Bitcoin ist eine Kryptowährung und ein sogenanntes Open-Source Peer-2-Peer-Blockchain-Protokoll. 2009 gegründet, gilt sie als erfolgreichste digitale Währung der Geschichte. Der Erfinder ist unter dem Pseudonym Satoshi Nakamoto bekannt. Die wahre/n Identität/en dahinter sind im Dunkeln. Im Unterschied zu früheren digitalen Währungen ist Bitcoin dezentral und offen (permissionless). Das heißt, Transaktionen werden nicht von einer zentralen Entität aufgezeichnet, sondern in einer öffentlichen Sequenz von Blöcken, der sogenannten Blockchain. Jeder darf Transaktionen einfügen und zur Validierung beitragen. Dazu müssen proofs of work (PoW) erstellt werden.
Robuste Blockchain
Die Blöcke der Blockchain sind öffentliche Auflistungen von Transaktionen, die zu einer Kette verbunden werden. Der Verlauf der Transaktionen kann nicht geändert werden. Um potenzielle Attacken zu verhindern, wird das Hinzufügen von Blöcken rechnerisch sehr aufwändig gestaltet. Die Rechenleistung wird von sogenannten Schürfern beigesteuert. Anreiz bieten Belohnungen in Form von Münzen der Kryptowährung. Wichtig ist, dass mehr als die Hälfte der Rechenleistung, die zur Lösung dieser Aufgaben eingesetzt wird, von ehrlichen Parteien geleistet wird. Dann fungiert die Blockchain als robustes und nicht manipulierbares Register, das alle Bitcoin-Transaktionen aufzeichnet.
Verschärfung der Klimakrise
“Trotz des enormen Erfolgs ist das System mit Mängeln behaftet und dadurch die langfristige Tragfähigkeit von Kryptowährungen in Frage gestellt,” sagt Professor Krzysztof Pietrzak. Er leitet die Kryptographie-Gruppe am Institute of Science and Technology, IST Austria und ist am Chia Network beteiligt. Bram Cohen, der CEO von Chia und Erfinder von Bittorrent, verwendet Ideen aus seiner Grundlagenforschung, um eine nachhaltige Kryptowährung zu realisieren.
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Das ökologische Problem ist auch das vordringlichste. Die Berechnungen erfordern einen enormen Energieverbrauch und die Energie wird – je nach Standort der Hardware – fossil erzeugt. Das verursacht CO2-Emissionen. Laut Digiconomist sind dies derzeit 81,8 Millionen Tonnen pro Jahr. Das entspricht etwa dem CO2-Fußabdruck Rumäniens.
Weiters ist die zentrale Rechen- und Steuereinheit eines Computers (CPU) nicht besonders effizient in der Suche nach Blöcken. Spezialisierte Hardware ist effizienter und verbraucht weniger Energie. Mittlerweile gibt es große Akteure, die diese Hardware einsetzen und damit den demokratischen dezentralen Anspruch untergraben. Die ursprüngliche Idee von Nakamoto, dass normale User Ihre überschüssigen CPU-Zyklen verwenden, um Bitcoin zu schürfen, konnte nicht umgesetzt werden. Denn mit normalen CPUs sind die Stromkosten wesentlich höher als der zu erwartende Gewinn.
Langfristig dürften auch die hohen Prämien als Anreiz für Bitcoin-Schürfer problematisch werden, weil sie entweder zur Inflation der Währung oder zu hohen Transaktionskosten führen.
Beweismittel Speicherplatz
Die Kryptographie-Gruppe vom IST Austria hat schon 2013 in einem Papier ein alternatives Beweissystem für ein dezentrales Währungssystem vorgeschlagen: den proof of space (PoSpace). Anders als der proof of work (PoW) basiert dieser nicht auf ständigen Berechnungen, sondern auf freiem Speicherplatz auf der Festplatte. Diese alternative Konstruktion löst alle genannten Mängel: Sie ist viel effizienter und ermöglicht eine nahezu ressourcenneutrale Suche nach Blöcken für alle Teilnehmer.
Dafür spricht, dass die Ressourcen an ungenutztem Speicherplatz groß sind und sich in Rechenzentren genauso finden wie in persönlichen Laptops und dergleichen. Sie können also von allen und fast ohne zusätzliche Kosten für das Schürfen genutzt werden. Der Speicherplatz muss nur einmal initialisiert werden, um die Suche nach Blöcken zu ermöglichen.
Nachhaltige Blockchain
„Man kann Proof of Work nicht einfach mit Proof of Space in einer Blockchain wie Bitcoin ersetzen, das wäre völlig unsicher,“ erklärt Pietrzak. Vielmehr konstruierten die Forscher eine eigene Blockchain, die sie Spacemint nannten. Aber bis es zu einer ernsthaften Implementierung kam, musste noch viel Forschungsarbeit geleistet werden. Technische Herausforderung war es, eine zumindest ähnliche Sicherheit zu garantieren, wie bei Bitcoin – unter der Annahme, dass eine Mehrheit des Speicherplatzes von ehrlichen Parteien kontrolliert wird.
Man kann Proof of Work nicht einfach mit Proof of Space in einer Blockchain wie Bitcoin ersetzen, das wäre völlig unsicher.
Professor Krzystof Pietrzak, IST Austria
Eines der Probleme von Spacemint war eine mangelnde Sicherheit unter dynamic availability. Zur Sicherung der Blockchain wird Speicherplatz aufgewendet. Schwankte die Verfügbarkeit von Speicherplatz stark, dann war die Sicherheit gefährdet. Beim PoW-basierten Bitcoin, wo die Sicherung der Blockchain durch Rechenleistung gewährleistet wird, stellt die dynamic availability hingegen kein Problem dar. Das zeigte sich, als die Rechenleistung innerhalb weniger Jahre um mehrere Größenordnungen zunahm.
Außerdem hatten die ersten proofs of space eine interaktive Initialisierungsphase, die sich als kritisch erwies. Pietrzak: „Im Kontext von Blockchains bedeutet dies, dass ein Schürfer den Speicherplatz den er verwenden will, erst anmelden muss. In der Blockchain, die wir für PoSpace konstruiert haben, geschieht dies mittels einer speziellen Transaktion, die in der Blockchain festgeschrieben wird. Das ist insofern problematisch, als eine Mehrheit der existierenden Schürfer zum Beispiel beschließen könnte, keine neuen Anmeldungen mehr zuzulassen.“
Keine einheitliche Lösung
Mittlerweile verwenden mindestens zwei der großen Blockchain-Projekte PoSpace: das dezentrale Speichernetz Filecoin und die Blockchain Chia. In Kooperation mit Chia konnten die genannten Probleme gelöst werden. Bram Cohen, der Gründer von Bittorrent und Chia, schlug vor, PoSpace mit proofs of time zu kombinieren. Ein System, das mittlerweile unter den Bezeichnungen unique proofs of sequential work (Beweise für die sequentielle Arbeit) oder verifiable delay functions (verifizierbare Verzögerungsfunktionen) bekannt ist. Das Problem mit der interaktiven Initialisierung löste die Kryptographie-Gruppe am IST Austria, indem sie eine neue Klasse von PoSpace einführte.
Dass PoSpace zum dominierenden Standard in der Blockchain-Technologie wird, ist zwar nicht besonders wahrscheinlich, aber doch realistisch, so Pietrzak: “Es sollte mittlerweile klar sein, dass proofs of work keine zukunftsweisende Lösung sind. In Zukunft werden wohl einige wenige sehr unterschiedliche Systeme parallel laufen. Die derzeit am besten untersuchte Alternative für offene Blockchains sind proofs of stake (PoStake). Eine darauf basierende Blockchain zu konstruieren ist jedoch schwierig. Ethereum versucht seit über fünf Jahren auf PoStake zu wechseln, ist aber bis dato an technischen Problemen gescheitert. Experten wie Bram Cohen argumentieren, dass eine PoStake basierte offene Blockchain aus fundamentalen Gründen nicht funktionieren kann.“
Es sollte mittlerweile klar sein, dass proofs of work keine zukunftsweisende Lösung sind. In Zukunft werden wohl einige wenige sehr unterschiedliche Systeme parallel laufen.
Krzystof Pietrzak, Professor am IST Austria
Abkehr vom ehrlichen Teilnehmer
Die Kryptographie-Gruppe am IST Austria wird jedenfalls weiter an PoSpace arbeiten und sich mit komplexen Themenstellungen beschäftigen. So braucht es zum Beispiel noch verifiable delay functions, die auch in den skalierbaren Quantencomputern der Zukunft anzuwenden sind. Außerdem plädieren die Forscher für eine Abkehr von der Idee der ehrlichen Teilnehmer. Zur Zeit können sie nur beweisen, dass eine Blockchain wie Bitcoin, Chia et cetera sicher ist, wenn eine Mehrheit der Ressourcen von Parteien kontrolliert wird, die sich ehrlich benehmen, das heißt, ans Protokoll halten. Pietrzak: „Realistischer wäre es anzunehmen, dass die Parteien nicht ehrlich sind, sondern rational. Für Schürfer von Kryptowährungen bedeutet dies, dass sie versuchen, ihren Profit zu maximieren.“
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