27.05.2022

Nachhaltige Blockchain

Was würden Sie mit 1.882.244 Euro machen? - Eine nachhaltige Blockchain? Resultate aus fünf Jahren europäisch finanzierter Kryptographieforschung am ISTA. Für viele bleibt diese Frage ein bloßer Lotterietraum, aber im Fall von Krzysztof Pietrzak, Informatikprofessor für Kryptographie am Institute of Science and Technology Austria (ISTA), war die vorgeschlagene Antwort überzeugend genug, um das Geld in Form einer Förderung – eines sogenannten Grants – des Europäischen Forschungsrats (ERC) zu erhalten. Mit dem 2015 erhaltenen Geld machte er sich daran, die Sicherheit bestehender Algorithmen mathematisch zu beweisen und damit die Grundlagen der Kryptographie zu erweitern. „Wir haben bei allen Projekten in diesem Antrag Fortschritte gemacht, aber die spannendsten Forschungen wie jene zu nachhaltigen Blockchains entstanden spontan“, meint Pietrzak. „Vor allem für uns Theoretiker_innen kann das Ergebnis einer ERC-Förderung ganz anders ausfallen als erwartet.“

STOCKFOTO*

Neugier und erfolgreiches Fischen nach Förderungen der EU

Die auf Neugier basierende Forschung am ISTA ist beim Aufstellen der heiß umkämpften ERC-Grants äußerst erfolgreich: 43 Professor_innen erhielten bereits 52 solcher Förderungen, also insgesamt 86,5 Millionen Euro. Den Spitzenforscher_innen bietet das Grant Office am ISTA zusätzliche Unterstützung bei der Beantragung an. Das Förderprogramm der Europäischen Union ermöglicht exzellente Grundlagenforschung in allen Disziplinen und finanzierte im Fall von Pietrzak Praktika, Doktoratsstellen und Postdocs. Sie arbeiteten an alternativen Kryptowährungen und theoretischen Grundlagen des Feldes.

Pietrzak*

Proof of Space

Bitcoin und andere Kryptowährungen arbeiten mit Blockchains, die auf dem Prinzip „Proof of Work“ basieren. Blöcke sind im Grunde öffentliche Auflistungen von Transaktionen, die dann zu einer Kette – der Blockchain – verbunden werden. Die Blockchain enthält den gesamten Verlauf der Transaktionen und kann nicht geändert werden. Um potenzielle Angreifer_innen aufzuhalten, wird das Hinzufügen von Blöcken zur Kette rechnerisch sehr aufwändig gestaltet. Für ehrliche Teilnehmer_innen sind Belohnungen in Form von „Münzen“ der Kryptowährung der Anreiz, um Rechenleistung beizusteuern und den nächsten Block zu berechnen. Missbrauch des Systems wird dadurch verhindert, dass es praktisch unmöglich ist, als einzelne Person mehr Rechenleistung als alle ehrlichen Teilnehmer_innen zusammen zu kontrollieren. Trotz des Erfolgs fanden Pietrzak und seine Kolleg_innen bereits 2011 erhebliche Mängel.

Kann eine Blockchain demokratisch und ökologisch sein?

Mit spezieller Hardware lässt sich viel effizienter nach Blöcken suchen als mit allgemeinen Prozessoren wie CPUs. Diese spezialisierte Hardware wird gerade von großen Akteur_innen eingesetzt und untergräbt damit den dezentralen, demokratischen Anspruch, dass alle mit der eigenen CPU einen Beitrag leisten können: also – kleine Mitspieler haben weniger Möglichkeiten!

Außerdem verbraucht die Berechnung Energie, und je nach Standort der Hardware wird diese Energie fossil erzeugt und verursacht CO2-Emissionen. Mit derzeit 75 Millionen Tonnen CO2-Emissionen pro Jahr hat Bitcoin allein beinahe den CO2-Fußabdruck Österreichs und verschärft damit die Klimakrise. „Und damit das Protokoll funktioniert, müssen ehrliche Parteien ständig mehr Energie verbrauchen als unehrliche, um das Bitcoin-System aufrechtzuerhalten”, kritisiert Pietrzak das verschwenderische Konzept.

Krzysztof und seine Freunde finden den Space

Krzysztof Pietrzak und seine Kolleg_innen haben ein alternatives Beweissystem vorgeschlagen. Es basiert nicht auf ständiger Rechenarbeit, sondern auf freiem Speicherplatz. Ein „Proof of Space“ nutzt freien Festplattenspeicher (space) und nicht Berechnungen (work), um die Blockchain zu sichern. Der Speicherplatz muss einmal initialisiert werden, danach ist die Suche nach Blöcken nahezu ressourcenneutral, was zu einer viel effizienteren Kryptowährung führt.

Was wird noch alles im Bereich Informatik erforscht?

Zum Beispiel wird zu verifizierbare Verzögerungsfunktionen (engl. verifiably delay functions) geforscht. Was ist das? Das sind Funktionen, deren Berechnung von Natur aus nacheinander erfolgt und daher nicht durch parallele Rechnungen beschleunigt werden kann. In jüngster Zeit finden sie Verwendung in digitalen Zeitstempeln und Replikationsbeweisen.

Was noch: zB. speicherintensive Funktionen (engl. memory-hard functions). Solche Funktionen sind erforderlich, um Angriffe zu verhindern, die Passwörter solange ausprobieren, bis sie das richtige finden.

In Zukunft will die Gruppe ihre Spitzenforschung im Bereich nachhaltiger Kryptowährungen fortsetzen, sich mit sicheren Gruppennachrichten befassen und leckresistente Verschlüsselung überarbeiten. Letztere sind kryptografische Verfahren, die trotz Manipulationen an der zugrundeliegenden Hardware sicher bleiben.

Alles in allem: spannend und ein bisschen geheimnisvoll!