Cryptocurrencies - Cheatsheet

Proof of Work vs. Proof of Stake

Definition:

Proof of Work und Proof of Stake sind Konsensmechanismen in Kryptowährungen, die zur Validierung von Transaktionen und Erstellung neuer Blöcke im Blockchain-Netzwerk genutzt werden.

Details:

• Proof of Work (PoW)
• Erfordert Rechenleistung zur Lösung kryptografischer Rätsel.
• Verbraucht viel Energie.
• Bekannteste Anwendung: Bitcoin.
• Formel zur Berechnung der PoW: \( H(x) \leq T \), wobei \(H(x)\) der Hashwert und \(T\) die Zielschwelle ist.
• Proof of Stake (PoS)
• Erfordert Besitz und „Einsetzen“ (Staking) von Coins.
• Gewinner des Staking-Prozesses erstellen neue Blöcke.
• Geringerer Energieverbrauch im Vergleich zu PoW.
• Bekannteste Anwendung: Ethereum (nach Umstellung auf Ethereum 2.0).

Bitcoin-Blockchain: Transaktionsvalidierung und Blockbildung

Definition:

Prozess der Überprüfung und Aufnahme von Transaktionen in die Bitcoin-Blockchain.

Details:

• Transaktionsvalidierung: Überprüfung der Gültigkeit durch Miner.
• Ein gültiger Block enthält eine Zusammenfassung neuer Transaktionen und wird der Blockchain hinzugefügt.
• Proof-of-Work (PoW): Konsensmechanismus zur Blockvalidierung.
• Belohnung: Miner erhalten neue Bitcoins und Transaktionsgebühren.
• Blöcke haben eine feste Größe (1 MB); enthalten Transaktionen und einen Header mit wichtigen Informationen.
• Block Header: Beinhaltet den Hash des vorherigen Blocks, einen Nonce, den Zeitstempel und den Merkle-Root-Hash.
• Merkle-Bäume: Struktur zur effizienten Überprüfung von Transaktionen innerhalb eines Blocks.
• Doppelter Spend (-Problem): Algorithmische Überprüfung zur Vermeidung mehrfacher Ausgaben gleicher Bitcoins.

Ethereum Virtual Machine (EVM)

Definition:

Die Ethereum Virtual Machine (EVM) ist die Laufzeitumgebung für Smart Contracts in Ethereum. Sie ermöglicht die Ausführung von Bytecode und gewährleistet die Konsistenz des Zustands der Blockchain.

Details:

• EVM führt Smart Contracts in Bytecode aus, der aus höherer Programmiersprache (z. B. Solidity) kompiliert wurde.
• Unabhängig von der zugrunde liegenden Hardware durch virtuelle Maschine.
• Verwendet Gas als Maß für Rechenaufwand; Gaslimit und Gaspreis beeinflussen die Ausführungskosten.
• Zustandsübergänge und Transaktionen werden in einer Sandbox-Umgebung ausgeführt.
• Deterministisch — bei identischen Eingaben gleiche Ausgaben.
• Kein direkter Zugriff auf andere Verträge; interagiert über definierte Schnittstellen.
• Programme laufen in isolierten Umgebungen, wodurch Sicherheit und Integrität der Blockchain gewährleistet werden.
• Stack-basiert, 256-bit-Wortgröße: \texttt{PUSH}, \texttt{POP}, \texttt{ADD}, etc.

Programmiersprachen für Smart Contracts (z.B. Solidity)

Definition:

Sprachen zur Umsetzung und Ausführung von Smart Contracts, wie z.B. Solidity auf der Ethereum-Plattform.

Details:

• Smart Contracts: Selbst-ausführende Verträge mit den Vertragsbedingungen direkt in Code geschrieben.
• Solidity: Die am häufigsten verwendete Sprache für Ethereum Smart Contracts.
• Syntax: Ähnlich zu JavaScript, speziell entwickelt für die Ethereum Virtual Machine (EVM).
• Wichtige Konstrukte: Contracts, Functions, Modifiers, Events.
• Beispieleinheit: \texttt{contract MyContract \{function foo() public \textbraceleft \textellipsis \textbraceright \}}
• Alternative Sprachen: Vyper (Python-ähnlich), Rust (für Solana), Michelson (für Tezos).

Elliptische Kurven für Kryptografie

Definition:

Elliptische Kurven werden in der Kryptografie verwendet, um sichere und effiziente Verschlüsselung zu gewährleisten.

Details:

• Grundlage: Elliptische Kurven-Gleichung: \(y^2 = x^3 + ax + b\)
• Nutzen: Schlüsselgenerierung, digitale Signaturen, Schlüsselaustausch
• Sicherheit: beruht auf der Schwierigkeit des Diskreten Logarithmusproblems auf elliptischen Kurven
• Populär: verwendet in Protokollen wie ECDSA, ECDH
• Vorteile: kurze Schlüsselgrößen bei gleicher Sicherheit im Vergleich zu RSA

Dezentralisierte Netzwerke und ihre Anwendungen

Definition:

Funktionieren ohne zentrale Kontrollinstanz, erhöhen Sicherheit und Eigenständigkeit der Teilnehmer.

Details:

• Konzensusmechanismen: Proof of Work (PoW), Proof of Stake (PoS)
• Beispiele: Bitcoin, Ethereum
• Anwendungen: Kryptowährungen, Smart Contracts, dezentrale Apps (dApps), DeFi (Dezentrale Finanzen)
• Skalierbarkeitsprobleme und Lösungen: Sharding, Layer-2-Lösungen (z.B. Lightning Network)
• Sicherheitsaspekte: Angriffe (51% Angriff), kryptografische Schutzmaßnahmen

Plattform für dApps auf Ethereum

Definition:

Ethereum als dezentralisierte Plattform für dApps (dezentrale Anwendungen).

Details:

• Smart Contracts ermöglichen automatisierte Abläufe und Vereinbarungen, geschrieben in Solidity
• ETH ist die native Kryptowährung, die für Transaktionsgebühren (Gas) genutzt wird
• dApps laufen auf der Ethereum Virtual Machine (EVM)
• Typische Anwendungsfälle: DeFi, NFTs, DAOs und Spiele
• Scalability Herausforderungen: hohe Gas-Gebühren, langsame Transaktionsbestätigungen
• Erweiterungen/Layer 2 Lösungen: z.B. Plasma, Rollups für bessere Skalierbarkeit

Sicherheitsaspekte und Angriffsvektoren in der Blockchain

Definition:

Sicherheitsaspekte und potenzielle Angriffsvektoren auf Blockchaintechnologie im Kontext von Kryptowährungen.

Details:

• Konsensmechanismen: Proof-of-Work (PoW), Proof-of-Stake (PoS)
• Sybil-Angriffe: Ein Angreifer erstellt viele falsche Identitäten
• 51%-Angriff: Kontrolle über mehr als 50% der Netzwerkkapazität
• Double-Spending: Doppelausgabe derselben Kryptowährung
• Replay-Attacke: Wiederholung einer legitimen Transaktion
• Sicherheitsaspekte: Dezentrale Netzwerkstruktur, Kryptografische Absicherung, Mechanismen zur Vermeidung von Manipulationen
• Privacy Concerns: Anonymität vs. Rückverfolgbarkeit von Transaktionen