Wie funktioniert Blockchain?

Wenn es um Blockchain geht, denken viele direkt an die Kryptowährung Bitcoin. Mit der digitalen Währung lassen sich Waren und Dienstleistungen kaufen und Währungen wie United States Dollar (USD), Euro (EUR), Chinese Yuan (CNY) oder andre umtauschen. Die Idee der Blockchain geht jedoch viel weiter als Kryptowährungen. 

Obwohl Bitcoin die Technik der Blockchain als Grundlage hat, lässt sich Blockchain für viel mehr als nur digitales Geld verwenden. Für einige ist die Idee der Blockchain eine der besten Erfindungen seit dem Internet. Blockchain ermöglicht den Tausch von Werten ohne Vertrauen oder einer zentralen Autorität.

Was ist Blockchain?

Um zu verstehen wie Blockchain funktioniert, muss man verstehen, was Blockchain ist. Anhand eines Vergleiches mit der freien Enzyklopädie Wikipedia lässt sich der Unterschied sehr gut darstellen.

Kommt Blockchain zum Einsatz, können alle Nutzer der Blockchain Einträge in dieser Blockchain erfassen. Die Gemeinschaft der Benutzer kontrolliert, wie die Informationen angepasst und aktualisiert werden. So ähnlich funktioniert auch Wikipedia. Die Enzyklopädie lebt von den Beiträgen vieler. Nicht eine Person kontrolliert die Informationen auf Wikipedia.

Bei näherer Betrachtung sind die Unterschiede zwischen Blockchain und Wikipedia deutlich größer. Beide sind über verteile Netzwerke (Internet) verfügbar. Wikipedia basiert aber auf einem Client-Server Netzwerk.

Die Benutzer sind die Clients. Die Clients haben das Recht über einen Wikipedia-Account Einträge in den, zentral auf den Wikipedia-Servern gespeicherten, Artikel zu ändern oder neue Artikel zu schreiben.

Besucher von Wikipedia erhalten beim Aufruf der Webseite ein Update der zentral gespeicherten „Master-Kopie“. Die Kontrolle über die Datenbank bleibt bei den Administratoren von Wikipedia. Zugriff auf die Beiträge wird von einer zentralen Instanz verwaltet.

Wie funktioniert Blockchain?
Blockchain vs Wikipedia (Icons: flaticon.com, Bild: randombrick.de).

Die zentral verwalteten Server von Wikipedia sind mit den geschützten und zentralisierten Datenbanken von Regierungen und Banken zu vergleichen. Die Kontrolle obliegt dem Eigentümer, dazu gehört das Verwalten von Updates und der Schutz gegen Cyberangriffe.

Die verteilte Datenbank der Blockchain-Technik basiert auf einer fundamental anderen Idee. Diese Unterscheidung ist die wesentliche Eigenschaft der Blockchain.

Die „Master-Kopie“ eines Wikipedia-Eintrags wird auf dem Server bearbeitet und alle Besucher sehen anschließend die neue Version.

Bei der Blockchain erhalten alle Knotenpunkte im Netzwerk das Update und aktualisieren unabhängig von den anderen Knotenpunkte die Version des Beitrags. Liegt ein aktuelle Version eines Beitrags auf der Mehrzahl der Blockchain-Knotenpunkte, wird diese Version der neue tatsächliche Standard.

Was ist die Blockchain?
Was ist die Blockchain? (Bild: flaticon.com).

Dieser Unterschied macht die Technik der Blockchain so besonders. Die Blockchain stellt eine Neuerung in der Erfassung und Verteilung von Informationen dar. Gleichzeitig entfällt die Notwendigkeit einer vertrauensvollen dritten Person, die die digitale Abwicklung ermöglicht.

Interessant dabei ist, dass Blockchain keine neue Technik ist.

Blockchain ist eine Kombination von vorhandenen und bewährten Techniken, die auf neue Weise zusammen eingesetzt werden. Die Verwendung von Internet, privater Kryptoschlüssel und ein Protokoll mit einem Anreizsystem macht die Idee von Blockchain und insbesondere Bitcoin, für viele Nutzer so interessant.

Öffentlicher Kryptoschlüssel P2P Netzwerk mit öffentlichem Journal Anreiz für die Benutzer
Identität System zur Führung von Aufzeichnungen Benutzer profitieren, in dem sie die Transaktionen, die Aufzeichnungen und die Sicherheit des Netzwerks unterstützen

Das Ergebnis ist ein System für digitale Transaktionen ohne die Notwendigkeit einer vertrauenswürdigen dritten Partei. Die Sicherstellung der digitalen Beziehung zwischen zwei Parteien ist durch das System der Blockchain impliziert.

Digitales Vertrauen

Vertrauen basiert auf einer Risikoeinschätzung zwischen den Teilnehmern. In der digitalen Welt wird Vertrauen oft durch die Identifizierung (Authentifizierung) und die Gewährung von Zugriff (Autorisierung) geschaffen. Einfacher ausgedrückt, wir wollen wissen:

  • Bist du wer du vorgibst zu sein?
  • Solltest du in der Lage sein das zu tun, was du vorhast zu tun?

Die Blockchain bietet mit einem privaten Kryptoschlüssel ein mächtiges Werkzeug für Eigentumsrecht und erfüllt damit die Ansprüche an die Authentifizierung. Der Besitzt des privaten Schlüssels bedeutet Eigentumsrecht. Dadurch müssen auch nicht mehr persönliche Informationen preisgegeben werden, wie für den Tausch notwendig sind. Das reduziert die Angriffsfläche für Hacker.

Die Authentifizierung ist dabei nicht ausreichend. Die Autorisierung (ist genug Geld vorhanden, wird die richtige Transaktion übermittelt) benötigt ein dezentralisiertes, Peer-to-Peer Netzwerk als Ausgangspunkt. Ein dezentrales Netzwerk reduziert des Risiko von zentralisierter Korruption oder Scheitern. Die Daten liegen bei allen Nutzern des Netzwerks.

Dieses verteilte Netzwerk muss an die Aufzeichnungen und Sicherheit des eigentlichen Transaktionsnetzwerks angebunden sein. Die Autorisierung von Transaktionen im gesamten Netzwerk erfolgt durch die Anwendung der Regeln auf denen das Netzwerk basiert – dem Blockchain-Protokoll.

Kommen Authentifizierung und Autorisierung auf diese Weise zum Einsatz, sind in der digitalen Welt Transaktionen ohne zusätzliche und teure Treuhänder möglich.

Deshalb wird Blockchain oft als neues Rückgrat (backbone) für Transaktionen im Internet beschrieben, als Grundlage für das Internet der Werte (Internet of Value).

Die Idee, dass Kryptoschlüssel und geteilte (sowie öffentlich einsehbare) Buchungsjournale dazu führen, dass Benutzer sichere digitale Geschäftsbeziehungen führen können, sorgt für neue und wilde Ideen in der Unternehmerwelt. Von Regierungen über IT-Firmen bis zu Banken und Versicherungen, alle denken über Blockchain nach.

Authentifizierung und Autorisierung sind wichtig für digitale Transaktionen und werden durch das jeweilige Protokoll der Blockchain etabliert. Die Idee lässt sich für alle Systeme zur Führung von Aufzeichnungen anwenden.

Wie funktioniert Blockchain?

Nachdem oben erklärt wurde, was die Blockchain ist, erklärt dieser Abschnitt wie die Blockchain funktioniert.

Die Blockchain setzt einen privaten Kryptoschlüssel, ein verteiltes Netzwerk mit Buchungsjournal sowie einen Anreiz für die Benutzer dem Netzwerk zu dienen ein.

Kryptografische Schlüssel

Zwei Personen möchten über das Internet eine Transaktion vornehmen. Jede der Personen besitzt einen privaten und öffentlichen Schlüssel.

Blockchain Privater und Öffentlicher Schlüssel
Blockchain Privater und Öffentlicher Schlüssel (Icon: flaticon.com Bild: randombrick.de).

Dieser Bestandteil der Blockchain erschafft eine sichere digitale Identität. Die Identität basiert auf dem Besitzt eines privaten und öffentlichen Kryptoschlüssels.

Die Kombination beider Schlüssel kann als geschickte Form der Zustimmung gesehen werden. Dadurch wird eine sehr digitale Signatur erzeugt.

Diese digitale Signatur ermöglicht die Kontrolle und Übergabe von Eigentum.

Digitale Unterschrift für die Blockchain
Digitale Unterschrift für die Blockchain (Icon: flaticon.com Bild: randombrick.de).

Identität

Die Kontrolle über das Eigentum ist nicht ausreichend für eine sichere digitale Beziehung. Die Authentifizierung ist sichergestellt, muss jedoch mit einer Möglichkeit der Autorisierung der Transaktion verbunden werden.

Das verteilte Netzwerk einer Blockchain gewährleistet das.

Verteiltes Netzwerk

Die Vorteile und Notwendigkeit eines verteilten Netzwerks können mit folgendem Gedankenexperiment verstanden werden. Wenn ein Baum in einem Wald umfällt und wir Kameras haben um den Fall aufzunehmen, können wir sehr sicher sein, dass der Baum umgefallen ist.

Es liegt ein optischer Beweis vor, auch wenn wir das wieso und warum nicht kennen.

Bei der Bitcoin-Blockchain gibt es ein großes Netzwerk an Rechnern, die, wie die Kameras im Wald, übereinstimmend das Gleiche zur selben Zeit wahrnehmen. Anstatt Kameras kommt eine mathematische Bestätigung zum Einsatz.

Die Größe des Netzwerks ist wichtig um das Netzwerk sicher zu machen.

Deshalb ist die Bitcoin-Blockchain so spannend. Sie ist so groß und hat eine gigantische Rechenpower angehäuft. Die Blockchain kann über 15.000.000 Tera Hashes pro Sekunde verarbeiten.

Wie viel ist das im Vergleich zu Supercomputer? Die Rechenpower von Supercomputer wird in FLOPS angegeben. FLOPS lassen sich nicht direkt mit dem Berechnen von Hashes vergleichen. Es muss eine Umrechnung erfolgen. Als Endergebnis bleibt: Die Bitcoin-Blockchain hat ein Vielfaches an Rechenpower im Vergleich zu allen Top 500 Supercomputer zusammen.

System zur Führung von Aufzeichnungen

Die Kombination von kryptografischen Schlüsseln mit einem verteilten Peer-to-Peer-Netzwerk ergeben eine praktisch Form der digitalen Interaktion. Am Beispiel von Bitcoin funktioniert das folgendermaßen:

Person A nimmt seinen privaten Schlüssel und kündigt damit an, den Betrag X zu versenden und hängt diese Ankündigung an den öffentlichen Schlüssel von Person B.

Ein Bitcoin-Block aus der Blockchain
Ein Bitcoin-Block aus der Blockchain (Icon: flaticon.com Bild: randombrick.de).

Ein Block mit der digitalen Unterschrift, einem Zeitstempel und den relevanten Informationen wird an alle Bitcoin-Knotenpunkte übertragen.

Was ist Blockchain?
Das Verteilen von neuen Blocks in der Bitcoin-Blockchain (Icon: flaticon.com Bild: randombrick.de).

Dem Netzwerk dienenden Protokoll

Wieso sollten Millionen Kameras darauf warten einen umfallenden Baum aufzunehmen? Die Frage auf die Blockchain angewendet: Wie bekommt man diese riesige Menge an Rechenpower dazu, einem Netzwerk zu dienen und dieses sicher zu machen?

Öffentliche Blockchains setzen auf das Mining (auf Deutsch: Bergbau). Das Mining baut auf ein sozialwissenschaftliches und evolutionstheoretisches Modell, der Tragödie des Allgemeinguts, auf.

Wird die eigene Rechenpower dem Netzwerk zur Verfügung gestellt, erhält der Besitzer des Computers eine Belohnung. Der Eigennutz einer Person wird verwendet um der Allgemeinheit zu dienen.

Um beim Beispiel von Bitcoin zu bleiben. Das Bitcoin-Protokoll wird verwendet um zu verhindern, dass der gleiche Bitcoin in zwei unterschiedlichen Transaktionen zur gleichen Zeit verwendet wird. Wie Bitcoin-Mining funktioniert, erklärt der verlinkte Artikel im Detail.

Damit Bitcoins einen Wert haben können, muss jede Einheit einzigartig sein. Ansonsten kann diese kein Eigentum darstellen. Sonst würden beliebig viele Kopien erstellt. Bitcoin wäre als Zahlungsmittel wertlos.

Um das sicherzustellen, erzeugt und pflegt jeder Rechner der dem Netzwerk dient einen Verlauf aller Bitcoin-Transaktionen. Dazu muss ein Ausführungsnachweis (Proof-of-Work) durch das Lösen eines mathematischen Problems erfolgen. Für diesen Proof-of-Work wird die riesige Rechenpower des Bitcoin-Netzwerks benötigt.

Die Rechner im Bitcoin-Netzwerk stimmen mit der Rechenpower neuen Blocks zu oder lehnen ungültige Blocks ab. Kommt die Mehrheit der Bitcoin-Miner zum gleichen Ergebnis, wird ein neuer Block zur Kette aller Transaktionen hinzugefügt. Der Block enthält einen Zeitstempel sowie Daten oder Nachrichten.

Die notwendige Rechenpower für die Bestätigung kann für jede Blockchain unterschiedlich sein. Das Protokoll der jeweiligen Blockchain definiert den Aufwand um Transaktionen zu bestätigen. Ebenfalls wird im Protokoll festgelegt, wie eine gültige Transaktion auszusehen hat und wie ein gültiger Block erschaffen wird.

Der Prozess für die Verifizierung kann auf die Bedürfnisse der jeweiligen Blockchain angepasst werden. Die Regeln und Anreize lassen sich entsprechend der Blockchain definieren.

Persönliche Meinung

Kryptowährungen sind erst der Anfang von Blockchain-Technik in unserem Alltag. Wir müssen herausfinden in welchen Szenarien Benutzer bereit sind, zu unterschiedlichen Blockchains beizutragen. Wir müssen ebenfalls herausfinden, in welchen Szenarien Blockchains bestehenden Techniken ablösen können.

Noch sind nicht alle Möglichkeiten der Blockchain bekannt und wir beginnen erst die Einsatzmöglichkeiten zu verstehen. Auch sind noch nicht alle Probleme der Blockchain gelöst.

Quellen: Coindesk

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