Waarom verbruikt Bitcoin zoveel stroom?

Het stroomverbruik van het Bitcoinnetwerk is een veelbesproken, maar vaak onvoldoende begrepen onderwerp. In dit artikel gaan we dieper in op de reden waarom Bitcoinmining zoveel stroom verbruikt en waarom dat geen ongelukkige toevalligheid is, maar een doelbewuste ontwerpkeuze. Het is een feature, niet een bug.

Bitcoinmining is een veelzijdig onderdeel van het Bitcoinnetwerk. Het verbruikt veel stroom, maar dat is niet zonder reden. Een decentraal netwerk ontstaat namelijk niet zomaar. Het vereist dat mensen op verschillende plekken in de wereld bereid zijn om computerkracht in te zetten om eraan bij te dragen.

De geschiedenis wijst uit dat slechts weinig mensen bereid zijn dat betrouwbaar en gedurende langere tijd te doen zonder dat er iets tegenover staat. Dat biedt geen goed fundament voor een duurzaam en weerbarstig decentraal netwerk.

Om deelnemers te motiveren bij te dragen aan het Bitcoinnetwerk, zo bedacht Satoshi Nakamoto, krijgen ze daarom een financiële beloning in de vorm van cryptovaluta: bitcoins.

Mining

Voor de uitgifte van bitcoins bedacht Satoshi Nakamoto een revolutionair distributiemodel : Proof of Work-mining. Bitcoins ontstaan namelijk niet 'zomaar uit het niets'. Bitcoinminers moeten ze minen; een proces waarbij gespecialiseerde computers (ASICs) zoveel mogelijk rekenkracht inzetten om het volgende block in de blockchain te vinden.

De rekenkracht wordt gebruikt om een arbitraire wiskundige puzzel op te lossen. Degene die het juiste antwoord raadt mag op basis daarvan een nieuwe block aan de blockchain toevoegen en ontvangt daarvoor een financiële beloning van (op dit moment) 6,25 BTC, plus de miner's fees.

Wie meer rekenkracht inzet dan anderen kan vaker raden en vindt dus vaker een nieuw block. Om de uitgifte van bitcoins op het netwerk, feitelijk de monetaire inflatie, desondanks gestaag en stabiel te laten verlopen past het Difficulty Adjustment Mechanism iedere 2016 blocks de moeilijkheidsgraad van het minen aan, zodat het gemiddeld ongeveer 10 minuten duurt voordat één van de miners het antwoord raadt en dus het volgende block vindt.

Miners concurreren dus met elkaar om zoveel mogelijk rekenkracht in te zetten, voor een beperkte beloning die eens per tien minuten wordt uitgekeerd. Deze financiële incentives zorgen ervoor dat de totale rekenkracht van het netwerk groeit.

Rekenkracht is echter niet gratis. Het vereist investeringen en het kost stroom om de miningapparatuur draaiende te houden, dus het minen van bitcoins heeft een kostprijs. Daar is bij het ontwerp van Bitcoin doelbewust voor gekozen. De kostprijs speelt onder andere een rol bij het tot stand komen van de marktprijs en het voegt reële kosten toe aan een aanval.

Dit ingewikkelde en ogenschijnlijk verspillende en nutteloze miningproces, is feitelijk één van de belangrijkste innovaties van Bitcoin. Het doel is de decentralisatie en veiligheid van het Bitcoinnetwerk te waarborgen. Om dat te snappen moet je echter eerst een beetje begrijpen hoe de blockchain werkt.

De blockchain

De blockchain is een soort cryptografisch grootboek van het Bitcoinnetwerk waarin alle transacties staan. Satoshi Nakamoto noemde het oorspronkelijk een 'time chain', maar tegenwoordig noemen we het een blockchain omdat het een soort virtuele keten van blokken met transacties vertegenwoordigt. Alle bitcointransacties die ooit gedaan zijn staan in de blockchain, verdeeld over blocks die op chronologische volgorde staan.

Wanneer bitcoinminers een nieuw block vinden mogen ze daaraan bitcointransacties toevoegen, waarna ze het block toevoegen aan het eind van de blockchain. De ruimte per block is beperkt, dus gewoonlijk voegen ze de transacties toe met de hoogste miner's fees omdat ze daarmee hun verdiensten maximaliseren. Nadat ze het nieuwe block verspreiden via het netwerk en daarmee hun verdiensten verzilveren, begint de race opnieuw om het volgende block te vinden.

Ieder nieuw block van de blockchain is gekoppeld met het block ervoor. Aan het begin van ieder block moet namelijk een klein beetje data staan dat herleidt is uit het block ervoor. Zo ontstaat een soort keten waarbij ieder block een cryptografisch stukje DNA bevat van het voorgaande block, helemaal tot aan het allereerste block.

Iedereen kan verifiëren of een block volgens de regels geldig is en ongeldige blocks worden afgewezen. Aan de hand van de blockchain kan je dus zien welke transacties gedaan zijn, bepalen hoeveel bitcoins ieder bitcoinadres heeft en controleren of bitcoins niet dubbel worden uitgegeven.

Soms ontstaan er vertakkingen van de blockchain. Bijvoorbeeld omdat verschillende miners gelijktijdig of kort na elkaar een geschikt block vinden. Dan kunnen er twee concurrerende ketens parallel naast elkaar ontstaan.

Uiteindelijk zal één van de twee blockchains echter sneller groeien dan de ander. Dat is meestal de keten waar de meerderheid van de rekenkracht van de miners, 51% of meer, aan minet. Volgens het Bitcoinprotocol is bij twee concurrerende blockchains de langste blockchain de echte blockchain en wordt de kortere genegeerd. Op deze manier ontstaat consensus op het netwerk over wat 'de waarheid' is.

Waarom een blockchain?

Het is een vernuftig protocol, maar best ingewikkeld. Waarom zou je niet gewoon een normale database decentraal gebruiken om een grootboek bij te houden, en dat met elkaar vergelijken? Dat lijkt efficiënter en eenvoudiger.

Voor een decentraal project levert dat echter problemen op. Er is immers geen centrale autoriteit die bepaald welk grootboek correct is. En bij een monetair netwerk zullen kwaadwillenden uiteraard van alles proberen om het netwerk aan te vallen. Je hebt dus iets nodig wat een decentrale consensus over de stand van zaken tot stand brengt en beschermt.

Het probleem is als volgt. Stel dat de ene helft van het netwerk je een vals grootboek voorschotelt terwijl de andere helft het echte grootboek voorschotelt, hoe weet je als nieuwe deelnemer dan welke van de twee je moet geloven? Het is het zogenaamde Byzantine's General's problem, een beroemd wiskundig vraagstuk uit de computerwetenschappen, dat Satoshi Nakamoto heeft opgelost.

Het innovatieve aan Proof of Work-mining in combinatie met de blockchain is namelijk dat daardoor een decentrale consensus op het netwerk ontstaat over 'de waarheid', die beveiligd is met alle rekenkracht die er ooit in is gestoken.

Simpelweg liegen en bedriegen werkt op het Bitcoinnetwerk immers niet, omdat iedereen over een eigen kopie van de blockchain beschikt waarmee wiskundig te verifiëren is of alles klopt. Als je het netwerk wil aanvallen zul je dus de blockchain zelf moeten veranderen.

51% aanval

Daarvoor zal je een vertakking van de blockchain moeten creëren vanaf het punt waarop je de transactiegeschiedenis wil wijzigen. Vanaf dat punt moet je beginnen te minen aan een concurrerende blockchain, al direct met een achterstand. Je moet daarbij al het 'werk' opnieuw doen: vanwege de cryptografische koppeling in de blocks moet je alle blocks erna ook opnieuw minen.

Aangezien volgens het protocol de langste blockchain de echte blockchain is, zal je ook nog eens sneller moeten minen dan alle eerlijke miners om ze te in te halen en voor te blijven.

In theorie heb je daarom minimaal 51% van de rekenkracht van het Bitcoinnetwerk nodig om überhaupt een kans te maken, en in de praktijk waarschijnlijk meer. Dat betekent dat je de helft van alle bestaande miners moet overnemen of anders meer miningapparatuur moet aanschaffen dan alle miners wereldwijd al hebben. Dat is behalve ontzettend duur ook praktisch onhaalbaar, want miningapparatuur is vrijwel altijd uitverkocht omdat bitcoinminers hun miningkracht ook continu vergroten.

De stroomkosten maken een aanval inherent kostbaar. Als Bitcoin 'net zoveel stroom gebruikt als een klein land', dan kost het dus ongeveer de helft van die hoeveelheid stroom om het netwerk aan te vallen. Een gigantische kostenpost, die groeit naarmate de rekenkracht van het netwerk verder toeneemt.

De rekenkracht en bijbehorende hoeveelheid stroom moet je inzetten zolang de aanval duurt en als je faalt is het verspilde moeite en een totale verliespost. Hoe verder je teruggaat in de tijd, hoe meer valse blocks je opnieuw moet minen. En hoe langer je het volhoudt, hoe duurder een aanval is. Bovendien wordt de blockchain van de eerlijke miners uiteindelijk weer langer wanneer je stopt, waardoor al je werk teniet gedaan wordt.

Bij een succesvolle aanval zijn de mogelijkheden beperkt. Je kan bijvoorbeeld geen transacties doen waarvoor je de private keys niet hebt. Een aanvaller die uit is op winst kan hooguit proberen met genoeg rekenkracht een vertakking van de blockchain te creëren om daarmee een aanschaf te doen en die uitgeleverd krijgen, om vervolgens de vertakking te laten afsterven zodat de transactie nooit heeft plaatsgevonden.

Heel opportuun is dat niet, want het vergt wel een miljardeninvestering aan onvindbare apparatuur die nadien uitsluitend geschikt is voor bitcoinmining, plus de aanzienlijke inherente stroomkosten. Probeer dát maar eens rendabel te maken.

Kortom, Proof of Work-mining en de blockchain maken een aanval op het netwerk een drama: weinig aantrekkelijk, extreem kostbaar, zeer risicovol, praktisch onhaalbaar en vrijwel altijd verliesgevend. Hoe meer rekenkracht bitcoinminers inzetten, hoe sterker dit beveiligingsmechanisme is. Het stroomverbruik en de bijbehorende stroomkosten voegen reële kosten toe en dwingen bij potentiële aanvallers een kosten/baten-analyse af, die vrijwel altijd negatief uitpakt.

Bitcoinminers verwerken dus niet alleen de transacties, maar ze beveiligen ook het netwerk met hun rekenkracht. De blockchain dient daarbij als middel om decentrale consensus te bereiken en om de transactiegeschiedenis te beschermen.

Proof of Work

Proof of Work is het enige consensusprotocol waarmee het succesvol is gelukt om een decentraal en zelfvoorzienend netwerk tot stand te brengen, waarop decentrale consensus is ontstaan en wordt gewaarborgd via een zelfversterkend mechanisme. Dat is bijzonder, uniek en uiterst weerbarstig. Daarom is het Bitcoinnetwerk het meest veilige netwerk ter wereld.

Het Bitcoinprotocol, de blockchain en de werking van Proof of Work-mining zijn zeer goed overwogen. Er bestaan ook andere consensusprotocollen, maar de meesten zijn tijdens een eerdere ontwikkelingsfase van Bitcoin afgekeurd omdat ze ten koste gaan van de decentralisatie.

Decentralisatie is namelijk dé revolutionaire, voornaamste en misschien wel de enige échte innovatie van Bitcoin. Het andere bestond eerder al: blockchain, Proof of Work, tokens, smart contracts, cryptografie zijn allemaal niet nieuw.

Het nieuwe, spannende en innovatieve is de zorgvuldig uitgebalanceerde combinatie van technologieën waardoor een zelfvoorzienend en weerbarstig decentraal netwerk met een eigen digitale economie is ontstaan. Alle andere technologische snufjes zijn daar bovenop te bouwen; belangrijk is vooral dat de basislaag betrouwbaar en decentraal is.

Nuttig of verspilling?

Dat is in de kern waarom Bitcoin zoveel stroom verbruikt: om het netwerk te beveiligen en decentralisatie te garanderen. Is dat verspilling of nuttig besteedt? Dat hangt er vanaf of je vindt dat een decentraal netwerk en een decentrale economie waardevol zijn of niet.

Als je het nut niet inziet, dan nodigen we je graag uit om ook eens onze andere artikelen op bitcoin.nl te lezen. Bijvoorbeeld over hoe Bitcoin als programmeerbaar geld nieuwe dingen en verdienmodellen mogelijk maakt, hoe het een middel is tegen financiële onderdrukking en over hoe Bitcoin voor mensen in ontwikkelingslanden soms betrouwbaarder is en meer vrijheid geeft dan hun lokale, falende economieën. Of over onze eigen economie, waar op dit moment ook inflatie dreigt vanwege ongekende geldschepping, waartegen Bitcoin kan beschermen. Het energieverbruik van Bitcoin heeft trouwens ook positieve kanten, misschien zelfs voor het klimaat.

Bitcoin is de eerste en enige échte wereldwijde valuta. Dat is op zichzelf al een unicum. Het is niet de valuta van Amerika of China en ook niet van een bedrijf, maar een wereldwijde valuta die van niemand is, en dus van ons allemaal is. Het is een publiek goed en de voordelen zijn legio: betere monetaire eigenschappen, technologisch superieur, inherent digitaal, geen tussenpartijen nodig, geen machtsmisbruik mogelijk, financiële soevereiniteit, censuurbestendig, grensoverschrijdend, inclusief, open, onafhankelijk, politiek neutraal en 24/7 bereikbaar.

Lees ook eens onze andere artikelen over het energieverbruik van Bitcoin.

Beeldmateriaal: Marko, license CC BY 2.0