so viel von deiner Währung darin eingesperrt hast?

Außerdem entfernt dieser „Schrägungseffekt“ die Chance auf einen „Laichen Camping-Angriff“, wie Vitalik es mündet:

Understanding Ethereum Mining and the Need for Proof of Stake

Bild mit freundlicher Genehmigung: Vitalik Buterin Twitter.

Spawn-Angriffe können im POS verhindert werden, indem nur ein Angriff zum Abschneiden und Entfernen des investierten Einsatzes führt. Und wenn Sie keine Beteiligung investiert haben, können Sie nicht an der POS-Validierung teilnehmen.

Skalierung

Der offensichtlichste Weg, mit dem POS die Skalierbarkeit unterstützt, besteht darin, Sharding zu aktivieren.

Wie Vlad Zamfir sagt, ist Sharding mit Kriegsgefundenem nicht unmöglich, aber es ist schwer.

Was ist Sharding?

Sharding ist ein Begriff, der von Datenbanksystemen übernommen wurde. Mal sehen, was Sharding in Bezug auf Datenbank bedeutet. Angenommen, Sie haben eine riesige sperrige Datenbank für Ihre Website. Mit einer sperrigen Datenbank wird die Suche nach Daten nicht nur langsamer, sondern auch Ihre Skalierbarkeit behindert. Also, was machen Sie in diesem Fall?

Was passiert, wenn Sie eine horizontale Partition für Ihre Daten erstellen und sie in kleinere Tabellen umwandeln und sie auf verschiedenen Datenbankservern speichern?

Understanding Ethereum Mining and the Need for Proof of Stake

Bild mit freundlicher Genehmigung: Dzone

So?

Nun fragen Sie vielleicht, warum eine horizontale Partition und nicht eine vertikale Partition? Das liegt an der Art und Weise, wie Tabellen entworfen werden:

Betrachten Sie das. Angenommen, das ist unsere Haupttabelle:

Understanding Ethereum Mining and the Need for Proof of Stake

Nun, wenn wir diese Tabelle vertikal partitionieren würden:

Understanding Ethereum Mining and the Need for Proof of Stake

Siehst du, was passiert? Wenn Sie eine Tabelle vertikal partitionieren, neigen sie dazu, zwei völlig unterschiedliche Tabellen zu werden.

Wenn wir sie jedoch horizontal partitionieren würden:

Understanding Ethereum Mining and the Need for Proof of Stake

Siehst du? Es ist die gleiche Tabelle/Datenbank, aber mit geringeren Daten. Diese kleineren Datenbanken werden als Shards der größeren Datenbank bezeichnet. Jeder Shard sollte mit der gleichen Tabellenstruktur identisch sein.

Was passiert, wenn wir Sharding in einem POW-Protokoll implementieren?

Sharding macht die Verarbeitung schneller, indem ein Zustand in verschiedene Shards aufgeteilt wird. Wenn wir jedoch POW verwenden, besteht die Gefahr, dass die kleineren Shards aufgrund ihrer niedrigen Hash-Rate von bösartigen Bergleuten übernommen werden. In der Tat ist dies der größte Grund, warum POW-Blockchains niemals Sharding implementieren können, alle kleinen Shards können leicht übernommen werden.

Dieses Risiko wird in POS vollständig gemindert, da es nicht das Konzept des Bergbaus hat.

Ethereum Mining Schlussfolgerung

Wie Sie sehen können, werden sich die Dinge enorm ändern, sobald der Proof of Stake implementiert ist. Wer jedoch das POW Mining-Spiel in Ethereum betreten möchte, hat noch genug Zeit, dies zu tun.

Like what you read? Give us one like or share it to your friends and get +16

281
Hungry for knowledge?
New guides and courses each week
Looking to invest?
Market data, analysis, and reports
Just curious?
A community of blockchain experts to help

Get started today

Already have an account? Sign In