Wie funktioniert die Blockchain?

Lukas Fiedler

17.07.2023 00:37

In diesem Artikel erklären wir anhand der Kryptowährung Bitcoin, wie genau die Blockchain funktioniert und welche Vorteile sie bietet.

Die Blockchain – mehr als nur Bitcoin

Man könnte denken, dass die Wörter Blockchain und Bitcoin genau dasselbe bezeichnen – dies ist jedoch nicht so: tatsächlich ist Bitcoin nur die erste Kryptowährung, die auf der Blockchain-Technologie basiert. Es gibt mittlerweile viele Kryptowährungen, die diese Technologie oder eine leichte Abwandlung dieser, nutzen.

Dabei ähneln sich alle Blockchain-basierten Kryptowährungen in ihren Grundzügen, es gibt aber durchaus einige technische Details, die sich unterscheiden. Dies zum Beispiel mit Autos vergleichbar: Zentrales Element eines Autos ist der Motor, dessen Aufgabe darin besteht, die Bewegung des Autos zu ermöglichen. Dabei können sich die Motoren beliebig voneinander unterscheiden, solange sie die Hauptfunktion der Fortbewegung erfüllen können. Diese Unterscheidung kann in manchen Fällen nur eine unterschiedliche Anzahl an Zylindern bedeuten, aber auch ein ganz anderer Kraftstoff ist denkbar (Benzin vs. elektrische Energie). Genau wie verschiedene Automobilkonzerne den Automotor weiterentwickelt haben, haben auch unterschiedliche Projekte und Kryptowährungen die Blockchain-Technologie weiterentwickelt und verändert.

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Was genau ist die Blockchain?

Mithilfe der Blockchain ist es möglich, Transaktionen durchzuführen, also Kryptowährungen zu versenden – ähnlich wie man Euro mit Hilfe einer Bank transferieren kann. Eine gewisse Anzahl an Transaktionen wird dabei in einem sogenannten Block wie in einer Computerdatei gespeichert. Die Blockchain ist, wie der Name nahelegt (engl. „chain“: Kette), die Aneinanderkettung dieser Blocks. In dieser Kette von Blocks sind alle jemals getätigten Transaktionen in der Blockchain gespeichert.

Jeder Block enthält außerdem zwei weitere essentielle Zusatzinformationen: Den Hash des vorangegangenen Blocks und einen Hash, der alle im Block enthaltenen Transaktionen zusammenfasst. Dies macht es für einen Computer sehr einfach, die Integrität der Blockchain zu prüfen: Er errechnet einfach diese zwei Hash-Werte selbst und überprüft sie mit den gespeicherten Werten. Manipulation würde so sofort auffallen und jeder betrügerische Teilnehmer würde aus dem System ausgeschlossen und ignoriert werden.

Nodes – Teilnehmer einer Blockchain

Solche Teilnehmer des Systems werden auch als Nodes bezeichnet. Eine Node ist nichts anderes als ein Computer, der innerhalb des Peer-to-Peer-Netzwerks einer Blockchain mit anderen Nodes verbunden ist. Die Aufgabe jeder Node ist es, die Blockchain lokal abzuspeichern. Hierzu stehen sie im permanenten Austausch untereinander und senden sich neue Daten, wie zum Beispiel neue Transaktionen, gegenseitig zu. Durch die Speicherung der gesamten Blockchain auf vielen weltweit verteilten Nodes wird die Dezentralität einer Blockchain erreicht – eine Blockchain kann nicht durch die Abschaltung einiger Nodes zerstört werden oder Schaden nehmen. Würde eine Node versuchen, mit einer manipulierten Version der Blockchain oder einzelner Transaktionen zu arbeiten, würde sie sofort von anderen Nodes aufgrund nicht übereinstimmender Hash-Werte identifiziert und vom Netzwerk ausgeschlossen beziehungsweise ignoriert werden. Die Nodes überprüfen also zusätzlich auch die Integrität aller Transaktionen. Ganz grob lässt sich dies mit einem Brettspiel vergleichen. Für alle Spieler sind das Spielfeld und die Regeln öffentlich zugänglich. Wer sich nicht an diese Regeln hält oder versucht zu schummeln, wird einfach von den anderen Spielern ausgeschlossen.

Wie funktioniert die Blockchain-Technologie?

Damit Transaktionen getätigt werden können, muss es eine Übereinkunft zwischen Nodes geben, wie dies geschieht. Diese Übereinkunft wird auch als Konsensmechanismus (engl. Consensus) bezeichnet. Am besten lässt sich die Funktionsweise der Blockchain-Technologie anhand einer Bitcoin-Transaktion erklären. Um eine solche Transaktion zu tätigen, benötigt man zunächst Zugang zum Bitcoin-Netzwerk. Hierzu erstellt man ein Bitcoin-Wallet (meist bei einem Online-Anbieter, der eine Bitcoin Node als Service betreibt), welches eine Bitcoin-Adresse besitzt (siehe Grundlagen – eine Adresse ist nichts anderes als ein Public-Key). Auf die Adresse und die auf ihr gespeicherten Bitcoin kann man nur mit Hilfe des Private-Keys (dem Passwort) dieser Adresse zugreifen.

Um Bitcoin zu versenden, benötigt man nur die Adresse des Empfängers. Nachdem die Transaktion mit dem Private-Key der Sendeadresse digital signiert worden ist, muss sie zwecks Durchführung an das Bitcoin-Netzwerk übergeben werden. Diese Übergabe erfolgt über die mit dem Wallet verbundene Node.

Die Transaktion wird nun von Node zu Node durch das Netzwerk geschickt, ist aber damit noch nicht bestätigt! Einige der Nodes im Netzwerk sind zusätzlich sogenannte Miner, die dafür sorgen, dass Transaktionen bestätigt werden und neue Blocks an die Blockchain geknüpft werden. Sobald eine unbestätigte Transaktion einen Miner erreicht, wird diese Teil eines neuen Blocks, der zunächst nur lokal bei diesem Miner gespeichert und noch nicht Teil der Blockchain ist. Die Miner stehen untereinander im Wettbewerb, eine Rechenaufgabe zu lösen, die in ihrer Schwierigkeit von der insgesamt zur Verfügung stehenden Rechenleistung aller Miner abhängt. Der erste, der diese Rechenaufgabe löst, darf seinen Block mit allen unbestätigten Transaktionen an die Blockchain knüpfen und erhält als Belohnung alle in diesem Block enthaltenen Transaktionsgebühren sowie eine definierte Anzahl an neu generierten Bitcoin. So entsteht eine festgelegte Inflation im Bitcoin Netzwerk. Der Block wird nun innerhalb des Netzwerks von den Nodes gespeichert und die Transaktion ist, zusammen mit den anderen dieses Blocks, bestätigt.

Martin Kaumanns; Adam Tepper, „The People’s Money“

Die Blockchain als Datenspeicher

Jeder Transaktion kann der Sender wenige Kilobyte an Daten hinzufügen. Dadurch werden diese Daten in den Blocks gespeichert und können, genau wie die Transaktionen, nicht mehr verändert werden. Bei solchen Daten handelt es sich oft um den Hash eines Dokuments, um so die Existenz des Dokuments in zu beweisen. Natürlich könnte auch ein Dokument an sich in der Blockchain gespeichert werden. Da dies aber aufgrund der Größe der Datei mehrere Transaktionen erfordern würde, ist dieses Vorgehen nicht besonders Kosteneffizient.

Stärken und Schwächen der Blockchain-Technologie

Im Zusammenhang mit dem Wort Blockchain werden oft Begriffe wie Dezentralität, Sicherheit, Geschwindigkeit, Transparenz und Skalierbarkeit verwendet - das hat es damit auf sich:

• Dezentralität: Damit ist gemeint, dass ein Blockchain-basiertes System wie Bitcoin von keiner Regierung oder sonstigen Institution abhängt, sondern nur von den Nutzern selbst. Es wird also von keiner zentralen Autorität überwacht und es muss kein Vertrauen zwischen einzelnen Nutzern bestehen. Dies wird vor allem durch die Anwendung eines Peer-to-Peer-Netzwerks erreicht, da alle Informationen öffentlich zwischen allen Nodes geteilt werden und diese jederzeit die Daten verifizieren können.
• Sicherheit: Alles, was einmal in einem Block einer Blockchain festgeschrieben wurde, kann rückwirkend nicht mehr verändert werden. Würde jemand einen Block rückwirkend manipulieren, so würden andere Teilnehmer des Netzwerkes dies bemerken und diesen Teilnehmer einfach nicht beachten. Eine Veränderung eines Blocks kann man ganz einfach anhand der digitalen Signatur (dem Hash) eines Blocks erkennen. Die Blockchain an sich kann man also nicht hacken, jedoch die Zugangsdaten der Nutzer. So sind Börsen und die dortigen Accounts von Kunden besonders im Visier von Angreifern und die meisten Hacks geschehen aufgrund von menschlichen Programmierfehlern.
• Schnelligkeit: Angenommen, man möchte eine herkömmliche Überweisung von Deutschland nach China tätigen, so dauert diese nicht nur mehrere Tage, sondern man muss auch eine hohe Transaktionsgebühr bezahlen. Würde man diese Transaktion via Bitcoin oder einer anderen Blockchain-basierten Währung vornehmen, so würde diese voraussichtlich bereits nach Minuten beim Empfänger eintreffen und wäre wesentlich billiger.
• Transparenz: Alle je stattgefunden Transaktionen sind öffentlich einsehbar in der Blockchain gespeichert. Jeder kann auf die in der Blockchain gespeicherten Daten zugreifen, indem er eine Node betreibt. Dabei ist zwar klar, welche Adresse wann wie viele Bitcoin empfangen hat, aber nicht, wem die Adresse gehört. Nur der Nutzer selbst kann sämtliche seiner Transaktionen nachvollziehen. Man könnte jetzt denken, dass damit Bitcoin-Transaktionen komplett anonym und einzelnen Personen nicht zuzuordnen sind. Dem ist in der Praxis allerdings nicht so. Den Strafverfolgungsbehörden verschiedener Länder ist es bereits gelungen Kriminelle festzunehmen, die über Bitcoin Transaktionen durchgeführt haben, indem beispielsweise IP-Adressen und Online-Märkte überwacht wurden
• Keine Skalierbarkeit: Ein klarer Nachteil der Blockchain liegt in der begrenzten Durchführbarkeit von vielen, gleichzeitig getätigten Transaktionen. Jeder Block hat eine begrenzte Größe an Speicherplatz und kann so nur eine begrenzte Anzahl an Transaktionen aufnehmen. Problematisch wird es besonders, wenn viele Transaktionen in einer kurzen Zeit durchgeführt werden sollen, wie es zum Beispiel bei Initial Coin Offerings häufig der Fall war.

Die Grundlagen

Die folgenden drei Konzepte bilden die Grundlage der Blockchain-Technologie und sind deshalb der Schlüssel für das Verständnis von Kryptowährungen wie Bitcoin:

Peer-to-Peer-Netzwerk (P2P-Netzwerk): Unter diesem Begriff versteht man ein Netzwerk aus miteinander in Verbindung stehenden Computern, die alle gleichberechtigt sind. Jeder Computer kann Dienste anderer in Anspruch nehmen oder bereitstellen.

Hashfunktionen: Daten einer beliebigen Länge können mittels einer Hashfunktion als eine feste Anzahl an Zeichen dargestellt werden. Diese Zeichenfolge, der sogenannte Hash, hat mit den ursprünglichen Daten nichts mehr zu tun (siehe Grafik). Eine Hashfunktion hat zwei Eigenschaften: •Aus einem Hash kann nicht auf die ursprünglichen Daten zurückgeschlossen werden •Zwei unterschiedliche Datensätze ergeben nie denselben Hash (dies wird als Kollisionssicherheit einer Hashfunktion bezeichnet) Mit Hilfe von Hashfunktionen kann die Integrität von Daten überprüft werden. Ein Beispiel: Um sicherzugehen, dass der Inhalt einer elektronischen Nachricht nicht verändert worden ist, kann der Sender diese Nachricht hashen und den Hash veröffentlichen. Der Empfänger kann dann ebenfalls die Nachricht mit derselben Hashfunktion hashen. Stimmen beide Hash-Werte überein, wurde die Nachricht nicht verändert.

Asymmetrische Kryptographie: Dies ist ein Verfahren zur Verschlüsselung mit Hilfe von zwei Schlüsseln, dem sogenannten Private- und dem Public-Key. Beide Schlüssel werden durch einen Algorithmus zur Schlüsselerzeugung aus ein und derselben Zufallszahl gewonnen. Wie man bereits aus der Bezeichnung schließen kann, ist es wichtig, den Private-Key sicher zu verwahren, während es durchaus wünschenswert ist, dass der Public-Key öffentlich verfügbar ist. Die zentrale Eigenschaft eines solchen Schlüsselpaares ist es, dass eine durch den Public-Key verschlüsselte Nachricht mit dem dazugehörigen Private-Key wieder entschlüsselt werden kann. Um eine Nachricht verschlüsselt zu versenden, erstellen Sender und Empfänger je ein Schlüsselpaar. Anschließend verschlüsselt der Sender die Nachricht mit dem Public-Key des Empfängers und sendet sie. Die Nachricht kann nun nur durch den Private-Key des Empfängers entschlüsselt werden. Zusätzlich zu der Verschlüsselung kann die Nachricht auch mit dem Private-Key des Senders digital signiert werden. Der Empfänger kann dann mit dem Public-Key des Senders überprüfen, dass die Nachricht auch wirklich vom Sender stammt. Im Zusammenhang mit der Blockchain-Technologie ist der Public-Key eine Adresse im Blockchain-Netzwerk, an die man die Kryptowährung der Blockchain senden kann. Mit dem zur Adresse gehörenden Private-Key kann man dann auf die Kryptowährung zugreifen.