Die Geburt von Bitcoin und Blockchain bringt zwei seit langem bestehende Probleme in der digitalen Währung mit sich: das Problem der doppelten Ausgaben und das Problem der byzantinischen Generäle

Von der physischen zur digitalen Währung: Lösung des Problems der doppelten Ausgaben

Im Vergleich zur physischen Währung im täglichen Leben besteht die größte Schwierigkeit bei der Entwicklung von elektronischem Bargeld darin, das „Vertrauensproblem“ zu überwinden. Der Grund, warum die frühesten Muscheln und Edelmetalle als allgemeine Äquivalente verwendet werden können, liegt darin, dass sie eine gewisse Knappheit aufweisen und die späteren physischen Banknoten auf die Glaubwürdigkeit des Staates angewiesen sind, um das Vertrauensproblem zu lösen.

Diese physischen Währungen hatten einen Wert und konnten die Wertübertragung sofort abschließen. Im digitalen Zeitalter ist jeder Inhalt im Wesentlichen eine Kombination aus 0- und 1-Codes, und digitales Geld kann in zwei Kopien kopiert und gleichzeitig an zwei verschiedene Empfänger ausgegeben werden, was das sogenannte „Problem der doppelten Ausgaben“ darstellt. Das Internet selbst ist nicht in der Lage, Werte darzustellen, daher mussten Menschen früher ein zentrales Kontosystem mit einem zentralen Server, beispielsweise einer Bank, nutzen, um Kreditkarten und andere Arten von elektronischem Geld zu verwenden.

Ein System, das kein Vertrauen erfordert: Distributed Ledger

Aber ob es einen wirklich vertrauenswürdigen Dritten gibt, ist fraglich. Es besteht das Risiko von Single Point of Failures, etwa durch Angriffe auf zentralisierte Server, und sogar Regierungen können durch zu hohe Geldausgaben eine „Seigniorage“ einstreichen. Die von Bitcoin vorgeschlagene Lösung besteht darin, auf Drittvermittler zu verzichten und ein verteiltes Hauptbuch aufzubauen, bei dem jeder im Mittelpunkt des Hauptbuchs steht.

Stellen Sie sich ein Dorf vor, in dem es nur einen „Häuptling“ gibt, der für die Führung des Hauptbuchs verantwortlich ist, und in dem alle Ausgaben der Dorfmitglieder beim Dorfvorsteher registriert werden, der die Zentrale des Hauptbuchsystems ist. Das System kann gut funktionieren, wenn der Dorfvorsteher vertrauenswürdig ist; Wenn jedoch der Chef, der das Zentrum des Systems bildet, ein Dieb ist, kann es für andere schwierig sein, ihn zu entdecken.

Stellen Sie sich ein „dezentrales“ Dorf vor, in dem jedes Mitglied ein identisches Hauptbuch führt. Wenn ein Mitglied eine Änderung am Hauptbuch vornehmen möchte, muss es die anderen Mitglieder per „Broadcast“ benachrichtigen, damit diese die Einträge bestätigen und in ihre eigenen Hauptbücher kopieren können. Der Transaktionsprozess ist erst dann abgeschlossen, wenn alle Mitglieder ihre Konten bestätigt und aktualisiert haben. Dies ist im Wesentlichen die Funktionsweise des Bitcoin-Netzwerks.

Distributed-Ledger-Implementierung: Blöcke und Blockchain

Bitcoin hat ein neues digitales System zur Aufzeichnung der Transaktion von Vermögenswerten erfunden, das als Distributed Ledger bekannt ist. Im Gegensatz zur zentralisierten Aufzeichnung, bei der Daten auf zentralen Servern gespeichert werden, handelt es sich bei der Blockchain um eine dezentrale Datenbank, wobei jeder Knoten im Netzwerk als Inhaber und Betreuer der Datenbank fungiert.

Bitcoin war die erste groß angelegte Anwendung der Blockchain, und Blockchain ist die Grundlage von Bitcoin.

Das Bitcoin-System kann in drei Schichten unterteilt werden: die Datenschicht, die Protokollschicht und die Anwendungsschicht. Beginnen wir mit dem „Ledger“ (Datenschicht), über den jedes Mitglied des Bitcoin-Systems verfügt.

Von Merkle-Bäumen zu Block-„Ketten“

Eine Blockchain ist im Wesentlichen ein verteiltes Hauptbuch, das von allen Knoten im Netzwerk verwaltet wird, wobei jeder Knoten die gesamten Blockchain-Daten speichert. Die von einem Knoten gespeicherte Blockkette ist eine geordnete Kette miteinander verbundener Blöcke, und der Block selbst ist eine unveränderliche Datenstruktur, die vom kryptografischen Hash-Algorithmus verwaltet wird.

Die Hash-Funktion (SHA-256 und RipeMD160) ist ein wichtiger kryptografischer Algorithmus in Bitcoin, der einen Eingabewert beliebiger Länge in einen Ausgabewert fester Länge mit Zufälligkeit und kollisionsfreien Funktionen umwandeln kann. Und es ist schwierig, den Eingabewert zu erraten eine Hash-Funktion aus ihrer Ausgabe. Eine kleine Änderung der Eingabe kann zu einer drastisch anderen Ausgabe führen. Die Ausgabe einer Hash-Funktion kann leicht aus der Eingabe abgeleitet werden, aber das Ableiten der Eingabe aus der Ausgabe erfordert eine Brute-Force-Aufzählung, die viel Zeit und Rechenleistung erfordert. Die wiederholte Verwendung von Hash-Funktionen vereinfacht und definiert die Datenstruktur von Bitcoin.

Ein Bitcoin-Block besteht aus zwei Teilen: dem Blockkörper und dem Blockheader. Der Blockkörper enthält alle Transaktionsinformationen zu diesem Block, die mehrmals gehasht werden, um eine Struktur zu bilden, die als Merkle-Baum bekannt ist und den Blockkörper bildet. Die erste Transaktionsnachricht auf jedem dieser Blöcke wird auch als Coinbase-Transaktion bezeichnet und ist die Transaktion, die neue Bitcoins generiert und diese an den Miner belohnt, während alle anderen Transaktionen Übertragungen zwischen Benutzern untereinander sind.

Diese Transaktionen durchlaufen mehrere Hashing-Vorgänge, um schließlich zu einem Wert namens Merkle Hash zu gelangen, der die Summe aller Transaktionsdaten ist. Der Merkle-Hash bildet zusammen mit Nunce, Zeitstempeln, übergeordneten Block-Hashes und anderen Daten den Block-Header, und durch Berechnen des Hash-Werts des Block-Headers kann der Block-Hash dieses Blocks ermittelt werden. Da der Blockheader jedes Blocks den Hashwert des übergeordneten Blocks enthält, sind alle Blöcke zu einer Kette verbunden. Die Blöcke sind miteinander verbunden und jede Änderung der Blockdaten führt zu einer Änderung des Block-Hashs, wodurch die Kette unterbrochen wird.

Proof-of-Work (PoW): der Konsensmechanismus für Netzwerksicherheit

Nachdem wir das von jedem Knoten gehaltene „Ledger“ (Datenschicht) vorgestellt haben, gehen wir zur Bitcoin-Konsensschicht über, die für die Netzwerksicherheit verantwortlich ist.

Bevor wir uns mit dem verteilten Konsens befassen, ist es wichtig, das Problem der „byzantinischen Generäle“ zu verstehen.

Byzantinische Generäle: Ein Problem bei der Synchronisierung mehrerer Nachrichten

Das Problem der byzantinischen Generäle geht auf das Mittelalter zurück, als die byzantinische Armee aufgrund des riesigen Territoriums von Byzanz auf Boten zur Übermittlung von Informationen angewiesen war. Wenn ein Verräter die operativen Informationen der Vorgesetzten absichtlich falsch darstellte, führte dies zu inkonsistenten Einsatzplänen, was zum „Problem der byzantinischen Generäle“ führte.

Das Bitcoin-Netzwerk besteht aus einer Reihe dezentraler Knoten, von denen jeder ein unabhängiges, autonomes und gleichberechtigtes „Korps“ ist. Jeder Knoten im Netzwerk verfügt über eine eigene, einzigartige Kopie der Blockchain-Daten, und alle möchten als Erste die Transaktionen verpacken und die Bitcoin-Belohnungen verdienen. Welchem Knoten wird es also gelingen, die Ledger-Rechte zu erlangen und das gesamte Netzwerk davon zu überzeugen, einen Konsens zur Änderung der Blockchain-Daten zu erzielen?

Proof-of-Work (PoW): Berechnen Sie die Antwort und veröffentlichen Sie sie zur Echtzeitüberprüfung im Netzwerk

Die Antwort von Bitcoin ist der Proof-of-Work (PoW)-Konsensmechanismus, allgemein bekannt als „Mining“, ein digitaler Rechenprozess, der von Knoten ausgeführt wird und bei dem der erste Knoten, der die „Antwort“ findet, die Ledger-Rechte erhält. Insbesondere muss der Knoten weiterhin versuchen, die Nunce des Blockheaders zu ändern, den Block-Hash zu berechnen und schließlich einen Block-Hash zu erhalten, bei dem die ersten paar Bits Null sind.

An diesem Punkt ist der Nunce-Wert die Antwort auf die Frage. Nachdem die Antwort gefunden wurde, sendet der Knoten sie an andere Netzwerkknoten. Nach Überprüfung der Antwort übernehmen die anderen Knoten den Block schnell als neuen übergeordneten Knoten und setzen die nächste Runde der Mining-Operationen fort.

Dies stellt insofern ein Problem dar, als die Übertragung der Daten zwischen den Knoten einige Zeit in Anspruch nimmt und es durchaus möglich ist, dass zwei oder mehr Knoten gleichzeitig die Antwort auf das Rätsel gefunden haben, bevor sich die Community als Ganzes geeinigt hat. Da jedoch zwei Knoten unterschiedliche Coinbase-Transaktionen verpacken, führt dies zu zwei unterschiedlichen gültigen Blöcken. Aufgrund der unterschiedlichen Signalisierungssequenzen werden Miner-Knoten auf beiden Forks-Ketten betrieben. Zu diesem Zeitpunkt folgt das Bitcoin-Netzwerk der „Longest-Chain-Regel“ und behandelt die Fork-Chain mit den meisten Blöcken als einzige anerkannte Blockchain. Dieser Fork-Wettbewerb wird normalerweise in weniger als 6 Blöcken abgeschlossen und alle Transaktionen auf der anderen verlassenen Kette werden ungültig.

Die Essenz von Bitcoin: UXTO-Modell

Bitcoin-Knoten können Aktualisierungen des Distributed Ledgers durch Mining und die Regel der längsten Kette synchronisieren, um einen Konsens zu erzielen. Dieses konsensbasierte Distributed Ledger ermöglicht auch Peer-to-Peer-Digitalwährungen wie Bitcoin.

Herkömmliche elektronische Währungen verwenden ein zentralisiertes Kontosystem, bei dem Konten für jeden Benutzer auf einem zentralen Server erstellt werden und die Kontostandsdaten für alle Konten gespeichert werden. Nach jeder Transaktion wird der Kontostand in chronologischer Reihenfolge erhöht oder verringert. Bitcoin hingegen verwendet ein UXTO-Modell, das die Ausgabe nicht ausgegebener Transaktionen darstellt.

Zur Absicherung von Bitcoin-Transaktionen wird asymmetrische Kryptographie eingesetzt. Jeder Bitcoin-Benutzer muss über ein Paar öffentlicher und privater Schlüssel verfügen, ähnlich einem Konto und einem Passwort. Der Benutzer muss die Transaktionsdaten mit dem privaten Schlüssel signieren und die Transaktionsdaten, die Signatur und den öffentlichen Schlüssel zusammen veröffentlichen. Bei jeder Transaktion überweist der Benutzer jedoch nicht den Kontostand direkt, sondern verwendet den „nicht ausgegebenen Betrag“ der mehreren vorherigen Transaktionen, d UTXO.

Im Bitcoin-System gibt es kein Konzept für ein Konto oder einen Kontostand, sondern nur den UTXO aller Transaktionen im historischen Datensatz. Bitcoin-Wallets können die Daten aller vorherigen Transaktionen scannen und den Gesamt-UTXO einer bestimmten Adresse (d. h. öffentlichen Schlüssel) berechnen, um den Kontostand zu ermitteln. Wenn eine Transaktion initiiert wird, können Bitcoin-Wallets außerdem automatisch den UTXO mit dem richtigen Guthaben abgleichen, um die Übertragung abzuschließen.

Höhepunkte

• Bitcoin basiert auf der Blocktechnologie. Die Blockchain ist eine dezentrale Datenbank, die zum Erstellen eines verteilten Hauptbuchs verwendet wird, sodass kein Vertrauen Dritter erforderlich ist und jeder Knoten im Netzwerk als Datenverwalter fungiert.
• Bitcoin verwendet den SHA256-Algorithmus, um Hashes zu generieren und Daten in Blockheadern und Blockkörpern zu speichern. Es entsteht eine Struktur aus einzelnen, miteinander verketteten Blöcken, und da die Daten unveränderlich sind, ist sie äußerst sicher.
• Der Konsensmechanismus von Bitcoin ist Proof-of-Work (PoW), ein Mechanismus, der es Knoten ermöglicht, Rechenleistung zur Lösung eines Rätsels aufzuwenden und die Transaktion dann mit anderen Knoten für die Blockbelohnung zu synchronisieren.