Nakamoto-Konsens: die Kette mit der meisten Arbeit

Neugier

1. Wie können sich Tausende von Fremden ohne Anführer und ohne Abstimmung auf eine einzige Historie einigen?
2. Warum lässt sich eine alte Transaktion schwerer rückgängig machen, wenn ein weiterer Block hinzukommt?
3. Was passiert, wenn zwei Ketten zehn Minuten lang gleichzeitig existieren?

Erkunden

1. Konsens bei Bitcoin ist keine Wahl. Es gibt keine feste Mitgliedschaft, keinen Anführer und keine formelle Abstimmung. Jeder Full Node überprüft Transaktionen unabhängig anhand eines umfassenden Regelwerks. Wenn Miner diese gültigen Transaktionen zu Blöcken zusammenfassen, leisten sie Proof of Work: Sie lösen ein rechenintensives Rätsel, das als Zeitstempel dient. Diese Arbeit verankert den Block in der Kette und macht ihn zu einem Teil einer globalen Historie, deren Änderung kostspielig ist.
2. Wenn zwei konkurrierende Ketten entstehen, folgt jeder Node einer einfachen Regel: Er übernimmt die Kette mit dem meisten kumulierten Proof of Work. Sobald ein Zweig bei der angesammelten Arbeit in Führung geht, wird der andere aufgegeben, und dessen Transaktionen kehren in den Mempool zurück, sofern der siegreiche Zweig sie nicht bereits enthält. Dieser Mechanismus neutralisiert Sybil-Angriffe: Tausende gefälschter Identitäten zu erstellen ist nutzlos, wenn ihr Inhaber nicht über entsprechende Rechenleistung verfügt. Über die gültige Historie entscheidet das Gewicht, gemessen in Proof of Work – nicht die Identität.
3. Die Einigung ist probabilistisch, nicht absolut. Eine Transaktion wird mit jedem darauf folgenden Block sicherer, denn ein Angreifer müsste die Arbeit für diesen Block und alle nachfolgenden erneut leisten, um die ehrliche Kette zu überholen. Abschnitt 11 des Whitepapers berechnet dieses Risiko: Kontrolliert ein Angreifer einen Anteil q der Hashrate, sinkt die Wahrscheinlichkeit, dass er einen Rückstand von z Blöcken jemals aufholt, exponentiell mit wachsendem z.
4. Für einen Angreifer mit nur 10 % der Hashrate des Netzwerks (q = 0,1) liegt die Wahrscheinlichkeit, eine unter fünf Bestätigungen liegende Transaktion rückgängig zu machen, bei weniger als 0,1 %. Dieser mathematische Abfall bildet die Grundlage des Sicherheitsmodells für Händler und Börsen. Kurze Reorganisationen (Reorgs), bei denen einige Blöcke zugunsten einer anderen gültigen Kette verworfen werden, gehören zum normalen Betrieb und deuten nicht auf einen Fehler hin, sondern auf den dynamischen Wettbewerb, der Proof of Work innewohnt.
5. Abschnitt 6 argumentiert, dass Anreize rationale Akteure mit der Stabilität des Netzwerks in Einklang bringen. Ein Miner mit erheblicher Hashrate verdient mehr, wenn er die Regeln befolgt, als wenn er das System angreift, denn der Wert seiner Coins hängt von der Vertrauenswürdigkeit des Netzwerks ab. Würde er dieses Vertrauen zerstören, entwertete er genau die Vermögenswerte, die er selbst hält. Diese wirtschaftliche Kopplung sorgt dafür, dass große Akteure ein ureigenes Interesse daran haben, den Konsens zu wahren, statt ihn zu stören.
6. Reproduzieren Sie die Berechnungen des Whitepapers. Abschnitt 11 enthält ein kurzes C-Programm sowie eine Tabelle: Für einen Angreifer mit q = 0,1 beträgt die Wahrscheinlichkeit, einen Rückstand von fünf Blöcken aufzuholen, etwa 0,0009 – also weniger als 0,1 %. Bei q = 0,3 bleibt bei denselben fünf Blöcken noch eine Wahrscheinlichkeit von etwa 18 %, und es sind weitaus mehr Bestätigungen nötig, um das Risiko unter 0,1 % zu drücken. Die Sicherheit hängt davon ab, wie viel Hashrate ein Angreifer aufbringen könnte – nicht von einer festen Anzahl an Blöcken.

Kernfakten

Übung neun, sechs, drei, eins

Faktcheck

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

• S. Nakamoto, 'Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System' (2008), Sections 4, 6, and 11.
• J. Garay, A. Kiayias & N. Leonardos, 'The Bitcoin Backbone Protocol: Analysis and Applications' (2015)