Nachhaltige Blockchain

Eine Förderzusage des Europäischen Forschungsrats ermöglicht einem Team in der theoretischen Informatik fünf Jahre lang zu forschen. Aber was genau hat die Gruppe von Krzysztof Pietrzak am Institute of Science and Technology (IST) Austria damit herausgefunden? Jetzt, nach der fünfjährigen Förderperiode, ziehen sie Bilanz über ihre wissenschaftlichen Errungenschaften: die Entwicklung einer ökologisch nachhaltigen Blockchain, der Nachweis von Schlüsseleigenschaften verschiedener kryptographischer Funktionen und die Übersetzung ihrer theoretischen Erkenntnisse in Anwendungen.

Was würden Sie mit 1.882.244 Euro machen? Für viele bleibt diese Frage ein bloßer Lotterietraum, aber im Fall von Krzysztof Pietrzak, Informatikprofessor für Kryptographie am Institute of Science and Technology Austria (IST Austria), 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.“

Die auf Neugier basierende Forschung am IST Austria 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 IST Austria 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.

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.

Erstens lässt sich mit spezieller Hardware 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.

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.

Deshalb haben er und seine Kolleg_innen 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.

Grundlagenforschung der Informatik

Neben angewandten Themen wie nachhaltigen Blockchains finanzierte die ERC-Förderung Forschung zu grundlegenden theoretischen Fragen. Zum Beispiel zu verifizierbare Verzögerungsfunktionen (engl. verifiably delay functions), das heißt 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.

Ein weiterer Forschungsschwerpunkt waren speicherintensive Funktionen (engl. memory-hard functions). Dabei handelt es sich um Funktionen, die auf anwendungsspezifischer Hardware nicht mit deutlich geringerem Aufwand ausgewertet werden können als auf einem normalen Laptop. Solche Funktionen sind erforderlich, um Angriffe zu verhindern, die Passwörter solange ausprobieren, bis sie das richtige finden. „Die meisten Projekte in unserer Gruppe sind entweder theoretisch oder zielen darauf ab, theoretische Ergebnisse praktisch einzusetzen“, erklärt Pietrzak. „Die nachhaltige Kryptowährung Chia ist ein gutes Beispiel dafür: Sie basiert auf Proof of Space und verifizierbaren Verzögerungsfunktionen, die beide in unserer Gruppe entwickelt wurden.“

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. „Das war das Thema meines ersten ERC-Grants“, erinnert sich Pietrzak, „und ich komme immer wieder darauf zurück. Erst kürzlich haben wir einige theoretische Fortschritte gemacht. Bei einem Problem voranzukommen, über das man seit einem Jahrzehnt regelmäßig nachdenkt, ist die pure wissenschaftliche Befriedigung.“

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Projektförderung

Die Projekte des IST Austria wurden mit Mitteln des Europäischen Forschungsrats, ERC Consolidator Grant 682815 (TOCNeT), unterstützt.

Link zum interaktiven Pebbling Game: https://www.pebbling-game.at/