Was ist eine Blockchain?
Eine Blockchain ist vergleichbar mit einer Datenbank, welche keinem gehört und gleichzeitig jedem gehört. Durch diese und weitere Besonderheiten, löst die Blockchain Vertrauensprobleme, welche häufig in unserer Wirtschaft und Gesellschaft entstehen. Eine Blockchain wird daher auch oft als "Layer of Trust" oder "Trust Machine" bezeichnet.
Bei Blockchain handelt es sich um eine technologische Entwicklung, welche die Art und Weise, wie wir weltweit kommunizieren und interagieren, grundlegend zu ändern vermag. Aufgrund ihrer Eigenschaften wird ihr nachgesagt, ganze Industrien und Branchen zu verändern oder sogar überflüssig machen zu können.
Dieser disruptive Ansatz liegt in der Funktionsweise begründet. Blockchain soll es ermöglichen, einen grenzenlosen Austausch von Informationen, Werten und Gütern jeglicher Art zu gewährleisten, ohne dabei auf intermediäre Institutionen wie Konzerne, Banken oder Regierungen zurückgreifen zu müssen. Hierzu ersetzt die Technologie die Aufgabe dieser, nämlich Unsicherheiten zu minimieren und Vertrauen zu schaffen.
Die Idee zur Blockchain wurde erstmals im Jahr 2008 publiziert, wenngleich die zugrunde liegenden technologischen Konzepte weiter zurückreichen. Die ursprüngliche Idee bestand darin, mittels Blockchain eine dezentrale Währung zu schaffen, die frei vom Einfluss der Banken und Regierungen ist. Diese Währung wurde Bitcoin genannt und steht bis heute stellvertretend für die Technologie. Bis heute weiß niemand, wer die Publikation ("White Paper") zum Bitcoin wirklich verfasst hat, da sich als Autor lediglich die Person oder Gruppe unter dem Pseudonym Satoshi Nakamoto dafür verantwortlich zeigte.
Derweil ist Blockchain zu einem Phänomen geworden, welches gleichermaßen Privatpersonen, Regierungen, Unternehmen und öffentliche Institutionen beschäftigt. Sowohl die technologischen Möglichkeiten, disruptiven Ambitionen, als auch finanziellen Investitionsmöglichkeiten der Blockchain erregen großes Interesse. Besonders Letztere sorgen für eine Goldgräberstimmung und milliardenschwere Investitionen, weswegen oft von einer Spekulationsblase die Rede ist. Jedoch übertönen diese Nebengeräusche häufig das tatsächliche Potential dieser innovativen Errungenschaft. Aufgrund der weltweiten Faszination wird das Aufkommen der Blockchain auch mit der Entstehung des Internets Anfang der 90er Jahre verglichen. Es lohnt sich also, einen genauen Blick auf die Technologie und ihre Eigenschaften zu werfen.
Zusammengefasst handelt es sich bei Blockchain um ein dezentrales Peer-to-Peer-Netzwerk, welches mit Hilfe von Kryptografie ein sicheres, transparentes und wahlweise anonymes System generiert. Hierdurch werden Unsicherheiten und Transaktionskosten minimiert, das Vertrauen in Teilnehmer des Systems wird obsolet und es verhindert den Ausschluss von Personen.
Um diese Definition verständlicher zu machen, sollen die einzelnen Punkte im Folgenden genauer beleuchtet werden:
Eigenschaften einer Blockchain
Dezentralität
Die Abkehr von Zentralität ist eine der wichtigsten Eigenschaften der Blockchain. Es beschreibt die Machtverhältnisse innerhalb des Systems, welche ausgeglichen verteilt sind. Ziel ist es, die Entstehung von zentralen Parteien zu verhindern. Dadurch ist man nicht mehr gezwungen, diesen zu vertrauen und ihrem möglichen Machtmissbrauch ausgesetzt zu sein. Institutionen, die sich heutzutage in solch zentralen Positionen befinden, sind zum Beispiel Banken, Regierungen oder Unternehmen, welche sich in monopolistisch oder oligopolistisch strukturierten Branchen befinden.
Irreversibilität
Alle Informationen, die jemals innerhalb einer Blockchain auftreten, sind irreversibel (unveränderbar) gespeichert. Aus diesem Prinzip rührt auch die Namensgebung der Blockchain, also Blockkette, her. Ein Block repräsentiert hierbei eine Zusammenlegung der aktuellsten Informationen des Systems. Sie werden hintereinander verbunden und bilden eine Blockkette, die sich mit neuen Informationen konstant um weitere Blöcke erweitert. Ist ein neuer Block erst einmal mit dem vorangegangen verkettet, ist dieser mitsamt seiner verwahrten Informationen unabänderlich gespeichert.
Transparenz
Die Blockchain ist transparent in dem Sinne, dass jegliche Zugriffe und Interaktionen im System offen sichtbar und irreversibel dokumentiert werden. So ist es möglich jede Information einzusehen, aber nicht zu ändern. Es werden keine Informationen gelöscht, sondern Informationen über die Änderung von Gegebenheiten addiert, sodass man bis zum Ursprung jede Änderung und jeden Zugriff im System nachvollziehen kann. Da die Kontrolle hierüber dezentral verteilt ist, kann es keine intransparenten Vorgänge geben.
Anonymität
Eine der meistdiskutierten Eigenschaften der Blockchain ist die Anonymität seiner Teilnehmer. Während jegliche Zugriffe und Aktivitäten der Teilnehmer transparent nachzuvollziehen sind, sind die Teilnehmer selber lediglich durch kryptografisch verschlüsselte Zahlenreihen repräsentiert. Je nach Art der Blockchain lässt sich so nur sehr schwer oder teilweise gar nicht nachvollziehen, um welche reale Identität es sich bei einem Teilnehmer handelt.
Die Vorteile, die sich durch die oben genannten Eigenschaften ergeben, sind vielfältig.
Vorteile einer Blockchain
Sicherheit
Die Kombination aus Dezentralität, Irreversibilität und Transparenz erschafft theoretisch ein perfektes und betrugssicheres System. Die Blockchain speichert und aktualisiert stets die komplette Historie an Informationen, die jemals innerhalb des Systems aufgetreten sind. Die Besonderheit liegt im Prinzip der Dezentralisierung, welche dazu führt, dass diese Historie nicht zentral gespeichert wird, sondern separat bei vielen einzelnen Teilnehmern. Um dieses System zu manipulieren, müsste also theoretisch jede einzelne Blockkette an Informationen bei unzähligen Teilnehmern gleichzeitig manipuliert werden, was als so gut wie unmöglich und wenig lohnenswert gilt. Je mehr Teilnehmer eine Blockchain hat, desto sicherer ist diese in der Regel.
Vertrauen
Die Sicherheit des Systems macht Vertrauen in die anderen Teilnehmer (Intermediäre/Vermittler) überflüssig. Jegliche Interaktion ist dadurch frei von Unsicherheit oder Angst vor Betrug. Was zuvor die Aufgabe von Intermediären wie Regierungen, Banken oder Konzernen war, übernimmt nun die Technologie der Blockchain. Aufgrund dieser Eigenschaft wird Blockchain unter anderem auch als "Trust Protocol", also Protokoll des Vertrauens, bezeichnet.
Geringe Transaktionskosten
Die Nutzung von intermediären Institutionen führt im Regelfall zu Transaktionskosten. So werden Kosten für eine Dienstleistung erhoben, die darin besteht, Vertrauen und Sicherheit zwischen Akteuren zu schaffen. Oder es entstehen Kosten im Zuge des Bearbeitungs- oder Verwaltungsaufwands. Die Blockchain-Technologie macht diese Dienstleistungen in Teilen überflüssig und erlaubt direkte P2P-Interaktion (P2P = peer to peer) ohne Transaktionskosten in Form von Gebühren oder Beiträgen. Der Kauf eines gebrauchten Fahrrads, das Senden von Geld oder das Buchen eines Fluges lassen sich so ohne die heutzutage fälligen Gebühren abwickeln. Die Transaktionskosten für Teilnehmer innerhalb einer Blockchain können so minimiert werden.
Zugang
Die Voraussetzungen um an einem Blockchain-System teilzunehmen sind verhältnismäßig gering. Man benötigt lediglich ein Gerät mit Internetverbindung. Diese Voraussetzung erfüllen weltweit inzwischen mehr als vier Milliarden Menschen. Das sind weit mehr Menschen, als zum Beispiel solche, die aktuell die Voraussetzung erfüllen, um eine Finanzdienstleistung oder Versicherung einer zentralen Institution in Anspruch zu nehmen. Blockchain eröffnet einem großen Teil der Weltbevölkerung, der bis dato ausgeschlossen war, am internationalen Austausch und Handel teilzunehmen.
Wie funktioniert eine Blockchain?
Blockchain basiert auf einer simplen P2P-Datenbank. Innerhalb dieser können Teilnehmer direkt miteinander agieren. Es gibt keinen zentralen Part, der sich um Regulierung, Kontrolle, Steuerung oder die Kontoverwaltung kümmert.
Diese Eigenschaft erscheint zunächst trivial, ist jedoch enorm wichtig. Viele heutige Anwendungen scheinen ebenfalls eine direkte Interaktion zu ermöglichen, tun dies aber nicht wirklich. Ob bei einem Messengerdienst wie Whatsapp, einem Bezahldienst wie PayPal oder einem Onlinemarktplatz wie eBay – stets ist hier eine zentrale Partei zwischengeschaltet, die Informationen speichert, Gebühren erhebt oder bestimmt, welche Teilnehmer im Zuge der Kontoeröffnung am System teilnehmen dürfen.
Private Key und Public Address
Das P2P-System (P2P = peer to peer) führt unter anderem zu einer dezentralisierten Kontoverwaltung. Im zentralen System wird das Konto über den Intermediär eröffnet, wie zum Beispiel bei einem Bankkonto oder der Erstellung einer Mailadresse. Der Intermediär kann durch Abgleich doppelte Adressen vermeiden und dabei Informationen und Daten der Person sammeln. Im dezentralen System der Blockchain werden Konten nach Zufallsprinzip mittels Kryptografie generiert, ohne dass diese untereinander abgeglichen werden. Jeder Teilnehmer erhält bei Erstellung eines Kontos, einen zufällig generierten "Private Key".
Mit dem Private Key werden all deine Transaktionen im Blockchain-Netzwerk digital signiert, um zu beweisen, dass du die Bitcoin die du versendest, auch tatsächlich besitzt. Vereinfacht gesagt, kann man den Private Key auch als ein Passwort zu deinem Guthaben auf der Blockchain bezeichnen. Der Private Key besteht aus einer Kombination von 64 Zahlen und Buchstaben und sieht zum Beispiel so aus:
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Daraus wird anschließend eine sogenannte "Public Address" abgeleitet. Sie verhält sich zum Private Key wie die Mail-Adresse zum Passwort und repräsentiert das eigene Konto im System. Diese Ableitung funktioniert lediglich unidirektional. Von der Public Address ausgehend kann man nicht den Private Key ableiten. Sollen Informationen, zum Beispiel über den Besitz von Bitcoin, übertragen werden, adressiert man diese an die Public Address einer Person.
Beispiel:
Möchte Sarah zwei Bitcoin an Karl übertragen, signiert sie mit ihrem Private Key automatisch die Transaktion und definiert die Public Address von Karl als neuen Besitzer. Lediglich Karl kann mittels seines Private Key nun darauf zugreifen und weitere Änderungen vornehmen.
Unabhängig davon kann jeder die Transaktionen aller Adressen untereinander einsehen. Diese Transparenz basiert auf dem Prinzip des Distributed Ledgers (dt. verteiltes Kassenbuch) und soll im folgenden Abschnitt dargelegt werden.
Halten wir fest, dass wir uns in einem P2P-System befinden, in dem Teilnehmer mittels kryptografisch verschlüsselter Konten interagieren.
Distributed Ledger
Eine Besonderheit des Systems stellt die Art dar, wie Informationen verarbeitet und dokumentiert werden. Dies geschieht mittels eines sogenannten Distributed Ledger, was man als verteiltes Kontenbuch übersetzen kann. Es ersetzt quasi den zentralen Server des Systems. Zwei Eigenschaften von diesem sind entscheidend. Zum einen bekommen alle neuen Informationen einen Eintrag in das Kontenbuch, selbst wenn eine vorangegangene Information lediglich geändert oder nichtig gemacht werden soll. (Einmal verfasste Einträge in das Kontenbuch können nicht geändert werden – dazu später mehr.) Stattdessen wird im neuen Eintrag die Anpassung der vorherigen Information eingefügt. Hat zum Beispiel Sarah zwei Bitcoin an Karl übertragen, bekommt diese Information einen Eintrag. Gibt Karl die zwei Bitcoin anschließend an Sarah zurück, womit wieder alles beim Alten wäre, wird der alte Eintrag nicht gelöscht. Stattdessen wird ein neuer Eintrag mit der Information hinzugefügt, dass die zwei Bitcoin wieder von Karl zu Sarah übertragen wurden.
Zum anderen wird das komplette Kontenbuch mit jedem neuen Eintrag aktualisiert, kopiert und separat jedem, der aktiv am Betrieb der Blockchain beteiligt ist, zur Verfügung gestellt. Hierdurch wird ein Aspekt der Dezentralität sichergestellt. Möchte in unserem oben genannten Beispiel Sarah nun betrügen und sagt, dass sie die Rückzahlung der zwei Bitcoin von Karl niemals erhalten hat, kann sie nun dieser Lüge überführt werden, da es ein dezentrales und öffentlich einsehbares Kontenbuch gibt, in dem alle Informationen, bzw. Transaktionen dokumentiert sind.
Halten wir fest, dass wir uns in einem manipulationssicheren und transparenten P2P-System befinden, in dem Informationen dezentral dokumentiert sind und Teilnehmer mittels kryptografisch verschlüsselter Konten interagieren.
Warum der Name Blockchain?
Widmen wir uns nun den Einträgen in das Kontenbuch, welche der Blockchain, also Blockkette, seinen Namen geben. Jeder Eintrag besteht aus mehreren Informationen, die zusammengefügt einen Block ergeben. Diese Blöcke werden hintereinander gereiht, indem der neueste Block mit dem vorherigen kryptografisch verkettet wird. So entsteht eine unveränderbare Kette, bei der ältere Einträge nicht mehr geändert werden können. Dies liegt an der Art der Verbindung, welche auf einer unidirektionalen kryptografischen Verkettung basiert. Jedem Block werden bei seiner Erstellung bestimmte Informationen hinzugefügt, unter anderem ein Header, eine ID, ein Zeitwert, ein sogenannter Hashwert, als auch ein Verweis auf den Hashwert des vorangegangen Blocks.
Hashwerte und Kryptografie
Bei dem Hash handelt es sich um einen Wert, der sich mittels komplexer mathematischer Verfahren aus einem digitalen Inhalt ergibt, in diesem Fall den Informationen eines Blocks. Der Hashwert ist stets identisch, wenn sich der Inhalt nicht ändert und aus dem Inhalt kann man stets wieder denselben Hashwert errechnen. Jedoch kann man andersherum nicht den Inhalt aus dem Hashwert ableiten.
Ein vereinfachtes Beispiel liefert hier die Quersumme. Wenn der Inhalt eines Blocks aus den Zahlen 1,3,4 besteht, lautet die Quersumme, quasi der Hash, 8. Aus dem Inhalt lässt sich immer wieder einfach der Hash ableiten. Andersherum geht dies aber nicht, da die Quersumme 8 auch aus anderen Zahlenkombinationen wie 2,2,4 oder 1,1,6 bestehen kann. In der Realität sind die Funktionen zur Berechnung des Hashwerts deutlich komplexer, sodass eine Änderung des Inhalts sofort auffällt. Bitcoin nutzt zum Beispiel das Verfahren SHA-256. Wichtig ist hierbei die Tatsache, dass durch die angewendete Hashfunktion eine sogenannte Kollisionsresistenz vorherrscht, die es unmöglich macht, dass unterschiedliche Inhalte denselben Hashwert kreieren. Jeder Block besitzt durch den Hash eine Art digitalen Fingerabdruck, der ihn eindeutig identifiziert und darüber hinaus unveränderlich mit den Nachbarblöcken verkettet. Würde man die Information aus einem alten Block ändern, würden alle Folgeblöcke dies "bemerken", da sich bei jedem der jeweilige Hash ändert.
Halten wir fest, dass wir uns in einem manipulationssicheren und transparenten P2P-System befinden, in dem Informationen dezentral und unabänderlich dokumentiert sind und Teilnehmer mittels kryptografisch verschlüsselter Konten interagieren. Die Blockchain repräsentiert die mittels Hashwerten verketteten Blöcke, welche die Informationen des verteilten Kontenbuchs beinhalten.
Mining - Belohnungssystem der Blockchain
Der Wert der Blockchain liegt also unter anderem in der sicheren Dokumentation von Informationen innerhalb der Blöcke begründet. Um so einen Block inklusive seines Hashwerts zu kreieren, benötigt es einen gewissen Aufwand in Form von Rechenleistung. Je größer eine Blockchain wird, desto aufwendiger wird der Prozess. Es stellt sich die Frage, wer die Rechenleistung liefert, um die Blöcke zu generieren und damit das System am Laufen zu halten? Hierzu wenden wir uns den sogenannten Minern zu.
Bei den Minern handelt es sich um Teilnehmer des Blockchain-Netzwerks, die ihre Rechenleistung freiwillig zur Verfügung stellen, um Informationen zu validieren und daraus Blöcke zu kreieren. Sie sind existenziell für das System. Um sicherzustellen, dass es genug Miner gibt, wird diesen ein finanzieller Anreiz in Aussicht gestellt. Jeder Miner erhält für seine Leistung eine gewisse Menge an Systemcoins, besser bekannt als Kryptowährungen, die wiederum monetarisiert werden können.
Da es innerhalb einer Blockchain mehrere Teilnehmer geben kann, die die lohnende Rechenarbeit erledigen möchten, entsteht ein Wettbewerb. Dieser stellt einerseits sicher, dass zeitgleich immer nur ein Block an die Kette angehängt wird. Andererseits bestimmt der Wettbewerb, welcher Teilnehmer den Zuschlag erhält. Diese Einigung zwischen den Minern wird Konsensus genannt. Es gibt verschiedene Möglichkeiten zum Konsensus zu gelangen.
Proof of Work
Im vorliegenden Fall beziehen wir uns auf die Variante, die auch Bitcoin zugrunde liegt: Proof of Work (POW). Hier bestimmt der Aufwand, wer den Zuschlag erhält. Dazu müssen Teilnehmer (bzw. deren Hardware) komplexe Rechenaufgaben erledigen, die im Grunde genommen daraus bestehen, komplizierte Hashwerte zu erraten (Die Berechnungen laufen automatisch durch Rechenpower). Wer die Aufgabe zuerst löst, bekommt den Zuschlag für die Erstellung eines Blocks. Sobald der Gewinner den Block erstellt hat, gibt er diesen an weitere Miner des Systems zur Kontrolle weiter. Nach einer bestimmten Menge an Prüfungen werden der Block und die zugrunde liegenden Informationen als valide angesehen. Dieser Prozess wird für jeden Block auf ein Neues initiiert.
Der POW-Algorithmus (und der damit entstehende Rechenaufwand) verhindert zudem sogenannte Sybil-Attacken. Bei einer Sybil-Attacke werden unzählige Fake-Teilnehmer generiert, um Mehrheitsabstimmungen (z.B. ob ein Block valide oder nicht) innerhalb der Blockchain zu beeinflussen. Weitere Details zu Proof of Work auf Wikipedia.
Halten wir zum Abschluss fest, dass wir uns in einem manipulationssicheren und transparenten P2P-System befinden, in dem Informationen dezentral und unabänderlich dokumentiert sind und Teilnehmer mittels kryptografisch verschlüsselter Konten interagieren. Die Blockchain repräsentiert die mittels Hashwerten verketteten Blöcke, welche die Informationen des verteilten Kontenbuchs beinhalten. Die Blöcke werden von Teilnehmern des Systems kreiert (sog. "Miner"), die als Belohnung Kryptowährungen (z.B. Bitcoin) erhalten. Ein Konsensus-Algorithmus (z.B. Proof of Work) bestimmt hierbei durch ein spezielles Verfahren, welche Teilnehmer dafür ausgewählt werden.