Was ist eine Nonce in Krypto?

Was ist eine Nonce?

Eine Nonce in Krypto ist eine Abkürzung für „number used once“, also eine Zahl, die innerhalb von Krypto nur einmal verwendet wird. Diese einzigartige Zahl sorgt dafür, dass sich die Ergebnisse von Berechnungen oder Verifizierungen jedes Mal ändern. Nonces werden innerhalb von Blockchains eingesetzt, um Betrug zu verhindern, Transaktionen abzusichern und Konsens in einem Netzwerk zu ermöglichen.

In der Praxis hat eine Nonce in Krypto zwei Hauptrollen:

• Beim Mining in Proof-of-Work-Blockchains
• Bei Transaktionen und Sicherheitsmechanismen

Obwohl sich diese beiden Anwendungen ähneln, unterscheidet sich die Rolle der Nonce je nach Kontext.

Wichtigste Erkenntnisse

• Eine Nonce ist eine einzigartige Zahl („number used once“), die genutzt wird, um Wiederholungen und Manipulationen innerhalb von Blockchains zu verhindern.
• In Proof-of-Work-Netzwerken passen Miner die Nonce kontinuierlich an, um einen gültigen Hash zu finden.
• Bei Bitcoin ist die Nonce auf 32 Bit begrenzt, weshalb Miner zusätzliche Variationen wie eine Extra-Nonce und Timestamps verwenden.
• Die Nonce trägt zur Sicherheit bei, da das Verändern oder Fälschen von Blöcken extrem teuer wird.
• Bei Ethereum fungiert die Nonce als Transaktions-Reihenfolgenummer pro Account und ist vom Konsens getrennt.

Was ist die Nonce bei Proof of Work (wie bei Bitcoin)?

Bei Proof-of-Work (PoW)-Blockchains müssen Miner nachweisen, dass sie Rechenarbeit geleistet haben, bevor sie einen neuen Block hinzufügen dürfen. Diesen Nachweis erbringen sie, indem sie einen gültigen Hash finden.

Ein Hash ist das Ergebnis einer kryptografischen Hashfunktion. Dabei handelt es sich um eine mathematische Funktion, die Eingabedaten in eine feste Zeichenfolge umwandelt. Diese Hashfunktion (häufig SHA-256) ist einseitig. Das bedeutet, dass man aus dem Hash nicht auf die ursprüngliche Eingabe zurückrechnen kann. Dadurch gibt es nur einen Weg, einen gültigen Hash zu finden: sehr viele Berechnungen durchführen.

Die Nonce ist dabei die variable Zahl, die Miner anpassen, um jedes Mal einen anderen Hash zu erzeugen. Sie befindet sich im Block-Header. Durch das Ändern der Nonce kann ein Miner immer wieder einen neuen Hash ausprobieren. Miner ändern die Nonce so lange, bis sie einen gültigen Hash finden. Zusätzlich muss der Hash die Schwierigkeitsregel des Netzwerks erfüllen, zum Beispiel unter einem bestimmten Grenzwert liegen.

Warum ändern Miner die Nonce ständig?

Das Krypto-Netzwerk stellt die Schwierigkeit so ein, dass es im Durchschnitt eine feste Blockzeit dauert, um einen neuen Block zu finden (zum Beispiel etwa 10 Minuten bei Bitcoin). Deshalb versuchen Miner ständig, durch das Anpassen der Nonce einen anderen Hash zu erzeugen. Dieser Prozess kann Millionen bis Milliarden von Versuchen pro Sekunde umfassen.

In den Anfangsjahren von Bitcoin war das vergleichsweise viel einfacher und Miner mussten deutlich weniger Versuche durchführen. Damals konnte man Bitcoin sogar noch mit einem Laptop minen, während das heute praktisch unmöglich ist und hauptsächlich spezialisierte ASIC-Computer verwendet werden.

Sobald ein Miner einen Hash findet, der der Schwierigkeitsregel entspricht, wird der Block mit dem Netzwerk geteilt. Andere Nodes überprüfen anschließend, ob der Block gültig ist, und fügen ihn danach der Blockchain hinzu. Danach beginnt derselbe Prozess erneut für den nächsten Block.

Was ist das Limit der Nonce und zusätzliche Variationen bei Bitcoin?

Bei Bitcoin ist die Nonce auf 32 Bit begrenzt, was etwas mehr als 4 Milliarden mögliche Werte ergibt. Moderne Miner können diesen Bereich sehr schnell durchlaufen und nutzen deshalb zusätzliche Möglichkeiten, um die Eingabe weiter zu verändern. So fügen sie eine Extra-Nonce in der Coinbase-Transaktion hinzu (eine zusätzliche Variable innerhalb der Miner-Belohnung) und passen den Timestamp an, also den Zeitpunkt, zu dem der Block festgehalten wird. Das Ziel bleibt dasselbe: neue Hash-Ergebnisse zu erzeugen.

Wie trägt eine Nonce zur Sicherheit bei?

Die Nonce macht Proof-of-Work praktisch und sicher:

Sie macht das Fälschen von Blöcken extrem teuer. Um einen Block zu manipulieren, müsste jemand erneut einen gültigen Hash finden. Dafür ist in der Regel mindestens genauso viel Rechenleistung nötig wie die des restlichen Netzwerks zusammen (ein sogenannter 51%-Angriff), wodurch Betrug praktisch unmöglich wird.

• Jeder kann einfach überprüfen, ob ein Block gültig ist. Andere Nodes müssen nur verifizieren, ob der Hash des Blocks den Regeln entspricht. Das kostet kaum Zeit oder Energie und ist daher sehr effizient.
• Sie sorgt für fairen Wettbewerb zwischen Minern. Da alle Miner denselben Regeln folgen und nur durch tatsächliche Rechenarbeit gewinnen können, entsteht ein offener und transparenter Wettbewerb.
• Je größer die Blockchain wird, desto schwieriger wird es, alte Blöcke zu manipulieren. Wenn jemand einen alten Block verändern wollte, müsste er diesen Block und alle darauffolgenden Blöcke erneut minen, was extrem viel Zeit und Energie kosten würde.

Wie funktioniert eine Nonce bei Ethereum und anderen Altcoins?

Eine Nonce funktioniert bei Ethereum und anderen Altcoins anders als beim Bitcoin-Mining. Bei Ethereum, das Proof-of-Stake (PoS) verwendet, fungiert eine Nonce als fortlaufende Nummer pro Account. Jede Transaktion erhält eine Nonce, wodurch Transaktionen immer in der richtigen Reihenfolge verarbeitet werden und dieselbe Transaktion nicht zweimal ausgeführt werden kann. Bei Ethereum ist die Nonce ein Transaktionsmechanismus und kein Hilfsmittel, um Konsens zu erreichen.

Was sind die Nachteile von Nonces?

Nonces selbst sind kein Nachteil, aber die Art und Weise, wie sie in Proof-of-Work-Netzwerken verwendet werden, bringt durchaus Nachteile mit sich:

• Das ständige Anpassen der Nonce, um einen gültigen Hash zu finden, erfordert intensive Rechenleistung und führt zu einem hohen Energieverbrauch.
• Je größer das Netzwerk wird und je mehr Miner teilnehmen, desto höher wird die Schwierigkeit und desto mehr Berechnungen sind nötig.
• Die Skalenvorteile von spezialisierter Hardware und günstiger Energie können großen Mining-Pools einen Vorteil verschaffen.

Diese Nachteile spielen eine wichtige Rolle bei der Abwägung zwischen Proof of Work und Proof of Stake.

Fazit

Eine Nonce ist ein essenzielles technisches Hilfsmittel innerhalb der Blockchain-Technologie, das für Einzigartigkeit, Sicherheit und Zuverlässigkeit sorgt. In Proof-of-Work-Netzwerken ist die Nonce ein zentraler Bestandteil des Mining-Prozesses und der Sicherheit der Blockchain, während sie bei Blockchains wie Ethereum vor allem dazu dient, Transaktionen korrekt zu ordnen und doppelte Ausführungen zu verhindern. Obwohl Nonces selbst keine Nachteile haben, führt ihr Einsatz innerhalb von Proof-of-Work zu hohen Energiekosten und Skalenvorteilen für große Miner, was ein wichtiger Grund dafür ist, dass sich immer mehr Netzwerke für alternative Konsensmechanismen wie Proof of Stake entscheiden.