Zusammengeführter Bergbau

Der Arbeitsnachweis (Proof of Work, PoW) ist ein wesentlicher Bestandteil des Nakamoto-Konsenses. Es hat zwei Funktionen: Es ist ein Sybil-Widerstandsmechanismus, der zur Auswahl von Blockproduzenten verwendet wird, und es bietet außerdem eine Basislinie und ständig steigende Kosten für die Wiederherstellung der Blockchain. Deshalb heißt es, dass PoW die Bitcoin-Blockchain sichert.

Merged Mining ist eine Technik, bei der die für die Sicherung einer Blockchain aufgewendete Arbeit wiederverwendet wird, um gleichzeitig eine andere Blockchain zu sichern. So wie PoW den Nakamoto-Konsens antreibt, kann Merge-Mining den Konsens verschiedener Blockchains antreiben. Das Konsensprotokoll der zusammengeführten Mining-Kette kann auch Nakamoto oder eine Variante davon sein, wie z. B. GHOST oder DECOR. Der Vorgang der Anwendung der Merged-Mining-Technik wird oft als „Merge-Mine“ bezeichnet. Die einzige Voraussetzung für das Merge-Mining zweier Blockchains besteht darin, dass sie dieselbe Blockheader-Hashing-Funktion (und Schwierigkeitsprüfung) verwenden, um das PoW zu erhalten.

Die Funktionsweise von Merged Mining ist einfach. Nehmen wir zunächst an, dass es eine primäre Blockchain (sei es Bitcoin) und eine sekundäre Blockchain S gibt. Seien h_B und h_S zwei neue Blockheader von Bitcoin bzw. S. Sei H eine beliebige kryptografische Hash-Funktion. Um mit dem Mining zu beginnen, muss der zusammengeführte Miner die Vorlage für h_B so erstellen, dass sie eindeutig auf H(h_S) verweist. Der Bergbauprozess ändert sich kaum. Beim Mining versuchen Miner, die Nonce zu finden, die zum Arbeitsnachweis für h_B führt, der wie üblich die vom Bitcoin-Netzwerk festgelegte Schwierigkeit erfüllt (d. h. SHA256D(h_B) < Ziel_B). Wenn der Miner jedoch einen Bitcoin-Block-Header mit Arbeitsnachweis findet, der der Schwierigkeit der zusammengeführten Kette entspricht (SHA256D(h_B) < Ziel_S), dann h_B, h_S, zusammen mit einigen zusätzlichen Header-Verknüpfungsinformationen, wird zu einem gültigen Arbeitsnachweis des zusammengeführten Blocks. Der vollständige zusammengeführte Block würde den PoW und andere verbleibende kettenspezifische Daten enthalten (dh die Transaktionen, auf die h_S verweist). Der Block wird an das sekundäre Blockchain-Netzwerk gesendet, um an die sekundäre Blockchain angehängt zu werden. Mit Merged Mining können zwei verschiedene Arbeitsnachweise zum Preis von einem erstellt werden.

Verlauf

Merged Mining ist fast so alt wie Bitcoin. Im Jahr 2010 schlug Satoshi selbst den Einsatz von Merged Mining vor, um eine hypothetische BitDNS-Sidechain zu sichern, die dezentrale Domainnamen speichern würde. Die Idee wurde bald umgesetzt und als Namecoin- Altcoin eingeführt. Namecoin begann 2011 mit dem Merge-Mining mit Bitcoin, um eine höhere Sicherheit zu erreichen.

In dieser Zeit folgten andere Blockchains diesem Trend und begannen mit dem Merge-Mining mit Bitcoin. Aber es waren nicht nur Rosen. Im Jahr 2012 führte LukeJr einen 51-Prozent-Angriff auf Coiledcoin durch, das damals ein Merge-Mining mit Bitcoin war. Dieses Ereignis zeigte, dass Merge-Mining nicht das Allheilmittel für die Sicherheit jeder Blockchain ist und dass ein hoher Anreizausgleich zwischen der neuen zusammengeführten Mining-Kette und den vorherigen bestehen muss, damit dieser Mechanismus sicher ist.

Im Jahr 2014 fand ein weiteres wichtiges Ereignis statt. Dogecoin und Litecoin nutzten die gleiche Mining-Funktion und Miner begannen massenhaft zwischen den beiden Blockchains zu wechseln. Wenn Dogecoin profitabler war, wechselten sie alle dazu, Dogecoin abzubauen, was die Blockproduktion beschleunigte. Als die Anpassung des Dogecoin-Schwierigkeitsgrads einsetzte und es zu schwierig machte, profitabel zu schürfen, wechselten sie massenhaft zu Litecoin, um die Rentabilität zu maximieren, und der Zyklus wiederholte sich. Dies führte zu Instabilität der Hash-Rate, unregelmäßigen Blockraten und der Ausgabe von Token. Danach wurde die Dogecoin-Hashrate zu niedrig, um als sicher zu gelten. Die Dogecoin-Community hat beschlossen, mit Litecoin zusammengeführte Blöcke zu akzeptieren. Bis heute gab es keinen Versuch eines Bergmanns in einer Gemeinde, die andere anzugreifen. Es gibt mehrere Gründe, warum kein Angriff verübt wurde: Erstens war Merge-Mining für beide Communities von Vorteil, da sich mit Merged-Mining die Blockschwierigkeit und Blockraten wieder stabilisieren konnten. Zweitens war es auch für die Bergleute von Vorteil, die ihre Einnahmen vorübergehend verdoppeln konnten (bis die Anpassung der Blockchain-Schwierigkeit nach oben diese Schonfrist beendete). Drittens könnte bei vergleichbaren Hash-Raten kein einzelner Miner die andere Kette leicht angreifen. Viertens gab es keinen ideologischen Streit zwischen Litecoin- und Dogecoin-Gemeinschaften (wir können uns fragen, ob es in diesen Gemeinschaften ein Zugehörigkeitsgefühl gab). Bergleute würden einfach die profitabelste Kette abbauen.

Unabhängigkeit

Einer der Gründe, warum Merged Mining in der Vergangenheit bevorzugt wurde, besteht darin, dass es die Erstellung völlig unabhängiger Blockchains ermöglicht. Mit unabhängig meinen wir, dass diese Sekundärketten auch dann weiterleben können, wenn die Primärkette aufgrund eines technischen Problems pausiert oder einfach ohne Unterstützung durch ihre Community ausstirbt. Die Sekundärkette kann auch ohne Primärkette weiterhin Arbeit von den Merge-Minern erhalten. In den Anfangsjahren hatte nicht einmal Bitcoin eine gesicherte Zukunft. Einer der Gründe, warum die Rootstock-Sidechain Merge Mining für ihr Konsensprotokoll gewählt hat (anstelle eines föderierten Konsenses wie Liquid), ist, dass Rootstock während der Blockgrößenkriege erstellt wurde und ein echtes Risiko bestand, dass Bitcoin durch Angreifer gestört oder auseinandergerissen wurde eine gespaltene Gemeinschaft.

Blockpreise

Ein wichtiger Grund, Merged Mining gegenüber anderen alternativen Methoden zur Übernahme der Bitcoin-Sicherheit zu bevorzugen, besteht darin, dass Merged Mining der Sekundärkette eine höhere Blockrate ermöglicht.

Nach Bitcoin wurden alle erstellten Blockchains so konzipiert, dass sie höhere Blockraten (kürzere Blockzeiten) unterstützen. Es wird angenommen, dass sich dies negativ auf die Dezentralisierung auswirkt, da es dazu führen kann, dass Solo-Miner mehr verwaiste Blöcke generieren und sie gezwungen sind, sich größeren Pools anzuschließen, um wettbewerbsfähig zu bleiben. Hohe Blockraten haben mehrere Vorteile. Der offensichtliche Vorteil besteht darin, dass Benutzertransaktionen schneller bestätigt werden. Ein paradoxer Vorteil höherer Blockraten besteht darin, dass die Varianz der Belohnungsauszahlung verringert wird: Dies wiederum verringert die Anreize, sich großen Mining-Pools anzuschließen, was die Dezentralisierung verbessert. Die Blockrate stellt einen Kompromiss zwischen Benutzerfreundlichkeit und Dezentralisierung dar und die ideale Rate ist schwer zu finden.

Daher sollten Entwickler von Merged-Mining-Blockchains, die mit Bitcoin fusionieren wollen, sehr vorsichtig mit den Blockraten sein. Ein durchschnittliches Blockintervall von weniger als 10 Sekunden ohne die Einführung umfassenderer Konsensprotokolle kann eine zusätzliche Bandbreitenbelastung für zusammengeführte Mining-Pools bedeuten, was zu höheren Kosten führt, was sie im Vergleich zu nicht zusammengeführten Mining-Pools benachteiligen kann.

Konkurrenten für Merged Mining

Ähnlich wie beim Merged Mining von Nakamoto gibt es andere Möglichkeiten, die Sicherheit von anderen Ketten zu übernehmen. Die erste bekannte Methode wurde durch das Mastercoin/OMNI-Protokoll implementiert, gefolgt vom Counterparty-Protokoll. Auch neue Projekte wie RGB haben diese Methode übernommen. Die Methode basiert auf der Einbettung der Transaktionsdaten eines alternativen Ledgers in Bitcoin-Transaktionen. In RGB existiert diese Einbettung immer noch, sie ist jedoch vollständig im Taproot-Baum verborgen. Allerdings bildet weder die Mastercoin-/Kontrahenten- noch die RGB-Ledger-Historie eine separate Blockchain. Der Ledger-Verlauf ist einfach die sequentielle Liste spezieller Transaktionen, die in Bitcoin-Blöcken eingebettet sind. Es gibt andere Möglichkeiten, separate Blockchains zu erstellen, die die Sicherheit einer Primärkette erben, im Allgemeinen durch den Versuch, die beiden Blockchains vollständig oder teilweise zu synchronisieren. Alle basieren auf der Veröffentlichung von Daten in OP_RETURN- Ausgaben. Einige Beispiele sind Veriblock, PoX und Syncchains. Bei diesen „synchronisierten“ Ketten werden durch die Umkehrung eines primären Kettenblocks automatisch die nachfolgenden sekundären Kettenblöcke umgekehrt. Ein Nachteil besteht darin, dass sie sekundäre Blockchain-Knoten dazu zwingen, auch primäre Kettenknoten auszuführen. Während verknüpfte Blockchains gemeinsame Sicherheit (und schnelle Cross-Chain-Transfers) bieten können, kann der synchrone Konsens keine schnelleren Blockraten für die sekundäre Blockchain bereitstellen, ohne ein anderes Switched-Consens-Protokoll einzuführen (d. h Mikroblöcke von Bitcoin NG ). Im Gegenteil, eine zusammengeführte Mining-Kette kann jede Blockrate verwenden, obwohl es, wie bereits erwähnt, einen Schwellenwert gibt, bei dessen Überschreitung das zusammengeführte Mining aufgrund hoher Bandbreitenanforderungen unwirtschaftlich wird.

Kritik und Evolution

Der im Nakamoto-Konsens zusammengeführte Konsens wurde analysiert und in Forschungsarbeiten sowohl unterstützt als auch kritisiert . Allerdings konzentrieren sich alle bisherigen Forschungsarbeiten auf die praktischen Auswirkungen des Merged Mining auf die Dezentralisierung, obwohl es immer noch an einer Formalisierung der Methode mangelt. Die akademische Forschung ist nicht über die Namecoin-Merced-Mining-Methode hinausgekommen. Aber diese Methode wurde erheblich verbessert. Die Einführung der Rootstock-Bitcoin-Merced-Mining-Sidechain im Jahr 2018 belebte die Forschung wieder, was zur Entdeckung sichererer Merged-Mining-Protokolle führte, wie etwa der Fork-fähigen Varianten. Einige dieser Verbesserungen wurden in Rootstock in aufeinanderfolgenden Netzwerk-Upgrades implementiert. Die neue theoretische Forschung ist jedoch immer noch verstreut in Online-Artikeln und RSKIPs (Rootstock Improvement Proposal) und verdient eine bessere Dokumentation. Die neuen Varianten des Merged Mining, die in einem folgenden Artikel besprochen werden, können einigen bekannten Angriffen widerstehen. Beispielsweise wird allgemein angenommen, dass eine durch Merge-Mining erzeugte Sidechain nicht vor Double-Spend-Angriffen sicher sein kann, wenn die Hash-Rate des Merge-Mining niedrig ist (d. h <10 % der Primärketten-Hashrate), während dies bei einigen neuen Protokollvarianten möglich ist (unter leicht unterschiedlichen Sicherheits- und Lebendigkeitsannahmen).

Das Namecoin Merged-Mining-Design

Die Art und Weise, wie Namecoin mit Bitcoin fusioniert, ist einfach. Am Ende des Coinbase-Felds der Generierungstransaktion schreibt der Miner 4 Bytes, die angeben, dass ein AuxPow- Datensatz folgt. Diese 4 Bytes werden Magic Bytes genannt und von Namecoin verwendet, um den AuxPow-Datensatz einfach zu finden. Als nächstes finden wir den AuxPow-Datensatz, in dem die Miner den Root-Hash-Digest eines Merkle-Baums speichern müssen, der die Block-Hashes der verschiedenen Blockchains enthält, die zusammengeführt werden. Dann folgt das Feld „treeSize“, das die Anzahl der zusammengeführten Blöcke verschiedener Blockchains angibt, die im Baum enthalten sind, und ein Feld „treeNonce“, das helfen soll, Kollisionen von Ketten-IDs zu vermeiden, aber das Design ist fehlerhaft und dieser Wert wird nicht verwendet. Das folgende Diagramm zeigt einen Bitcoin-Block, der einen AuxPow-Datensatz trägt, der mit 4 Blöcken (W,X,Y und Z) aus 4 verschiedenen Merge-Mining-Blockchains verknüpft ist:

Das Namecoin-Merge-Mining-Design

Damit Namecoin-Knoten den Arbeitsnachweis eines Namecoin-Blocks überprüfen können, muss der Block Datenfelder enthalten, die Folgendes enthalten:

• Ein Merkle-Pfad zum Nachweis der Aufnahme der Coinbase-Transaktion in den Bitcoin-Blocktransaktionsbaum
• Die Coinbase-Transaktion selbst, die die AuxPow-Baumwurzel enthält.
• Ein Merkle-Pfad, um den Namecoin-Block-Hash im AuxPow-Baum zu finden.

Der Namecoin-Konsens verfügt über eine Regel zur Überprüfung des Merge-Mining-Beweises und des Arbeitsnachweises des Bitcoin-Headers (alle anderen Felder werden ignoriert).

Unterscheidung zwischen Primär- und Sekundärkette

Wir unterscheiden im Allgemeinen eine einzelne primäre Blockchain von allen Merge-Mining-sekundären Blockchains, da die sekundären Blockchain-Blöcke einen zusätzlichen Merkle-Proof benötigen, um die Überprüfung des Proof-of-Work zu ermöglichen. Aus spieltheoretischer Sicht gibt es jedoch keine primäre Blockchain. Sie alle tragen zum Sicherheitsbudget bei. Wenn die primäre Blockchain-Hashrate auf 10 % der gesamten Merge-Mining-Hashrate sinken würde, wäre man versucht zu sagen, dass die sekundäre Blockchain zur primären Blockchain geworden ist, denn jetzt wird diese Blockchain wahrscheinlich diejenige sein, die den größten Teil der Sicherheit bezahlt Budget. Die Unterscheidung kann noch verwirrender sein, da eine „sekundäre“ Blockchain, die durch Merge Mining erstellt wurde, Arbeit von mehr als einer „primären“ Blockchain übernehmen kann, wie es bei Rootstock der Fall ist. Während der Großteil der Rootstock-Hashrate von Bitcoin-Minern stammt, gab es Zeiten, in denen ein kleiner Teil der Hashrate von Bitcoin-Cash-Minern stammte, weshalb Rootstock die Hashrate von zwei Primärketten erbte.

Auch wenn man aus philosophischen Gründen beispielsweise keine Hashrate von Bitcoin SV erhalten möchte, lässt sich dies nicht einfach verhindern. Aus Sicht des Rootstock-Konsenses sehen die Blockheader von Bitcoin und Bitcoin SV identisch aus (der übergeordnete Block oder die Schwierigkeitsfelder könnten verwendet werden, um sie heuristisch anhand der Blockschwierigkeit zu unterscheiden, dies wäre jedoch nicht präzise). Es ist daher möglich, dass Rootstock eine höhere Hashrate als Bitcoin hat, indem die Hashrate aller SHA256D-basierten Blockchains, einschließlich Bitcoin, kombiniert wird.

Daher bleiben wir bei einer syntaktischen Definition: Die primären Ketten sind diejenigen mit kürzeren zusammengeführten Mining-Beweisen, die normalerweise einen einzelnen Blockheader haben, und die sekundären Ketten sind diejenigen, die einen zusätzlichen Blockheader und seinen im ersten eingebetteten Hash erfordern.

Blockchain-Neutralität

Im Zeitraum 2011–2013 wurden im Forum von bitcointalk.org mehrere Vorschläge veröffentlicht, einen Bitcoin-Hard-Fork durchzuführen, um den Bitcoin-Proof-of-Work in einer separaten „Master“-Header-Kette zu abstrahieren und alle Blöcke der Merge-Mining-Blockchains zu erstellen (einschließlich Bitcoins) leiten sich von dieser Master-Header-Kette ab. Alle Blockchain-Block-Hashes wären Teil eines einzigen Pow Merkle Tree. Diese Vorschläge fanden jedoch keinen Anklang (im Allgemeinen fand kein Bitcoin-Hard-Forking-Vorschlag jemals Anklang).

Tatsächlich muss der Master-Header überhaupt nicht Teil einer Kette sein. Der Header kann winzig sein und einfach eine Merkle-Baumwurzel von Chain-Block-Hashes und die Nonce angeben, die erforderlich ist, um den Header zu mutieren, um den PoW zu finden. Wie wir in einem Folgeartikel sehen werden, kann ein Zeitstempelfeld in diesem winzigen Header die Sicherheit aller Merge-Mined-Ketten verbessern. Dieser imaginäre kleine Header ist in der folgenden Abbildung dargestellt, in der X und Y auf einen anderen Merge-Mining-Block verweisen. abgebauten Blockchains:

Ein Merge-Mining-Design ohne primäre Blockchain

Wenn diese Datenstruktur übernommen worden wäre, gäbe es beim Bitcoin Merged Mining keine primäre Blockchain.

Wenn wir die Anreize für Miner analysieren, mehr als eine Blockchain mit demselben Arbeitsnachweis zu sichern, müssen wir sie alle als gleichwertige Ketten analysieren. Um die Anreize für Merge-Mining zu analysieren, sollten wir über SHA256D-Miner (die tatsächlich verwendete Hash-Funktion) anstelle von Bitcoin-Minern nachdenken. Wir müssen alle Merge-Mining-Blockchains und die Anreize, die Blockchains den Minern bieten, analysieren.

Zusammengeführte Sidechains

Bitcoin-Sidechains erhöhen den Nutzen von Bitcoin und tragen daher zum Wert von Bitcoin bei. Mithilfe von Sidechains können Bitcoiner private Zahlungen durchführen, DAOs erstellen und innovative Anwendungsfälle erkunden, ohne ihre Bitcoins gegen andere, volatilere Münzen (von Bitcoin-Maximalisten manchmal Shitcoins genannt) einzutauschen. Derzeit gibt es zwei Bitcoin-Sidechains: Liquid (föderierter Konsens) und Rootstock (fusioniertes Mining).

Die Rootstock-Sidechain bietet günstigere Zahlungen und dezentrale Finanzanwendungen (DeFi). Eine der nützlichen dezentralen Anwendungen für Bitcoiner sind Selbstkredite in Stablecoins, die durch rBTC besichert sind. Diese Lösung ermöglicht es Bitcoin-Nutzern, auf Fiat lautende Token zu verwenden und ist nicht gezwungen, ihre Bitcoins für ihre täglichen Ausgaben zu verkaufen.

Es wird allgemein davon ausgegangen, dass DeFi auf Bitcoin in den kommenden Jahren erheblich wachsen wird und in Zukunft neue unvorhergesehene Anwendungsfälle aufgedeckt werden. Aus diesem Grund unterstützt die Mehrheit der Bitcoiner Rootstock und möchte, dass es schneller wächst.

Die Rootstock-Sidechain wurde speziell entwickelt, um der Bitcoin-Community Anreize zu bieten. Durch die Verwendung eines zusammengeführten Mining-Konsensprotokolls werden Anreize für die Teilnahme von Bitcoinern und insbesondere von Bitcoin-Minern geschaffen. Aufgrund der gemeinsamen Anreize und gemeinsamen Communities können Bitcoin und Rootstock erfolgreich zusammengeführt werden.

Im folgenden Artikel stelle ich das Rootstock-Merced-Mining-Konsensmodell vor und zeige außerdem einige von der Rootstock-Community geschaffene Innovationen, die die Sicherheit des Merged-Mining erheblich erhöhen. Ich werde auch zeigen, wie Merged Mining Bitcoin zugute kommen kann, indem es sein Sicherheitsbudget langfristig erhöht.

Zusammenfassung

Merged Mining ist ein wichtiger Bestandteil eines PoW-basierten Konsensprotokolls, das es einer Blockchain ermöglicht, die Sicherheit einer Primärkette zu erben, ohne dass sich die Mining-Kosten verdoppeln. Der Nakamoto-Konsens mithilfe von Merged Mining kann zu einer stärkeren Dezentralisierung führen als Konsensprotokolle, die auf einem Autoritätsnachweis oder einem Anteilsnachweis basieren. Allerdings wird die Primärkettensicherheit nur dann mit zusammengeführten Mining-Ketten geteilt, wenn die Verbindung für beide Seiten von Vorteil ist. Daher ist Merged Mining ideal für Bitcoin-Sidechains, die einen enormen Mehrwert für das Bitcoin-Netzwerk bieten können. Rootstock, die erste vollständige Bitcoin-Smart-Contract-Sidechain von Turing, wird von mehr als 50 % der aktuellen Bitcoin-Hashrate abgebaut, und seine Hashrate wächst jedes Jahr, was es zu einem der sichersten Smart-Contract-Netzwerke überhaupt macht. Rootstock verwendet eine Fork-fähige Variante des Protokolls, die im nächsten Artikel besprochen wird.

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