Ein kooperatives Proof-of-Work-Schema für verteilte Konsensprotokolle

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

Dieses Papier schlägt eine Verfeinerung des traditionellen Proof-of-Work (PoW)-Schemas vor, bei dem typischerweise ein Nonce gefunden werden muss, das zu einer kryptografischen Hash-Ausgabe mit einer erforderlichen Anzahl führender Nullen führt. Die Kerninnovation ist ein kooperatives Proof-of-Work-Schema, das darauf ausgelegt ist, mehreren autonomen Nutzern die Zusammenarbeit bei der Erzeugung des Nachweises für ihre eigenen Transaktionen zu ermöglichen. Diese Zusammenarbeit zielt darauf ab, einen Konsens über die Reihenfolge von Transaktionen innerhalb eines verteilten Ledgers zu erzielen, ohne sich auf zentralisierte Mining-Pools zu verlassen.

Das vorgeschlagene Schema versucht, inhärente Probleme des Standard-PoW anzugehen, wie die Fehlausrichtung der Anreize in Mining-Pools und den wettbewerbsorientierten, energieintensiven Wettlauf unter Minern. Durch die Ermöglichung direkter Kooperation sieht es vor, Transaktionsgebühren (an Miner gezahlt) durch Transaktionssteuern (von den transaktionsdurchführenden Nutzern selbst gezahlt) zu ersetzen. Dieser Wechsel hat das Potenzial, den "inflationären Effekt auf den Energieverbrauch" im Zusammenhang mit wettbewerbsorientiertem Mining abzumildern und sparsamere, kooperative Strategien zu fördern.

Dargestellte potenzielle Vorteile sind:

• Verbesserter Schutz vor Diskriminierung von Nutzern durch Transaktions-Miner.
• Erhöhter Systemdurchsatz aufgrund reduzierten Wettbewerbs zwischen Minern.
• Größere Abschreckung gegen Denial-of-Service (DoS)-Angriffe, da Angriffe die Transaktionssteuerkosten verursachen würden.

2. Konsens

Das Papier rahmt das Problem im Kontext von Peer-to-Peer (P2P)-Netzwerken ein, die ein verteiltes Ledger benötigen. Alle Peers müssen sich über den Zustand des Ledgers einigen, ohne eine zentrale Autorität oder eine vorherige Leader-Wahl.

Die grundlegende Herausforderung ist die Nachrichtenausbreitungsverzögerung. In einer idealen, niedrigfrequenten Transaktionsumgebung könnte Konsens erreicht werden, indem eine Pause im Netzwerkverkehr beobachtet wird – ein "vollständiger Stopp" – was darauf hindeutet, dass alle Peers wahrscheinlich denselben Satz von Nachrichten gesehen haben. Diese Nachrichten könnten dann kanonisch geordnet (z.B. durch Hash) und an das Ledger angehängt werden.

Allerdings sind reale Transaktionsfrequenzen für dieses einfache Schema zu hoch. Hier wird Proof-of-Work entscheidend. Durch die Forderung von Rechenaufwand (Lösen eines kryptografischen Rätsels) senkt PoW künstlich die effektive Rate, mit der ein einzelner Peer neue Ledger-Einträge vorschlagen kann. Die Schwierigkeit des Rätsels kann kalibriert werden, um eine Obergrenze für die Transaktionsfrequenz festzulegen und so die notwendigen "Ruheperioden" für das Entstehen eines de-facto-Konsenses zu schaffen.

3. Kooperatives Proof of Work

Das Papier formalisiert das kooperative Schema, aber der vorliegende Auszug bricht ab. Basierend auf der Einleitung beinhaltet die Formalisierung wahrscheinlich einen Mechanismus, bei dem:

1. Nutzer, die zu einer Transaktion beitragen, auch Rechenleistung beisteuern können, um das zugehörige PoW-Rätsel zu lösen.
2. Der kollektive Aufwand die Arbeit eines einzelnen Miners ersetzt.
3. Der Konsens über die Transaktionsreihenfolge aus dieser kooperativen Anstrengung abgeleitet wird, möglicherweise verbunden mit der Gruppe der kooperierenden Nutzer.
4. Die "Steuer" ein obligatorischer Beitrag (in Form von Rechenaufwand oder abgeleiteten Kosten) ist, der von den Transaktionsparteien gezahlt wird und die Kosten des Konsenses internalisiert.

Dies steht im Gegensatz zum traditionellen Modell, bei dem externe Miner um die Lösung von PoW für Gebühren konkurrieren, was zu Pools und potenzieller Zentralisierung führt.

4. Kernidee & Analystenperspektive

Kernidee: Kuijpers Papier ist nicht nur eine Anpassung von Hash-Algorithmen; es ist ein grundlegender wirtschafts- und spieltheoretischer Eingriff in das Blockchain-Design. Die eigentliche Innovation ist die Entkopplung des Konsensaufwands vom profitgetriebenen Mining und die direkte Kopplung an den Transaktionsnutzen. Der Wechsel von Gebühren-an-Miner zu Steuern-durch-Nutzer dreht die Anreizstruktur auf den Kopf und zielt darauf ab, die Netzwerkgüte mit Nutzerkooperation statt Minerwettbewerb in Einklang zu bringen. Dies spiegelt Prinzipien wider, die in der Mechanismus-Design-Forschung von Institutionen wie dem Stanford Crypto Economics Lab untersucht werden, die erforschen, wie Anreize strukturiert werden können, um gewünschte Systemergebnisse zu erzielen.

Logischer Ablauf: Die Argumentation ist logisch schlüssig, beruht aber auf einer kritischen, unbewiesenen Annahme: dass Nutzer effizient und ehrlich kooperieren werden, ohne neue Koordinationsaufwände oder Angriffsvektoren einzuführen. Das Papier identifiziert korrekt die Energieverschwendung und den Zentralisierungsdruck (durch Pools) im Bitcoin-PoW, wie in zahlreichen Studien dokumentiert (z.B. der Cambridge Bitcoin Electricity Consumption Index). Es postuliert dann Kooperation als Gegenmittel. Der logische Sprung ist jedoch die Annahme, dass Kooperation in einer vertrauenslosen Umgebung einfacher zu orchestrieren ist als Wettbewerb. Die Geschichte von P2P-Systemen zeigt, dass Zusammenarbeit oft komplexe Protokolle erfordert (wie BitTorrents Tit-for-Tat), um Trittbrettfahren zu verhindern – ein Problem, das dieses Schema lösen muss.

Stärken & Schwächen: Stärken: Die Vision ist überzeugend. Die Reduzierung der Energieinflation und der durch Miner verursachten Diskriminierung sind noble Ziele. Das Konzept einer "Transaktionssteuer", die Externalitäten internalisiert, ist wirtschaftlich elegant, ähnlich wie Konzepte einer CO2-Steuer auf Rechenverschwendung. Schwächen: Das Papier ist auffallend vage beim "Wie". Die Formalisierung bricht ab, aber selbst die Prämisse enthält keinen konkreten Mechanismus, um Sybil-Angriffe zu verhindern, bei denen ein Nutzer viele gefälschte Identitäten erstellt, um seinen fairen Arbeitsbeitrag zu umgehen. Wie wird die "kooperative Arbeit" verifiziert und zugeordnet? Ohne dies könnte das System anfälliger, nicht weniger anfällig sein. Darüber hinaus führt der Ersatz eines bekannten, erprobten Wettbewerbsmodells durch ein neuartiges kooperatives Modell erhebliche Risiken und Akzeptanzhürden ein, eine Herausforderung, der sich auch andere Konsensinnovationen wie Proof-of-Stake in ihren frühen Kritikphasen gegenübersahen.

Umsetzbare Erkenntnisse: Für Forscher ist dieses Papier eine Fundgrube für Folgearbeiten. Der unmittelbare nächste Schritt ist das Design und die Simulation eines spezifischen kooperativen PoW-Spiels, um seine Nash-Gleichgewichte zu analysieren. Führt es unweigerlich zu Kooperation, oder kann es manipuliert werden? Für Praktiker ist der zentrale Erkenntnisgewinn das Prinzip, nicht die sofortige Implementierung. Überlegen Sie, wie Sie "kooperative Kosteninternalisierung" in Ihrem Systemdesign anwenden können. Könnte ein Hybridmodell funktionieren, bei dem eine Basistransaktionssteuer einen dezentralen Satz von Validatoren finanziert und Ideen aus diesem Papier mit delegated Proof-of-Stake verbindet? Die Kernidee – den Transaktionsaussteller für die Konsenskosten verantwortlich zu machen – sollte in Layer-2-Lösungen oder neuen Ledger-Designs untersucht werden, bei denen das Bedrohungsmodell sich von Bitcoins vollständig erlaubnisfreier Umgebung unterscheidet.

5. Technische Details & Mathematische Formalisierung

Während die vollständige Formalisierung abgeschnitten ist, baut das vorgeschlagene Schema auf dem standardmäßigen kryptografischen Hash-basierten PoW auf. Das traditionelle PoW erfordert das Finden eines Nonce $n$, sodass für Blockdaten $B$, Hash-Funktion $H$ und Schwierigkeitsziel $T$ gilt:

$H(B, n) < T$

In einem kooperativen Setting wandelt sich dies wahrscheinlich. Angenommen, ein Transaktionssatz $\tau$ wird von einer Gruppe von Nutzern $U = \{u_1, u_2, ..., u_k\}$ vorgeschlagen. Jeder Nutzer $u_i$ steuert eine Teillösung $w_i$ bei. Das kooperative PoW könnte erfordern:

$H(\tau, \text{Aggregate}(w_1, w_2, ..., w_k)) < T$

Wobei $\text{Aggregate}$ eine Funktion ist, die individuelle Beiträge kombiniert. Der Steuermechanismus impliziert, dass jeder $u_i$ Ressourcen proportional zu seinem Anteil oder seiner Rolle in $\tau$ aufwenden muss, um sicherzustellen, dass die kollektive Arbeit die Schwierigkeit $T$ erfüllt. Die Verifizierung müsste bestätigen, dass jedes $w_i$ gültig und eindeutig beigetragen ist, um Replay- oder Fälschungsangriffe zu verhindern.

6. Analyseframework & Konzeptionelles Beispiel

Szenario: Alice, Bob und Charlie möchten, dass ihre Transaktionen ($tx_a$, $tx_b$, $tx_c$) in den nächsten Block aufgenommen werden.

Traditionelles PoW (Wettbewerbsorientiert): Miner M1, M2, M3 konkurrieren darum, $H(block, n) < T$ für einen Block zu lösen, der diese Transaktionen plus Gebühren enthält. Der Gewinner (z.B. M2) erhält die Gebühren. Alice, Bob und Charlie sind passiv.

Kooperatives PoW (Vorgeschlagen):

1. Alice, Bob und Charlie bilden eine temporäre Gruppe für ihre Transaktionen.
2. Das Protokoll weist ihnen ein gemeinsames Rätsel zu: Finde Eingaben $(w_a, w_b, w_c)$, sodass $H(tx_a, tx_b, tx_c, w_a, w_b, w_c) < T$.
3. Sie berechnen jeweils Teillösungen lokal. Alice findet $w_a$, Bob findet $w_b$, Charlie findet $w_c$.
4. Sie kombinieren ihre Ergebnisse. Die kombinierte Arbeit erfüllt die Schwierigkeit.
5. Sie senden die Transaktionen zusammen mit dem gemeinsamen Nachweis $(w_a, w_b, w_c)$ aus.
6. Das Netzwerk verifiziert den Hash und dass jedes $w_i$ mit seinem jeweiligen Transaktionsbesitzer verknüpft ist.
7. Anstatt Gebühren zu zahlen, haben sie jeweils eine "Steuer" in Form ihres Rechenaufwands $w_i$ "gezahlt". Ihre Transaktionen werden angehängt.

Zentrale Herausforderung in diesem Framework: Zu verhindern, dass Charlie sich drückt und eine Lösung aus einer vorherigen Epoche (Replay-Angriff) verwendet oder Bobs Arbeit kopiert. Das Protokoll benötigt eine Möglichkeit, $w_i$ an die Identität $u_i$ und den spezifischen Transaktionsbatch zu binden, möglicherweise unter Verwendung digitaler Signaturen: $w_i = \text{Sign}_{u_i}(H(tx_i) \, || \, \text{epoch})$. Dies erhöht die Komplexität.

7. Anwendungsausblick & Zukünftige Richtungen

Unmittelbare Anwendungen: Dieses Schema ist am ehesten in Konsortium-Blockchains oder spezialisierten dezentralen Anwendungen (dApps) praktikabel, bei denen Teilnehmer eine bereits bestehende, halb-vertrauensvolle Beziehung haben. Zum Beispiel ein Lieferkettenkonsortium, bei dem alle Mitglieder bekannt sind und sich einig sind, die Last der Ledger-Pflege für ihre gegenseitigen Transaktionen zu teilen.

Zukünftige Forschungsrichtungen:

1. Formale spieltheoretische Analyse: Modellierung des Schemas als Spiel, um stabile, kooperative Gleichgewichte und potenzielle Sabotagestrategien zu identifizieren.
2. Hybridmodelle: Kombination von kooperativem PoW mit anderen Konsensmechanismen (z.B. Proof-of-Stake für Finalität, kooperatives PoW für die Reihenfolge).
3. Layer-2-Integration: Implementierung des kooperativen Steuermodells auf Layer-2-Rollups, bei denen Transaktionsbatches auf einer Hauptkette finalisiert werden. Nutzer des Rollups könnten kooperativ die Gültigkeit ihres Batches nachweisen.
4. Verifiable Delay Function (VDF)-Integration: Ersetzen oder Ergänzen des Hash-Rätsels durch eine VDF-basierte Aufgabe. Dies könnte sicherstellen, dass die "Arbeit" zeitbasiert und nicht parallelisierbar ist und möglicherweise die Messung fairer Beiträge vereinfacht.
5. Standardisierung von Beitragsnachweisen: Entwicklung leichtgewichtiger kryptografischer Protokolle zum Nachweis individueller Beiträge zu einem gemeinsamen Nachweis, ein Problem, das der Zero-Knowledge-Proof-Forschung nahesteht.

Die langfristige Vision ist ein Blockchain-Ökosystem, in dem die Umwelt- und Wirtschaftskosten des Konsenses direkt von denen getragen werden, die von der Transaktion profitieren, was Nachhaltigkeit und Fairness fördert – ein bedeutender Schritt über das erstgenerationelle "Der-Gewinner-nimmt-alles"-Mining-Paradigma hinaus.

8. Referenzen

1. Nakamoto, S. (2008). Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System.
2. Demers, A., et al. (1987). Epidemic Algorithms for Replicated Database Maintenance. Proceedings of the Sixth Annual ACM Symposium on Principles of Distributed Computing.
3. Eyal, I., & Sirer, E. G. (2014). Majority is not Enough: Bitcoin Mining is Vulnerable. International Conference on Financial Cryptography and Data Security.
4. Back, A. (2002). Hashcash - A Denial of Service Counter-Measure.
5. Cambridge Centre for Alternative Finance. (2023). Cambridge Bitcoin Electricity Consumption Index (CBECI). [https://ccaf.io/cbeci/index](https://ccaf.io/cbeci/index)
6. Zhu, J., et al. (2017). Unpaired Image-to-Image Translation using Cycle-Consistent Adversarial Networks (CycleGAN). IEEE International Conference on Computer Vision (ICCV). [Zitiert als Beispiel für ein Papier, das einen neuartigen, strukturell anderen Ansatz (Zykluskonsistenz) für ein bekanntes Problem (Bildübersetzung) einführt, analog zum neuartigen Ansatz dieses Papiers für PoW].
7. Roughgarden, T. (2020). Transaction Fee Mechanism Design for the Ethereum Blockchain: An Economic Analysis of EIP-1559. Stanford University. [Hebt die Tiefe der wirtschaftlichen Analyse hervor, die für erfolgreiche Blockchain-Anreizänderungen erforderlich ist].