Stratum V2 en andere manieren om Bitcoin decentraal te houden

Dit artikel maakt deel uit van een serie waarin we onderzoeken op welke manier Bitcoin nog moet worden verbeterd voor een grootse toekomst. Lees het inleidende overzichtsartikel voor meer context. In dit artikel onderzoeken we de decentralisatie van Bitcoin.

Bitcoin is een peer-to-peer geldsysteem, waar niet één centrale partij de baas is. Het netwerk is open voor iedereen die mee wil doen: de deelnemers beheren samen het netwerk en bewaken de regels.

Dat werkt omdat de miners die de transacties controleren en opnemen in de blockchain alleen een beloning krijgen als ze alle regels correct toepassen. Doen ze dat niet, dan wordt het nieuwe block met bijbehorende beloning niet geaccepteerd door de rest van het netwerk.

De regels van het geldsysteem zijn vastgelegd in het protocol en de broncode. Ze beschrijven bijvoorbeeld waar een transactie aan moet voldoen, en hoeveel nieuwe bitcoins er per block bij komen.

De enige eis aan een Bitcoin-transactie is dat die voldoet aan die regels. Verder is het systeem neutraal en amoreel: Het systeem heeft geen mening over de inhoud van de transacties, zoals verzender, ontvanger en bedrag.

De manier om die neutraliteit te garanderen is dat de verzender transactiekosten betaalt, en dat een miner die transactiekosten kan verdienen door de transactie op te nemen. Er is tenslotte altijd wel een miner die jouw transactiekosten wil meepakken, toch?

Waarom decentralisatie?

Dit mechanisme werkt alleen als er veel deelnemers zijn die allemaal een klein stukje van de rekenkracht onder hun hoede hebben, dat noemen we een hoge mate van decentralisatie.

Hoe meer de rekenkracht bij een klein aantal partijen komt te liggen, hoe meer het netwerk zich gaat gedragen als een gecentraliseerd systeem. Deze partijen kunnen dan bijvoorbeeld transacties buitensluiten (censuur) of transacties voorrang geven (niet neutraal).

Sterke decentralisatie is noodzakelijk om Bitcoin daadwerkelijk open, borderless, neutral, censorship resistant en public te maken.

In de eerste jaren waren de experimenterende techneuten meteen ook de miners, gewoon op hun pc of laptop, en vanaf eind 2010 ook op de GPU van de videokaart. In een paar jaar tijd steeg de waarde van een bitcoin van een paar dollar in 2011 naar bijna 1000 dollar eind 2013. Het minen werd de moeite waard!

Na de GPU volgden de FPGA en de ASIC. Dat zijn chips met schakelingen die speciaal ontworpen zijn om zo efficient mogelijk de Bitcoin-berekeningen uit te voeren. Elk jaar wordt de mining-hardware een stukje efficiënter, en worden de mining-bedrijven een stukje professioneler.

Met de huidige koers is er dagelijks zo'n 10 tot 15 miljoen dollar te verdelen door de miners aan nieuwe bitcoins en transactiekosten. Een flinke taart die door een flink aantal deelnemers gedeeld moet worden. Dat is goed nieuws voor de decentralisatie, zou je zeggen.

Echter, met zoveel deelnemers kan het best een tijd duren voordat je het volgende block vindt, en is er veel variatie in je inkomsten door geluk of pech. Bijna alle miners sluiten zich daarom aan bij een mining pool, waar de deelnemers allemaal een stukje van het werk doen, en de inkomsten delen.

En zo hebben we een gigantische mining-industrie, en toch te weinig decentralisatie. Zo'n 66% van de rekenkracht is ondergebracht bij 5 grootste mining pools.

Hoe kunnen mining pools misbruik maken?

Een mining pool werkt met de huidige werkverdelingsprotcollen als volgt. De mining pool heeft een Bitcoin-node, en maakt deel uit van het Bitcoin-netwerk. De node ontvangt nieuwe transacties van het netwerk die opgenomen mogen worden in een volgend block.

De pool stelt een block template op, gebaseerd op het vorige block en gevuld met nieuwe transacties. De pool stuurt daarop gebaseerde rekenopdrachten naar de deelnemers die allemaal tegelijk een deel van de zoekruimte voor hun rekening nemen.

De miners hebben hierdoor geen invloed op de inhoud van het volgende block, ze weten zelfs niet eens waaraan ze rekenen. De pool operator kan bepalen op welk block het nieuwe block gebaseerd wordt, en welke transacties erin komen.

Dit maakt een heel spectrum van misbruik mogelijk door de pool-operator, bijvoorbeeld:

1. Een exchange kan een pool betalen om transacties van een concurrent niet op te nemen in het volgende block, waardoor die transacties gemiddeld een stuk langer duren dan die van hen.
   
   
2. Een overheid kan een pool dwingen om bepaalde soorten transacties niet op te nemen in het volgende block, bijvoorbeeld transacties uit een bepaald land.
   
   
3. Een paar pools kunnen samen besluiten om minimale transactiekosten te hanteren door transacties met te lage transactiekosten te negeren.

Fundamentele eigenschappen van het Bitcoin-netwerk (neutraal, censorship resistant, borderless) staan hiermee onder druk.

Een lastig trilemma

De schaalbaarheid van Bitcoin (en Ethereum) is vaak onderwerp van kritiek. Andere blockchains roemen zichzelf in een groot aantal transacties per seconde en een lage transactietijd.

Deze kritiek wordt wel eens beantwoord met een verwijzing naar het blockchain trilemma, die stelt dat voor een blockchain maar twee eigenschappen gekozen kunnen worden van deze drie: schaalbaarheid, veiligheid en decentralisatie.

Zonder het trilemma in detail te bespreken, is onze observatie wel dat vrijwel alle "snelle cryptovaluta" inderdaad een grote mate van centralisatie hebben, waar een klein aantal spelers, of zelfs één centraal instituut, de dienst uitmaakt.

Centraal ingrijpen door nodes uit te sluiten, transacties terug te draaien of het monetaire beleid eenzijdig te wijzigen is daar eerder regel dan uitzondering, zelfs bij de grote altcoins.

Het is de relatieve traagheid van Bitcoin die het in staat stelt om een grote mate van decentralisatie te combineren met een grote mate van veiligheid. Maar dan moeten we die decentralisatie wel in stand houden!

Wat brengt de toekomst?

Gelukkig wordt er al een tijd hard gewerkt aan oplossingen voor de centralisatie in mining pools. Daarbij wordt het bestaan van mining pools als gegeven gezien, en gekeken hoe men met behoud van die pools toch voor meer decentralisatie kan zorgen.

Deze zomer presenteerden ontwikkelaars van Blockstream een nieuw protocol voor de communicatie tussen de pool en de miners, genaamd BetterHash. En vorige maand maakte Braiins, het bedrijf achter SlushPool, de opvolger van het nu meest gebruikte protocol bekend, Stratum V2, waarin een aantal ideeën van BetterHash zijn opgenomen.

Een belangrijk onderdeel van het nieuwe protocol is dat de miners zelf de optie hebben om te bepalen op welk block ze het volgende block baseren, en welke transacties ze in het volgende block meenemen. Daarmee wordt de macht teruggelegd bij de miners, en verliest het argument dat mining pools voor centralisatie zorgen z'n kracht.

Stratum V2 is ook efficiënter en dus goedkoper voor mining pools, en het biedt meer veiligheid voor zowel de miners als de pool. Voor oprechte deelnemers is er dus reden genoeg om over te stappen!

Als je meer wilt weten over Stratum V2, luister dan de podcast van Stephan Livera met Jan Čapek. Hij in één van de bedenkers van het protocol en legt stap voor stap alle interessante details uit.

In deze YouTube-video legt Matt Corallo uit hoe BetterHash werkt, waaronder het principe dat nu ook in Statum V2 zit waarmee de decentralisatie van de pools terug wordt gebracht naar de miners. Hij laat twee afbeeldingen zien, eerst de verdeling van rekenkracht over de pools, daarna de verdeling over de miners. Genoeg decentralisatie, lijkt me!

Andere vormen van centralisatie

Naast de centralisatie van rekenkracht in mining pools zijn er nog andere vormen van centralisatie die aandacht verdienen. We noemen er vier.

Ten eerste zijn miners geografisch niet heel goed verdeeld, met zelfs zo'n 65% van de rekenkracht in China. Het risico is dat bepaalde landen een grote invloed uitoefenen, of dat een groot deel van de rekenkracht ineens wegvalt bij een regionale ramp of verandering van wetgeving.

Een oplossingsrichting is dat steeds meer manieren worden bedacht om van zeer goedkope (gratis) energie gebruik te maken, waardoor het op meer plekken winstgevend is om te minen.

Ten tweede komt mining hardware van een beperkt aantal fabrikanten, die invloed kunnen uitoefenen over de firmware die erop draait, of zelfs backdoors kunnen inbouwen.

Een oplossingsrichting is het Braiins OS, een nieuw open source besturingssysteem voor mining-apparatuur. Die moet de gesloten firmware van de fabrikant vervangen, en zo voorkomen dat fabrikanten trucjes kunnen uithalen.

Ten derde staat een groeiend deel van de bitcoins bij grote exchanges of andere financiële beheerders in de wallets, volgens een schatting van Meltem Demirors zo'n 17%. Een risico is dat exchanges gaan valsspelen of dat bij een hack het belang zo groot wordt dat men verleid wordt om in te grijpen.

Een oplossingsrichting is het voortdurend testen van deze beheerders, zoals bij Proof of Keys op 3 januari. Ook wordt gedacht over een standaard om beheerders te laten bewijzen dat ze daadwerkelijk de bitcoins bezitten.

Ten vierde de afweging tussen de capaciteit en decentralisatie. Hoe groter de blockchain wordt, hoe meer ruimte die inneemt. Voor voortdurende, wereldwijde verificatie van de blockchain moeten zoveel mogelijk mensen hun eigen full node kunnen blijven draaien. Het liefst op simpele, goedkope, energiezuinige hardware.

Hierover ging het debat over de grootte van de blocks, wat uit eindelijk uitmondde in het afsplitsen van Bitcoin Cash en Bitcoin SV.

Met een block size van 1 GB, zoals BSV wil, heeft een node 52 terabyte per jaar nodig. Dat kun je alleen met een snelle internetverbinding ontvangen, en alleen met dure servers opslaan, verwerken en doorzoeken. Hét recept voor centralisatie.

Tot slot

Tijd voor onze conclusie.

Sterke decentralisatie van alle aspecten van Bitcoin, zoals miners, pools, nodes, beheerders en bezitters, is fundamenteel voor de oncensureerbaarheid en de onvervalsbaarheid van het geldsysteem.

Dat geldt voor elke cryptomunt, maar omdat Bitcoin heel veel groter is dan de andere munten, zijn de belangen ook veel groter dat dit daadwerkelijk zo is. Andere munten komen misschien nog weg met een keertje censureren of terugdraaien, Bitcoin zeker niet.

De neiging om te centraliseren is een oude vijand. We zien het bij overheden, banken, zorgverleners en zelfs bij het decentrale internet. Grote spelers zoals Microsoft, Google en Amazon verzorgen samen een flink deel van het internetverkeer en de rekenkracht in de cloud. Het netwerkeffect en het schaalvoordeel van dergelijke systemen spelen daar dezelfde rol als bij het succes van grote bouwers van mining-hardware en grote exchanges. 

Het is goed om te zien dat aan vele vormen van decentralisatie gewerkt wordt. Het geeft het vertrouwen dat bij verdere groei van Bitcoin ook voor de terechte zorg over centralisatie een goede oplossing wordt gebouwd!

The properties of Bitcoin in order of importance is Scarcity, then Decentralization and finally its Digital nature. In that sense Bitcoin has more in common with Gold than Altcoins (which belong in the same area as Gift Cards). pic.twitter.com/QiJ8P5ln7o

— Jimmy Song (송재준) (@jimmysong) November 27, 2019