Nonce (Krypto)

Was ist Nonce?

Nonce ist die Abkürzung für „number once“ in der Welt der Kryptowährungen und bezieht sich auf eine beliebige Zahl, die nur einmal bei einer kryptografischen Datenübertragung verwendet wird.

Diese zufällig generierte Zahl dient der Geheimhaltung der Kommunikation und dem Schutz vor Replay-Angriffen.

Eine Nonce enthält oft einen Zeitstempel, so dass sie nur für eine bestimmte Zeit gültig ist.

Wenn sie keine Zeitvariante enthält, muss die Nonce mit genügend Zufallsbits generiert werden, um eine extrem geringe Wahrscheinlichkeit der Wiederholung eines zuvor generierten Wertes zu gewährleisten.

Technisch gesehen stellt die Nonce eine Vier-Byte-Zahl dar, die zu einem gehashten oder verschlüsselten Block in einer Blockchain hinzugefügt wird.

Wenn diese Zahl erneut gehasht wird, d. h. in eine komplexe Form umgewandelt wird, die in der Regel einen mathematischen Algorithmus verwendet, erfüllt sie die Einschränkungen des Schwierigkeitsgrads.

Nonce einfach erklärt

Sicherheit ist ein grundlegendes Merkmal der Blockchain-Technologie. Ein Schlüsselelement, das eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung der Integrität einer Blockchain spielt, ist die Nonce. 

Das Herzstück der Blockchain-Sicherheit ist die Erstellung und Validierung langer, verschlüsselter Zahlen, die als Hashes bekannt sind und als Grundbaustein für die Blockchain-Technologie dienen.

Zur Generierung dieser Hashes kommt eine deterministische kryptografische Funktion zum Einsatz, was bedeutet, dass sie bei gleicher Eingabe die gleiche Ausgabe liefert.

Dieser deterministische Charakter ermöglicht ein effizientes Hashing, das die Ermittlung der ursprünglichen Eingabe erschwert und die Sicherheit der Blockchain gewährleistet.

Selbst geringfügige Änderungen an der Eingabe führen zu völlig anderen Hashes, was weiter zur Stärke des Systems beiträgt.

Zur Aufrechterhaltung der Blockchain-Sicherheit werden Daten aus früheren Blöcken verschlüsselt oder in eine Reihe von Zahlen „gehasht“, die den Block-Header für den nachfolgenden Block bilden.

Der Block-Header, ein wesentlicher Bestandteil jedes Blocks, enthält verschiedene Metadatenfelder, die für das Funktionieren der Blockchain entscheidend sind.

Unter diesen Feldern nimmt die Nonce eine zentrale Rolle ein. Die für die Validierung und das Hinzufügen neuer Blöcke zur Blockchain verantwortlichen Miner befinden sich in einem rechnerischen Wettlauf, um eine Nonce zu finden, die bestimmte Kriterien erfüllt. 

Die Nonce, im Wesentlichen ein numerischer Wert, ist das Ziel, das die Miner durch ihre Berechnungen zu ermitteln versuchen. Indem sie die richtige Nonce finden, beweisen Miner ihre rechnerische Leistung und tragen zur Validierung des Blocks bei.

Auf diese Weise dient die Nonce als kritischer Faktor im Konsensmechanismus der Blockchain. Sie fügt ein Element des Wettbewerbs und der Rechenkomplexität hinzu und verbessert so die Sicherheit des Blockchain-Netzwerks.

Die Suche nach der Nonce erfordert eine erhebliche Rechenleistung. Sobald Miner eine gültige Nonce gefunden haben, senden sie den Block an das Netzwerk, und andere Miner verifizieren die Lösung.

Dieser Prozess schützt vor böswilligen Akteuren, die die Integrität der Blockchain gefährden können.

Verschiedene Arten von Nonce-Werten

Es gibt verschiedene Ansätze zur Generierung und Erstellung einer Nonce, die sich auf ihre Sicherheit und Einzigartigkeit auswirken können. Eine zufällige Nonce wird durch die Kombination beliebiger Zahlen erzeugt.

Diese Methode stellt sicher, dass die resultierende Nonce unvorhersehbar ist, und bietet einen gewissen Schutz gegen Angreifer, die versuchen, mehrere Schlüssel innerhalb eines Systems zu sammeln. 

Die Generierung von Nonces nach dem Zufallsprinzip macht es böswilligen Akteuren sehr schwer, die Nonce-Werte genau vorherzusehen oder zu replizieren.

Die Verwendung einer rein zufälligen Nonce garantiert jedoch keine Einzigartigkeit, da immer noch die Möglichkeit besteht, dieselbe Zufallszahl mehr als einmal zu erzeugen.

Eine sequentielle Nonce wird dagegen schrittweise nach einer vorhersehbaren Reihenfolge generiert. Diese Methode gewährleistet, dass sich die Werte nicht wiederholen, nicht reproduziert werden können und keinen unnötigen Speicherplatz verbrauchen.

Sequentielle Nonce-Werte bieten ein gewisses Maß an Zuverlässigkeit und Ordnungsmäßigkeit, so dass es einfacher ist, die verwendeten Nonce-Werte zu verfolgen und zu überprüfen. 

Diese Vorhersehbarkeit kann jedoch auch zu Schwachstellen führen. Wenn ein Hacker das Muster erkennen kann, nach dem sequenzielle Nonces generiert werden, kann er möglicherweise den Wert der nächsten Nonce erraten und so die Sicherheit des Systems gefährden.

Eine ideale Nonce würde zufällige und sequentielle Elemente enthalten, um ein Gleichgewicht zwischen Vorhersehbarkeit und Unvorhersehbarkeit herzustellen.

Durch die Kombination dieser beiden Ansätze werden Nonce-Werte solider und widerstandsfähiger gegen Angriffe. 

Ein Zeitstempel wie 3:01 p.m. 9/17/2020 kann beispielsweise als sequentielle Nonce betrachtet werden, da er einem inkrementellen Muster folgt.

Er ist zwar einigermaßen vorhersehbar, aber die Wahrscheinlichkeit, dass derselbe Zeitstempel noch einmal vorkommt, ist minimal.

Ein Hacker, der das Muster der mit Zeitstempeln versehenen Schlüssel kennt, könnte jedoch unter Umständen den Wert der nächsten Nonce erraten.

Um mehr Unvorhersehbarkeit einzuführen, können Pseudo-Zufallszahlengeneratoren (engl. Pseudo-Random Number Generators, PRNGs) verwendet werden.

PRNGs erzeugen Sequenzen von scheinbar zufälligen Zahlen auf der Grundlage eines festgelegten Algorithmus. PRNG-generierte Nonces sind zwar unvorhersehbarer, aber es besteht weiterhin die Möglichkeit doppelter Werte, da dieselbe Zufallszahl mehr als einmal generiert werden könnte.

Was sind die Anwendungen einer Nonce?

Es gibt verschiedene Einsatzmöglichkeiten für eine Nonce, darunter:

• Authentifizierung: Eine Nonce kann in Authentifizierungsprotokollen als Methode zur Verhinderung von Replay-Angriffen verwendet werden. Dadurch wird sichergestellt, dass alte Daten nicht mehr benutzt werden.
• Hashing: Eine Nonce kann in Proof-of-Work-Systemen (PoW) zum Einsatz kommen, um die Eingabe für eine kryptografische Hash-Funktion zu ändern. Dabei kann die Zahl beliebig gewählt werden, um den gewünschten Schwierigkeitsgrad zu erreichen.
• Initialisierungsvektoren: Initialisierungsvektoren können als Nonces bezeichnet werden, da sie in der Regel zufällig oder pseudo-zufällig sind.
• Elektronische Signaturen: Werkzeuge für elektronische Unterschriften können geheime Nonce-Werte zum Erstellen, Vergleichen und Überprüfen von Signaturen verwenden.
• Identitätsmanagement: Nonces können in zahlreichen Identitätsmanagementfunktionen genutzt werden, einschließlich Single Sign-On (SSO), 2-Faktor-Authentifizierung (2FA) und Kontowiederherstellung.

Andere Bedeutungen des Wortes „Nonce“

Das Wort „Nonce“ hat mehrere Bedeutungen, die über seinen technischen Gebrauch in der Informatik und IT hinausgehen.

Eine der häufigsten Verwendungen von „Nonce“ ist die Bezeichnung von etwas, das für den unmittelbaren Anlass oder den gegenwärtigen Moment relevant ist.

Es steht für einen vorübergehenden Zustand oder Zweck, der auf einen bestimmten Kontext oder Zeitrahmen beschränkt ist.

In der Terminologie sind „Nonce Words“ neu geprägte Begriffe oder Ausdrücke, die für einen einzigen, spezifischen Zweck geschaffen wurden.

Diese Wörter stammen oft aus belletristischen Werken, können aber im Laufe der Zeit in die Alltagssprache übergehen.

In der Architektur bezeichnet der Begriff „Nonce Orders“ individuelle Entwürfe oder Variationen klassischer Architekturaufträge.

Diese einzigartigen Entwürfe weichen von etablierten Konventionen ab, um besonderen Projektanforderungen gerecht zu werden oder um bestimmte ästhetische Ziele zu erreichen.

Nonce-Aufträge verleihen architektonischen Projekten einen Hauch von Individualität und Kreativität.

Fazit

In der Kryptographie bezieht sich „Nonce“ auf eine beliebige Zahl, die nur einmal verwendet wird.

Eine Nonce kann zur Validierung der in einem Block enthaltenen Informationen eingesetzt werden und hilft, die Kommunikation geheim zu halten und vor Replay-Angriffen zu schützen.

Nonce-Werte haben eine Vielzahl verschiedener Anwendungen im Bereich Blockchain und IT. Diese Zahlen können in Authentifizierungsprotokollen, Tools für elektronische Signaturen, Identitätsmanagementprogrammen und als Initialisierungsvektoren verwendet werden.

Bei Kryptowährungen werden sie jedoch in erster Linie in PoW-Systemen eingesetzt, um die Gültigkeit und Integrität jedes zur Blockchain hinzugefügten Blocks sicherzustellen.