Babylon: Wiederverwendung von Bitcoin-Mining zur Verbesserung der Proof-of-Stake-Sicherheit

1.1. Von Proof-of-Work zu Proof-of-Stake

Die Sicherheit von Bitcoin wird durch immense Rechenleistung (Hash-Power, ca. $1.4 \times 10^{21}$ Hashes/Sek.) untermauert, was Angriffe extrem teuer macht, jedoch zu einem enormen Energieverbrauch führt. Im Gegensatz dazu sind Proof-of-Stake (PoS) Blockchains wie Ethereum 2.0, Cardano und Cosmos energieeffizient und bieten Funktionen wie schnelle Finalität und Rechenschaftspflicht durch Staking-Strafen (Slashing). Dieser Wechsel bringt jedoch neue Sicherheitsherausforderungen mit sich.

1.2. Sicherheitsprobleme von Proof-of-Stake

Das Papier identifiziert grundlegende Einschränkungen bei der Erreichung von vertrauensminimierender kryptoökonomischer Sicherheit in reinen PoS-Systemen:

• Nicht abschreckbare Long-Range-Angriffe: Angreifer können alte, günstig erworbene Coins nutzen, um die Historie nach dem Zurückziehen des Stakes umzuschreiben – ein Unterfangen, das in PoW aufgrund der kumulativen Schwierigkeit unmöglich ist.
• Nicht abschreckbare Zensur & Blockade: Bestimmte Angriffe auf die Liveness können nicht wirtschaftlich bestraft werden.
• Bootstrapping-Problem: Neue PoS-Chains mit geringer Token-Bewertung fehlt inhärente Sicherheit.

Die Autoren stellen die These auf, dass kein PoS-Protokoll abschreckbare Sicherheit ohne externe Vertrauensannahmen bieten kann.

2.1. Kernarchitektur & Merge Mining

Babylon-Miner führen Merge Mining mit Bitcoin durch. Sie betten Babylon-bezogene Daten (z.B. PoS-Chain-Checkpoints) in Bitcoin-Blöcke ein, die sie ohnehin minen. Dies verleiht Babylon das gleiche Sicherheitsniveau wie Bitcoin zu null Grenzkosten für Energie.

2.2. Datenverfügbarkeits-Zeitstempeldienst

Der Kerndienst, den Babylon für PoS-Chains bereitstellt, ist ein Datenverfügbarkeits-Zeitstempeldienst. PoS-Chains können folgendes zeitstempeln:

• Block-Checkpoints (für Finalität)
• Betrugsnachweise (Fraud Proofs)
• Zensierte Transaktionen

Sobald Daten über Babylon auf Bitcoin zeitgestempelt sind, erben sie die Unveränderlichkeit und Zensurresistenz von Bitcoin, wodurch Bitcoin effektiv als robustes Anker dient.

3.1. Kryptoökonomisches Sicherheitstheorem

Die Sicherheit eines Babylon-verbesserten PoS-Protokolls wird formal durch ein kryptoökonomisches Sicherheitstheorem erfasst. Dieses Theorem modelliert rationale, wirtschaftlich motivierte Validatoren und definiert Sicherheit anhand der Kosten, die erforderlich sind, um Sicherheit oder Liveness zu verletzen, unter Berücksichtigung von Slashing-Strafen.

3.2. Abschreckbare Sicherheit & Liveness

Die formale Analyse zeigt, dass Babylon Folgendes ermöglicht:

• Abschreckbare Sicherheit: Jede Sicherheitsverletzung (z.B. ein Long-Range-Angriff, der einen widersprüchlichen Checkpoint erzeugt) kann kryptografisch nachgewiesen werden, und der Stake des fehlbaren Validators kann abgestraft werden. Die Kosten für einen Angriff auf die Sicherheit übersteigen die Slashing-Strafe.
• Abschreckbare Liveness: Bestimmte Klassen von Liveness-Angriffen (z.B. anhaltende Zensur von Zeitstempelanfragen) werden ebenfalls identifizierbar und bestrafbar.

Dies verschiebt die PoS-Sicherheit von einer "ehrlichen Mehrheits"-Annahme zu einer überprüfbaren, wirtschaftlichen Annahme.

4.1. Originalanalyse: Kernidee & Logischer Ablauf

Kernidee: Die Genialität von Babylon liegt nicht nur im Hybridkonsens; sie liegt in der Erkenntnis, dass die Hash-Power von Bitcoin ein versunkener Kostenfaktor, eine unterausgelastete Ressource ist. Anstatt mit Bitcoin zu konkurrieren oder es zu ersetzen, nutzt Babylon parasitär dessen Sicherheitsbudget von über 20 Milliarden US-Dollar, um die hartnäckigsten Probleme von PoS zu lösen. Dies ist eine klassische "Symbiose statt Substitution"-Strategie, die an Layer-2-Lösungen wie das Lightning Network erinnert, die die Bitcoin-Basisschicht nutzen, anstatt sie neu zu erfinden.

Logischer Ablauf: Das Argument ist messerscharf: 1) Reines PoS kann allein keine abschreckbare Sicherheit erreichen (ein negatives Ergebnis, das sie behaupten). 2) Externes Vertrauen (z.B. sozialer Konsens) ist umständlich und langsam. 3) Bitcoin bietet die teuerste, dezentralste und robusteste Quelle für externes Vertrauen, die existiert. 4) Daher: Zeitstempel-PoS-Zustände auf Bitcoin, um dessen Sicherheitseigenschaften zu erben. Der logische Sprung von Schritt 3 zu 4 ist der Ort der Innovation – diese Zeitstempelung durch Merge Mining effizient und kryptoökonomisch fundiert zu machen.

Stärken & Schwächen: Die primäre Stärke ist die elegante Wiederverwendung von Ressourcen. Es ist ein Kraftmultiplikator für die PoS-Sicherheit. Das formale Sicherheitsmodell ist ebenfalls ein bedeutender Beitrag und bietet einen rigorosen Rahmen, ähnlich denen, die bei der Analyse von Protokollen wie Tendermint Core oder Algorands Konsens verwendet werden. Die Stärke des Modells hängt jedoch stark von der Annahme des "rationalen Validators" und der genauen Bewertung der Angriffskosten gegenüber Slashing-Strafen ab – ein komplexes Spieltheorieproblem. Ein kritischer Fehler ist die Einführung einer Liveness-Abhängigkeit von Bitcoin. Wenn Bitcoin anhaltende Überlastung oder einen katastrophalen Fehler erlebt, verschlechtert sich die Sicherheit aller verbundenen PoS-Chains. Dies schafft einen neuen systemischen Risikovektor, der die Liveness um die Leistung von Bitcoin zentralisiert.

Umsetzbare Erkenntnisse: Für Investoren und Entwickler schafft Babylon eine neue Bewertungsthese: Bitcoin als Sicherheit-als-Service-Plattform. PoS-Chains müssen ihre Sicherheit nicht mehr allein aus ihrer eigenen Marktkapitalisierung bootstrappen. Dies könnte die Eintrittsbarriere für neue Chains dramatisch senken. Praktisch sollten Teams den Kompromiss zwischen dem Gewinn abschreckbarer Sicherheit und der Akzeptanz von Bitcoins ~10-Minuten-Blockzeit als Latenzuntergrenze für Finalität bewerten. Die zukünftige Roadmap muss die Liveness-Abhängigkeit adressieren, möglicherweise durch Fallback-Mechanismen oder die Nutzung mehrerer PoW-Chains, nicht nur Bitcoin.

4.2. Technische Details & Mathematische Formulierung

Die Sicherheit lässt sich durch eine Kosten-Nutzen-Analyse für einen Angreifer konzeptualisieren. Sei:

• $C_{attack}$ die Gesamtkosten zur Ausführung eines Sicherheitsangriffs (z.B. Long-Range-Revision).
• $P_{slash}$ der Wert des Stakes, der nachweislich als Folge abgestraft werden kann.
• $R$ die potenzielle Belohnung aus dem Angriff.

Ein Protokoll bietet kryptoökonomische Sicherheit, wenn für jeden durchführbaren Angriff Folgendes gilt:

$C_{attack} + P_{slash} > R$

Bei einem reinen PoS-Long-Range-Angriff ist $P_{slash} \approx 0$, weil der alte Stake zurückgezogen wurde. Babylon erhöht $P_{slash}$, indem es der PoS-Chain ermöglicht, einen Betrugsnachweis auf Bitcoin zu zeitstempeln, wodurch die Verletzung unbestreitbar und der Stake (selbst wenn kürzlich zurückgezogen) basierend auf dem unveränderlichen Eintrag abschreckbar wird. Die Kosten $C_{attack}$ beinhalten nun die Kosten für das Umschreiben sowohl der Historie der PoS-Chain als auch der Bitcoin-Blöcke, die den belastenden Zeitstempel enthalten, was rechnerisch unmöglich ist.

Der Zeitstempelprozess umfasst die Erstellung einer kryptografischen Verpflichtung (z.B. einer Merkle-Wurzel) des Checkpoints der PoS-Chain und deren Einbettung in die Bitcoin-Blockchain über eine OP_RETURN-Ausgabe oder eine ähnliche Methode während des Merge Mining.

4.3. Analyseframework & Beispielszenario

Szenario: Eine neue, auf Cosmos basierende anwendungsspezifische Blockchain ("Zone") möchte starten, hat aber eine geringe anfängliche Token-Marktkapitalisierung (10 Millionen US-Dollar). Sie ist anfällig für einen günstigen Long-Range-Angriff.

Babylon-verbessertes Protokoll:

1. Die Zone-Validatoren erstellen periodisch (z.B. alle 100 Blöcke) einen Checkpoint – einen signierten Block-Hash, der den Zustand der Chain repräsentiert.
2. Sie übermitteln diesen Checkpoint an das Babylon-Netzwerk.
3. Ein Babylon-Miner fügt beim Minen eines Bitcoin-Blocks die Merkle-Wurzel des Checkpoints in die Coinbase-Transaktion ein.
4. Sobald der Bitcoin-Block bestätigt ist (z.B. 6 Blöcke tief), gilt der Checkpoint für die Zone als finalisiert. Die Sicherheit dieser Finalität wird nun durch die Hash-Power von Bitcoin abgesichert.

Angriffsabwehr: Wenn ein Angreifer später versucht, eine widersprüchliche Chain zu erstellen, die vor diesem Checkpoint abzweigt, muss er auch die Bitcoin-Chain ab dem Block mit dem Zeitstempel umschreiben. Die Kosten dafür sind um Größenordnungen höher als der eigene Staking-Wert der Zone, was den Angriff wirtschaftlich irrational macht. Darüber hinaus bieten die Signaturen der ursprünglichen Validatoren auf dem Checkpoint einen Betrugsnachweis, der verwendet werden kann, um ihre Kaution abzustrafen, selbst wenn sie sich inzwischen entbunden haben.

Dieses Framework transformiert die Sicherheit von einer Funktion des eigenen 10-Millionen-Dollar-Stakes der Zone zu einer Funktion der milliardenschweren Sicherheit von Bitcoin, wodurch effektiv Bitcoins Sicherheit "gemietet" wird.