Blockchain-Grundlagen

Stell dir vor, eine Klasse führt eine gemeinsame Seite darüber, wer wem etwas bezahlt hat. Wie verhinderst du, dass jemand heimlich eine Zeile ausradiert und einen anderen Betrag hinschreibt? Eine Blockchain antwortet mit Mathematik statt mit einer Person, die das Sagen hat. Dieses Lab ist ein Spielzeug: ein paar kurze Python-Dateien, die die Ideen zeigen, ohne Münze, ohne Netzwerk und ohne Wert.

• Hash: ein Fingerabdruck fester Länge, berechnet aus Daten. Ändere einen Buchstaben, und der Fingerabdruck ist völlig anders.
• Block: eine Gruppe von Einträgen mit dem Hash des Blocks davor.
• Kette: Blöcke in Reihenfolge, jeder mit dem Hash des vorigen.
• Nonce: eine Zahl, die immer wieder geändert wird, bis der Hash so aussieht, wie die Regeln es verlangen.
• Mining: Nonces ausprobieren, bis der Hash eines Blocks mit genug Nullen beginnt.
• Signatur: der Beleg, dass eine Nachricht von jemandem mit einem geheimen Schlüssel stammt.

ls listet den Arbeitsordner: drei kurze Python-Dateien, das Notebook und den Ordner steps. Das erste Skript baut drei Blöcke. Jede Zeile zeigt die Nummer des Blocks, den Hash des Blocks davor und seinen eigenen Hash, gekürzt. Block 0 hat nichts vor sich, also besteht sein vorheriger Hash nur aus Nullen. Der vorherige Hash jedes anderen Blocks ist der Hash der Zeile darüber. Jeder Hash beginnt mit 000, wozu das Mining ihn gezwungen hat.

Das Skript prüft die Kette, ändert einen Betrag in Block 1 und prüft erneut. Die erste Antwort ist (True, None): gültig, kein schlechter Block. Nach der Änderung ist sie (False, 1): nicht gültig, und Block 1 ist die Stelle. Der Fingerabdruck von Block 1 passt nicht mehr zu seinem Inhalt. Den Fingerabdruck zu fälschen hilft nicht. Block 1 neu zu minen macht Block 1 richtig, aber nun lautet die Antwort (False, 2), weil Block 2 noch den alten Hash von Block 1 trägt.

Um einen Block anzufügen, verlangen die Regeln einen Hash, der mit einigen Nullen beginnt. Man findet ihn nur, indem man eine Nonce ausprobiert, dann die nächste und die nächste. Das Skript mint denselben Block bei vier Schwierigkeiten. Es brauchte 15 Versuche für eine Null, 835 für zwei, 7992 für drei und 109028 für vier. Jede weitere Null kostet viel mehr Arbeit, und die Antwort ist jedes Mal gleich, weil der Block und der Start feststehen.

Niemand speichert einen Kontostand. Das Skript gibt Asha 10, Ben 5 und Cara 0 und spielt dann vier Zahlungen der Reihe nach ab. Die letzte Zeile sagt, dass die Zahlung von 8 von Cara an Asha abgelehnt wurde, weil Cara zu diesem Zeitpunkt nur 6 hatte. Die Kontostände sind Asha 6, Ben 0 und Cara 9.

Jeder kann „Asha pays Ben 5“ schreiben. Eine Signatur zeigt, dass Asha es geschrieben hat. Diese besteht nur aus Hashes: ein geheimer Schlüssel aus 256 Paaren, ein öffentlicher Schlüssel, der der Hash jedes Elements ist, und eine Signatur, die aus jedem Paar ein Geheimnis offenlegt. Die signierte Nachricht wird mit True bestätigt. Ändere einen Buchstaben der Nachricht, behalte dieselbe Signatur, und die Prüfung ergibt False. Ein solcher Schlüssel signiert nur eine Nachricht, er ist also zum Lernen da und nicht zum Verwenden.

Zwei Personen können gleichzeitig verschiedene Blöcke an dieselbe Kette anfügen, und dann gibt es zwei Ketten. Das Skript baut beide aus denselben ersten zwei Blöcken. Kette A hat 3 Blöcke und Kette B hat 4. Beide sind gültig. Die Regel lautet, der Kette mit mehr Arbeit zu folgen, hier 768 gegen 1024, also gewinnt B und der zusätzliche Block von A wird verworfen.

Öffne JupyterLab über die Leiste und doppelklicke auf start.ipynb. Es baut eine Kette, prüft sie, ändert einen Block und prüft erneut. Klicke auf eine Zelle und drücke Umschalt und Eingabe, um sie auszuführen. In die letzte Zelle gehört deine eigene Frage, und chain.py ist kurz genug, um es ganz zu lesen.