Lektion 4: "Proof of Work" Verstehen, wie Konsensbildung funktioniert

Nachweis der Arbeit

Nach dem Zeitstempel-Server ist der zweite Mechanismus, der Bitcoin möglich macht, der Proof of Work (PoW).

PoWs werden oft fälschlicherweise für einen völlig neuen Mechanismus gehalten, der zusammen mit der Blockchain aufkam. Die Technologie wurde jedoch ursprünglich entwickelt, um Spamming zu verhindern, und stammt aus dem Jahr 1993.

PoW ist ein Verfahren zur Umkehrung einer Hash-Funktion.

Um Spam-Mails zu verhindern, haben wir ein System entwickelt, das den Nachweis verlangt, dass die Rückrechnung der Hash-Funktion beim Versand der Mail durchgeführt wurde.

Die Idee dahinter ist, dass die Umkehrung der Hash-Funktion sehr viel Zeit in Anspruch nimmt, so dass es nicht möglich ist, eine große Anzahl von E-Mails zu versenden.

Dieser Mechanismus ist auch als HashCash bekannt.

Im Fall von Bitcoin muss beim Hashing jedes Blocks in der Blockchain ein Wert gefunden werden, der eine bestimmte Anzahl von Nullen am Anfang des erzeugten Hashwerts aufweist.

Jeder Block in der Blockchain enthält eine Vielzahl von Informationen, die in feste und variable Werte unterteilt werden können.

Dieser variable Wert wird Nonce (Zufallszahl) genannt, und der Prozess, einen Eingabewert mit führenden Nullen zu finden, indem man die Nonce variiert, wird in Bitcoin PoW genannt.

Sobald der PoW-Prozess abgeschlossen ist, ist ein Block in der Blockchain gebildet worden.

Jeder Block enthält den Hashwert des vorhergehenden Blocks.

Wenn man also einen beliebigen Block manipulieren will, muss man die Daten aller Blöcke, die nach diesem Block angeschlossen sind, fälschen.

Aus diesem Grund gelten Blockchains als so schwer zu manipulieren.

Konsensbildung durch Proof of Work

PoWs können auch verwendet werden, um festzustellen, wessen Meinung in einem Entscheidungsfindungsprozess repräsentativ für eine nicht spezifizierte Gruppe von Personen ist.

Bei einem PoW wird jeder CPU ein Teilnahmerecht zugeteilt.

Dies bedeutet, dass es schwierig ist, eine große Zahl von Teilnehmern zu gewinnen, und dass ein wirklich fairer Entscheidungsprozess erwartet werden kann.

Die Kette mit dem höchsten PoW-Rechenaufwand ist natürlich auch die längste Kette.

Diese längste Kette wird der Vertreter der nicht näher bezeichneten Gruppe im Entscheidungsprozess sein.

Dahinter steht die Idee, dass die Kette am schnellsten wächst, wenn die Mehrheit der CPUs von guten Knoten kontrolliert wird.

Anpassung der Schwierigkeit der Konsensbildung

Die Manipulierbarkeit einer Blockchain nimmt exponentiell mit der Anzahl der Blöcke ab, die auf einen bestimmten Block folgen. (Je mehr Blöcke folgen, desto mehr Arbeit ist nötig, um sie zu manipulieren.

Um einen Block zu einem bestimmten Zeitpunkt in der Vergangenheit zu manipulieren, muss der Block durch PoWing aller nachfolgenden Blöcke neu erstellt werden.

Um einen Block zu einem früheren Zeitpunkt zu manipulieren, muss man den Block neu erstellen, indem man alle Blöcke in der Kette nach diesem Block neu schreibt, und zwar schneller als der richtige Block.

Das liegt daran, dass die längste Kette die richtige ist.

Wir werden nun kurz die Wahrscheinlichkeit untersuchen, dass eine falsche Kette eine richtige Kette überholt.

PoWs sind so konzipiert, dass der Schwierigkeitsgrad des PoWs selbst nicht aufgrund von Moore's Law Verbesserungen der Hardwareleistung oder aufgrund der Anzahl der Teilnehmer am PoW schwankt.

Denn wenn der Schwierigkeitsgrad schwankt, ist es für eine betrügerische Kette ein Leichtes, eine legitime Kette zu überholen.

Dieser Schwierigkeitsgrad heißt Difficulty und wird automatisch angepasst, um sicherzustellen, dass die Anzahl der pro Stunde erzeugten Blöcke konstant bleibt.

Steigt die Anzahl der Blöcke pro Stunde, erhöht sich der Schwierigkeitsgrad des PoW, sinkt die Anzahl der Blöcke pro Stunde, verringert sich der Schwierigkeitsgrad des PoW.