Bitcoin oder Ethereum, zwei Begriffe mit denen fast jeder inzwischen etwas anfangen kann. Wenn man sich mit diesen virtuellen Währungen etwas näher befasst, wird man schnell auf die Begriffe Blockchain und Distributed Ledger stoßen. Und vielleicht hat man sogar schon irgendwo gelesen das sich immer mehr große Unternehmen für die Technologie hinter Bitcoin interessieren, um die Rückverfolgbarkeit und Rechenschaftspflicht zu verbessern.
Ist also die Blockchain-Technologie „die“ Erfindung dieses Jahrzehnts? Auf den ersten Blick bahnbrechend herrscht immer noch eine recht große Verwirrung, wenn es darum geht, was diese Technologie denn nun genau leistet. Auch werden Stimmen laut die der Ansicht sind das die jüngsten Anwendungen eher im privaten Sektor angesiedelt, reine Spielereien sind.
Werfen wir also einen Blick auf die Grundlegende Technologie und versuchen wir dem Geheimnis der Blockchains auf die Spur zu kommen.
Blockchain, was ist das eigentlich?
Ganz so neu wie man denken möchte ist die Blockchain Technologie nicht. Bereits zwischen 1982 und 1992 stellten Forscher die Theorie auf das „eine Kette von Blöcken“ verwendet werden könne, um Zeitstempel von Dokumenten fälschungssicher zu speichern und weiterzugeben.
Allerdings würde es noch einmal fast 20 Jahre dauern, bis diese durch Satoshi Nakamoto einen Anwendungsfall fand. Dieser übernahm die ursprüngliche Idee eine fälschungssichere Datenkette zu schaffen, allerdings war sein Ziel nicht Dokumente damit fälschungssicher zu machen, sondern dass die Kette Geldtransaktionen aufzeichnen würde.
Nakamoto fand also einen Weg Transaktionsaufzeichnungen zwischen Fremden auf einer absolut vertrauenslosen Basis auszutauschen. Dies ermöglicht es einer Person mit absoluter Sicherheit festzustellen, ob die Kopie einer bestimmten Blockchain legitim ist oder nicht. Noch wichtiger ist es vielleicht das dies ohne jede Beteiligung oder Anleitung einer Behörde, eines Vermittlers oder Dritten möglich ist. Dieser Durchbruch „Proof of Work“ genannt legte das Fundament der heutigen dezentralen Kryptowährungen.
„Proof of Work“ legt also bestimmte Regeln fest wie neue Transaktionen in Blockchains aufgezeichnet werden. Dies ist notwendig, um zu verhindern das böswillige Akteure unrechtmäßige Transaktionen in das Hauptbuch aufnehmen können. Zum Beispiel um mehr Bitcoin auszugeben die man eigentlich besitzt oder frühere Transaktionen nochmals zu tätigen, dieser Vorgang wird „Double Spending“ genannt.
Wie bei so vielen komplizierten Dingen ist die Erklärung was es ist ganz einfach. Eine Blockchain ist ein Transaktionslogbuch, welches über ein Netzwerk von Computern gemeinsam genutzt und repliziert wird. Es kann auch auf vertrauenslose Weise aktualisiert werden, ohne dass dies durch eine zentrale Behörde oder einen vertrauenswürdigen Prüfer getan werden muss.
Was sind die Vorteile einer Blockchain?
Warum also ist Blockchain so wichtig? Eigentlich ist sie nichts anderes als eine wachsende Liste von Transaktionen für digitale Währungen. Nun, werfen wir einen Blick auf die Vorteile einer Blockchain gegenüber einer herkömmlichen Methode zur Datenspeicherung wie z.B. Bankdaten:
- Manipulationssicherheit und Unveränderlichkeit
Das Hauptziel der Blockchain-Technologie ist die Dezentralisierung. Dies bedeutet das neue Daten nur hinzugefügt oder geändert werden können, wenn die Mehrheit des Netzwerkes der Änderung zustimmt. Keine Einzelperson oder Organisation kann diesen Prozess zu ihrem eigenen Vorteil verfälschen oder umkehren. Aber Achtung! Nicht alle Blockchains sind gleich fälschungssicher, private Implementierungen zum Beispiel leiden unter Umständen unter einer Zentralisierung und weisen daher diese Eigenschaft nicht auf. - Transparenz
Jede einzelne Aktualisierung und Hinzufügung zu einer Blockchain sind öffentlich einsehbar. Dies erhöht die Glaubwürdigkeit eines Datensatzes im Vergleich zu herkömmlichen Alternativen da diese nicht über einen Mechanismus zur Prüfung und Verifizierung früherer Änderungen verfügen. - Genehmigungsfrei
Jeder kann sich an öffentlichen Blockchains beteiligen, wobei die Rechte und der Zugang für jeden absolut gleich sind. Aufgrund der dezentralen und verteilten Struktur können sie weeder abgeschaltet noch zensiert werden. - Kein einziger Fehlerpunkt (no single point of failure)
Die Replizierung und gemeinsame Nutzung von Daten durch Fremde ermöglicht Redundanz. Bei beliebten Blockchains wie der von Bitcoin können Datensätze selbst dann überleben, wenn ganze Kontinente offline gehen.
Wie funktionieren denn Blockchains nun?
Nun haben wir die Definitionen einer Blockchain geklärt, zugegeben noch sehr allgemein gehalten. Als nächsten Schritt wollen wir uns nun einen technischen Überblick über der Blockchain zugrunde liegende Technologie verschaffen. Zu Beginn wurde gesagt das Blockchains sind eine digitale Aufzeichnung von Transaktionen, dies ist auch richtig allerdings stark vereinfacht dargestellt. Eine Blockchain ist keine Liste von Transaktionen, sondern gleicht eher einem Bündel solcher. So ein Bündel wird als „Block“ bezeichnet und enthält neben den Transaktionsdaten auch weitere wichtige Informationen zur zum Beispiel einen Zeitstempel. Den Aufbau einer Blockchain kann man an diesen Richtlinien erkennen.
In einer Blockchain werden diese Bündel der Reihe nach aneinandergehängt und verwendet dabei den enthaltenen Zeitstempel, um eine chronologische Reihenfolge zu erstellen. So erhält man eine lange, wirklich sehr lange, Liste von Blöcken, welche sich bis zum Ursprungsblock zurückverfolgen lasst, welcher gemeinhin als „Genesis-Block“ bezeichnet wird.
So weit so gut, eine Blockchain ist also eine nach Datum- und Zeitstempel geordnete Liste aus Transaktiosblöcken. Was wäre aber nun, wenn eine Person mit nicht so ganz ehrlichen Absichten eine Liste von Transaktionen, welche gefälscht sind, aber einen korrekten Zeitstempel aufweisen? Hier kommen nun die kryptografischen Hashes dazu, welche auch für den Namen Kryptowährung verantwortlich sind.
So bleibt die Blockchain „ehrlich“: Kryptografische Hash-Funktion
In jedem Block einer Chain befindet sich ein eindeutiger Hash-Wert. Ein Hash ist ein Ergebnis einer mathematischen Funktion oder eines Algorithms. Um genau zu sein das Ergebnis einer SHA256-Has-Funktion.
Auch wenn das recht kompliziert klingt, ist es in der Praxis doch recht einfach. Die Funktion verendet zum Erstellen einer eindeutigen Ausgabe einige Daten als Eingabe. Jeder der sich irgendwann einmal mit Programmierung befasst hat kennt den Text „Hallo world!“ der entsprechende Hashwert sieht dann so aus:
c0535e4be2b79ffd93291305436bf889314e4a3faec05ecffcbb7df31ad9e51a
Würde man nun nur eine Kleinigkeit in der Eingabe ändern, – wie zum Beispiel einen Groß- gegen einen Kleinbuchstaben auszutauschen – würde dies den Hash-Wert komplett verändern. Um das Ganze noch sicherer zu gestalten, enthält jeder Block einen Verweis auf den Hash seines Vorgänger Blocks, dieser wiederum seines Vorgängers und so weiter bis hin zum Gemini Block. Wie hilft dies nun etwaige Attacken abzuwehren?
Nun bei großen Kryptowährungen ist es nicht so einfach die Lösung für eine Hashfunktion zu berechnen, da hier der Hash eines jeden Blocks vom Hash seines Vorgängers abhängig ist. So würde das Verändern eines vorhergehenden Hashs eine komplett neue Berechnung aller Blöcke zwischen damals und heute bedeuten. Wobei das Äandern vergangener Transaktionen nicht seht einfach ist.
Die Besonderheiten der Funktionsweisen von Kryptowährungen einmal außer Acht gelassen dauert zum Beispiel das Generieren eines Hashs für einen einzelnen Bitcoin-Block rund 10 Minuten. Wobei die Berechnung des Hash-Wertes nicht von einem, sondern von Tausenden hochspezialisierten Computern durchgeführt wird.
im Bitcoin-Whitepaper hat Satoshi Nakamoto dieses hypothetische Szenario genauer erklärt.
Ehrlichkeit wird belohnt
Ein Heer von Freiwilligennimmt an der Berechnung der Block-Chains teil und um diese bei Laune zu halten, gibt es für die Leistung auch eine Belohnung. Bei Bitcoin zum Beispiel mindestens 6,25 BTC, klingt nicht viel ist aber aktuell 218.795,45 Euro. Allerdings bekommt dies nicht jeder, sondern nur einer von Hunderten oder gar Tausenden Validierern die Belohnung für jeden Block. Alle anderen müssen von vorne beginnen und nochmals versuchen die Belohnung zu ergattern.
Durch dieses Belohnungskonzept erhalten die Blockchain Netzwerke eine breite Beteiligung was diese wiederum stärker macht. Würde ein Angreifer nun versuchen andere ehrliche Teilnehmer zu übertreffen würde er hierzu über 51% der Hashing-Leistung oder Hash-Rate des gesamten Netzwerkes benötigen. Würde nun ein falscher Datensatz, oder auch nur ein Block mit falschen Transaktionen auftauchen so könnte die Diskrepanz von jedem anderen Teilnehmer leicht erkannt werden und diese Kopie zurückweisen. Es gibt schlicht keinen Anreiz sich auf die Seiten eines Angreifers zu schlagen.
Damit ein Hack oder eine Doppelausgabe in einer Proof-of-Work-Blockchain stattfinden kann, müssten viele vergangene Blöcke neu berechnet werden, um eine Transaktion zu ändern. Gleichzeitig müssten neue Transaktionen in derselben Geschwindigkeit des restlichen Netzwerks berechnet werden.
Blockchain-Konsensmechanismen: Die Grenzen des Machbaren
Auch wenn das Proof-of-Work System hervorragend funktioniert, hat es ein großes Manko, es ist nicht skalierbar. Der PoW Mechanismus ist so konzipiert, dass er in einem bestimmten Zeitintervall einen Block erzeugt. Bei Bitcoin sind es 10, bei Ethereum 12-15 und bei Litecoin 2,5 Minuten.
Das System ist derart wettbewerbsfähig das sich inzwischen ganze Rechenzentren dem Ziel die Blockbelohnung zu gewinnen widmen. Transaktionsvalidierer haben daher immer einen Anreiz ihre Rechenleistung zu erhöhen, um die Chancen auf den Gewinn der Belohnung zu verbessern. Und obwohl die Rechenleistung immer höher wird bleibt die Netzwerkkapazität immer dieselbe. Um nun zu einem echten globalen Zahlungssystem zu werden müssen tausende von Transaktionen pro Sekunde unterstützt werden, mit der Möglichkeit diese nach oben zu Skalieren.
Dass die Skalierbarkeit des PoW Systems eingeschränkt ist, war eine bewusste Design Entscheidung, um so die Dezentralisierung zu fördern. Dies hat jedoch zu einer Pattsituation geführt welche Kritiker auf den Plan gerufen hat, um alternative Ansätze für einen Konsens zu finden, welcher dann ohne eine Hash-Berechnung auskommen soll.
Zwar hat sich noch keine allumfassende Alternative zum PoW System gefunden, einige Kryptowährungen wie zum Beispiel Cardano setzten bereits auf alternative Systeme wie dem Proof of Stake welche aktuell als eine der besten Optionen gesehen wird.
Blockchain im privaten Sektor
Wie bereits zu Beginn erwähnt, wurde diese Technologie ursprünglich für Finanzdienstleistungen entwickelt, inzwischen haben auch private Unternehmen und sogar Regierungen begonnen sich für Blockchains zu interessieren. Eine Blockchain muss nicht unbedingt Finanzdaten beinhalten, auch wenn sie dafür entwickelt wurde, vielmehr kann eine Blockchain jede Form von Daten sicher transportieren. Zwar als direkte Konkurrenz zu den klassischen Banken entwickelt sind es eben diese die nun einen genaueren Blick auf Blockchains werfen, mit dem Ziel das System für schnellere Transaktionen zu nutzen und die menschliche Aufsicht zu verringern.
Anders als bei Kryptowährung-Blockchains sind private Implementierungen zulässig da diese normalerweise nur wenigen Personen zugängig sind Transaktionsaufzeichnungen auch nicht öffentlich zugängig oder überprüfbar sind. Darunter zum Beispiel sind Hyperledger Fabric von IBM und die Corda-Plattform von R3.
So funktioniert Hyperledger Fabric (IBM):
Transaktionsablauf auf hoher Ebene. Der Client (gelber Akteur) schlägt den Endorsing Peers (blau) eine Transaktion vor und sammelt die Antworten auf die Transaktion. Der Client sendet dann eine Transaktion an den Bestellservice, der die eingehenden Transaktionen ordnet und in Blöcke zerlegt. Die Peers (grün) ziehen die Blöcke vom Bestelldienst ab, validieren die Transaktionen, fügen sie an das Hauptbuch an und wenden gültige Transaktionen auf den Zustand an.
Aber auch Handelsunternehmen wie die US-Handelskette Walmart testen diese Technologien. Im Falle von Walmart dazu, um die Rückverfolgung von Lebensmitteln zu verbessern. Im Logistik Bereich arbeiten DHL und ISB gemeinsam, um eine Blockchain für pharmazeutische Lieferketten zu entwickeln. Hierzu äußerte sich DHL in einer Pressemitteilung folgendermaßen:
Using a common, indelible and secure ledger, the industry can achieve much higher safety standards – from the factory to the patient – at much lower cost. This is one of several opportunities blockchain affords to restructure business processes while reducing cost and complexity.
Durch die Verwendung eines gemeinsamen, unauslöschlichen und sicheren Hauptbuchs kann die Industrie viel höhere Sicherheitsstandards – von der Fabrik bis zum Patienten – zu viel geringeren Kosten erreichen. Dies ist eine von mehreren Möglichkeiten, die Blockchain bietet, um Geschäftsprozesse umzustrukturieren und gleichzeitig Kosten und Komplexität zu reduzieren.
Private Blockchains, ja oder nein?
Obwohl das Thema privater Blockchains seit Jahren diskutiert wird, gibt es immer noch keine Einigung darüber ob private Blockchains Sinnvoll sind oder nicht. Zum einen liegt es daran das die Implementierungen von Unternehmen zu Unternehmen stark abweichen können, es gibt keinen übergeordneten Standard. Zum anderen löst das Vorhandensein einer Blockchain nicht das Problem der Gefahr einer Manipulation oder der Rückverfolgbarkeit.
Zwar kann die Technologie dazu beitragen Gemeinkosten zu senken, aber ohne öffentliche Transparenz kann nicht garantiert werden, ob ein bestimmter Datensatz vertrauenswürdig ist oder nicht. Blockchains sind auf eine Vielzahl von Interessensgruppen angewiesen, um einen Konsens zu erzielen. Bei privaten Blockchains fehlt dieser gänzlich.
Auch haben private Blockchains keine vielfältigen Interessensgruppen und nur sehr selten werden diese dezentral sein. So müssten zugelassene Blockchains den Sicherheitspraktiken von Dritten oder einer Behörde vertrauen. Dies wäre dann das genaue Gegenteil der von Kryptowährungen verwendeten Blockchains.
Also sind private Blockchains nur eine Spielerei wie viele Kritiker immer wieder einwerfen? Nicht unbedingt – immerhin enthalten diese immer noch einige Vorteile der öffentlichen Blockchains wie Hochverfügbarkeit und die Möglichkeit einer permanenten, zeitgestempelter Aufzeichnung von Daten.
Selbst wenn der Konsens an das Unternehmen gebunden ist welchem die Blockchain gehört, wird das Risiko eines Datenverlustes oder deren Manipulation auf mehrere Computer verteilt. Für Angreifer bedeutet das, das sie nicht nur den zentralen Server angreifen müssen, vielmehr müssen sie alle Computer gleichzeitig angreifen. Anders ausgedrückt, werden die Vorzüge privater Anwendungen dadurch realisiert, dass die Kopien auf mehreren verteilten Computern gespeichert werden, anstatt eine Einigung einer Vielzahl von Beteiligten zu erzielen.
Nicht nur für Kryptowährungen
Nicht nur private Unternehmen machen sich Gedanken darüber, wie man Blockchains noch verwenden kann. Auch Bitcoin Anbieter wie Ethereum haben in den letzten Jahren alternative Anwendungen für diese Technologie ermöglicht. Dazu zählen unter anderem dezentralisierte Finanzen (DeFi), Verwaltung von Eigentumsrechten, digitale Identität sowie Lieferkettenmanagement.
Vor allem im Bereich des Finanzwesens bieten Blockchain Anwendungen in Regionen mit fragmentierter oder unterentwickelter Infrastruktur große Vorteile gegenüber dem herkömmlichen Finanzwesen. So können diverse Dienstleistungen wie Kreditvergabe, Versicherungen und Spareinlagen auch von Bevölkerungsgruppen und Regionen in Anspruch genommen werden, welche ansonsten von herkömmlichen Banken nicht bedient werden können. Hierbei senken DeFi Dienste nicht nur Eintrittsbarrieren, sondern es werden auch keine Mittelsmänner benötigt was wiederum zu einer erheblichen Senkung von Fristen und Bearbeitungsgebühren führt.
Seit kurzen geistert der Begriff NFT (non-fungible tokens – nicht austauschbare Token) durch die Medien. Diese Token werden zur Verwaltung von Eigentumsrechten eingesetzt. Es handelt sich hierbei um einzigartige Token, die das Eigentum an einem Gegenstand oder Vermögenswert signalisieren können. So könnte man zum Beispiel ein Haus, Auto oder ein Grundstück innerhalb von Minuten statt Tagen erwerben. Dies funktioniert da der Eigentumsnachweis in einer Blockchain gespeichert ist, somit ist er unanfechtbar und kann auch nicht verfälscht werden. Eigentumsübertragungen würden so mit einer einfachen Transaktion in wenigen Augenblicken abgewickelt im Gegensatz zu papiergestützten Verfahren die Tage oder gar Wochen in Anspruch nehmen können und bei manuellen Eingaben auch noch korruptionsanfällig sind.
Zukunftsmusik? Aktuell sicher und Immobilientransfers werden wohl erst in einige Jahrzehnten über eine Blockchain abgewickelt werden, dass es aber funktionieren kann hat die Plattform Decentraland gezeigt, hier wurde ein virtuelles Stück Land für fast eine Million Dollar verkauft.
Wir sehen also, vom dezentralen Finanzwesen bis hin zu Weeb3 Anwendungen hat die Blockchain Technologie bereits Anwendungsfälle gefunden und es werden sicher noch weitere hinzukommen. Schon heute ist Blockchain weit mehr als nur ein einfacher Weg, um Zahlungen abzuwickeln.
