Introductie
Bitcoinminers verzamelen transacties en bundelen die in een blok. Ze controleren of elke transactie geldig is en voegen daarna de cryptografische hash van de voorgaande header toe. Vervolgens proberen ze het proof-of-workprobleem op te lossen. Satoshi Nakamoto koos dit mechanisme als consensusmodel om het Byzantijnse generaalsprobleem te overwinnen, met behulp van een transparant en objectief protocol.
Wat houdt proof-of-work (PoW) in?
Proof-of-work is het bewijs dat er rekenkracht is gebruikt om transacties te valideren en nieuwe bitcoins te creëren. Het is zowel het consensusmechanisme als het algoritme achter het netwerk. Via dit systeem worden transacties gecontroleerd en toegevoegd aan de Bitcoinblockchain. Dankzij PoW blijft het netwerk betrouwbaar en decentraal.
PoW biedt een oplossing voor het zogenaamde Byzantijnse generaalsprobleem; hoe bereik je betrouwbare consensus tussen onafhankelijke actoren. In een gedistribueerd systeem kunnen fouten ontstaan door kwaadwillige actoren, softwareproblemen of defecte hardware. Ook een gecoördineerde aanval kan verstoring veroorzaken. Deze risico’s bemoeilijken het bereiken van consensus tussen knooppunten.
Het Byzantijnse generaalsprobleem speelt uitsluitend in gedecentraliseerde systemen, waar overeenstemming moeilijker tot stand komt.
Bitcoin pakt dit probleem aan door een manier van communiceren te bieden die waardeoverdracht mogelijk maakt zonder dat partijen elkaar hoeven te vertrouwen. Knooppunten in het netwerk stemmen eerst af over wat waar is, voordat een tijdstempel wordt toegevoegd. Zodra één knooppunt een transactie vastlegt, verspreidt een kopie zich naar alle andere knooppunten. PoW werd specifiek voor dit doel ontworpen.
Waarom is proof-of-work belangrijk?
Proof-of-work wordt vaak miskend en onterecht beschouwd als (energie)verspilling. Sommige critici noemen het een gevolg van inefficiënt ontwerp, en beweren dat transacties op andere digitale registers direct en zonder moeite verwerkt kunnen worden. Toch is PoW essentieel voor de veiligheid van de Bitcoin ledger. Het voorkomt dat één partij de controle overneemt. De benodigde inspanning is niet vergeefs als het netwerk zo een levensvatbaar alternatief biedt voor het huidige financiële systeem en de gebreken daarvan.
Proof-of-work is belangrijk omdat het concrete kosten vertegenwoordigt voor het genereren van bitcoin en het beveiligen van het netwerk. Een aanval waarbij 51% van het netwerk wordt overgenomen om valse munten te creëren of frauduleuze transacties uit te voeren, zou extreem duur zijn. Wie het Bitcoin-netwerk wil saboteren, moet niet alleen het volledige eerdere rekenwerk opnieuw uitvoeren, maar ook sneller zijn dan het tempo waarmee nieuwe blocks worden toegevoegd. Daardoor kent Bitcoin een onvervalsbare kostprijs en is het netwerk vrijwel onveranderlijk. Bevestigde transacties zijn dan ook nauwelijks nog aan te passen.
Om stabiliteit binnen het proof-of-workmechanisme te waarborgen, ontwikkelde Nakamoto een eenvoudige maar doeltreffende oplossing: het moeilijkheidsaanpassingsalgoritme. Deze bepaalt hoe moeilijk het is om ongeveer elke tien minuten een nieuw block te vinden. Neemt het aantal miners toe, dan zorgt het algoritme ervoor dat blocks niet te snel worden gevonden. Daalt de activiteit, dan voorkomt het algoritme dat het netwerk te traag wordt.
Proof-of-Work versus Proof-of-Stake
Zoals we hebben gezien, is proof-of-work een doelmatig gebruik van energie om Bitcoin te beveiligen. Alle deelnemers volgen dezelfde vaste regels, waaronder het verbod om meer bitcoin uit te geven dan toegestaan.
Het verschil in beveiliging tussen beide consensusmechanismen is fundamenteel. Proof-of-work vereist energieverbruik om ervoor te zorgen dat Bitcoin het veiligste netwerk ter wereld blijft. Proof-of-stake (PoS) lost het probleem van kwaadwillenden niet op. In plaats daarvan kiest het voor schaalbaarheid ten koste van veiligheid. Het maakt het netwerk sneller, maar minder betrouwbaar. Bitcoin’s proof-of-work is duur, maar zorgt ervoor dat deelnemers alleen eerlijke informatie publiceren.
Proof-of-stake is het consensusmechanisme bij de meeste altcoins, digitale pennystocks en andere ponzi’s die zich als alternatief voor bitcoin presenteren. Dit systeem werkt met ‘staking’: investeerders moeten hun tokens vastzetten, waardoor ze tijdelijk niet besteedbaar zijn. Wie meer tokens vastzet, vergroot de kans om een block met transacties te mogen valideren.
De meeste altcointokens worden in een vroeg stadium verdeeld onder insiders en ontwikkelaars, nog vóór ze publiek beschikbaar zijn. Dit benadrukt dat de decentralisatie bij proof-of-stakenetwerken zwak is ontworpen.
De belangrijkste verschillen tussen beide mechanismen zijn hier samengevat:
Proof-of-Work
- De validatie gebeurt via een netwerk van miners.
- De competitieve aard van het proces vraagt om veel energie en rekenkracht. Dat bepaalt de kans dat een deelnemer een nieuw blok mag toevoegen.
- Proof-of-work brengt tastbare, fysieke kosten met zich mee. Die economische drempel beschermt het netwerk tegen aanvallen.
- Proof-of-work heeft zowel economische als ecologische voordelen. De hoge kosten ontmoedigen fraude, terwijl efficiënt energiegebruik milieuschade kan beperken.
Proof-of-stake
- De validatie wordt uitgevoerd door deelnemers die hun tokens als onderpand inzetten. Hoe meer iemand inzet, hoe groter de invloed op het netwerk.
- Het energieverbruik ligt lager. De kans om een nieuw blok te valideren hangt af van de hoeveelheid ingezette stake of het aantal munten dat iemand bezit.
- Proof-of-stake brengt geen daadwerkelijke productiekosten met zich mee. Daardoor blijft het netwerk kwetsbaar voor aanvallen.
- Proof-of-stake biedt geen ecologisch voordeel. De lagere energiebehoefte gaat gepaard met nieuwe risico’s voor het netwerk.
Bij proof-of-stake kan iemand relatief eenvoudig 51 procent van het netwerk verwerven. Daarmee wordt het mogelijk om de protocolregels in eigen voordeel aan te passen. Ook kunnen specifieke personen of entiteiten worden buitengesloten door transacties bewust te blokkeren.
Hoe werkt proof-of-work?
Proof-of-work was ooit mogelijk met centrale verwerkingseenheden (CPU’s) en grafische kaarten (GPU’s). Door het enorme energieverbruik kan het nu alleen nog worden uitgevoerd met gespecialiseerde computers. Deze worden beheerd door miners en staan bekend als application-specific integrated circuits (ASICs). Met deze apparaten voeren miners transactiegegevens, informatie uit de vorige blokheader en een nonce (een willekeurig getal) in, om zo de uitkomst van een hashfunctie te raden.
Hashfuncties zijn wiskundige algoritmes. Binnen het Bitcoinnetwerk wordt gebruikgemaakt van het algoritme SHA-256. Deze functie zet invoergegevens – alles wat kan worden weergegeven als enen en nullen – om in een unieke output van 64 tekens. Die output is altijd exact gekoppeld aan de oorspronkelijke input.
Door de manier waarop hashfuncties werken, is het onmogelijk om de uitkomst te berekenen op basis van alleen de invoer. De enige manier om tot de juiste hash te komen, is door miljarden willekeurige pogingen te doen. Die worden razendsnel gegenereerd door dure ASIC-machines.
Miners proberen hun activiteiten zo efficiënt mogelijk te organiseren. Om winstgevend te blijven, moeten hun apparaten zoveel mogelijk hashes – gokpogingen dus – per seconde kunnen uitvoeren. Tegelijk zijn ze voortdurend op zoek naar de goedkoopste en meest stabiele energiebronnen.
Doordat de moeilijkheidsgraad van Bitcoin automatisch wordt aangepast, is mining uitgegroeid tot een steeds competitievere sector. Eenvoudig uitgelegd lijkt proof-of-work op het kopen van loten voor een loterij die elke tien minuten wordt gehouden. Hoe meer loten iemand heeft, hoe groter de kans op winst. Een Bitmain Antminer S19j Pro bijvoorbeeld werkt op 104TH/s, oftewel 104 biljoen gokpogingen per seconde.
Door de toenemende concurrentie is het sinds 2012 steeds moeilijker geworden voor individuele miners om zelfstandig bitcoin te delven. Sindsdien zijn ASICs onmisbaar. Toch kunnen individuele miners zich aansluiten bij een miningpool. Daarmee vergroten ze hun kans op beloningen, al worden de opbrengsten dan wel gedeeld met andere deelnemers.
Voor- en nadelen
Proof-of-work is essentieel om Bitcoin veilig te houden. Het zorgt ervoor dat het netwerk niet te manipuleren is en zijn gedecentraliseerde karakter behoudt. Hieronder volgen de belangrijkste voor- en nadelen van dit consensusmechanisme.
Voordelen
- Decentralisatie – dat is de echte doorbraak van deze technologie.
- Censuurbestendigheid dankzij decentralisatie
- Onveranderlijkheid: de blockchain is nagenoeg niet terug te draaien
- Een eerlijk en objectief systeem, gebaseerd op strikte protocolregels en natuurkundige principes.
- Hoog beveiligingsniveau: proof-of-work beloont miners financieel voor het beschermen van het netwerk
- Vastlegging van koolstof en methaan: Bitcoin benut verspilde energie op slimme wijze om nieuwe munten uit te geven en transacties te verifiëren
- Proof-of-work maakt het mogelijk om energie om te zetten in economische waarde. Hierdoor versnelt de ontwikkeling van hernieuwbare energienetwerken. Ook verbetert het de vraagsturing op bestaande netten, wat leidt tot meer efficiëntie en betrouwbaarheid.
Nadelen
- Langzamere transactiesnelheid
- De kosten voor mining (OPEX en CAPEX) liggen hoog. Ze zijn echter noodzakelijk om proof-of-work mogelijk te maken.
- Proof-of-work vergt veel energie. Tegelijk stimuleert het innovaties op het gebied van hernieuwbare energie en het benutten van overtollige stroom.
Kritiek op proof-of-work
De kritiek op het energieverbruik van Bitcoin is wijdverbreid. Omdat het netwerk veel stroom nodig heeft om veilig te blijven functioneren, ligt proof-of-work regelmatig onder vuur. De kritiek komt vooral van partijen die belang hebben bij het bestaande fiatgeldsysteem.
Toch gaat deze gangbare kritiek vaak voorbij aan een belangrijk aspect. Bitcoin stimuleert namelijk innovatie op het gebied van schone energie en maakt nuttig gebruik van energie die anders verloren zou gaan.
Hoe zit dat precies? Bitcoinminers zijn voortdurend op zoek naar de goedkoopste energiebronnen om hun winstmarges te behouden. Daardoor stappen ze steeds vaker over op hernieuwbare energie. Ook maken ze gebruik van verspilde of ‘gestrande’ energiebronnen, waardoor het gebruik van fossiele brandstoffen wordt beperkt.
Hernieuwbare energie
Vooral wind- en zonne-energie behoren tot de goedkoopste vormen van stroom. Dat maakt het voor bitcoinminers aantrekkelijk om hierin te investeren of zich bij bestaande projecten aan te sluiten. Op termijn plukt de maatschappij daar zelf ook de vruchten van.
Veel mensen beseffen niet dat energieverbruik op zich geen CO₂-uitstoot veroorzaakt. De uitstoot is afhankelijk van de energiebron, niet van het gebruik zelf. De klimaatimpact wordt dus bepaald door de manier waarop elektriciteit wordt opgewekt.
Verspilde energie
Afgefakkeld aardgas is een goed voorbeeld van verspilde energie. Oliebedrijven laten gas dat vrijkomt op afgelegen locaties vaak ontsnappen of verbranden, omdat transport te kostbaar is. Zelfs gecontroleerd affakkelen brengt kosten met zich mee. Door dat gas in te zetten voor het aandrijven van bitcoinminers, krijgt de anders verspilde energie alsnog een nuttige bestemming.
Gestrande energie
Doordat bitcoin mining overal ter wereld kan plaatsvinden, zoeken miners steeds vaker hun toevlucht tot zogenoemde ‘gestrande’ energiebronnen. Dat zijn bronnen op afgelegen locaties zonder nabijgelegen bevolkingscentra, zoals zeestromingen of zon in de woestijn. Ook biogas is een optie. Het levert betrouwbare energie, maar is vaak niet aangesloten op het elektriciteitsnet.
Veelgestelde vragen
Hoe wordt de moeilijkheidsgraad van het proof-of-workprobleem bepaald?
Het netwerk stelt de moeilijkheidsgraad af op basis van het aantal hashes per seconde. Hoe meer rekenkracht op het netwerk actief is, hoe ingewikkelder de hashfunctie wordt. Gemiddeld duurt het dan ook 10 minuten om wereldwijd een nieuw blok te vinden.
Is brute force een methode om het proof-of-workprobleem op te lossen?
De enige manier om het proof-of-workprobleem op te lossen is brute force. Daarbij worden alle mogelijke oplossingen uitgeprobeerd tot de juiste combinatie wordt gevonden.
Wat gebeurt er met proof-of-work wanneer alle bitcoin zijn gemined?
Ook nadat alle bitcoin zijn gemined, blijft proof-of-work noodzakelijk. Het blijft essentieel voor het valideren van transacties. Miners ontvangen hiervoor een vergoeding in de vorm van transactiekosten.
Zijn er haalbare alternatieven voor proof-of-work?
Voor een cryptovaluta die gedecentraliseerd, onveranderlijk, censuurbestendig en veilig is – zoals bitcoin – bestaat vooralsnog geen alternatief dat eenzelfde betrouwbaarheidsniveau biedt als proof-of-work.
Wat gebeurt er als twee miners gelijktijdig de proof-of-work voor hetzelfde blok voltooien?
Het blok dat uiteindelijk wordt toegevoegd, maakt deel uit van de langste keten. Dat is de keten met de hoogste gecombineerde moeilijkheidsgraad van de gebruikte hashes. Er is dus de meeste rekenkracht nodig geweest om die te creëren.
Het laatste woord
Politici en organisaties die bewust misleidend zijn, hebben er belang bij om kritiek te uiten op proof-of-work en initiatieven te steunen die Bitcoin in diskrediet brengen vanwege het energieverbruik. Dat belang ligt in het behoud van het huidige systeem, dat in hun voordeel werkt. Ze verschuilen zich achter het argument dat Bitcoin schadelijk is voor mens en planeet, terwijl hun werkelijke motivatie elders ligt.
Bitcoin is ontwrichtend. Het biedt hoop op een moment dat de mensheid daar dringend behoefte aan heeft. Die hoop wordt echter pas volledig zichtbaar wanneer men Bitcoin leert kennen en begrijpen. Proof-of-work is essentieel om de overgang naar een nieuw geldsysteem en een andere wereld mogelijk te maken. De inspanning die nodig is om het systeem draaiende te houden, draagt juist bij aan de waarde ervan.
Let op: cryptoactiva zijn zeer risicovol. Je kunt je volledige inleg verliezen. Resultaten uit het verleden bieden geen garantie voor de toekomst.
