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Merged Bitcoin: Proof of Work Blockchains with Multiple Hash Types

Dieses Paper führt „Merged Bitcoin“ ein, ein Proof-of-Work-Protokoll, das Blockchains durch die Verwendung mehrerer Hash-Typen absichert, indem es nachweist, dass seine Sicherheitsregion die einfache Schnittmenge der individuellen 51 %-Angriffsschwellenwerte überschreitet, die Angriffskosten maximiert und einen Schwierigkeitsanpassungsmechanismus bietet, um asymmetrische Hashing-Vorteile durch technologische oder Hardware-Bedrohungen abzumildern.

Ursprüngliche Autoren: Christopher Blake, Chen Feng, Xuachao Wang, Qianyu Yu

Veröffentlicht 2026-01-15

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CC BY 4.0

Ursprüngliche Autoren: Christopher Blake, Chen Feng, Xuachao Wang, Qianyu Yu

Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Dies ist eine KI-generierte Erklärung des untenstehenden Papers. Sie wurde nicht von den Autoren verfasst oder gebilligt. Für technische Genauigkeit konsultieren Sie das Originalpaper. Vollständigen Haftungsausschluss lesen

Stellen Sie sich das Bitcoin-Netzwerk als ein riesiges, globales digitales Kassenbuch vor, in dem Menschen festhalten, wer was besitzt. Um dieses Kassenbuch sicher zu halten und zu verhindern, dass jemand Transaktionen fälscht, verlässt sich das System auf ein „Proof of Work“-Spiel. In diesem Spiel versuchen Computer, ein schwieriges mathematisches Rätsel zu lösen. Der Erste, der es löst, darf die nächste Seite (Block) zum Kassenbuch hinzufügen.

Derzeit verwendet Bitcoin nur eine spezifische Art von mathematischem Rätsel (genannt SHA-256). Das ist wie ein einziges, riesiges Schloss an einem Tresor. Wenn es einem Dieb gelingt, dieses eine Schloss zu knacken, kann er alles stehlen. Das Papier argumentiert, dass es riskant ist, sich nur auf ein einziges Schloss zu verlassen, weil:

Zentralisierung: Nur wenige spezialisierte Fabriken stellen die Werkzeuge her, die nötig sind, um dieses spezielle Schloss zu knacken, sodass einige wenige mächtige Unternehmen die Sicherheit kontrollieren.
Backdoors (Hintertüren): Wenn diese Fabriken einen geheimen „Master-Schlüssel“ (eine Hardware-Backdoor) besitzen oder wenn eine neue Technologie (wie ein Quantencomputer) dieses spezifische Schloss leicht knackbar macht, ist das gesamte System verwundbar.

Die Lösung: „Merged Bitcoin“

Die Autoren schlagen ein neues Protokoll namens Merged Bitcoin vor. Anstatt eines einzelnen Schlosses stellt man sich vor, der Tresor hätte viele verschiedene Schlösser mit unterschiedlichen Formen und Größen (verschiedene Hash-Typen).

Wie es funktioniert: Ein Block in der Kette kann gesichert werden, indem man eines dieser verschiedenen Rätsel löst. Man könnte einen SHA-256-Löser verwenden, oder einen speicherintensiven Löser (wie den, der bei Ethereum verwendet wird), oder jeden anderen Typ. Solange der Block gültig ist, wird er der Kette hinzugefügt.
Das Ziel: Um das System sicher zu machen, muss man nicht alle Schlösser knacken. Man muss nur genug der verschiedenen Schlösser knacken, um die Mehrheit der gesamten „Punktzahl“ der Kette zu kontrollieren.

Die große Entdeckung: Man kann nicht auf zwei Hochzeiten gleichzeitig tanzen

Die Autoren begannen mit einer hoffnungsvollen Idee: Was wäre, wenn das System nur dann unsicher ist, wenn ein Angreifer gleichzeitig 51 % von jedem einzelnen Typ von Schlössern kontrolliert?

Wäre dies der Fall, wäre die Sicherheit unglaublich stark. Es wäre so, als würde man sagen: „Um die Bank auszurauben, musst du die Vordertür, die Hintertür, das Fenster und den Schornstein gleichzeitig knacken.“ Die Chancen, Erfolg zu haben, wären astronomisch gering.

Jedoch beweist das Papier, dass dies unmöglich ist.
Sie zeigen, dass in einem erlaubnisfreien System (wo jeder beitreten kann) ein Angreifer einfach so tun kann, als sei er ehrlich. Wenn das System verlangt, alle Schlösser zu knacken, kann der Angreifer einfach so tun, als wäre er ehrlich bei den Schlössern, die er nicht kontrolliert, während er heimlich eine gefälschte Kette aufbaut. Aus diesem Grund kann die Sicherheit nicht das „UND“ aller Schlösser sein.

Aber hier kommt die gute Nachricht: Auch wenn man nicht diese perfekte „Alles-oder-Nichts“-Sicherheit erreichen kann, macht Merged Bitcoin Angriffe dennoch viel teurer und schwieriger durchzuführen als das aktuelle Bitcoin.

Warum es besser ist (Die Analogien)

1. Der „Hardware-Backdoor“-Schutzschild
Stellen Sie sich vor, das aktuelle Bitcoin-Schloss wird von nur drei Fabriken hergestellt. Wenn eine Spionagebehörde diese drei Fabriken hackt, kann sie für alle falsche Schlüssel anfertigen.
Mit Merged Bitcoin werden die Schlösser von vielen verschiedenen Fabriken unter Verwendung unterschiedlicher Materialien hergestellt. Um das System zu brechen, müsste die Spionagebehörde mehrere verschiedene Fabriken gleichzeitig hacken. Das Papier argumentiert, dass die Chance, alle auf einmal zu hacken, exponentiell sinkt. Es ist, als würde man versuchen, ein Haus zu stehlen, bei dem die Vordertür, die Hintertür und die Fenster von völlig verschiedenen, nicht miteinander verwandten Schlüsseldienstern hergestellt wurden.

2. Die „Quantencomputer“-Verteidigung
Stellen Sie sich vor, ein neues Super-Werkzeug (ein Quantencomputer) kommt auf den Markt, das das SHA-256-Schloss sofort knacken kann.

Altes Bitcoin: Der Tresor steht sperrangelweit offen.
Merged Bitcoin: Der Angreifer kann die Vordertür (SHA-256) sofort knacken, aber die anderen Türen (andere Hash-Typen) erfordern immer noch eine normale menschliche Anstrengung. Der Angreifer müsste für jede einzelne Tür ein anderes Super-Werkzeug besitzen. Wenn er nur ein einziges Super-Werkzeug hat, kommt er nicht hinein.

3. Die „Kosten“ eines Angriffs
Das Papier führt einige Berechnungen durch, um zu zeigen, dass ein Angreifer, der Merged Bitcoin brechen will, Geld für alle verschiedenen Arten von Mining-Hardware ausgeben muss.

Analogie: Wenn Sie die Mehrheit der Stimmen in einer Stadt kaufen wollen und die Stadt über drei verschiedene Wahlbezirke mit unterschiedlichen Regeln verfügt, müssen Sie Stimmen in allen diesen Bezirken kaufen. Wenn Sie nur Geld für einen Bezirk haben, können Sie nicht gewinnen. Das Papier beweist, dass die Kosten für einen Angriff auf Merged Bitcoin durch die richtige Festlegung der Regeln die Summe der Kosten für den Angriff auf die einzelnen Systeme ergeben. Es ist der teuerste Weg, einen der Blockchain möglich ist.

Die „Schwierigkeitsgrad“-Anpassung

Die Autoren schlagen auch eine Regel vor, um das System im Gleichgewicht zu halten. Wenn ein Typ von Schloss super einfach zu knacken wird (vielleicht wegen einer neuen Technologie), werden sich Miner dorthin strömen und die anderen Schlösser werden ignoriert.
Um dies zu beheben, passt das System die Schwierigkeit automatisch an. Wenn ein Schloss zu oft geknackt wird, macht das System dieses Schloss schwerer zu knacken und die anderen leichter, um sicherzustellen, dass alle Arten von Schlössern weiterhin genutzt werden. Dies verhindert, dass das System versehentlich wieder zu einem bloßen „Bitcoin“ wird.

Vergleich mit anderen Ideen

Das Papier vergleicht dies mit einer anderen Idee namens „Minotaur“, die verschiedene Sicherheitsmethoden mischt. Die Autoren argumentieren, dass Minotaur einen fatalen Fehler hat: Wenn der „Stake“-Teil des Systems für einen Moment nicht funktioniert, kann die gesamte Kette stoppen oder übernommen werden. Merged Bitcoin hat dieses Problem nicht; solange irgendein ehrlicher Miner arbeitet, wächst die Kette weiter.

Zusammenfassung

Merged Bitcoin ist ein Vorschlag, das Bitcoin-Netzwerk robuster zu machen, indem es erlaubt, viele verschiedene Arten von Sicherheitsrätseln gleichzeitig zu nutzen.

Es macht das System nicht unknackbar (die Mathematik beweist, dass das unmöglich ist).
Es macht es jedoch unglaublich teuer, es zu brechen.
Es schützt vor spezifischen Hardware-Backdoors und vor den Vorteilen neuer Technologien (wie Quantencomputern).
Es ermöglicht Menschen, die unterschiedliche Technologien vertrauen (z. B. Bitcoin-Fans und Ethereum-Fans), sich auf ein einziges, sicheres Kassenbuch zu einigen, das keine der beiden Seiten allein kompromittieren könnte.

Kurz gesagt: Anstatt alle Eier in einen Korb zu legen (einen Hash-Typ), legt Merged Bitcoin sie in viele Körbe, was es einem Dieb viel schwerer macht, sie alle zu stehlen.

Technisches Resümee: Verschmolzenes Bitcoin: Proof-of-Work-Blockchains mit multiplen Hash-Typen

1. Problemstellung

Das Bitcoin-Protokoll, das zwar über eine Billion USD an Werten sichert, sieht sich erheblichen Sicherheitsrisiken im Zusammenhang mit einem 51%-Angriff gegenüber. Die primäre Motivation dieser Arbeit ist es, die Sicherheitsschwelle des Bitcoin-Protokolls zu erhöhen, um das Risiko solcher katastrophalen Angriffe zu lindern. Aktuelle Methoden zur Erhöhung der Sicherheit, wie etwa die Steigerung der ehrlichen Mining-Leistung durch spezialisierte SHA-256-Schaltkreise, führen zu Schwachstellen:

Zentralisierung: Die Abhängigkeit von spezialisierten Schaltkreisen konzentriert die Macht bei Akteuren, die den besten Zugang zu diesen haben.
Hardware-Backdoors: Eine begrenzte Anzahl von ASIC-Herstellern schafft einen Single Point of Failure; im Falle einer Kompromittierung wird das Protokoll verwundbar, selbst wenn die Mehrheit der Miner ehrlich ist.
Quanten- und algorithmische Fortschritte: Angreifer können durch algorithmische Verbesserungen oder spezialisierte Hardware (z. B. Grover-Algorithmus für Quanten-Beschleunigung), die auf einen einzelnen Hash-Typ abzielt, asymmetrische Vorteile erlangen.

Die Autoren schlagen Merged Bitcoin vor, ein Protokoll, das Blöcke, die durch unterschiedliche Hash-Typen verknüpft sind, zu einer einzigen Kette zusammenführen kann. Das Ziel ist es, die Kosten eines Angriffs zu erhöhen, Zentralisierungsrisiken zu reduzieren und Schwachstellen zu mildern, die spezifisch für einzelne Hash-Typen sind.

2. Methodik und theoretischer Rahmen

Das Modell multipler zufälliger Ressourcen

Das Paper modelliert Knoten (ehrlich und unlauter) als Besitzer variierender Hashing-Ressourcen für $n$ verschiedene Hash-Typen. Diese Ressourcen parametrisieren einen Poisson-Ankunftsprozess.

Blockraten: Das Modell definiert ehrliche Blockraten ( $h_i$ ) und unlautere Blockraten ( $b_i$ ) für jeden Hash-Typ $i$ , gemessen in Blöcken pro Sekunde.
Score-System: Jedem Block-Typ $i$ wird eine Score-Konstante $c_i$ zugewiesen. Die Fork-Choice-Regel wählt die Kette mit dem höchsten Gesamtscore ( $\sum c_i N_i$ , wobei $N_i$ die Anzahl der Blöcke des Typs $i$ ist).
Netzwerkmodell: Die Analyse operiert unter einem $\Delta$ -beschränkten Verzögerungsnetzwerkmodell, bei dem die Netzwerklatenz durch $\Delta$ begrenzt ist.

Informationstheoretische Motivation und Unmöglichkeit

Die Autoren untersuchen zunächst, ob die Sicherheit an ein „UND“ aus multiplen 51%-Schwellenwerten gekoppelt werden kann (d. h. das Protokoll ist sicher, sofern ein Angreifer gleichzeitig >50 % jedes Hash-Typs kontrolliert).

Die „Big-And“-Hypothese: Die Autoren untersuchen, ob eine informationstheoretisch exponentiell abnehmende Fehlerwahrscheinlichkeit erreicht werden kann, wenn die Unsicherheit voraussetzt, dass ein Angreifer alle Hash-Typen gleichzeitig dominiert.
Unmöglichkeitsresultat (Theorem 10): Das Paper beweist, dass für jedes erlaubnisfreie (permissionless) verteilte Protokoll, das bestimmte Eigenschaften erfüllt (Chain-Eigenschaft, Angreifer-Äquivalenz und Angreifer-Zurückhaltung-Fähigkeit), die „Big-And“-Sicherheitsregion unmöglich ist. Wenn ein Protokoll unter einer Konfiguration $(h, b)$ sicher ist, kann es nicht unter der vertauschten Konfiguration $(b, h)$ sicher sein. Dies impliziert, dass ein Protokoll nicht immer dann sicher ist, wenn irgendein einzelner Hash-Typ weniger als 50 % unlautere Macht besitzt; Unsicherheit kann auch dann auftreten, wenn der Angreifer weniger als 50 % einiger Hash-Typen kontrolliert, sofern er genügend andere kontrolliert.

Analyse der Sicherheitsregion

Trotz der Unmöglichkeit der idealen „Big-And“-Region leitet das Paper geschlossene Formeln für die Sicherheitsregion von Merged Bitcoin ab.

Sicherheitsbedingung: Merged Bitcoin ist sicher, wenn die Score-Wachstumsrate des Angreifers ( $\lambda_a = \sum c_i b_i$ ) strikt kleiner ist als die ehrliche Score-Wachstumsrate ( $\lambda_h$ ) unter vollen Verzögerungsbedingungen.
Ableitung der Schranken:
- Untere Schranke (Lemma 13/17): Abgeleitet mittels eines „Delta Interval Deletion Process“, der Blöcke entfernt, die innerhalb von $\Delta$ eines „garantierten“ Blocks ankommen. Dies liefert eine konservative Schätzung der ehrlichen Score-Wachstumsrate.
- Obere Schranke (Lemma 15/19): Abgeleitet mittels eines „Small Block Increase Process“, der den Score kleiner Blöke künstlich erhöht, falls ein größerer Block innerhalb von $\Delta$ eintrifft. Dies liefert eine Obergrenze für die ehrliche Score-Wachstumsrate.
Fall Null-Verzögerung: Wenn $\Delta = 0$ ist, vereinfacht sich die Sicherheitsregion zu $\sum c_i b_i < \sum c_i h_i$ .

3. Zentrale Beiträge und Ergebnisse

1. Formalisierung von Merged Bitcoin

Das Paper führt ein Protokoll ein, bei dem Blöcke verschiedener Hash-Typen eine einzige Kette bilden, die durch eine Score-basierte Fork-Choice-Regel gesteuert wird. Es liefert geschlossene obere und untere Schranken für die Sicherheitsregion im $\Delta$ -beschränkten Verzögerungsmodell.

2. Optimierung der Angriffskosten

In einem ökonomischen Modell mit linearen Kosten pro Hash beweist das Paper, dass Merged Bitcoin die Kosten eines Angriffs maximieren kann.

Theorem 23: Durch die angemessene Wahl der Score-Konstanten $c_i$ , sodass die Kosten pro Score-Einheit über alle Hash-Typen hinweg gleich sind ( $p_i/c_i$ ist konstant), entsprechen die minimalen Kosten eines Angriffs auf Merged Bitcoin der Summe der Kosten für den Angriff auf die einzelnen Protokolle separat ( $p_1 h_1 + p_2 h_2$ ). Dies wird als die optimale Angriffskosten-Rate für jedes Multi-Hash-Konsensprotokoll unter diesen Bedingungen bewiesen.

3. Schwierigkeitsanpassungsmechanismus

Um zu verhindern, dass das Protokoll aufgrund technologischer Fortschritte oder Kostenasymmetrien in einen einzelnen Hash-Typ kollabiert, schlagen die Autoren eine Mindestanteils-Schwierigkeitsanpassung vor.

Fällt der Anteil der durch einen spezifischen Hash-Typ produzierten Blöcke unter einen Schwellenwert, wird dessen relative Schwierigkeit inkrementell nach unten angepasst. Dies stellt sicher, dass Miner wieder in den Markt für diesen Hash-Typ zurückkehren, sobald er profitabel wird, wodurch ein diverses Mix an Hash-Typen erhalten bleibt.

4. Vergleich mit Minotaur

Das Paper unterscheidet Merged Bitcoin vom Minotaur-Protokoll (einem kombinierten Proof-of-Work/Proof-of-Stake System).

Kettenausfall (Chain Outage): Minotaur kann einen permanenten Kettenausfall erleiden, wenn in einem Rezenzintervall keine Blöcke produziert werden; Merged Bitcoin tut dies nicht.
Übernahmeangriffe (Takeover Attacks): Minotaur ist anfällig für einen Übernahmeangriff, bei dem ein Angreifer die Kette schließlich mit Wahrscheinlichkeit 1 kontrollieren kann, wenn er jegliche Mining-Leistung kontrolliert, aufgrund des endlichen Rezenzintervalls. Merged Bitcoin behält mit Wahrscheinlichkeit 1 einen nicht-verschwindenden Anteil ehrlicher Blöcke bei.
Prospektive Angriffe: Minotaur ist anfällig für prospektive Angriffe, bei denen ein Angreifer im Voraus weiß, dass er eine High-Score-Seitenkette produzieren wird (was gezielte Double-Spending ermöglicht). Merged Bitcoin verhindert durch die Nutzung von Poisson-Ankunftszeiten für die Blockentdeckung, dass Angreifer im Voraus wissen, ob sie einen Block produzieren werden, und mildert so diesen Angriffsvektor.

5. Robustheit gegenüber asymmetrischen Vorteilen

Das Paper argumentiert, dass Merged Bitcoin eine Teilremedie für asymmetrische Vorteile bietet, wie etwa durch Quantenangriffe (Grover-Algorithmus) oder Hardware-Backdoors.

Quanten-/Backdoor-Resistenz: Wenn ein Angreifer einen Vorteil in einem Hash-Typ erlangt (z. B. durch einen spezialisierten Quantenschaltkreis), muss er gleichzeitig spezialisierte Schaltkreise für alle Hash-Typen besitzen, um die Kette zu dominieren. Dies erhöht die Komplexität und die Kosten eines erfolgreichen Angriffs exponentiell mit der Anzahl der Hash-Typen ( $n$ ), unter der Annahme der Unabhängigkeit der Angriffswahrscheinlichkeiten.

4. Bedeutung und Behauptungen

Das Paper behauptet, dass Merged Bitcoin eine rigorose Methode darstellt, um die Sicherheitsschwelle von Bitcoin-ähnlichen Protokollen zu erhöhen, ohne das „Big-And“-Unmöglichkeitsresultat zu umgehen. Seine Bedeutung liegt in:

Maximierung der Angriffskosten: Der Beweis, dass das Protokoll so abgestimmt werden kann, dass die Kosten eines Angriffs der Summe der Angriffe auf die einzelnen Ketten entsprechen, was das theoretische Maximum für Multi-Hash-Protokolle darstellt.
Dezentralisierung: Die Ermöglichung der Teilnahme von Heimcomputern (die bei Nicht-SHA-256-Hashes wie Ethash effizient sein können), was die Abhängigkeit von spezialisierten ASICs reduziert.
Vertrauensaggregation: Die Ermöglichung für Parteien mit unterschiedlichen Vertrauensannahmen (z. B. ein Bitcoin-Maximalist und ein Ethereum-Maximalist), sich auf ein einziges Ledger zu einigen, da die Sicherheit der verschmolzenen Kette aus der aggregierten ehrlichen Leistung aller Typen abgeleitet wird.
Theoretische Schranken: Die Bereitstellung der ersten geschlossenen Schranken für die Sicherheitsregion eines Multi-Hash-Proof-of-Work-Protokolls in einem verzögerten Netzwerk.

Die Autoren räumen ein, dass während die „Big-And“-Sicherheitsregion für erlaubnisfreie Protokolle unmöglich ist, das vorgeschlagene Protokoll eine vergleichbare exponentielle Abnahme der Fehlerwahrscheinlichkeit gegen leistungsg begrenzte Angreifer (z. B. solche, die durch Hardware-Backdoor-Risiken begrenzt sind) erreicht und erfolgreich die ökonomischen Angriffskosten maximiert. Als zukünftige Arbeit wird die Analyse der $k$ -Bestätigungsregel sowie die Untersuchung von Protokollen identifiziert, die die „Big-And“-Region erreichen könnten, falls die Fähigkeiten der Angreifer zur Zurückhaltung (Withholding) eingeschränkt werden.