Neue Algorithmen sind sicher wie Blockchains, aber einfacher, schneller und energieeffizienter

Eine nahezu energiefreie Alternative zu Bitcoin und anderen Blockchain-basierten Kryptowährungen, die ebenso viel Sicherheit, aber weitaus höhere Geschwindigkeiten verspricht, wird derzeit in Europa entwickelt, wie eine neue Studie zeigt.

Kryptowährungen wie Bitcoin sind digitale Währungen, die Kryptografie nutzen, um Finanztransaktionen zwischen Einzelpersonen zu schützen und zu ermöglichen, wodurch dritte Mittelsmänner wie Banken oder Kreditkartenunternehmen unnötig werden. Das explosionsartige Interesse an Bitcoin machte es zur weltweit am schnellsten wachsenden Währung seit Jahren.

Ein großer Schwachpunkt von Bitcoin ist jedoch der außerordentliche Energiebedarf und die enormen Mengen des Treibhausgases Kohlendioxid, die dadurch freigesetzt werden. Berichten zufolge verbraucht Bitcoin weltweit so viel Strom wie ganz Österreich und hat einen globalen CO2-Fußabdruck, der mit dem Dänemarks vergleichbar ist.

Bei der Suche nach alternativen Ansätzen für Kryptowährungen stellten Informatiker fest, dass in dem Papier aus dem Jahr 2008, in dem Bitcoin zum ersten Mal beschrieben wurde, erklärt wurde, dass das Herzstück des Protokolls darin besteht, Doppelausgaben zu verhindern. Diese potenzielle Schwachstelle in jedem digitalen Geldsystem würde es ermöglichen, dass ein digitaler Token mehr als einmal ausgegeben wird.

Um dieses Problem zu lösen, sendet Bitcoin Nachrichten an sein gesamtes Netzwerk, damit jeder jede Transaktion bestätigt, um zu verhindern, dass böswillige sogenannte “byzantinische” Spieler betrügen. Bitcoin erreicht diesen Konsens, indem es eine Blockchain einführt, ein sicheres Hauptbuch aller Transaktionen im System, das von der Gemeinschaft der Nutzer und nicht von einem Vermittler wie einer Bank geführt wird.

Damit Blockchains einen Konsens über die Gültigkeit aller Transaktionen erreichen können, müssen die Nutzer komplexe, energieintensive Rechenaufgaben (“proof of work”) ausführen. Die vielen anderen Kryptowährungen, die nach dem Aufkommen von Bitcoin entwickelt wurden, basieren im Allgemeinen ebenfalls auf Blockchains.

Der Hauptautor der Studie, Rachid Guerraoui, ein Informatiker an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne in der Schweiz, und seine Kollegen argumentieren jedoch, dass Bitcoin und andere Kryptowährungen, die auf Blockchains basieren, im Grunde genommen zu viel des Guten sind. Sie schlagen vor, dass die Lösung des Problems der Doppelausgaben nicht die komplexe Aufgabe erfordert, einen Konsens zu erreichen. Stattdessen können viel einfachere, schnellere und weniger energieintensive Algorithmen ausreichen.

Die neuesten Algorithmen, die die Wissenschaftler entwickelt haben, verbreiten Nachrichten über jede Transaktion auf eine Art und Weise, die dem Klatsch ähnelt: Ein Nutzer erzählt einer kleinen Gruppe von der Transaktion, und diese informiert wiederum andere darüber, und so weiter, wobei sich die Nachricht exponentiell an eine wachsende Zahl von Teilnehmern im System verbreitet. Bei Milliarden von Nutzern dauert es nur ein paar Dutzend Kommunikationsrunden, bis eine Nachricht jedes andere Mitglied des Systems erreicht, so die Forscher.

Anstatt für jede Transaktion den Konsens aller Teilnehmer des Systems zu suchen, prüfen die Algorithmen, ob eine zufällige Stichprobe von Nutzern Nachrichten über jede Transaktion erhalten hat. Wenn diese Stichprobe ausreichend groß ist, ist die Wahrscheinlichkeit, dass böswillige Angreifer dem System eine andere Transaktion vorgaukeln können, so gering, dass solche Hacks innerhalb des Zeitalters des Universums nicht vorkommen, so die Forscher.

Die Forscher sagen, dass ihre konsenslosen Algorithmen nicht nur sicher sind, sondern auch vernachlässigbare Mengen an Strom verbrauchen, wobei jede Transaktion etwa so viel Energie benötigt wie der Austausch von E-Mails.

“Es ist definitiv weniger energieintensiv als Bitcoin”, sagt Guerraoui. Die Wissenschaftler haben ihre neuesten Erkenntnisse in einer Studie dargelegt, die am 16. Oktober auf dem International Symposium on Distributed Computing in Budapest vorgestellt wird und bereits mit dem Best Paper Award dieser Tagung ausgezeichnet wurde.

Die konsenslosen Algorithmen erzeugen außerdem nur wenige Gramm Kohlendioxid pro Transaktion, verglichen mit geschätzten 300 Kilogramm pro Bitcoin-Transaktion. Während das ursprüngliche Bitcoin-Protokoll bis zu einer Stunde brauchte, um zu bestätigen, dass eine Transaktion korrekt durchgeführt wurde, können die Prototyp-Algorithmen des Schweizer Teams dies in weniger als einer Sekunde tun.

Die Algorithmen lassen sich nicht nur auf Währungen anwenden, sondern können auch dazu beitragen, das Eigentum an anderen Vermögenswerten, wie z. B. Grundstücken, sicher zu übertragen, so Guerraoui. Die Forscher untersuchen derzeit, inwieweit ihre Algorithmen auch für andere Arten von Transaktionen eingesetzt werden können, zu denen Blockchains in der Lage sind, wie z. B. die Implementierung von “Smart Contracts”. Dabei handelt es sich um Verträge, in denen sich die Teilnehmer verpflichten, eine Aufgabe auf der Grundlage einer Reihe von Bedingungen auszuführen.