Was ist eine Blockchain & wie funktioniert sie?

Der Begriff Blockchain setzt sich aus den beiden englischen Begriffen „block“ und „chain“ („Block Kette“) zusammen. Die einzelnen Blöcke bestehen dabei aus Daten. Sobald ein Block mit Daten gefüllt ist, werden neue Daten im darauffolgenden Block gespeichert und durch Kryptografie miteinander verkettet. 

Die Daten in einem Block können je nach Blockchain verschieden sein. Bei der bekanntesten Chain – der Bitcoin Blockchain, besteht ein Block u. a. aus Überweisungen (auch Transaktionen genannt) von Bitcoin Nutzern. In dieser Blockchain ist außerdem für alle einsehbar, welche Überweisungen es gibt und wann sie getätigt worden sind.

Eine Blockchain besteht aus einzelnen Datenblöcken (lila), die kryptografisch aneinander gekettet sind. Diese Verkettung (gelb) besteht darin, dass eine Art Zusammenfassung der Informationen des vorherigen Blockes in den nachfolgenden Block geschrieben wird. Setzt man diese Methode bei jedem Block fort, hat man eine Verkettung von allen Blöcken miteinander – eine Blockchain.

Daher wird eine Blockchain auch häufig als Kassenbuch (in Englisch „ledger“) bezeichnet.

Die Einteilung der Kette in Blöcke sorgt für eine Art Zwischenspeicherung. Sobald ein Block gefüllt wurde, wird er an nachfolgenden Block gekettet und kann nicht wieder verändert werden. Die Verkettung erreicht man durch kryptografische Verfahren, die wir uns im nächsten Teil etwas genauer anschauen.

Wie werden Blöcke miteinander verkettet?

Um Blöcke miteinander zu verketten, wird aus einem Block ein digitaler Fingerabdruck erstellt. Dieser Fingerabdruck wird dann in den darauffolgenden Block geschrieben und somit Teil des nächsten Blockes. Sobald dann wieder ein neuer Block erstellt wird, wiederholt sich dieser Prozess. So enthält jeder Block den einzigartigen Fingerabdruck des vorherigen Blockes.

Diese digitalen Fingerabdrücke werden auch Hashwerte oder Hashes genannt und durch kryptografische Verfahren erzeugt. „Hash“ ist Englisch und bedeutet so viel, wie zerkleinern oder zusammenmischen. Die Erzeugung eines Hashes kann man sich wie folgt vorstellen.

Beim sogenannten Hashen wird aus einem Eingabewert ein Ausgabewert (Hash genannt) erstellt. Dieser Ausgabewert besteht aus Ziffern und Buchstaben und lässt keine Rückschlüsse mehr auf den Eingabewert zu. Auch bei geringfügiger Änderung des Eingabewertes “Hallo Welt” zu “Hallo Welten” ist es unmöglich ein Muster in beiden Hashes zu erkennen, weil sie komplett unterschiedlich sind.

Es wird ein beliebig langer Eingabewert genommen, in seine Bestandteile zerlegt, gemischt und zu einem Ausgabewert mit einer festen Länge geformt.

Dieser Ausgabewert ist unser Hash und hat folgende Eigenschaften:

  • Gleiche Eingabewerte ergeben immer den gleichen Ausgabewert.
  • Minimale Änderungen am Eingabewert führen zu großen Änderungen am Ausgabewert. So ist es unmöglich, Muster jeglicher Art zu erkennen, wenn man bei Ausgabewert nur ein Zeichen ändert.
  • Der Ausgabewert hat immer die gleiche Zeichenlänge.
  • Es ist nicht möglich, mit dem Ausgabewert den Eingabewert zu ermitteln. 

Bei unserer Blockchain wird der Inhalt des gesamten Blockes zu einem Hash umgewandelt und in den nächsten Block geschrieben. Dieser Hash ist dann Teil des nächsten Blockes und wird auch Teil des Hashes des darauffolgenden Blockes. Somit sind alle Daten in einem Block mit den anderen Blöcken verbunden.

Der Begriff Blockchain wird kein einziges Mal im Bitcoin Whitepaper erwähnt. Es wird der Prozess der Verkettung von Blöcken erklärt, da dieser essenziell für die Funktion von Bitcoin ist. Allerdings hat sich die Bezeichnung Blockchain für die zugrundeliegende Technologie erst später entwickelt.

Wo ist die Blockchain gespeichert?

Die Blockchain wird häufig auch als dezentrales Kassenbuch oder dezentrale Datenbank bezeichnet. Das hat den Hintergrund, dass die verketteten Blöcke nicht nur auf einem Rechner gespeichert werden können, sondern auf vielen verschiedenen. Um diesen Zusammenhang besser zu erklären, ist es sinnvoll, den Begriff Blockchain wie folgt zu unterteilen:

  1. Die Blockchain an sich. Also die Daten, die in Blöcken mithilfe von Hashwerten aneinander gekettet sind.
  2. Das Netzwerk aus Computern, die alle eine Kopie der gleichen Blockchain besitzen.

Wenn von Blockchain die Rede ist, meint man meistens das Netzwerk aus unterschiedlichen Rechnern mit ihrer Kopie der Blockchain (Punkt 2). Dabei liegen die Daten der Blockchain nicht zentral auf einem Rechner, sondern dezentral auf allen Computern.

Bei einem zentralen Netzwerk (links) gibt eine Partei die Regeln vor und verteilt die Daten an alle weiteren Netzwerkteilnehmer. Bei einem dezentralen Netzwerk (rechts) haben alle Partien eine gleichwertige Stimme und sind über andere Teilnehmer miteinander verbunden.

Die Aufgabe der Rechner in diesem Netzwerk ist es jetzt, ihre eigene Kopie der Blockchain aktuell zu halten, sich also gegenseitig mit der neusten Version zu synchronisieren. Dadurch, dass die Daten in Blöcken gespeichert sind, kann eindeutig festgestellt werden, wer die aktuellste Version besitzt – der Rechner mit der längsten Blockchain bzw. Kette mit den meisten Blöcken. 

Doch wer darf eigentlich einen neuen Block an die Kette hängen oder welcher Rechner im Netzwerk füllt die Blöcke mit Daten und erstellt dann nächsten Block?

Wie werden neue Blöcke erstellt?

Um neue Daten in die Blockchain schreiben zu können, müssen sich die beteiligten Rechner im Netzwerk einigen, wer dazu berechtigt ist. Das heißt, sie müssen einen Konsens (von lat. cōnsēnsus für Überein-, Zustimmung) finden. Dieser Prozess wird daher auch als Konsensmechanismus bezeichnet.

Es gibt eine Vielzahl von unterschiedlichen Konsensmechanismen. Einer der bekanntesten und von Bitcoin verwendeten, ist der sogenannte Proof-of-Work (zu Deutsch: Nachweis von Arbeit). Hierbei müssen die Computer im Netzwerk Rechenleistung aufbringen, um ein Rätsel zu lösen.

Die einzige Möglichkeit dieses Rätsel zu lösen, ist alle möglichen Lösungen des Rätsels auszuprobieren. Das kann man sich wie ein Zahlenschloss vorstellen, bei dem man die richtige Kombination vergessen hat und jede Zahl nacheinander durchgehen muss. Der Rechner, der zuerst den richtigen Code gefunden hat, darf dann die Daten in den Block schreiben.

Es ist also notwendig eine bestimmte Menge an Energie und Zeit zu investieren, um die Chance zu bekommen, den nächsten Block zu schreiben. 

Vorteile einer Blockchain

Manipulationsresistenz

Sobald die Daten einmal in der Blockchain enthalten sind, können sie nicht mehr ohne Weiteres verändert werden. So können jederzeit alle Teilnehmer einsehen, auf welche Daten man sich geeinigt hat und keine einzelne Person kann nachträglich ältere Dateneinträge manipulieren.

Effizienz

Über eine Blockchain kann man Daten speichern und auch Transaktionen durchführen und diese für alle Teilnehmer offen darlegen. Dadurch können z. B. Finanzdienstleistungen wie Überweisungen ohne Mittelsmänner durchgeführt werden, was schneller und günstiger sein kann. 

Dezentraler Konsens

Wie wir oben bereits besprochen hatten, ist eine Blockchain nicht per se dezentral. Erst mit dem Verteilen der Blockchain in einem Netzwerk aus Rechnern wird dies möglich. Durch einen geeigneten Konsensmechanismus wird es nun möglich Entscheidungen zu treffen, ohne dass es eine führende Partei gibt. Das kann z. B. bei Unternehmen vorkommen, die gerne kooperieren würden, ohne dass eine Partei die alleinige Entscheidungsgewalt haben soll. So könnte man für den ÖPNV eine einzige App entwickeln, mit der man Bahn, Bus, E-Roller, Fahrräder und Autos kombiniert buchen könnte. 

Transparenz

Sobald die Blockchain im Netzwerk verteilt wird, ist alles für alle einsehbar. Das sorgt für eine enorme Transparenz und schafft die Möglichkeit, das Verhalten anderer Teilnehmer im Netzwerk zu analysieren. Es gibt auch bereits einige Unternehmen, die sich auf die Analyse von sogenannten „On-Chain“ Daten spezialisiert haben und entsprechende Tools anbieten. Es ist also nur schwer möglich, unbemerkt betrügerische Aktivitäten auf einer Blockchain durchzuführen. Auch wenn man nicht direkt erkennt, um wen es sich handelt, sind die Daten für alle Ewigkeiten einsehbar und es ist nur eine Frage der Zeit, bis man auffliegt. 

Der User ZachXBT veröffentlicht regelmäßig auf Twitter seinen Recherchen über Betrüger im Kryptobereich, die man durch Blockchain Daten belegen kann.

Nachteile einer Blockchain

Datenmenge

Es liegt in der Natur einer Blockchain, dass immer neue Daten hinzugefügt werden. Dadurch wächst die Blockchain natürlich kontinuierlich weiter und benötigt immer mehr Speicherplatz. Zusätzlich muss jeder Rechner im Netzwerk die gleiche Blockchain speichern, also entstehen Daten, die zigfach dupliziert auf allen Rechnern liegen.

Komplexität

Das Prinzip einer Blockchain ist für nicht technikaffine Menschen nicht so leicht greifbar, weil sie sich damit meist nicht beschäftigen oder es auch gar nicht wollen. Zusammen mit dem jungen Alter der Technologie führt das dann dazu, dass Blockchain Anwendungen für Endnutzern etwas unhandlich daherkommen. 

Skalierbarkeit

Je größer das Netzwerk einer Blockchain wird, desto mehr Teilnehmer möchten auch auf die Blockchain zugreifen und mit den Daten arbeiten. Da es aber nur begrenzten Platz in einem Block gibt, kann es so zu Schwierigkeiten wie langen Wartezeiten kommen.

Arten von Blockchains

Öffentliche Blockchains

Unter öffentlichen Blockchains versteht man die Chains, die ohne Zugangsbeschränkungen für alle Menschen zugänglich sind. Hierzu zählt die überwiegende Mehrheit der Blockchains. Wenn von Blockchain die Rede ist, ist meistens eine die öffentliche Chain gemeint. Bitcoin basiert z. B. auf einer solchen öffentlichen Blockchain.

Private Blockchains

Bei privaten Blockchains ist der Zugang zum Netzwerk reguliert und nur für bestimmte Teilnehmer zugänglich. Es ist also nicht alles offen für jeden einsehbar und die Verteilung der Blockchain auf verschiedene Rechner im Netzwerk wird auch nur berechtigten Teilnehmern gewährt. Ein Beispiel ist hier das Projekt Hyperledger. 

Wozu benötigt man überhaupt eine Blockchain?

Anwendungsbereiche von Blockchain gibt es zum Teil sehr viele. Hierbei sollte man aber beachten, dass die Technologie noch in den Kinderschuhen steckt und vieles noch eher als Experiment zu bezeichnen ist. Jedoch gibt es schon heute bereits einige Projekte, die sich in Zukunft zu einer echten Alternative zu bisherigen Produkten entwickeln können.

Kryptowährungen

Die wohl bekannteste Anwendung für Blockchains sind Kryptowährungen wie Bitcoin oder Ethereum. Die Blockchain fungiert hierbei als eine Art Kassenbuch, in der u. a. die Transaktionen festgehalten werden. Hierbei werden keine Euro oder Dollar verwendet, sondern eigene Coins der jeweiligen Blockchain versendet. Bei Bitcoin heißen die Coins ebenfalls Bitcoin (BTC) und bei Ethereum heißen sie Ether oder einfach ETH.

Dezentralisierte Finanzen (DeFi)

Auf der Blockchain kann man nicht nur Transaktionen von Coins abbilden, sondern auch zusätzliche Regeln beim Verwenden der Coins festlegen. Somit wird es möglich, dass man etwa seine eigenen Coins dezentral hinterlegt und dafür einen Zins erhält. Andere Menschen können dann einen Zins dafür zahlen, um sich diese Coins zu leihen. Da man hier keine Banken oder andere Mittelmänner benötigt, da alles in der Blockchain gespeichert und organisiert wird, sind die Kosten auch wesentlich geringer.

Versicherung

Es ist möglich, bestimmte Verträge in die Blockchain zu schreiben und auch festzulegen, was im individuellen Fall passieren soll. So kann zum Beispiel im Schadensfall automatisch eine Transaktion ausgeführt werden, was Kosten und Zeit spart. Hierbei tritt allerdings eine typische Blockchain Problematik auf – das Orakel Problem.

Das Orakel Problem tritt immer dann auf, wenn externe Daten von der Blockchain genutzt werden. Dabei muss sichergestellt werden, dass die Daten auch gültig sind und nicht mit betrügerischer Absicht in die Blockchain geschrieben werden können. Die Blockchain ist zwar gut gegen nachträgliche Manipulation geschützt, aber es muss auch bereits beim Schreiben des aktuellen Blockes sichergestellt werden, dass die Daten ehrlich und korrekt sind. Einige Projekte versuchen dies dadurch zu lösen, indem die externen Daten ebenfalls dezentral von mehreren Quellen zu bezogen werden und sie so vorher validieren zu können.

Versorgungsketten (Supply Chain)

Bei der Verarbeitung von Produkten möchte man natürlich sicherstellen, dass wichtige Daten über die Produkte wie Herkunft, Datum, verwendete Materialien etc. immer stimmen. Mithilfe einer Blockchain könnte die Daten jeder einzelnen Komponenten getrackt und manipulationssicher gespeichert werden. Sollten dann etwa Corona Masken “Made in EU” verkauft werden, die eigentlich in Fernost produziert worden sind, könnte man dies sofort in der Blockchain erkennen. 🤡

NFTs

Ein Non Fungible Token kann man sich so ähnlich wie Bitcoins vorstellen, die als Zahlungsmittel auf einer Blockchain genutzt werden. Bei Bitcoin ist jeder Coin gleich und man kann jeden Coin gegen einen anderen Coin austauschen. Sie sind also fungibel vom lat. fungibile, was so viel wie vertretbar bedeutet. Der Euro ist auch fungibel, weil jeder Euro gegen einen beliebigen anderen Euro ausgetauscht werden kann. 

Ein NFT ist eine Art Münze, die nicht fungibel (nicht austausch- oder vertretbar ist). Ein NFT ist einzigartig. 

Der Begriff Token besagt einfach, dass es sich nicht unbedingt um eine digitale Münze oder Coin handelt. Es kann im Prinzip alles zu einem NFT verwandelt werden kann. Auf der Ethereum Blockchain werden unter anderem digitale Kunstwerke gehandelt, aber in Zukunft werden wir sicher noch weitere Anwendungsgebiete von NFTs auf der Blockchain erleben.

David Eggert

David Eggert

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