Einmal Blockchain zum Mitreden, bitte!

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Blockchain – eine dezentrale Datenbank, die von mehreren Parteien auf eine bestimmte Art und Weise betrieben wird, sodass ihr alle vertrauen können und sie als gemeinsame Wahrheit angenommen wird. Neben Digitalisierung, IoT und Industrie 4.0 ist Blockchain eines der Themen, das derzeit heiß diskutiert wird. Dieser Artikel führt in die Technologie ein und zeigt am Beispiel Bitcoin, was hinter Blockchain und Co. steckt.

Peak of inflated expectations: Hohe Erwartungen an die neue Technologie

Blockchain wurde im August 2016 als disruptive Technologie im Gartner Hype Cycle veröffentlicht –eine Plattform-Revolution, bei der ganz neue Geschäftsmodelle entstehen, auf die sich Unternehmen einstellen müssen. Das Prinzip Blockchain scheint einfach erklärt. Virginia Rometty, CEO IBM, fasst die wichtigsten Punkte in ihrem Zitat zusammen:

“Blockchain offers a way to track items or transactions using a shared digital “ledger”.
Blocks of new transactions are added at the end of the chain, and encryption ensures that it remains unbroken – tamper-proof and error-free.”

1. Shared digital ledger: Ein verteiltes Hauptbuch, das Transaktionen transparent und rückverfolgbar macht.
2. Blocks: Miteinander verkettete Blöcke, die Transaktionen enthalten.
3. New transactions: Neue Transaktionen, die in einem Block an das Ende der Kette gehängt werden.
4. Encryption: Verschlüsselungstechnologie, die sicherstellt, dass die Kette niemals gebrochen wird – manipulationssicher und fehlerfrei.

Wie funktioniert das nun genau?

Einführung in die Bitcoin Blockchain

Das Konzept der Blockchain als verteilte Datenbank wurde 2008 von Satoshi Nakamoto erstmals im White Paper zu Bitcoin beschrieben. Im Jahr darauf veröffentlichte er die erste Implementierung der Bitcoin-Software und startete dadurch die erste öffentlich verteilte Blockchain. Heute – acht Jahre später – sind mehr als 16 Millionen Bitcoins im Wert von über 15 Milliarden Dollar im Umlauf.

Das Bitcoin Zahlungssystem
Abbildung 1: Das Bitcoin Zahlungssystem

Das Bitcoin Zahlungssystem besteht aus einer dezentralen Datenbank, in der alle Transaktionen verzeichnet sind sowie dem Bitcoin-Protokoll, mit dem die Teilnehmer die Datenbank verwalten.

Peter und Carol tätigen als Sender und Empfänger Bitcoin-Transaktionen. Die Bitcoin Blockchain ist das öffentliche Hauptbuch, das alle Transaktionen enthält und auf alle Netzwerkknoten verteilt ist. Somit haben alle Teilnehmer des Netzwerks die gleichen Informationen und Voraussetzungen, um an dem System teilzunehmen und neue Informationen hinzuzufügen. Die so genannten Miner betreiben und sichern das Bitcoin Netzwerk, indem sie mehrere Transaktionen zusammenfassen und validieren. Wie sie dies genau machen, wird nachfolgend erläutert.

Bitcoin Transaktionen erfordern Adressen, Beträge und Signaturen
Abbildung 2: Erforderliche Informationen für Bitcoin Transaktionen

Bitcoin-Konten werden jeweils über eine öffentliche Adresse angesprochen. Eine Bitcoin-Transaktion erfordert:
• Öffentliche Adresse des Sender-Kontos
• Private Key zu dieser öffentlichen Adresse, um Transaktionen ausgehend von diesem Konto zu signieren
• Überweisungsbetrag
• Öffentliche Adresse des Empfänger-Kontos

Informationen wie Kartennummern, Namen oder Adressen müssen in diesem Falle nicht preisgegeben werden. Die Teilnehmer wickeln ihre Transaktionen zudem ohne teuren Intermediär ab.

Blöcke mit neuen Transaktionen werden über ein Konsensverfahren erzeugt

Neu angestoßene Transaktionen werden mit Hilfe der Miner in die Blockkette eingestrickt. Hierzu fassen die Miner Transaktionen zusammen und versuchen, einen neuen Block zu erzeugen, der an das Ende der bisherigen Kette angehängt wird. Im Falle der Bitcoin Blockchain besteht die Erzeugung des neuen Blocks in der Lösung einer kryptografischen Aufgabe, in der u.a. die Hash-Funktion SHA256 angewendet wird.

Abbildung 3: Konsensverfahren „Proof-of-Work“ gemäß Bitcoin-Protokoll I

Output der Funktion muss laut Bitcoin-Protokoll ein neuer Hash sein, bei dem die ersten 17 Bits mit Nullen belegt sind (vgl. Abbildung 3). Als Input dienen folgende drei Größen:
Previous hash (256 Bit): aktuellster Block der Blockchain als Anknüpfpunkt.
Merkle Root: Paarweises Hashen der einzuwebenden Transaktionen durch einen Hash-Baum / Merkle Tree. Beim letzten Hashwert handelt es sich um den Root Hash / Merkle Root.
Nonce: frei wählbarer Wert, um sicherzustellen, dass eine Lösung gefunden werden kann.

Abbildung 4: Konsensverfahren „Proof-of-Work“ gemäß Bitcoin-Protokoll II

Um den neuen Hash, der mit 17 Nullen beginnt, zu finden, führt kein Weg daran vorbei, viel Arbeit aufzubringen, es immer wieder auszuprobieren und die Nonce auszutauschen. Dieses rechenintensive Konsensverfahren wird deshalb „Proof-of-Work“ (PoW) genannt.

Derjenige Miner, der zuerst den neuen Hash erzeugt, veröffentlicht den Block an alle anderen Netzwerkteilnehmer. Der Block wird von allen Rechnern verifiziert und der Kette hinzugefügt. Der „new hash“ dient nun als Anknüpfungspunkt für die Erzeugung des nächsten Blocks. Durch die aufeinander aufbauende Speicherung von Daten in einer Blockchain können diese nicht nachträglich geändert werden, ohne die Integrität des Gesamtsystems zu beschädigen. Hierdurch wird die Manipulation von Daten erheblich erschwert. Der dezentrale Konsensmechanismus ersetzt die Notwendigkeit einer vertrauenswürdigen dritten Instanz zur Bestätigung der Integrität von Transaktionen. Ein Angreifer müsste im Durchschnitt mehr Rechenzeit als alle ehrlichen Bitcoin-Teilnehmer zusammen aufwenden, um den Proof-of-Work zu fälschen.
Miner werden für den Erhalt des Netzes durch Bereitstellung von Rechenleistung und Erzeugung neuer Blöcke belohnt. Derjenige Miner, der zuerst den nächsten Block erzeugt, erhält u.a. eine protokollarisch festgelegte Belohnung von derzeit 12,5 Bitcoin.

Nicht selten kommt es zu konkurrierenden Ketten
Abbildung 5: Fork – die Blockchain verzweigt

Bei der Erzeugung eines neuen Blocks kommt es nicht selten zu dem Effekt, dass mehrere Blöcke gleichzeitig gefunden werden. Die Blockchain verzweigt und hat dann mehrere mögliche Fortsetzungen, die miteinander konkurrieren – ein so genannter Fork liegt vor. Da es keine zentrale Instanz gibt, die eine Schiedsrichterrolle einnimmt, entscheidet das Netzwerk per einfache Mehrheit: Der Block mit den meisten Unterstützern setzt sich schließlich durch.

Die längste Kette wird akzeptiert, da hinter dieser die Mehrheit der Teilnehmer und der größte Rechenaufwand stehen (PoW).

Nach vier bis sechs Bestätigungen ist die Transaktion Teil der „ewigen“ Blockchain

Abbildung 6: Bestätigung von Transaktionen

Die Bestätigung einer Transaktion dauert so lange wie die Erzeugung eines neuen Blocks – gemäß Bitcoin Protokoll also etwa 10 Minuten. In der Praxis gehen viele Nutzer davon aus, dass die Transaktion in der Regel nach vier bis sechs Bestätigungen (gezählt wird hier die Zahl der angehängten Blöcke), d.h. nach ungefähr einer Stunde Teil der „ewigen“ Blockchain geworden ist. Sicher ist das aber im Einzelfall nicht: Wenn beispielsweise eine netzgreifende Störung der Datenkommunikation vorliegt, setzen die auf eine Netzregion isolierten Systeme die Berechnung fort und erzeugen unweigerlich ihre eigene Fortsetzung der Blockchain bis es zu einem erneuten Verbund mit dem restlichen Bitcoin-Netzwerk kommt. Ähnliches kann passieren, wenn ein Softwareupdate erst auf einem Teil der Rechner eingespielt wurde. In beiden Fällen muss eine größere Anzahl von Blöcken inklusive der darin enthaltenen Transaktionen verworfen werden.

Die Bitcoin Blockchain kann online eingesehen werden
Abbildung 7: Öffentlich einsehbare Bitcoin Blockchain

Die vollständige Bitcoin-Kette kann unter https://blockexplorer.com/ abgerufen werden. Dort sind auch die Größen „Previous Hash“ des vorhergehenden Blocks, der „Merkle Tree“ sowie die „Nonce“ öffentlich einsehbar, anhand derer der Hash-Wert des aktuellen Blocks nachgerechnet werden kann.

Blockchain – ein Innovationstreiber?

Die Blockchain verkörpert

• eine verteilte Datenbank mit mehreren Knoten
• verkettete Blöcke, die Transaktionen enthalten
• die Erzeugung neuer Blöcke über ein Konsensverfahren (z.B. PoW)
• die Unveränderbarkeit der Datensätze

und verfolgt damit einen Ansatz der dezentralen Vertrauensbildung.

Ist es nun an der Zeit, die Blockchain als neues Datenbank-Paradigma auszurufen? Vielleicht in bestimmten Anwendungsfällen. Die Blockchain ist eine grundlegende Technologie und eine Plattform für Innovation, deren Wert sich zukünftig herauskristallisieren wird. Investieren sollte man vor allem in das Verständnis der Technologie, um bereit zu sein, wenn sich mehrere tragfähige Blockchain-Ledger herausbilden. Intelligente Verträge, die auf der Blockchain aufsetzen und selbst auf ihre Einhaltung achten, könnten lediglich der Anfang von etwas ganz Großem sein. Hierzu in Kürze mehr.


Quellen:

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