Dezentralisierung verhindert Double-spending

von Demelza Hays / 15.6.2018

Das bahnbrechende Element von Blockchain, Kryptowährungen und Dezentralisierung ist die Art und Weise, wie ein aus einander unbekannten Mitgliedern bestehendes Netzwerk ganz ohne Intermediäre eine einstimmige Entscheidung treffen kann.

In der Kryptografie gibt es eine Theorie, die besagt, dass alles, was unter Zuhilfenahme einer zentralen Funktion erreicht werden kann, auch ohne diese zentrale Funktion zu erreichen ist. Dieses grundlegende Prinzip bildet die Basis des viel diskutierten Konzepts der Dezentralisierung und in der Tat auch das Rückgrat des einschneidenden Wandels, den wir im technologischen Umfeld immer deutlicher erkennen. Dabei geht es um Abstimmungen, um Auktionen, um Compliance und auch um Währungen. Kurz gesagt, die Blockchain-Technologie könnte sich auf jeden Prozess auswirken, der Intermediäre einsetzt.

Heutzutage leisten Intermediäre eine ganze Reihe wichtiger Dienste, welche die Vertrauensbildung zwischen Kunde und Unternehmen oder zwischen Wähler und Regierung fördern. Mit der Möglichkeit einer Speicherung von Geld, Aktien, Gold oder geistigem Eigentum auf digitalen Medien ergab sich auch die einfache Reproduzierbarkeit dieser Werte. Verschlüsselung und Mittelsmänner halten Diebe davon ab, durch simples Drücken von «Control + c» zum Kopieren und «Control + v» zum Einfügen Reichtümer aus dem Nichts zu schaffen.

Dieser Vorgang der Schaffung von Reichtum aus dem Nichts durch das Kopieren digitaler Dateien wird in der Kryptografie auch als Double-Spend-Problem bezeichnet. Wenn beispielsweise jemand seine Visa-Karte benutzt, wird die Information an eine von Visa unterhaltene zentralisierte Datenbank weitergeleitet. Wir verlassen uns darauf, dass ein Unternehmen wie Visa unsere personenbezogenen Daten schützt und unsere Transaktionen begleicht. Da Visa das Netzwerk kontrolliert, kann das Unternehmen Transaktionen nach Belieben rückgängig machen oder zensieren.

Konsens erstellen

In den 1970er-Jahren begannen Computerfachleute damit, nach anderen Wegen zur Lösung dieses Problems zu forschen, da sie erkannt hatten, dass selbst eine zentralisierte Autorität wie Visa von der Konkurrenz gehackt oder von innen korrumpiert werden kann. In einem dezentralisierten Netzwerk gibt es keine Einzelautorität, die sicherstellt, dass niemand digitale Dateien kopiert und damit Reichtum aus dem Nichts schafft. So müssen Bitcoin-Nutzer beispielsweise ständig ihre Transaktionsgeschichte auf dem aktuellen Stand halten, damit neue Transaktionen im Netzwerk angezeigt und die Kontostände in den Wallets erfasst werden. Wäre ein Nutzer in der Lage, denselben Bitcoin in zwei verschiedenen Wallets abzulegen, könnte sich der Bitcoin-Vorrat theoretisch ins Unendliche steigern.

Zur Vermeidung solcher Double Spends muss jeder an der Bitcoin-Blockchain beteiligte Computer dieselbe Information darüber besitzen, welches Wallet welchen Wert enthält, und er muss mit den anderen beteiligten Computern einen einstimmigen Beschluss bzw. einen Konsens hinsichtlich dieser Werte erzielen. Kryptowährungen benutzen sogenannte Konsensmechanismen, um Nutzer am Double Spend ein und desselben Bitcoin zu hindern. Damit hat die Blockchain-Technologie eine Revolution in Gang gesetzt, weil die Konsensmechanismen es einander unbekannten Mitgliedern ermöglichen, ohne Einbezug von Mittelsmännern Double-Spend-Angriffe zu verhindern.

Wie aus Tabelle 1 ersichtlich, existieren heute 17 verschiedene Konsensmechanismen – allerdings ist keiner von ihnen unfehlbar. Wir werden hier die beiden populärsten Mechanismen (siehe Abbildung 1) zur dezentralisierten Entscheidungsfindung im Kryptowährungsnetzwerk darlegen.

Tabelle 1: Konsensmechanismen der 100 wichtigsten Kryptowährungen
Quelle: Incrementum AG

Das Problem der byzantinischen Generäle

Wie in der diesjährigen Juni-Ausgabe des «Crypto Research Report» dargelegt, verwenden die meisten Kryptowährungen Proof of Work oder Proof of Stake zur Konsenserzielung. Wer verstehen will, wie diese Mechanismen funktionieren, sollte sich eine Gruppe byzantinischer Generäle vorstellen, die ihren Armeen befehlen, eine zu erobernde Stadt zu umzingeln. Jede der Armeen hat in den umliegenden Hügeln ihr eigenes Feldlager, was bedeutet, dass es gefährlich ist, die Angriffsstrategie an die anderen Generäle zu übermitteln.

Falls die Strategie dem Gegner in die Hände fällt, könnte die Eroberung fehlschlagen. Zudem können die Generäle sich untereinander nicht trauen, weil einige von ihnen Verräter sind. Würde man einen berittenen Boten mit den Informationen zu Angriffszeitpunkt und Strategie von einem Feldlager zum nächsten schicken, könnten die verräterischen Generäle diese Nachricht leicht ändern und dem nächsten Feldlager eine Fälschung weiterleiten. Solche Fehlinformation könnte im Sieg der Verräter resultieren, da die anderen Armeen entweder zum verkehrten Zeitpunkt oder überhaupt nicht angreifen. Dieses Dilemma bezeichnet man als «The Byzantine Generals’ Problem».

Eine Möglichkeit zur Gewährleistung der Loyalität aller Beteiligten ist, jedem der Generäle eine hohe Geldsumme abzuverlangen, die in einem unzugänglichen Treuhandkonto hinterlegt wird. Bevor ein General eine Nachricht senden kann, muss er diese mit seiner kryptografisch gesicherten Unterschrift bestätigen und so seine Identität nachweisen. Falls dann ein anderer General nicht so handelt wie erwartet, kann die Armee die Unterschrift des Verräters dem Nachrichtenlog entnehmen. Der Verräter kann nach wie vor Verrat begehen, aber jetzt trägt er einen finanziellen Schaden davon, da ihm die Armee das im Treuhandkonto hinterlegte Geld nicht zurückgeben wird. Diese Form der dezentralisierten Konsenserzielung nennt man Proof of Stake, weil jeder General bzw. Computeruser, wie das heute heisst, einen Anteil in den Erfolg des Netzwerks investiert hat.

Abbildung 2: Konsensmechanismen der 100 wichtigsten Kryptowährungen
Quelle: Incrementum AG

Eine andere Alternative besteht darin, dass das Netzwerk die Generäle dazu zwingt, vor jeder Unterzeichnung und Weiterleitung einer Nachricht eine ungemein komplizierte Rechenaufgabe zu lösen. Um eine solche Rechenaufgabe rasch zu lösen, müsste jeder General für viel Geld Mathematiker anstellen. Diese Konsensmethode nennt sich Proof of Work, weil die Generäle nachweisen konnten, dass sie wertvolle Ressourcen wie Zeit und Geld in die Lösung der Rechenaufgabe investiert haben.

Genau diese – bei Weitem noch nicht unfehlbaren – Mechanismen liegen dem Kernstück der heutigen Blockchain-Technologien zugrunde und schaffen die Voraussetzung dafür, dass Menschen einander trauen und untereinander Transaktionen abschliessen können – was Intermediäre überflüssig macht. Der nach wie vor meistgenutzte sichere Konsensmechanismus ist der ursprünglich von Bitcoin eingesetzte: Proof of Work. Allerdings ist Proof of Work auf Miner angewiesen, die enorme Mengen Elektrizität verbrauchen. Entwickler versuchen daher ständig, Proof of Work zu verbessern, denn ein Coin, der keine Miner und keine exorbitanten Strommengen mehr braucht, würde auf dem Kryptowährungsmarkt gewaltige Wellen schlagen.

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Demelza Hays

Demelza Hays ist Managerin eines als Alternativen Investmentfonds (AIF) konzipierten regulierten Kryptowährungsfonds in Liechtenstein sowie Doktorandin der Wirtschaftswissenschaften an der Universität Liechtenstein. Vor ihrem Doktoratsstudium erwarb Frau Hays einen Masterabschluss in Wirtschaft an der Toulouse School of Economics. Sie veröffentlicht ausserdem – in Zusammenarbeit mit der Incrementum AG – einen vierteljährlich erscheinenden Forschungsbericht zu Kryptowährungen mit dem Titel Crypto Research Report.



Friederich Zapke

Friederich Zapke ist Forschungsanalyst für den quartalsweise von der Incrementum AG publizierten Crypto Research Report und unterstützt das Management im Anlagebereich Kryptowährungen. Er verfügt über einen Master of Science in Operations Research von der Columbia University in New York. Seine Fachgebiete sind quantitative Investmentstrategien, automatisierter Handel und Data Science.

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