Ein unterschätztes, aber essenzielles Feature von Bitcoin
Die Anpassung der Mining-Schwierigkeit ist eine der zentralen Innovationen von Bitcoin. Sie sorgt dafür, dass das Netzwerk trotz wechselnder Bedingungen stabil und sicher bleibt, und gewährleistet die Vorhersehbarkeit der Bitcoin-Emission.
Hauptfunktionen der Schwierigkeitsanpassung:
- Sicherstellung eines konstanten Bitcoin-Angebots: Die Schwierigkeit reguliert die Zeitintervalle, in denen neue Blöcke gefunden werden, sodass im Durchschnitt alle 10 Minuten ein Block generiert wird.
- Schutz der Netzwerksicherheit: Eine höhere Schwierigkeit macht es teurer und schwieriger, das Netzwerk anzugreifen oder zu manipulieren.
- Selbstregulierender Mechanismus: Das Netzwerk passt sich dynamisch an die Veränderungen der Rechenleistung (Hashrate) der Miner an.
Funktionsweise der Schwierigkeitsanpassung
Alle 2016 Blöcke (circa alle zwei Wochen) wird die Mining-Schwierigkeit neu berechnet. Wenn die Blöcke schneller gefunden werden, erhöht sich die Schwierigkeit, um das Tempo zu drosseln. Wenn es länger dauert, verringert sie sich.
Ein Beispiel zur Berechnung:
- Erwartete Zeit für 2016 Blöcke = 2016 Blöcke × 10 Minuten = 20.160 Minuten.
- Wenn die Blöcke beispielsweise alle 8 Minuten gefunden werden, beträgt die tatsächliche Zeit 16.128 Minuten.
- Schwierigkeitsanpassung = 20.160 / 16.128 = 1,25. Die neue Schwierigkeit wäre somit 25 % höher.
Zeitstempel-Problematik und mögliche Angriffe
Die Zeitstempel der Blöcke sind entscheidend für die Berechnung der Schwierigkeitsanpassung. Theoretisch könnten Miner diese Zeitstempel manipulieren, um eine geringere Schwierigkeit zu erzwingen und so ihre Belohnungen zu maximieren. Um solche Manipulationen zu verhindern, gibt es im Bitcoin-Protokoll mehrere Schutzmechanismen:
- Median-Past-Time-Regel: Der Zeitstempel eines neuen Blocks muss größer sein als der Median der vorherigen 11 Blöcke.
- Zukunftszeit-Regel: Ein Block darf nicht mehr als zwei Stunden in der Zukunft liegen.
- Maximale Zeitabweichung: Der Unterschied zwischen den Zeitstempeln der Blöcke und der lokalen Systemzeit darf maximal 90 Minuten betragen.
Diese Regeln helfen, das Netzwerk vor Zeitstempel-Manipulationen zu schützen und sichern die Korrektheit der Schwierigkeitsberechnungen.
Die „off-by-1“-Fehler in Bitcoin
Ein kleiner Fehler im ursprünglichen Bitcoin-Code, verursacht durch Satoshi Nakamoto, führt dazu, dass die Schwierigkeitsanpassung nicht zwischen den letzten beiden Blöcken eines 2016-Block-Zyklus berechnet wird, sondern zwischen dem ersten und dem 2016. Block. Dies sorgt dafür, dass der Zielwert für das Finden eines Blocks nicht genau 10 Minuten beträgt, sondern 10,005 Minuten.
Diese minimalen Abweichungen scheinen zwar unbedeutend, ermöglichen jedoch in Kombination mit den Zeitstempel-Regeln eine theoretische „Zeitverzerrungsattacke“. Miner könnten die Zeit manipulieren, um die Schwierigkeit zu senken. Dies erfordert jedoch eine erhebliche Koordination und wäre sofort erkennbar.
Zusätzlich gibt es eine Begrenzung der Schwierigkeit, die sich nicht um mehr als den Faktor vier pro Anpassungszyklus ändern kann. Dieses Limit schützt das Netzwerk weiter vor derartigen Angriffen.
Warum erfolgt die Anpassung alle 2016 Blöcke?
2016 Blöcke entsprechen bei einem Blockintervall von 10 Minuten genau zwei Wochen. Kürzere Zyklen würden das Netzwerk anfälliger für Manipulationen machen, da Angreifer das Zeitfenster nutzen könnten, um isolierte Nodes (Netzwerkknoten) mit manipulierten Blöcken zu füttern und so die Schwierigkeit zu senken.
Die heutige Mining-Schwierigkeit
Die aktuelle Mining-Schwierigkeit von Bitcoin ist enorm hoch. Zum Vergleich: Ein moderner Computer wie der Apple M1 Max kann etwa 5,8 Megahashes pro Sekunde berechnen. Um einen Bitcoin-Block mit dieser Rechenleistung zu finden, würde es bei der heutigen Schwierigkeit etwa 727 Millionen Jahre dauern. Im Gegensatz dazu konnte man im Jahr 2010, als die Schwierigkeit noch sehr niedrig war, mit einem Prozessor der Pentium-Reihe innerhalb eines Tages fünf Blöcke generieren.
Interessanterweise gilt bis heute eine Nachricht von Satoshi Nakamoto aus dem Jahr 2010, in der er das erste bedeutende Ansteigen der Schwierigkeit von 1 auf 1,82 als bemerkenswertes Ereignis feststellte. Heutzutage wirkt dieses Ansteigen im Vergleich zur aktuellen Schwierigkeit winzig, zeigt aber, wie weit sich Bitcoin seit seinen Anfängen entwickelt hat.
Fazit
Die Anpassung der Mining-Schwierigkeit ist ein maßgeblicher Bestandteil des Bitcoin-Protokolls, der sicherstellt, dass das Netzwerk sicher und stabil bleibt, unabhängig von der Zahl der aktiven Miner oder der verfügbaren Rechenleistung. Sie stellt das Gleichgewicht zwischen den Interessen der Miner und der Nutzer her und sorgt dafür, dass die Bitcoin-Emission planmäßig erfolgt. Trotz kleiner technischer Fehler ist dieser Mechanismus entscheidend für die langfristige Funktion und Sicherheit des Netzwerks.
Quellen: https://21ideas.org/difficulty/, https://x.com/raw_avocado/status/1569679607158435840t