Was ist Blockchain?

Das Vertrauensprotokoll und die grundlegende Funktionsweise von Blockchains

Vertrauen ist einer der Hauptfaktoren bei der Digitalisierung von Geschäftsprozessen. Es kann Vertrauen zwischen verschiedenen Partnern wie Konsumenten und Verkäufern oder kooperierenden Unternehmen in der Lieferkette aufgebaut werden. Allerdings existiert ein Vertrauensparadoxon. Grundlage für den Aufbau von Vertrauen sind positive Erfahrungen im Rahmen wiederholter Austauschprozesse zwischen verschiedenen Parteien. Vertrauen ist einerseits eine Grundvoraussetzung für den Aufbau von Vertrauen, andererseits aber auch das Ergebnis einer erfolgreichen Zusammenarbeit. Vertrauen dient als Mechanismus zur Reduzierung von Unsicherheiten, was wiederum eine Erhöhung der Vorhersagbarkeit des Verhaltens des Partners bzw. der Partner bedeutet. Vertrauen fördert daher einen offenen Informationsaustausch und erleichtert die Koordination. Dadurch können die Transaktionskosten gesenkt werden.

Im welchem Zusammenhang stehen Vertrauen und Blockchain? Im Wesentlichen hat die Blockchain einen eingebauten Vertrauensmechanismus. Blockchain ist eine Variante der Distributed Ledger Technology (DLT), einem verteilten Kontoführungssystem, bei dem Daten in einer dezentralen Umgebung gemeinsam genutzt, synchronisiert und repliziert werden. Verschiedene kryptographische Verfahren tragen dazu bei, eine fälschungs-sichere Abbildung von Transaktionen zu schaffen. Blockchain kann folgendermaßen definiert werden: “Eine Blockchain ist eine verteilte Datenbank, die zwischen einem Peer-to-Peer-Netzwerk geteilt und validiert wird. Es besteht aus einer verknüpften Folge von Blöcken, die zeitgestempelte Transaktionen enthalten, die durch Public-Key-Kryptographie gesichert und von der Netzwerk-Community überprüft werden. Sobald ein Element an die Blockchain angehängt wurde, kann es nicht mehr geändert werden, wodurch eine Blockchain zu einem unveränderlichen Datensatz vergangener Aktivitäten wird.”

Im Jahr 2008 war die Kryptowährung Bitcoin die erste Blockchain-Anwendung. Bitcoin ist ein elektronisches Peer-to-Peer-Zahlungssystem, das unabhängig von Regierungen oder allen Parteien des traditionellen Währungssystems ist. Die digitalen Währungen sind Teil der ersten Generation der Blockchain (Blockchain 1.0), die als Wertspeicher dienen. Seitdem existieren Plattformen, die sowohl Anwendungen mit traditionellen (z.B. Kredite) und komplexen (z.B. Aktien) Bankgeschäften als auch rechtlichen (z.B. Verträge) Instrumente beinhalten. Die sog. Blockchain 2.0 stellt das Konzept einer digitalen Wirtschaft dar. Ethereum ist die bekannteste Plattform dieser Art. Abseits von reinen wirtschaftlichen Aktivitäten bezieht sich Blockchain 3.0 auf die digitale Gesellschaft. Dazu gehören Anwendungen in Bereichen wie Gesundheit, Kultur und Wissenschaft.

Die obige Abbildung veranschaulicht ein typisches Beispiel für eine Blockchain. Der erste Block einer Blockchain wird Genesis-Block genannt. Eine Blockchain kann jede Art von Informationen speichern. Die verketteten Datensätze von Blöcken, die mehrere Transaktionen enthalten, führen zum Datensatz der gesamten Blockchain. Die Transaktionen sowie ein Transaktionszähler sind Teil des Block Body. Abgesehen vom Block Body umfasst ein Block einen Header, einen Zeitstempel und eine sog. Nonce. Der Header enthält den Hash-Wert des vorherigen Blocks. Die jeweiligen Hash-Werte werden durch sogenannte Hash-Funktionen erzeugt, mit denen beliebige Zeichenketten nach vordefinierten Algorithmen in scheinbar zufällige Zeichenketten umgewandelt werden. Eine kryptographische Hash-Funktion kann einen Hash-Wert für jeden Datensatz erzeugen, jedoch kann der Datensatz nicht aus dem Hash abgeleitet werden. Jede Änderung am Datensatz bildet einen neuen Hash-Wert, um die Integrität der Blockchain weiter zu gewährleisten. Außerdem ist es unmöglich, dass zwei verschiedene Datenpakete den gleichen Hash-Wert haben. Um einen früheren Eintrag zu ändern, müssten auch alle folgenden Blöcke geändert werden. Folglich behindert die Einzigartigkeit der Hash-Werte eine einfache Nachbildung. Der Zeitstempel stellt die chronologische Reihenfolge der Blöcke sicher, während die Nonce eine Zufallszahl zur Überprüfung des Hash darstellt. Die Blockchain wächst mit jedem weiteren Block. Um einen neuen Block hinzuzufügen, muss das Netzwerk ihn zuvor mit Hilfe der Kryptographie validieren. Mit zunehmender Größe wird die Blockchain nicht abgeschnitten, sondern speichert alle vorherigen Transaktionen in ihrer Historie.

Infolgedessen ermöglicht die Blockchain-Struktur Teilnehmern, die einander nicht vertrauen, Austauschbeziehungen durchzuführen. Diese vertrauens-würdige Einrichtung führt zu einer Redundanz von vertrauenswürdigen Intermediären, wie beispielsweise Banken.

Konsens eines dezentralen Netzwerks

Der Ausbruch der Finanzkrise im Jahr 2008 ist wahrscheinlich ein wichtiger Grund, der zur Veröffentlichung des Bitcoin-Whitepapers von Satoshi Nakamoto führte. Das Konzept von Kryptowährungen ist nicht neu, aber die größte Herausforderung für Entwickler war das Double-Spending-Problem: Digitale Dateien können leicht dupliziert und an mehrere Empfänger gesendet werden.

Bis zur Entstehung der Blockchain mussten zentralisierte Vertrauenspersonen wie Banken sicherstellen, dass das Geld nur einmal zur Lösung dieses Problems ausgegeben werden kann. Blockchain macht die Notwendigkeit eines zentralen Vertrauensvermittlers überflüssig. Dies ist auf die dezentrale Charakteristik der Blockchain zurückzuführen. Eine Software kann auf drei Arten dezentral bzw. zentral sein: architektonische (Anzahl der Computer, aus denen ein System besteht), politische (Anzahl der Personen/ Organisationen, die die Kommunikation steuern) und logische (Verhalten der Datenstruktur) Dezentralisierung. Vitalik Buterin, der Gründer von Ethereum, weist darauf hin, dass Blockchains politisch (niemand kontrolliert sie) und architektonisch dezentralisiert (keine infrastrukturelle zentrale Fehlerquelle), aber logisch zentralisiert sind (es gibt einen gemeinsam vereinbarten Zustand und das System verhält sich wie ein einzelner Computer).

Aufgrund der dezentralen Natur von Blockchains müssen Regeln für die Aktualisierung der Informationen in der Blockchain vorhanden sein. Diese Aufgabe übernehmen Konsensmechanismen. Ein Konsensmechanismus ist ein Prozess, in dem sich eine Mehrheit (oder in einigen Fällen alle) von Netzwerk-Validatoren über den Zustand des Hauptbuchs einigen. Es handelt sich um eine Reihe von Regeln und Verfahren, die es ermöglichen, einen kohärenten Sachverhalt zwischen mehreren teilnehmenden Knoten aufrechtzuerhalten. Der Mechanismus stellt sicher, dass neue Transaktionen für einige Zeit in einem Block gespeichert werden und nicht automatisch der Blockchain hinzugefügt werden. Die Daten können nach dem Speichern in der Blockchain nicht mehr verändert werden. Die Funktion eines Konsensmechanismus besteht darin, als Validierungsprozess für Transaktionen zu dienen, so dass Transaktionen als gültig erkannt werden.

Es gibt mehrere Konsensverfahren. Die am häufigsten verwendete Methode ist der Proof-of-Work (PoW). PoW basiert auf der Nutzung von Rechenkapazität zur Überprüfung von Blöcken, in denen Transaktionen periodisch zusammengefasst und auf ihre Richtigkeit überprüft werden. Verantwortlich ist das verteilte Peer-to-Peer-Netzwerk, in dem homogene und gleichberechtigte Teilnehmer einen Konsens über den aktuellen Status der Blockchain zu einem bestimmten Zeitpunkt finden. Der Stimmenanteil eines Netzwerkteilnehmers steigt mit der Rechenleistung. Um neue Blöcke zur Blockchain hinzuzufügen (genannt Mining), müssen Miner eine kryptographisches Rechenaufgabe lösen. Der erste Miner, der dies tut, erhält zwei verschiedene Arten von Belohnung. Einerseits erhält der Miner eine Belohnung für den validierten Block in Form der jeweiligen Kryptowährung. Andererseits erhält der Miner eine kleine Transaktionsgebühr für jede Transaktion, die in dem jeweiligen Block enthalten ist. In den Medien wird PoW kritisiert, da es eine Menge an Energieeinsatz (Elektrizität) erfordert. Dieser Energieeinsatz gewährleistet aber ein hohes Maß an Konsistenz und Schutz gegen Betrug durch jeden Akteur im Netzwerk.

Über PoW hinaus gibt es eine nachhaltigere Alternative in der Proof-of-Stake (PoS)-Methode. Anstatt dass Miner ihre Rechenressourcen für den Wettbewerb um die erste Lösung des kryptographischen Rätsels nutzen, wählt PoS zufällig einen von ihnen aus, basierend auf der Höhe ihres Anteils, um die Blockchain zu aktualisieren. Auf der einen Seite haben Teilnehmer mit einem höheren Anteil am Netzwerk ein höheres Interesse an der Funktionalität des Netzwerks. Andererseits birgt die heterogene Auswahl der Teilnehmer das Risiko, dass die Validierung von Blocks zu zentralisiert werden. In den meisten Kryptowährungen mit PoS werden alle Token vorgemint, anstatt durch Blockbildung langsam in den Markt gespült zu werden. PoS bietet ebenfalls Sicherheit. Aufgrund der Höhe der benötigten Beteiligung (ein 51%-Angriff würde eine Beteiligung von 51% am gesamten Netzwerk erfordern) wäre ein Angriff auf das Netzwerk viel teurer. Dies reduziert den Anreiz für den Angreifer erheblich.

Eigenschaften einer Blockchain

Die Hauptmerkmale der Blockchain-Technologie ergeben sich aus der im vorherigen Abschnitt genannten Funktionsweise. Dies sind:

• Disintermediation: Dritte werden durch den integrierten Vertrauens-mechanismus obsolet. Dadurch werden die Transaktionskosten und das mit der Existenz von Intermediären verbundene Risiko drastisch reduziert.
• Transparenz: Die Blockchain ist aufgrund der öffentlichen Daten leicht prüfbar.
• Redundanz: Jeder Knoten der Blockchain speichert eine Kopie der gesamten Kette. Dies führt zu einer höheren Sicherheit, da die Blockchain nicht einfach offline genommen werden kann. Daher muss ein Angriff 51% aller Knoten ausfallen lassen, um das Netzwerk zu zerstören.
• Unveränderlichkeit: Daten können nicht geändert werden, es sei denn, es kommt ein Netzwerkkonsens zustande, was bedeutet, dass die Mehrheit des Netzwerks die jeweilige Datensatzänderung genehmigt. Die Unveränderlichkeit führt zur Integrität der Daten.

Weitere Schlüsselelemente können der Liste hinzugefügt werden. Das offensichtlichste Merkmal ist die Dezentralisierung. Die zu speichernden Daten sind nicht auf einen zentralen Knoten angewiesen. Open-Source-Code ist eine weitere Komponente. Der Code von Blockchain-Systemen ist meist für jeden so offen, dass jeder Datensätze überprüfen oder Anwendungen auf einer Blockchain entwickeln kann. Mit Hilfe der Blockchain können Daten anonym übertragen werden. Im Falle von Bitcoin existiert jedoch nur eine Pseudoanonymität, d.h. die Transaktionen können auf den Benutzer zurückgeführt werden. Somit sind alle Transaktionen des Benutzers offen zugänglich, wenn eine dieser Transaktionen mit der Identität des jeweiligen Benutzers verknüpft ist.

Abschließend möchte ich auf die drei Arten von Blockchains eingehen. Im Falle einer öffentlichen Blockchain kann jeder die getätigten Transaktionen überprüfen und am Netzwerk teilnehmen. Eine private Blockkette besteht aus strengen Richtlinien. Nur ein Teil der Knoten kann teilnehmen oder hat Zugriff auf Daten. Die Konsortium-Blockchains liegen zwischen diesen beiden Extremfällen, da die Daten offen oder privat sein können und die autorisierten Knoten im Voraus ausgewählt werden können. Damit befinden sich die Blockchains des Konsortiums in einem teilweise dezentralen Zustand. Es ist zu beachten, dass alle drei Arten von Blockchains Vor- und Nachteile besitzen und daher ihre Anwendung für jeden Einzelfall abgewogen werden sollte.