Hashcash: Proof of Work vor Bitcoin

Neugier

1. Was macht einen Stempel teuer in der Herstellung, aber fast kostenlos bei der Überprüfung?
2. Warum dauert es Stunden, ein Hash-Rätsel zu lösen, dessen Prüfung nur Mikrosekunden dauert?
3. Wie wurde ein Werkzeug zum Kampf gegen Spam zum Motor einer Währung?

Erkunden

1. 1992 schlugen Cynthia Dwork und Moni Naor „Pricing via Processing“ vor, um E-Mail-Spam zu bekämpfen. Ihre Erkenntnis: Rechenaufwand kann wie eine Mautstelle wirken. Müssen Absender ein kryptografisches Rätsel lösen, wird Massenversand wirtschaftlich unrentabel, während gelegentliche Nutzer kaum betroffen sind. Die Idee blieb fünf Jahre lang weitgehend auf dem Papier.
2. Adam Back schlug Hashcash im März 1997 vor, ohne das Paper von Dwork und Naor zu kennen. Der Mechanismus verlangte von Absendern, eine Nonce – eine variable Zeichenkette – zu finden, sodass der SHA-1-Hash des E-Mail-Headers zusammen mit dieser Nonce mit einer bestimmten Anzahl von Nullbits begann. Das ist eine partielle Kollisionssuche: exponentiell schwerer zu finden als zu prüfen. Jede gültige Lösung diente als „Stempel“, der belegte, dass der Absender echten Rechenaufwand betrieben hatte.
3. Die Stärke von Hashcash liegt in der Asymmetrie. Einen gültigen Stempel zu erzeugen, kann Tausende oder Millionen Hash-Versuche erfordern und kostet Zeit und Strom; ihn zu prüfen, erfordert eine einzige Hash-Berechnung im Mikrosekundenbereich. Diese Einwegfunktion erzeugt Knappheit in einem Medium, in dem Kopieren normalerweise kostenlos ist. Ein Spammer, der eine Million E-Mails versendet, muss das Millionenfache an Arbeit leisten, während der Empfänger jede E-Mail mit vernachlässigbarem Aufwand prüft.
4. Hashcash war kein Geld, da jeder Stempel an einen bestimmten Empfänger und Zeitstempel gebunden war und damit nicht übertragbar und nur einmal verwendbar. Zudem sank sein Wert mit besserer Hardware, da günstigere Rechenleistung die Kosten für neue Stempel senkte. Es löste das Spam-Problem, konnte aber keine dauerhaften Wertaufbewahrungseigenschaften schaffen. Der Begriff „Proof of Work“ selbst wurde erst später, 1999, von Markus Jakobsson und Ari Juels geprägt, die diese rechnerische Selbstverpflichtung formalisierten.
5. Satoshi Nakamoto zitierte Backs Hashcash direkt in Abschnitt 4 des Bitcoin-Whitepapers (Oktober 2008) und nutzte es für verteiltes Zeitstempeln. Während Hashcash SHA-1 mit fester Schwierigkeit verwendete, nutzt Bitcoin doppeltes SHA-256 mit einem anpassbaren Zielwert (Target), der alle 2016 Blöcke (etwa zwei Wochen) neu justiert wird. So bleibt das Blockintervall unabhängig vom Wachstum der Hashrate des Netzwerks konstant bei etwa 10 Minuten, was den Ausgabeplan stabilisiert und das Ledger durch kumulierten Rechenaufwand absichert.
6. So erleben Sie diese Asymmetrie: Öffnen Sie ein beliebiges Online-SHA-256-Tool. Hashen Sie die Zeichenkette „hello“. Hängen Sie dann einen Zähler an (0, 1, 2 …), bis die Hex-Ausgabe mit „0“ beginnt, danach mit „00“. Beobachten Sie, wie die Zahl der Versuche exponentiell wächst. Diese Brute-Force-Suche entspricht dem Mining. Die Difficulty-Anpassung von Bitcoin sorgt dafür, dass sich das Target verschärft, wenn mehr Miner hinzukommen und die Hardware besser wird, sodass die Blockproduktion konstant bleibt und der ökonomische Rhythmus des Protokolls erhalten wird.

Kernfakten

Übung neun, sechs, drei, eins

Faktcheck

Datumsangaben, Zahlen und Behauptungen wurden mit den unten aufgeführten veröffentlichten Quellen abgeglichen.

• C. Dwork & M. Naor, 'Pricing via Processing or Combatting Junk Mail' (Crypto '92)
• A. Back, 'Hashcash – A Denial of Service Counter-Measure' (2002)
• M. Jakobsson & A. Juels, 'Proofs of Work and Bread Pudding Protocols' (1999)
• S. Nakamoto, 'Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System' (2008)