Bitcoin als interplanetärer Geldstandard mit Proof-of-Transit Timestamping

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

Dieses Papier untersucht die Machbarkeit, Bitcoin als gemeinsamen Geldstandard zwischen Erde und Mars zu etablieren, und befasst sich mit den erheblichen Herausforderungen der interplanetaren Kommunikation. Die Einweg-Lichtlaufzeit (OWLT) zwischen den beiden Planeten variiert zwischen 3 und 22 Minuten, bei unterbrochener Konnektivität und Kommunikationsausfällen. Diese physikalischen Beschränkungen machen synchrones Bitcoin-Mining unpraktikabel, lassen jedoch Raum für asynchrone Verifizierung, lokale Zahlungen und Abwicklung. Die Arbeit stellt ein neuartiges kryptografisches Primitiv vor, Proof-of-Transit Timestamping (PoTT), um manipulationssichere Prüfpfade für Bitcoin-Daten zu schaffen, die diese hochlatenz- und störungsanfälligen Verbindungen durchqueren.

2. Zentrale Beiträge

Die primären Beiträge des Papiers sind:

• Interplanetare Bitcoin-Architektur: Ein physikbewusstes Design, das die Basisparameter von Bitcoin (10-Minuten-Blockzeit, 21-Millionen-Cap) beibehält und gleichzeitig einen zuverlässigen Betrieb über astronomische Einheiten (AE) hinweg ermöglicht.
• Proof-of-Transit Timestamping (PoTT): Ein neuartiges Primitiv, das kryptografische, nicht abstreitbare Nachweise darüber liefert, wann Daten eine Hochlatenzverbindung betraten und verließen, und so einen Prüfpfad für Rechenschaftspflicht schafft.
• Header-First-Replikation: Eine Optimierung, bei der Block-Header priorisiert verbreitet werden, um eine schnellere Verifizierung der aktuellen Chain-Spitze zu ermöglichen, bevor die vollständigen Blockdaten eintreffen.
• Latenzbewusste Lightning-Policy: Parametrisierung des `cltv_expiry_delta` und anderer Timelocks im Lightning-Netzwerk, um interplanetare Round-Trip-Zeiten (RTTs) zu berücksichtigen und vorzeitigen Kanalverschluss zu verhindern.
• Abrechnungswege: Analyse von zwei Modellen für die Endabwicklung: 1) eine starke Föderation (vertrauensbasiert, kurzfristig) und 2) Blind-Merge-Mined (BMM) Commit-Chains (vertrauensminimiert, langfristig).

3. Stand der Technik & Grundlagen

Die Arbeit baut auf mehreren Schlüsselbereichen auf:

• Delay/Disruption-Tolerant Networking (DTN): Insbesondere das Bundle Protocol Version 7 (BPv7) und seine Sicherheitserweiterung (BPSec), entwickelt für asynchrone, Store-and-Forward-Kommunikation in herausfordernden Umgebungen.
• Space Internetworking: Frameworks wie NASAs LunaNet und ESAs Moonlight, die architektonische Blaupausen für Mondkommunikation bieten, hier erweitert auf interplanetare Maßstäbe.
• Bitcoin- & Lightning-Theorie: Vorherige Arbeiten zur Sicherheit von Timelocks und Zahlungskanälen, die unter Latenzen von mehreren Minuten neu bewertet werden müssen.
• Relativistische Bitcoin-Analyse: Frühe Vorschläge schlugen vor, das globale Blockintervall von Bitcoin mit der Entfernung zu skalieren, um die Fairness des Minings zu erhalten. Dieses Papier lehnt diesen Ansatz ab und entscheidet sich dafür, den Basis-Konsens unverändert zu lassen.

4. Systemmodell & Annahmen

Das Modell geht von Kommunikation innerhalb der zirkumstellaren habitablen Zone (CHZ) eines Sterns aus, mit Erde-Mars als kanonischem Fall. Zu den Schlüsselparametern gehören:

• OWLT: 3-22 Minuten (variabel).
• Unterbrochene Konnektivität aufgrund von Planetenrotation, Orbitalmechanik und Sonnenkonjunktionen.
• Nutzung optischer Low-Earth-Orbit (LEO) Mesh-Konstellationen als zuverlässige Datenrelais.
• Ehrliche, aber neugierige oder mäßig adversarische Relaisknoten innerhalb des DTN.
• Bitcoins Konsensregeln bleiben sakrosankt und unverändert.

5. Proof-of-Transit Timestamping (PoTT)

PoTT ist die Kerninnovation. Es handelt sich um einen kryptografischen Beleg, der generiert wird, wenn ein Datenbündel (z.B. eine Bitcoin-Transaktion oder ein Block-Header) eine Hochlatenzverbindung betritt. Der Beleg enthält:

• Hash der Daten-Nutzlast.
• Eingangszeitstempel (von einer vertrauenswürdigen Zeitquelle, z.B. einem GPS-Satelliten oder einem erdbasierten Atomuhrsignal).
• Digitale Signatur des Eingangsknotens.
• Erwartete Transitzeit oder Verpflichtung zum Ausgangszeitstempel.

Beim Austritt liefert der Ausgangsknoten eine entsprechende Signatur und einen Zeitstempel. Die Sequenz signierter Belege bildet einen unveränderlichen Prüfpfad, der beweist, dass sich die Daten während des behaupteten Latenzzeitraums in Transit befanden. Dies mildert Rechenschaftsprobleme ab, bei denen ein bösartiges Relais behaupten könnte, eine übermäßige Verzögerung sei auf "Physik" und nicht auf eigenes Fehlverhalten zurückzuführen.

6. Ende-zu-Ende-Architektur

Die vorgeschlagene Architektur integriert mehrere Komponenten:

1. Transportlayer: DTN (BPv7/BPSec) mit PoTT-Erweiterungen bildet das Store-and-Forward-Rückgrat.
2. Datenverbreitung: Header-First-Replikation ermöglicht es Mars-Knoten, den Proof-of-Work neuer Erd-Blöcke schnell zu verifizieren und ihre Sicht auf die Chain-Spitze zu aktualisieren, bevor der vollständige Block (mit Transaktionen) eintrifft.
3. Zahlungskanäle: Lightning-Kanäle werden mit massiv erhöhten `cltv_expiry_delta`-Werten eingerichtet. Die Formel berücksichtigt maximale OWLT, Jitter ($J$) und eine Sicherheitsmarge ($\Delta_{extra}^{CLTV}$): $CLTV_{delta} = 2 \times OWLT_{max} + J + \Delta_{extra}^{CLTV}$. Dies wird mithilfe von Bitcoins 10-Minuten-Blockzeit in eine Blockanzahl umgerechnet.
4. Watchtowers: Planetare Watchtowers (auf dem Mars) überwachen Kanalzustände, um Betrug zu bestrafen, da erdbasierte Watchtowers aufgrund der Latenz wirkungslos wären.
5. Abrechnung: Es werden zwei Modelle vorgeschlagen:
   • Starke Föderation: Eine Multi-Sig-Föderation auf dem Mars verwaltet einen 1:1 gedeckten Bitcoin-Bestand und gibt lokale Assets für schnelle Abwicklung aus. Vertrauensbasiert, aber praktisch für frühe Kolonien.
   • Blind-Merge-Mined (BMM) Commit Chain: Eine Sidechain, bei der Miner sich auf Bitcoin-Blöcke festlegen, ohne Sidechain-Daten zu sehen, was eine stärkere, vertrauensminimierte Abwicklungsschicht bietet, wenn die Technologie ausgereift ist.

7. Sicherheitsanalyse

Die Sicherheit von PoTT hängt von der Integrität des Zeitbeaconsystems ab. Wenn sowohl die Quell- (Erde) als auch die Ziel-Zeitbeacons (Mars) kompromittiert sind, reduziert sich PoTT auf "administrative Behauptungen" anstatt auf kryptografischen Beweis. Das Papier skizziert Verifizierungsprofile:

• Vollständige Verifizierung: Für große Abwicklungen, Verifizierung der gesamten PoTT-Kette und Abgleich mit unabhängigen Zeitquellen.
• Stichprobenverifizierung: Für kleinere Zahlungen, probabilistische Überprüfung einer Teilmenge von PoTT-Belegen, um Betrug abzuschrecken.

Die Architektur ändert nicht das Kern-Sicherheitsmodell von Bitcoin. Double-Spend-Angriffe erfordern nach wie vor 51% der Hash-Rate der Erde. Der primäre neue Angriffsvektor ist die Unterwanderung der Zeitquelle, die PoTT offensichtlich macht.

8. Betrieblicher Fahrplan

Die Einführung wird in Phasen vorgestellt:

1. Phase 1 (Experimentell): Bereitstellung von DTN-Knoten mit PoTT auf Erde-LEO-Mond-Verbindungen, um Protokolle und Latenztoleranz zu testen.
2. Phase 2 (Früher Mars): Aufbau eines starken Föderations-Abrechnungssystems für eine kleine Mars-Basis. Nutzung von Header-First-Replikation und einfachen zeitgesteuerten Verträgen.
3. Phase 3 (Ausgereifte Kolonie): Übergang zu einer BMM Commit Chain für die Abwicklung, falls die Technologie auf der Erde erprobt und übernommen wurde, hin zu einem dezentraleren Modell.

9. Schlussfolgerung

Das Papier zeigt, dass Bitcoin als interplanetärer Geldstandard funktionieren kann, ohne seine Kern-Konsensregeln zu ändern. Durch die Einführung von Proof-of-Transit Timestamping und die Anpassung höherer Protokollschichten (Lightning, Sidechains) zur Berücksichtigung von Latenz ist ein funktionsfähiges System für Verifizierung, Zahlungen und Abwicklung zwischen Erde und Mars machbar. Die monetäre Basis der Erde (L1) bleibt unberührt und bewahrt ihre Knappheit, während der Mars eine lokal gedeckte Wirtschaft betreibt.

10. Analystenperspektive

Kerneinsicht: Dies ist nicht nur ein Netzwerkpapier; es ist ein tiefgreifendes Gedankenexperiment zu monetärer Souveränität und Systemresilienz. Die Autoren lösen nicht nur ein Latenzproblem – sie versuchen, den "unveränderlichen" Kern von Bitcoin gegen eine physikalische Realität (interplanetare Distanz) zukunftssicher zu machen, die seine synchronen Annahmen fundamental bricht. Die wahre Innovation ist PoTT, das Latenz von einer Schwachstelle in ein verifizierbares, prüfbares Asset umdefiniert. Es ist ein klassisches Beispiel für die Maxime "Bekämpfe nicht die Physik, instrumentiere sie".

Logischer Ablauf: Das Argument ist elegant rekursiv. Beginne mit den unveränderlichen Regeln von Bitcoin. Konfrontiere die physikalische Unmöglichkeit synchronen Konsenses über Lichtminuten hinweg. Anstatt die Regeln zu brechen (ein No-Go für Bitcoin-Anhänger), baue eine Rechenschaftsschicht (PoTT) auf einen toleranten Transportlayer (DTN). Passe dann die bestehenden Skalierungsschichten (Lightning, Sidechains) an, um in dieser neuen rechenschaftspflichtigen, aber asynchronen Umgebung zu operieren. Die Logik ist wasserdicht: Bewahre die heilige Basis, innoviere aggressiv in den flexiblen höheren Schichten.

Stärken & Schwächen: Die Stärke ist der pragmatische, geschichtete Ansatz, der die politischen und sicherheitstechnischen Realitäten von Bitcoin respektiert. Die Nutzung von DTN-Standards (BPv7) und der klare Phasenplan zeigen reales Ingenieursdenken. Die offensichtliche Schwäche ist jedoch die Vertrauensannahme in die Zeitbeacons. Wie die Autoren einräumen, reduziert ein kompromittierter Zeitgeber PoTT auf Theater. Vorschläge für dezentrale Zeitsynchronisation im Weltraum, wie die Nutzung von Pulsarsignalen, sind noch in den Kinderschuhen. Darüber hinaus ist das "starke Föderations"-Modell für den frühen Mars eine bittere Pille für Dezentralisierungs-Maximalisten – es ist im Wesentlichen eine vertrauensbasierte Bank, eine Notwendigkeit, die die Spannung zwischen Idealismus und kolonialer Praktikabilität hervorhebt.

Umsetzbare Erkenntnisse: Für erdbasierte Entwickler sind die Konzepte der Header-First-Replikation und der expliziten Latenzberücksichtigung in Lightning sofort auf terrestrische Hochlatenzverbindungen (z.B. Satelliteninternet) anwendbar. Regulierungsbehörden sollten die klare Taxonomie des Papiers zur Kenntnis nehmen: Das Bitcoin der Erde ist unverändert, während der Mars ein gedecktes System nutzt. Dies schafft eine klare Trennung von Zuständigkeiten und Geldpolitik. Für Raumfahrtagenturen bietet dies einen konkreten Anwendungsfall und Anforderungskatalog für das Internet der nächsten Generation im Weltraum (wie NASAs SCaN) jenseits von Telemetrie, mit Fokus auf wirtschaftlichen Datenflüssen. Der Aufruf, PoTT innerhalb der IETF-DTN-Arbeitsgruppe zu standardisieren, ist der entscheidende nächste Schritt.

11. Technische Details & Formeln

Die Schlüsselparametrisierung beinhaltet die Berechnung von Lightning-Netzwerk-Timelocks. Der erforderliche `cltv_expiry_delta` in Blöcken leitet sich aus der maximalen Round-Trip-Zeit (RTT) ab:

$\text{CLTV}_{\text{blöcke}} = \left\lceil \frac{2 \times \text{OWLT}_{\text{max}} + J + \Delta_{\text{extra}}^{\text{CLTV}}}{600 \text{ Sekunden}} \right\rceil$

Wobei:

• $\text{OWLT}_{\text{max}}$ = Maximale Einweg-Lichtlaufzeit (z.B. 1320 Sekunden für 22 Minuten).
• $J$ = Netzwerk-Jitter-Puffer (z.B. 300 Sekunden).
• $\Delta_{\text{extra}}^{\text{CLTV}}$ = Sicherheitsmarge für Streitbeilegung (z.B. 144 Blöcke = 1 Tag).
• Nenner 600 Sekunden = Bitcoins 10-Minuten-Blockzeit.

Für einen konservativen Erde-Mars-Kanal mit einer 22-minütigen OWLT könnte der `cltv_expiry_delta` leicht 1000 Blöcke (~1 Woche) überschreiten, was die Liquiditätsökonomie der Kanäle grundlegend verändert.

12. Experimentelle Ergebnisse & Diagramme

Das Papier verweist auf zwei konzeptionelle Schlüsseldiagramme:

1. Abbildung 3: CLTV-Block-Umrechnung: Diese Grafik bildet den synodischen Zyklus Erde-Mars (OWLT von 3 bis 22 min) visuell auf eine Zeitleiste von Bitcoin-Blockhöhen ab. Sie zeigt, wie der erforderliche CLTV-Delta in Blöcken während der oberen Konjunktion (wenn die Planeten auf gegenüberliegenden Seiten der Sonne stehen) anschwillt. Dies sind keine experimentellen Daten, sondern eine kritische Visualisierung der Designbeschränkung.
2. Abbildung 4: PoTT-Metadaten-Anhang: Dieses Diagramm detailliert den Protokollstack und zeigt, wo PoTT-Metadaten (Eingangs-/Ausgangszeitstempel, Signaturen) an BPv7-Bündel angehängt werden, die Bitcoin-Daten (Header, Transaktionen, Lightning-Updates) transportieren. Es veranschaulicht die Schichtung: Bitcoin-Anwendungsdaten, eingepackt in ein PoTT-erweitertes DTN-Bündel für interplanetaren Transport.

Der "experimentelle" Aspekt ist die formale Verifizierung der Sicherheitseigenschaften des PoTT-Protokolls und die Parametersuche für CLTV-Werte unter verschiedenen Orbitalbedingungen.

13. Beispiel für ein Analyseframework

Fall: Bewertung des Abwicklungsfinalitätsrisikos für einen Mars-Bergbauaußenposten.

1. Parameter definieren:
- Asset: Monatliche Gehaltszahlung (10 BTC Äquivalent).
- Abwicklungsmodell: Phase 2 Starke Föderation.
- Bedrohung: Insolvenz oder Betrug des Föderationsbetreibers.

2. PoTT-Framework anwenden:
- Der Außenposten erhält eine "Peg-in"-Transaktionsmeldung von der Erde.
- Anstatt der Meldung zu vertrauen, fordert er den PoTT-Prüfpfad für das entsprechende, erdgestartete BTC-Transaktionsbündel an.
- Verifizierungsschritte:

1. Eingangssignatur von bekanntem Erd-DTN-Gateway prüfen.
2. Eingangszeitstempel gegen unabhängigen Feed vom NASA Deep Space Network-Zeitsignal verifizieren.
3. Erwartete Transitzeit basierend auf veröffentlichten Ephemeridendaten für dieses Datum berechnen.
4. Ausgangssignatur von Mars-Relaisstation verifizieren.
5. Bestätigen, dass Ausgangszeitstempel mit erwartetem Ankunftsfenster übereinstimmt.

3. Risikobewertung:
- Wenn PoTT-Kette verifiziert und Zeitstempel innerhalb des erwarteten Jitters übereinstimmen: GERINGES RISIKO. Abwicklung kann lokal akzeptiert werden.
- Wenn PoTT-Signaturen gültig sind, aber Zeitstempel nicht mit Ephemeriden übereinstimmen: MITTELES RISIKO. Zur Untersuchung markieren; mögliches Zeitbeacon-Problem.
- Wenn PoTT-Kette fehlt oder Signaturen ungültig sind: HOHES RISIKO. Abwicklung ablehnen; Streit mit Föderation einleiten.

Dieses Framework verlagert das Vertrauen von der Behauptung der Föderation auf die verifizierbare Physik des Kommunikationskanals.

14. Zukünftige Anwendungen & Richtungen

Die Implikationen gehen weit über den Mars hinaus:

• Cislunare Wirtschaft: Das unmittelbare Testfeld. PoTT und latenzbewusstes Lightning könnten Echtzeit-Zahlungen zwischen Mondbasen, Orbitalstationen und der Erde ermöglichen, wobei die ~1,3-Sekunden OWLT als handhabbarer Prototyp dient.
• Management von Tiefraum-Assets: Autonome Sonden oder Bergbaudrohnen im Asteroidengürtel könnten dieses System für Mikrotransaktionen nutzen, um Datenrelaisdienste oder Treibstoff zu bezahlen, wobei die Abwicklung über lange Zeiträume gebündelt wird.
• Terrestische Resilienz: Die Technologie ist direkt anwendbar auf erdbasierte DTNs für Katastrophenwiederherstellung, entfernte Sensornetzwerke oder Unterwasserkommunikation, wo Konnektivität unterbrochen ist.
• Dezentrale Zeit: Die größte Forschungsfront ist der Ersatz vertrauenswürdiger Zeitbeacons durch dezentralen Konsens über die Zeit. Forschung zur Nutzung quantenverschränkter Teilchenuhren oder Konsens aus Himmelsereignissen (wie Pulsar-Pulsankünften) könnte letztendlich das Hauptvertrauensloch von PoTT schließen. Die Arbeit von Kapitza et al. zur byzantinisch fehlertoleranten Uhrensynchronisation in asynchronen Netzwerken bietet einen theoretischen Ausgangspunkt.
• Multi-Party-Interplanetare Kanäle: Zukünftige Arbeit könnte Lightning-Kanalfabriken entwerfen, die Parteien auf Erde, Mars und einer Raumstation einbeziehen, mit komplexen, Multi-Hop-HTLCs, die unterschiedliche Latenzen auf jedem Abschnitt berücksichtigen.

15. Referenzen

1. Z. Wilcox, "Blind Merged Mining: A Protocol for Trustless Interoperability between Blockchains," 2021.
2. M. Moser et al., "Sidechains and interoperability," in Blockchain and Cryptocurrencies, 2022.
3. NASA JPL, "Horizons System / SPICE Ephemerides," https://ssd.jpl.nasa.gov/horizons/.
4. S. Nakamoto, "Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System," 2008.
5. J. Garay et al., "The Bitcoin Backbone Protocol: Analysis and Applications," in EUROCRYPT, 2015. (Frühe Arbeit zur Analyse von Konsens unter Verzögerung).
6. IETF, "RFC 2119: Key words for use in RFCs to Indicate Requirement Levels," 1997.
7. IETF, "RFC 8174: Ambiguity of Uppercase vs Lowercase in RFC 2119 Key Words," 2017.
8. CCSDS, "Bundle Protocol Version 7 (BPv7)," CCSDS 734.2-B-1, 2022.
9. P. Kapitza et al., "CheapBFT: Resource-efficient Byzantine Fault Tolerance," in Proceedings of the 7th ACM European Conference on Computer Systems, 2012. (Relevant für dezentralen Zeitkonsens).
10. J. Poon & T. Dryja, "The Bitcoin Lightning Network: Scalable Off-Chain Instant Payments," 2016.