Arbeitsnachweis (eBook)

Die Mechanismen hinter Blockchain-Konsens und Sicherheit verstehen

Fouad Sabry (Autor)

eBook Download: EPUB

2025 | 1. Auflage
225 Seiten
Eine Milliarde Sachkundig [German] (Verlag)
978-0-00-079078-1 (ISBN)

Infos

In einer Welt, in der digitale Innovationen unser Verständnis von Transaktionen revolutionieren, ist das Konzept des 'Proof of Work' entscheidend für die Entwicklung der Blockchain-Technologie. Dieses Buch bietet eine detaillierte Untersuchung der Mechanismen, die dem Sicherheits- und Verifizierungsprozess der Blockchain zugrunde liegen, und vermittelt Fachleuten, Studierenden und Blockchain-Enthusiasten die komplexen und dennoch wichtigen Prinzipien. Egal, ob Sie Anfänger oder erfahrener Experte sind, dieser Leitfaden bietet wertvolle Einblicke in die Blockchain-Landschaft und ist eine umfassende Ressource, um Ihr Wissen und Ihr praktisches Verständnis zu erweitern.

Proof of Work-Verstehen Sie das grundlegende Konzept des Proof of Work, das eine sichere Transaktionsvalidierung in Blockchain-Netzwerken gewährleistet.

Hashrate-Erkunden Sie, wie sich die Hashrate auf die Mining-Leistung und die Blockchain-Sicherheit auswirkt und eine entscheidende Rolle in Proof-of-Work-Protokollen spielt.

Zerocoin-Protokoll-Erfahren Sie mehr über die Datenschutzfunktionen des Zerocoin-Protokolls und seine Auswirkungen auf das gesamte Kryptowährungs-Ökosystem.

Blockchain-Tauchen Sie ein in den Kern der Blockchain-Technologie, ihre Struktur und ihre Bedeutung in dezentralen Anwendungen und Systemen.

Monero-Entdecken Sie die Datenschutzfunktionen von Monero und die Verwendung von Proof of Work zur Wahrung von Sicherheit und Vertraulichkeit.

Kryptowährung-Verstehen Sie die Kryptowährungslandschaft im Allgemeinen und die Rolle von Proof of Work bei der Aufrechterhaltung dezentraler Systeme.

Equihash-Erfahren Sie mehr über den Equihash-Algorithmus, der speicherintensive Funktionen im Proof-of-Work-Mining unterstützt.

Litecoin-Entdecken Sie, wie Litecoin Proof of Work und seine besonderen Merkmale im Vergleich zu Bitcoin anwendet.

Proof of Stake-Entdecken Sie den Unterschied zwischen Proof of Work und Proof of Stake, zwei wichtigen Konsensmechanismen in der Blockchain.

Hashcash-Untersuchen Sie das Hashcash Proof-of-Work-System, einen Vorläufer des Bitcoin-eigenen Proof-of-Work-Protokolls.

Bitcoin-Protokoll-Erhalten Sie Einblicke in die Implementierung von Proof of Work in Bitcoin und deren bahnbrechende Auswirkungen auf den Kryptowährungsbereich.

Kryptografische Nonce-Erfahren Sie, wie die kryptografische Nonce die Integrität von Proof-of-Work-Lösungen in Blockchain-Netzwerken gewährleistet.

Scrypt-Entdecken Sie den Scrypt-Algorithmus und seine Rolle im Proof of Work (Pow of Work) zur Optimierung speicherintensiver Mining-Aufgaben.

Proof of Space-Verstehen Sie Proof of Space als Alternative zu Proof of Work mit Fokus auf Speicher als Grundlage für Konsens.

Firo (Kryptowährung)-Untersuchen Sie Firos Nutzung von Proof of Work und seine einzigartigen Datenschutzfunktionen, die zu sicheren digitalen Transaktionen beitragen.

Client Puzzle Protocol-Entdecken Sie, wie das Client Puzzle Protocol Proof of Work nutzt, um Nutzer zu schützen und die Systemzuverlässigkeit zu gewährleisten.

Nervos Network-Entdecken Sie den Proof-of-Work-Ansatz von Nervos Network und dessen Integration mit Layer-1- und Layer-2-Lösungen.

Ethereum Classic-Erfahren Sie mehr über die Einführung von Proof of Work in Ethereum Classic und die Abweichung vom aktuellen Konsensmodell von Ethereum.

Mining-Pool-Tauchen Sie ein in das Konzept von Mining-Pools, ihre Bedeutung und wie sie Minern helfen, ihre Chancen beim Lösen von Proof-of-Work-Rätseln zu erhöhen.

Memoryhard-Funktion-Verstehen Sie die Bedeutung von Memoryhard-Funktionen und ihre Rolle bei der Stärkung von Proof-of-Work-Konsensmechanismen.

Doppelausgaben-Erfahren Sie, wie Proof of Work Doppelausgaben in digitalen Währungssystemen verhindert und das Vertrauen in die Blockchain-Technologie aufrechterhält.

Textauszug

Kapitel 1 :Nachweis der Arbeit

Proof of Work, oft auch als Proof-of-Work oder kurz PoW bekannt, ist eine Art kryptografischer Beweis, bei dem eine Partei, die als Prüfer bezeichnet wird, anderen Parteien, den sogenannten Verifizierern, demonstriert, dass ein bestimmter Betrag eines bestimmten Rechenaufwands aufgewendet wurde. Die Prüfer sind in der Lage, diese Ausgaben mit geringem Aufwand später zu bestätigen. Moni Naor und Cynthia Dwork waren die ersten, die das Konzept 1993 in Hashcash umsetzten. Ihre Absicht war es, Denial-of-Service-Angriffe und andere Formen des Servicemissbrauchs, wie z. B. Spam, in einem Netzwerk zu verhindern. Dies wurde erreicht, indem ein Dienstanforderer etwas Arbeit erforderte, was in der Regel bedeutete, dass der Computer die Anforderung ausführen musste. Im Jahr 1999 veröffentlichten Markus Jakobsson und Ari Juels eine Arbeit, in der sie erstmals das Konzept des "Proof of Work" entwickelten und dessen Anwendung standardisierten. Im Jahr 2004 wandte Hal Finney den Begriff auf digitale Token an, indem er das Konzept des "wiederverwendbaren Proof of Work" in Verbindung mit dem 160-Bit-Secure-Hash-Algorithmus 1 (SHA-1) verwendete.

Proof of Work wurde später von Bitcoin als Grundlage für den Konsens in einem erlaubnisfreien dezentralen Netzwerk populär gemacht. In diesem Netzwerk konkurrieren die Miner darum, Blöcke anzuhängen und neue Währungen zu schürfen, und jeder Miner hat eine Erfolgschance, die proportional zum Rechenaufwand ist, den er aufwendet. Proof of Work (PoW) und Proof of Stake (PoS) sind nach wie vor die beiden bekanntesten Sybil-Abschreckungstechniken. Wenn es um Kryptowährungen geht, sind diese Verfahren diejenigen, die am häufigsten verwendet werden.

Eines der wichtigsten Merkmale von Proof-of-Work-Systemen ist ihre Asymmetrie. Genauer gesagt muss die Arbeit oder Berechnung auf der Seite des Prüfers oder Anforderers etwas schwierig (aber machbar) sein, während der Prüfer oder Dienstleister es leicht haben muss, sie zu überprüfen. Ein Client-Puzzle, ein Rechenpuzzle, eine CPU-Preisfunktion und eine CPU-Kostenfunktion sind alles Namen, die verwendet wurden, um sich auf dieses Konzept zu beziehen. Das Vorhandensein von eingebauten Anreizsystemen, die die Zuweisung von Rechenressourcen an das Netzwerk mit einem Wert in Form von Kryptowährung belohnen, ist ein weiteres Merkmal, das allen Blockchains gemeinsam ist.

Proof-of-Work-Algorithmen sind nicht darauf ausgelegt, zu zeigen, dass eine bestimmte Arbeit abgeschlossen wurde oder dass ein Rechenrätsel "gelöst" wurde. Stattdessen besteht ihr Hauptziel darin, die Manipulation von Daten zu verhindern, indem sie der Person, die versucht, die Daten zu manipulieren, strenge Energie- und Hardware-Kontrollanforderungen auferlegen. Umweltschützer haben ihre Ablehnung von Proof-of-Work-Systemen unter dem Gesichtspunkt ihres hohen Energieverbrauchs zum Ausdruck gebracht.

Das Proof-of-Work-Konzept (PoW) geht auf die frühen Forschungen zurück, die zur Prävention von Denial-of-Service-Angriffen und zur Bekämpfung von Spam durchgeführt wurden. Bereits 1997 entwickelte ein britischer Kryptograf namens Adam Hashcash, das als eine der frühesten Implementierungen von Proof-of-Work gilt. Um zu demonstrieren, dass der Absender einer E-Mail vor dem Versenden einer E-Mail Ressourcen (in Form von CPU-Zeit) verschwendet hat, war sie als Anti-Spam-Tool gedacht, bei dem der Absender eine kurze Rechenaktivität durchführen musste. Diejenigen, die legitime Benutzer waren, hatten wenig Probleme, diese Aufgabe zu erledigen, während Spammer, die versuchten, eine große Anzahl von Nachrichten zu übertragen, hohe Kosten auf sich nehmen mussten.

Das System von Hashcash basiert auf der Idee, einen Hash-Wert zu erhalten, der bestimmte Anforderungen erfüllt. Dies war ein Prozess, der Rechenaufwand erforderte und daher als "Proof of Work" fungierte. Die Theorie hinter dem System war, dass durch die Rechenaufwendigkeit des Versendens großer Mengen an E-Mails Spamming reduziert werden würde.

Um zu demonstrieren, dass die Berechnung abgeschlossen wurde, verwendet eine bekannte Technik, die in Hashcash verwendet wird, partielle Hash-Inversionen. Dieser dient als Goodwill-Token, der zum Versenden einer E-Mail verwendet werden kann. Zur Veranschaulichung besteht der folgende Header aus ca. 252 Hashberechnungen, die durchgeführt wurden, um am 19. Januar 2038 eine Nachricht an [e-mail] zu senden:

Mit einer einzigen Berechnung wird validiert, indem sichergestellt wird, dass der SHA-1-Hash des Stempels (mit Ausnahme des Header-Namens X-Hashcash, der den Doppelpunkt und die darauf folgende Menge an Leerzeichen bis zur Ziffer '1' enthält) mit 52 binären Nullen beginnt, was 13 hexadezimalen Nullen entspricht:

Es kann darüber gestritten werden, ob Proof-of-Work-Systeme in der Lage sind, ein bestimmtes Denial-of-Service-Problem, wie z. B. das Spam-Problem, effektiv zu lösen. Trotz der Tatsache, dass das System legitime Benutzer nicht daran hindern sollte, ihre Nachrichten zu senden, sollte es dafür sorgen, dass das Versenden von Spam-E-Mails für den Spammer äußerst ineffektiv ist. Anders ausgedrückt: Ein echter Benutzer sollte keine Probleme beim Versenden einer E-Mail haben, während ein E-Mail-Spammer eine beträchtliche Menge an Rechenressourcen aufwenden müsste, um eine große Anzahl von E-Mails auf einmal zu versenden. Proof-of-Work-Systeme werden von anderen kryptografischen Systemen verwendet, die komplexer sind, wie z. B. Bitcoin, das eine Technik verwendet, die mit Hashcash vergleichbar ist.

Die theoretischen Wurzeln von Proof of Work gehen auf frühe Bemühungen zurück, digitalem Missbrauch entgegenzuwirken. Im Laufe der Zeit hat es eine erhebliche Weiterentwicklung erfahren, um Sicherheit, Zugänglichkeit und breitere Anwendungen zu adressieren, die über das grundlegende Ziel der Spam-Bekämpfung hinausgehen. Als Satoshi Nakamoto 2008 sein Whitepaper mit dem Titel "Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System" veröffentlichte, bestätigte er das Potenzial von Proof of Work als Eckpfeiler von Blockchain-Netzwerken. Der Begriff wurde ursprünglich 1993 entwickelt, um den Empfang von Junk-Mail zu verhindern. Diese Entwicklung spiegelt die wachsende Nachfrage nach vertrauenslosen Systemen wider, die sicherheitsorientiert sind.

Proof of Work wurde erstmals 1993 eingeführt, als Cynthia Dwork und Moni Naor ein System vorstellten, um die Menge an gesendeten Junk-E-Mails zu reduzieren, indem von den Absendern verlangt wurde, Aufgaben zu erledigen, die eine erhebliche Menge an Computerleistung erforderten. Sie etablierten einen Schlüsselbegriff der Asymmetrie von Proof of Work in ihrem Papier mit dem Titel "Pricing via Processing or Combating Junk Mail", in dem sie Methoden wie die Berechnung modularer Quadratwurzeln beschrieben. Diese Methoden sollten als schwer zu lösen gelten, aber sie waren einfach zu überprüfen. Es ist diese Asymmetrie, die für die Effizienz des Proof of Work unerlässlich ist. Es stellt sicher, dass Aktivitäten wie das Versenden von Spam für diejenigen, die versuchen, Angriffe zu begehen, teuer sind, während die Verifizierung für diejenigen, die legitime Benutzer sind, weiterhin effektiv ist.

Erst 1997 wurde dieser konzeptionelle Rahmen mit Adam Backs Hashcash in die Praxis umgesetzt. Dieses System erforderte von den Absendern, eine partielle Hash-Inversion der SHA-1-Technik zu berechnen, was zu einem Hash führte, der eine vorgegebene Anzahl führender Nullen aufwies. Hashcash, das in Backs Artikel mit dem Titel "Hashcash: A Denial of Service Counter-Measure" beschrieben wurde, erlegte einen Rechenaufwand auf, um Spam zu verhindern und gleichzeitig den Empfängern die Möglichkeit zu geben, die Arbeit ohne Schwierigkeiten zu bestätigen. Damit wurde eine entscheidende Grundlage für nachfolgende Proof-of-Work-Implementierungen in der Kryptographie und Blockchain-Technologie gelegt.

Bitcoin, das 2009 von Satoshi Nakamoto eingeführt wurde, war ein bedeutender Schritt nach vorne, da es den von Hashcash für Kryptowährungen verwendeten Proof-of-Work-Algorithmus anpasste. Das von Nakamoto verfasste Bitcoin-Whitepaper beschrieb ein System, das den SHA-256-Algorithmus verwendet. In diesem System konkurrieren die Miner miteinander, um kryptografische Rätsel zu lösen, um der Blockchain Blöcke hinzuzufügen und dabei Belohnungen zu verdienen. Der von Bitcoin verwendete Proof-of-Work-Algorithmus passt im Gegensatz zu den statischen Proofs, die von Hashcash verwendet werden, seine Schwierigkeit dynamisch an, basierend auf der Zeit, die für das Mining des vorherigen Blocks benötigt wird. Dadurch wird sichergestellt, dass die Blockdauer mit etwa zehn Minuten konstant bleibt, was zu einer Kette führt, die resistent gegen Manipulationen ist. Proof of Work wurde durch diese Innovation von einer einzelnen Abschreckung in einen Konsensmechanismus für ein dezentrales Netzwerk umgewandelt, das den Schwerpunkt auf finanzielle Anreize statt auf Rechenarbeit legte.

Bitcoin war jedoch nicht ohne Mängel. Bitcoin-Miner begannen, spezielle Geräte wie ASICs zu verwenden, um die Proof-of-Work-Funktion der Kryptowährung zu missbrauchen. Bitcoin wurde ursprünglich mit herkömmlichen Central Processing Units (CPUs) geschürft, ging aber schnell auf Grafikprozessoren (GPUs) und später auf künstliche Intelligenz (ASIC) um, die bei der Lösung von SHA-256-Rätseln deutlich besser abgeschnitten hat als herkömmliche Hardware. ASIC-Miner erhielten dadurch einen überwältigenden Vorteil, so dass gelegentliche Teilnehmer unbedeutend waren. Dies untergräbt die ursprüngliche Vision von Bitcoin...

Produkt-Details

• Erscheint lt. Verlag: 2.5.2025
• Übersetzer: Daniel Hueber
• Sprache: deutsch
• Themenwelt: Informatik ► Netzwerke ► Sicherheit / Firewall
• ISBN-10: 0-00-079078-8 / 0000790788
• ISBN-13: 978-0-00-079078-1 / 9780000790781