Blockchain: Die Technik hinter der Schlüsseltechnologie

In Teil 2 unserer Serie über die Blockchain erklären wird die Technik hinter der Schlüsseltechnologie. Wie funktioniert das System? Was kann es leisten?

Was ist eine Blockchain?

Bei einer Blockchain handelt es sich um eine Datenbank, die aus einer Kette („chain“) von Datenblöcken („block“) besteht. Jeder Block umfasst dabei eine gewisse Menge an Transaktionen, die in ihm gespeichert sind.

Mehrere Parteien in einem Netzwerk organisieren die Datenbank. Dadurch weist sie eine dezentrale Struktur auf. So dienen Blockchains zur Verwaltung von Transaktionsdaten ohne eine zentrale Kontrollinstanz und ohne die Notwendigkeit gegenseitigen Vertrauens. Denn sie bieten vollkommene Transparenz. Jeder Akteur im Netzwerk hat nämlich dauerhafte Zugriff auf die Datenblöcke. Wer eine Transaktion getätigt hat, kann also von jedem Akteur nachvollzogen werden.

Die Art der Transaktionsdaten beziehungsweise Informationen spielt dabei eine untergeordnete Rolle. Zahlungsmittel wie Bitcoins, Besitzurkunden oder auch Frachtbücher speichert die Blockchain. Die Datenbank lässt sich auf eine Vielzahl von Fällen anwenden.

Die Blockchain-Technik ist wie Buchhaltung

Neue Transaktionen werden in neuen Blöcken zu der bestehenden Kette hinzugefügt. In der Sprache der Buchhalter wäre die Blockchain das Hauptbuch in einem gigantischen Buchhaltungssystem. Der Buchhalter schreibt täglich alle Transaktionen, die im Netzwerk stattfinden, auf ein Blatt Papier und heftet dies abends in einen großen Ordner. Dabei wäre das Blatt Papier der Datenblock und der Ordner das Hauptbuch bzw. die Blockchain. Das Hauptbuch liegt im Fall der Blockchain allerdings als Kopie dezentral auf den Rechnern aller beteiligten Parteien („Knoten“) im Blockchain-Netzwerk rund um den Globus. Damit sind Kopien sowohl auf Privatcomputern als auch auf Businessservern gespeichert. Im Englischen spricht man auch von DLT, „Distributed Ledger Technology“, zu Deutsch: verteilte Buchhaltungstechnik.

Die Funktionsweise der Blockchain in der Praxis

Eine Transaktion, die in der Blockchain gespeichert wird, kann beispielsweise wie folgt aussehen (siehe Abb. 3): Geld kann von einer digitalen Brieftasche (Wallet) in eine andere digitale Brieftasche überwiesen werden. Person A überträgt aus seinem Wallet den Betrag von 50€ auf das Wallet von Person B. Dabei werden aber nicht nur die 50€ übertragen, sondern auch eine kleine Gebühr (Fee).

Die Blockchain funktioniert wie ein Buchhaltungssystem.

Das bedeutet, eine Transaktion ist nicht komplett gratis. Die Gebühren sind in der Regel aber sehr klein. Das Wallet von Person A hatte initial 150€. Nach der Transaktion sind nur noch 100€ im Wallet (zur Vereinfachung werden die Gebühren vernachlässigt). Im Wallet von Person B ist die Überweisung bereits sichtbar. Da diese Transaktion aber noch von keinem Rechner im Blockchain-Netzwerk („Minern“) validiert wurde, kann der Betrag noch nicht verwendet werden.

Nicht-validierte Transaktionen warten darauf, von einem Miner verarbeitet und anschließend mit weiteren Transaktionen zu einem Block zusammengefasst zu werden. Ist dies geschehen, sind die Transaktionen im neuen Block für jeden zu sehen. Die hinter den Adressen stehenden Personen bleiben allerdings anonym. Sobald ein Block voll ist, wird ein neuer Block generiert, der an den vorherigen angekettet wird. Irgendwann entsteht also eine Kette von Blöcken, die alle Transaktionen, die es jemals gab, enthält. Daher der Name „Blockchain“.

Die Blockchain-Technik ist fehlerfrei

Um auf den Vergleich mit einem Buchhalter zurückzukommen: Ein guter Buchhalter sorgt dafür, dass ein Hauptbuch fehlerfrei ist und nur tatsächlich durchgeführte Transaktionen verzeichnet. Bei der Technik der Blockchain übernimmt ein Abstimmungs- bzw. Validierungsmechanismus die Rolle des Buchhalters. Mit seiner Hilfe entscheiden alle Teilnehmer darüber, welche Datenblöcke als ungültig aussortiert und welche als gültig akzeptiert werden. Nur die gültigen Blöcke werden zur Kette hinzugefügt. Wie genau Einigkeit unter den Teilnehmern hergestellt wird, unterscheidet sich je nach Blockchain-Anwendung.

Hier gibt es insbesondere zwei Verfahren: Proof of Work und Proof of Stake.

Proof of Work

Jedem Block in der Blockchain kommt eine Zahl als eindeutige Referenz zu, der sogenannte Hash. Diese Zahl bildet sich im Block auf Grundlage aller Informationen über die Transaktionen. Zusätzlich fließt der Hashwert des vorherigen Blocks in die Zahl. Die Miner im Netzwerk prüfen nun mittels kryptografischer Aufgaben, ob die getätigten Transaktionen mit der Transaktionshistorie übereinstimmen und ob die Hashwerte der Blöcke zueinander passen. Sind diese Berechnungen als Arbeitsbeweis erbracht und die Transaktionen validiert, werden sie wie erwähnt zu einem neuen Block zusammengefasst und zur Kette hinzugefügt. Als Belohnung für seinen Aufwand erhält der Miner die Transaktionsgebühr.

Proof of Stake 

Im Gegensatz zur Proof of Work-Methode werden zum Beispiel bei Krypto-Währungen die Transaktionen beim Proof of Stake nicht durch komplizierte Rechenaufgaben validiert. Ihre Validierung geschieht durch Entsperren von Anteilen an einer Digital-Währung in einer Wallet. Mit seinem Anteil an der Digital-Währung validiert der Besitzer der Krypto-Währung quasi Transaktionen auf der Blockchain. Wenn ein Nutzer beispielsweise 2 Prozent einer bestimmten Digital-Währung hält, kann dieser 2 Prozent aller Transaktionen validieren. Während beim Proof of Work die Rechenpower entscheidend ist, steht hier vielmehr der Anteil an der Krypto-Währung im Mittelpunkt. So können Nutzer, die zum Beispiel 10.000 € an einer Krypto-Währung halten, zehn Mal mehr Blöcke validieren, als Nutzer, die nur 1.000 € an einer Krypto-Währung halten. In jedem Fall erhalten die Nutzer im Gegenzug eine Art von Zinsen, die sich je nach Krypto-Währung unterscheiden und sich meist zwischen 2 und 10 Prozent pro Jahr bewegen.

Vorteile der Blockchain

Aber egal ob mittels Proof of Work oder Proof of Stake: Eine Transaktion ist dann gültig, wenn die Mehrheit (nach Rechenleistung oder nach Währungsbesitz) der Teilnehmer dies bestätigt. Mit diesen Eigenschaften weist die Blockchain verschiedene Vorteile auf.

Das System ist flexibel

An manchen Blockchain-Netzwerken können die Nutzer anonym teilnehmen, bei anderen müssen sie sich persönlich identifizieren. Manche Blockchains sind öffentlich, sodass jeder einsteigen kann (Beispiel Bitcoin). Andere sind privat und richten sich an einen festen Kreis von Teilnehmern (etwa ein Unternehmen und seine Zulieferer). Grundsätzlich gibt es nicht die eine Blockchain-Technologie bzw. -Anwendungsart. Die Technologie passt auf viele Problemstellungen und Bedürfnisse.

Die Technik der Blockchain sehr sicher gegen Ausfälle

Da es so viele Kopien wie Nutzer gibt, sind die Informationen in der Blockchain auf vielen Rechnern rund um den Globus gespeichert. Damit hat der Ausfall eines Systems keine schwerwiegenden Folgen.

Das System ist fälschungssicher

Außerdem macht die dezentrale Organisation die Blockchain gegenüber herkömmlichen zentralen Datenbanken praktisch fälschungssicher. Ein Akteur kann zwar eine einzelne Version leicht manipuliert. Da allerdings tausende Kopien der unverfälschten Blockchain existieren, deckt ein einfacher Vergleich jede Abweichung auf. Für die Fälschungssicherheit sorgt auch die Verkettung über die Hashwerte.

Manipulationsversuche laufen ins leere

Würde ein Angreifer versuchen, eine Transaktion zu manipulieren, indem er einen bereits bestehenden Block in der Kette ändert, so müsste er auch den gespeicherten Hash verändern. Eine Überprüfung des Blocks mit der Hashing-Funktion würde den Block sogleich als Fälschung entlarven, da der veränderte Hash nicht mit dem in der Blockchain übereinstimmt. Da jeder Hash eines Blocks dazu dient, auch den Hash des nächsten Blocks in der Blockchain zu generieren, würde eine Manipulation sich auch auf alle folgenden Hashs auswirken. Das macht die Manipulation von Daten in der Blockchain beinahe unmöglich.

Ein Angreifer müsste mehr als 50 Prozent der Rechenleistung des gesamten Netzwerks erbringen, um schneller Blöcke zu erzeugen als die restlichen Knoten und so die Blockchain zu manipulieren. Nur so kann er die anderen Knoten davon überzeugen, dass seine Fake-Blockchain die echte ist – er kann sie sozusagen überstimmen. Eine solche 50+-Prozent-Attacke ist aber in Großen Blockchain-Anwendungen quasi unmöglich. Selbst wenn man die 500 stärksten Supercomputer der Welt für einen solchen Angriff rekrutieren würde, hätte man damit beispielsweise weniger als 0,01 Prozent der Rechenleistung des Bitcoin-Netzwerks zusammen. Eine potenzielle Gefahr können solche Angriffe sein, wenn es sich um sehr kleine, spezialisierte Blockchain-Netzwerke handelt.

Die Technik der Blockchain dokumentiert alle Transaktion von Beginn an

Und da die Datenbank kontinuierlich wächst und alle Transaktionen seit dem Start des Blockchain-Netzwerks umfasst, reicht die Fälschungssicherheit bis zum Beginn zurück. Allerdings gibt es auch bei der Technik der Blockchain keine 100-prozentige Sicherheit, da diese auch von den Applikationen abhängt, die mit der Blockchain-Anwendung verknüpft sind.

Die Nachteile der Blockchain-Technik

Aktuell bestehen noch einige Probleme mit der Blockchain.

  • So kostet die Validierung der Transaktionen auf Basis der Proof of Work sehr viel Geld.
  • Das Lösen der Rechenaufgaben erfordert viel Zeit und Energie.
  • Der hohe Energieverbrauch sorgt für Unmut bei Umweltschützern, Regierungen und Kritikern.

Allein die Validierung durch die Miner im Bitcoin-Netzwerk verbraucht pro Jahr 48,3 Terrawatt-Stunden Energie, das entspricht dem Stromverbrauch Singapurs oder Portugals. Mit dem Proof-of-Stake-Konzept steht allerdings eine Alternative bereit, die energiesparender ist.

Die zeitintensive Validierung mittels Proof of Stake hat noch einen weiteren Nachteil. Gerade die ersten Blockchain-Netzwerke wie Bitcoin sind langsam. Mit Bitcoin lassen sich weltweit nur rund sieben Transaktionen pro Sekunde bewältigen. Die Folge ist ein permanenter Rückstau von Transaktionen. Damit sind gezielte Veränderungen und Weiterentwicklungen der Software erforderlich, um das Potenzial der Systeme zu steigern.

Fazit: Die Blockchain steckt noch in den Kundeschuhen

Grundsätzlich steckt die Blockchain-Technologie noch immer in den „Kinderschuhen“, sodass es noch technologischer Weiterentwicklung bedarf, damit die Technologie in allen Wirtschaftsbereichen ohne Einschränkung nutzbar ist. Ferner ist dafür erforderlich, dass es gemeinsame Standards und Regeln für die Anwendung der Blockchain-Technologie gibt. Dies ist eine wesentliche Grundlage dafür, dass Unternehmen die Anwendung der Technologie skalieren können.

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