Wie funktioniert eine Blockchain?

Was ist eine Blockchain?

Eine Blockchain ist eine spezielle Datenbank, in der Transaktionen von mehreren Benutzern verwaltet werden. Die gesamte Transaktionshistorie wird in einer dezentralen und verteilten Datenbank (distributed ledger) erfasst.

Die Blockchain-Technologie ist sicher und robust und daher der ideale Speicher- und Verarbeitungsort für sensible Informationen. Das Revolutionäre an der Blockchain ist, dass sämtliche Prozesse nicht auf einem, sondern simultan auf mehreren Computern gleichzeitig abgeschlossen werden.

Bitcoin ist eine Anwendung der Blockchain. Das Vertrauen in Bitcoin wird durch eine dezentrale, unveränderliche Datenbank gesichert, die nicht von einer einzelnen Firma oder Regierung, sondern von einer unabhängigen Gemeinschaft von Computern auf der ganzen Welt verwaltet wird.

Alle Computer laufen in einem sogenannten Peer-to-Peer-Netzwerk. Dieses Modell auch als “distributed trust model”, zu Deutsch, “verteiltes Vertrauensmodell” bezeichnet.

Ein Vertrauensmodell

Blockchain ist eine bahnbrechende Technologie, die das Internet und die Welt verändern könnte. Je tiefer wir in die Welt der Blockchains und ihre Funktionsweise eintauchen, desto besser wirst du verstehen, warum.

Jede Node (Knoten, Computer im Bitcoin-Netzwerk) enthält eine Kopie des Blockchain-Netzwerks.

Wie schafft man im digitalen Raum, wo alles ganz einfach kopiert werden kann und die meisten Nutzer anonym sind, Vertrauen? Blockchain kann helfen, eine Antwort auf diese drängende Frage zu finden.

Eine Blockchain wird nicht von einer einzelnen Person aktualisiert und validiert, sondern in regelmäßigen Zeiträumen von Hunderten, Tausenden oder sogar Millionen von Mitgliedern im Netzwerk.

Anstelle einer zentralen Partei wie eines Unternehmens, einer Regierung oder einer Bank stimmt das gesamte Blockchain-Netzwerk einer gemeinsamen "Realität" zu. Also einer vollständigen Historie jeder Transaktion, die jemals innerhalb des Netzwerks stattgefunden hat. Diese Vereinbarung wird Konsens genannt.

Jede einzelne, jemals getätigte Transaktion wird im Netzwerk aufgezeichnet und für immer gespeichert. Dadurch kann man weder den Verlauf der Datenbank verändern noch ein und dieselbe Transaktion zweimal tätigen (z.B. Double Spending).

Diese Gewissheit schafft gegenseitiges Vertrauen.

In anderen Worten: Die Teilnehmer des Blockchain-Netzwerks müssen einander im Prinzip nicht vertrauen, da kein einzelner Nutzer das gesamte System alleine betrügen kann.

Die Blockchain-Technologie eignet sich für Transaktionen zwischen zwei Parteien, die verifizierbar und unveränderlich sein müssen. Dazu zählen Verträge, geistiges Eigentum, Identifizierung und natürlich Kryptowährungen wie Bitcoin.

Wie funktionieren Blockchains?

Um die Transaktionshistorie des Netzwerks vor Manipulationen zu schützen, muss das Netzwerk einer gemeinsamen “Realität” zustimmen.

In einer Blockchain werden Transaktionen in Blöcken gespeichert, wobei sich jeder neu generierte Block auf den Block vor dem Block mit einer eindeutigen Identifikationsnummer bezieht, die als "Hash" bezeichnet wird.

Diese Blöcke bilden eine Kette (eng.: “chain”), daher auch der Name “Blockchain”. Diese Kette wird unendlich lang fortgeführt.

Das Vertrauen in Blockchains wie Bitcoin basiert auf dessen Features. So sind zum Beispiel alle Blöcke öffentlich einsehbar. Bevor eine Transaktion dem vorherigen Block angehängt wird, muss sie von einem Miner verifiziert werden. Als Miner werden besondere Arten von Computern im Netzwerk bezeichnet. Auf diese Weise kann das Netzwerk sicherstellen, dass keine betrügerischen Transaktionen in die Blockchain aufgenommen werden.

Mit Hilfe der Blockchain-Technologie können zwei Benutzer Geschäfte miteinander abwickeln, ohne einander unbedingt vertrauen zu müssen, da sie sicher sein können, dass ihre Transaktionen vor Manipulationen geschützt sind.

Wofür kann die Blockchain-Technologie eingesetzt werden?

Eines der wohl bekanntesten Beispiele für den Einsatz einer Blockchain sind Finanz-Transaktionen. Vor allem die eingangs erwähnten Kryptowährungen verdeutlichen, wie die Technologie in der Finanzwelt eingesetzt werden kann. Im Zuge einer Blockchain werden einzelne Transaktionen verifiziert und auf die sogenannten Nodes verteilt. Hieraus ergeben sich eine hohe Datenkonsistenz und ein besonders hohes Maß an Transparenz. Diese Eigenschaften sind die Grundlage für Banktransaktionen. Durch eine Verschlüsselung – dies erfolgt durch den Einsatz einer Hash-Funktion – werden die Daten abgesichert und vor Manipulation geschützt.

Dieses Prinzip eröffnet interessante Anwendungsmöglichkeiten für internationale Zahlungen. Da die Verifikation innerhalb des Netzwerks stattfindet, können Intermediäre ausgeschlossen und die Transaktionskosten reduziert werden. Das Fehlen von Intermediären sorgt zusätzlich für eine höhere Transaktionsgeschwindigkeit.

Blockchain Typen im Überblick

Blockchain Typen im Überblick: die Blockchain Technologie ist seit einigen Jahren ein fester Bestandteil der Wirtschaft und der IT. Bei der digitalen Transformation spielt diese Technologie eine wesentliche Rolle. Im Beitrag „Blockchain für Unternehmen sinnvoll einsetzen“ geben wir einen Überblick zu den Möglichkeiten und Vorteilen beim Einsatz in Unternehmen. Welche Blockchain Typen gibt es? Blockchain gilt als die nächste große technologische Errungenschaft nach der Erfindung des Internets. Deshalb sind viele Unternehmen an der Entwicklung weitere Applikationen auf Basis von Blockchains beteiligt und viele Start-ups wurden gegründet. Doch Blockchains sind nicht alle gleich. Es gibt verschiedene Blockchain Typen, mit unterschiedlichen Eigenschaften und Funktionen. Das bedeutet auch, jeder Typ hat seine Vor- und Nachteile und daher auch spezifische Einsatzmöglichkeiten und Potenziale. Neben der Industrie 4.0 gehören der Finanzsektor, die Versicherunsbranche, smarte Infrastrukturen und die Mobilitätsbranche zu den geeigneten Branchen und Sektoren. Die Blockchain ermöglicht für Unternehmen aller Größenordnungen und Branchen eine deutliche Verbesserung der Prozessabläufe. Es gibt inzwischen einfache wie komplexe Blockchains, die entweder Open-Source basieren oder über Lizenzen nutzbar sind. Es ist nicht zwingend notwendig, eine komplette Infrastruktur auf Basis der Blockchain zu implementieren. In vielen Fällen reicht es aus, mit einer Anwendung zu beginnen, um sich in die Möglichkeiten der Blockchain einzuarbeiten. Viele Unternehmen setzen hier auch auf Cloud-Lösungen, da sich damit weitere Partner einfacher anbinden lassen. Unternehmen wie Amazon, Microsoft, Google, IBM und Oracle bieten auf ihren Cloud-Plattformen verschiedene Funktionen zum Aufbau einer Blockchain an. Außerdem gibt es mehrere Blockchain-Protokolle, die das Entwickeln eigener dezentraler Anwendungen, sogenannter dApps, erlauben. Dazu gehört beispielsweise Ethereum.

Unterschiede Bitcoin, Blockchain und DLT Bitcoin ist die älteste und erfolgreichste Kryptowährung und auf Basis einer Blockchain entwickelt. Daher ist Bitcoin häufig auch ein Synonym für Blockchain. Allerdings ist die Bitcoin-Blockchain mittlerweile nur ein Beispiel für die zahlreichen Verwendungsmöglichkeiten. Satoshi Nakamoto nutzte die Technologie zum Aufbau einer digitalen Währung. Die Blockchain von Bitcoin ist die technische Grundlage für das Erstellen von Bitcoins über Bitcoin Mining. Inzwischen wurde die Bitcoin-Blockchain durch verschiedene Forks aufgeteilt. Als Ur-Bitcoin-Blockchain gilt die Bitcoin-Core-Blockchain. Blockchain gehört zu den DLT. DLT steht für Distributed Ledger Technologie, was übersetzt „verteilte Hauptbücher“ bedeutet. Vielfach werden die Bezeichnungen Blockchain und DLT ohne klare Abgrenzung voneinander verwendet. Technisch korrekt ist jedoch, dass die Blockchain zu den Distributed-Ledger-Technologien gehört und eine Unterart darstellt. Charakteristisch für DLT ist, dass Kassenbücher im klassischen Sinne nicht zentral von einer Instanz gespeichert sind, sondern dezentral auf allen Knoten liegen. Jeder Knoten hat stets eine aktuelle und vollständige Kopie des Hauptbuches. Da die Blockchain eine Art Datenbank ist, gibt es auch zentralisierte Optionen. Herkömmliche Datenbanken geraten aber wegen Big Data und zunehmend datengetriebener Businessmodelle an ihre Grenzen. Außerdem lassen sie sich nicht mit Künstlicher Intelligenz oder Machine Learning anreichern und werden von einer zentralen Instanz verwaltet und dementsprechend auch kontrolliert. Die DLT bietet als Basis das dezentrale Merkmal, die Blockchain die Transparenz und Unveränderlichkeit der abgespeicherten Daten. In Kombination ergeben sich aus den Eigenschaften hervorragende Möglichkeiten für die Nutzung einiger Blockchain Typen in Enterprise-Netzwerken.

Die Blockchain Typen im Überblick Blockchains lassen sich in drei relevante Gruppen unterteilen: Öffentliche, sogenannten Public Blockchains Private Blockchains Konsortium oder auch Federated Blockchains

Öffentliche (Public) Blockchains Öffentliche Blockchains, auch Public Blockchains genannt, sind der Öffentlichkeit frei zugänglich, es kann sich also jeder beliebige Nutzer dem Netzwerk anschließen. Innerhalb von öffentlichen Blockchains können aber Governance-Regeln herrschen, die die Befugnisse einzelner Teilnehmer einschränken oder erweitern. Sie besitzen eine hohe allgemeine Netzwerksicherheit, da eine große Anzahl von Netzwerkknoten, den Nodes, vorhanden ist. Die Wartung von öffentlichen Blockchains erfolgt dezentral, Verschlüsselungs- und Datenschutztechnologien garantieren hohe Standards. Eine Public Blockchain kann, muss aber nicht zwingend Open Source sein. Entscheidet sich ein Anbieter dafür, die Blockchain öffentlich zugänglich zu machen, kann er für die Programmierung einen Open-Source-Code oder einen eigenen sowie eine Kombination aus beidem verwenden. Für die Nutzung und Teilnahme an einer Public Blockchain ist es notwendig, sich die entsprechende Software herunterzuladen. Der Teilnehmer betreibt dann einen eigenen Node / Knoten und verifiziert Informationen, validiert Transaktionen und kann ggf. auch neue Blöcke zur Blockchain hinzufügen. Alle Knoten in einer Blockchain bilden das Blockchain-Netzwerk und verfügen über eine vollständige Kopie der Datenbank. Beim Starten der Anwendung wird die lokal gespeicherte Kopie der Blockchain-Datenbank aktualisiert und im laufenden Betrieb fortlaufend aktualisiert. Was ist Off-Chaining? Auf der Blockchain gelten Transaktionen dann als gültig, wenn sie auf der Blockchain im öffentlichen Hauptbuch abgespeichert sind. Dafür ist die Authentifizierung und Validierung durch eine definierte Anzahl von Teilnehmern notwendig. Bei Off-Chain-Transaktionen nutzt eine App die Funktionen der Public Blockchain, speichert „geheime“ Daten aber in einem Bereich außerhalb der Public Blockchain. Die Transaktionen finden als „außerhalb” der eigentlichen Blockchain statt und werden in unterschiedlicher Weise abgewickelt. Das kann einerseits durch einen temporären „Dritten” geschehen oder über die Definition von Smart Contracts. PayPal arbeitet nach diesen Grundsätzen, technisch betrachtet. Off-Chain-Transaktionen werden in Echtzeit ausgeführt, müssen also nicht wie bei den herkömmlichen Transaktionen auf der Blockchain erst einen länger dauernden Prozess durchlaufen. In einer öffentlichen Blockchain sind, anders als bei der Private Blockchain, nicht alle Teilnehmer bekannt. Über Proof-of-Stake oder anderen Konsensverfahren nehmen Teilnehmer anonym an Governance Entscheidungen teil, können sich DAOs anschließen oder fürs Staking der Token Belohnungen erhalten. Das Konsensverfahren prüft, ob sich jeder Teilnehmer gemäß dem zugrundeliegenden Protokoll verhält und die Regeln der Blockchain einhält. Beliebte öffentliche Blockchains sind neben Ethereum auch Bitcoin, Litecoin und Tezos. Durch die aktive Zusammenarbeit und Vernetzung tausender Nodes entsteht die hohe Sicherheit des Netzwerkes. Ist das globale dezentrale Netz über Open-Source an eine Entwickler-Community angeschlossen, entwickeln diese die Blockchain ständig weiter. Konsensus in öffentlichen Blockhains Keine Person oder Gruppe ist für die Kontrolle der öffentlichen Blockchain verantwortlich. Daher wird die Entscheidungsfindung und die Verifizierung von Transaktionen durch verschiedene Konsensmechanismen, wie dem Proof-of-Work oder Proof-of-Stake erzielt. Der Konsensus spielt eine wesentliche Rolle in Blockchains. Der Mechanismus stellt innerhalb der Blockchain sicher, dass alle Transaktionen gültig sind und alle Teilnehmer einer Blockchain Zugang zu allen Daten haben. Nur gültige Transaktionen werden in der Blockchain gespeichert. Die Gültigkeit wird durch den Konsensus bestimmt. Der Proof-of-Work-Algorithmus (PoW) kommt zum Beispiel in der Bitcoin-Blockchain zum Einsatz. Auch Blockchains wie Ethereum setzen auf PoW, nutzen mittlerweile aber auch andere Technologien. PoW arbeitet beim Erstellen eines Konsenses, also dem Bestätigen einer Transaktion in der Blockchain, mit dem Lösen einer Rechenaufgabe. Bei dieser Vorgehensweise ist eine hohe Rechen- und Ressourcenleistung der Knoten notwendig, was Strom- und Hardwarekosten erhöht. Der Konsensus Proof-of-Stake (PoS) wird unter anderem in Ethereum 2.0 eingesetzt. Im Gegensatz zu PoW soll PoS deutlich weniger Strom- und Ressourcenkosten verursachen, denn die Knoten benötigen keine hohe Leistung. Beim Einsatz von PoS bestimmt nicht die Leistung eines Knotens, wer den Konsensus errechnet, sondern eine Zufallsauswahl in Verbindung mit einer Gewichtung entscheidet, wer das Rechenrätsel lösen darf. Damit bestimmte Knoten in der Blockchain eine Transaktion validieren dürfen, müssen sie über eine bestimmte Anzahl Token oder Coins verfügen. Ein weiterer Konsensus-Mechanismus ist „Delegated Proof-of-Stake“. Dabei wählen Knoten einen Delegierten, der Konsensus-Aufgaben erfüllt. Dieser muss nicht die meisten Coins / Tokens besitzen, sondern wird zufällig von Knoten ausgewählt. Innovative Konsensus-Mechanismen sind ebenfalls am Markt zu finden, darunter „Yet Another Consensus (YAC) und Delegated Byzantine Fault Tolerance (dBFT).

Private Blockchains Private Blockchains stehen nur einer bestimmten Gruppe zur Verfügung. Im Gegensatz zu öffentlichen Blockchains gibt es hier einen oder mehrere Verantwortliche, die sich um die Instandhaltung der Blockchain kümmern. Sie bestimmen zum Beispiel, wer welche Aktionen ausführen darf und wer Zugang zu bestimmten Daten auf der Blockchain erhält. Dabei wird der Konsens über die Abstimmung der zentralen Verantwortlichen, also autorisierte Nodes, erzielt, die Nutzern innerhalb des Netzwerkes Miningrechte gewähren oder entziehen. Dadurch ist die private Blockchain zentralisierter, aber dennoch kryptografisch gesichert. Der Aspekt der Zentralisierung macht es allgemein strittig, ob man diese Variante tatsächlich als Blockchain bezeichnen kann, da sie im Widerspruch mit der Grundidee von Bitcoin, eines verteilten Ledger ohne zentraler Instanz, steht. Bekannte private Blockchains sind unter anderem R3, Hyperledger und Ripple. Private Blockchains eignen sich gut zur Implementierung in Unternehmen und für den Enterprise-Kontext. Immer dann, wenn Daten nicht jedem frei zugänglich sein sollen, zum Beispiel beim Einsatz in Lieferketten, setzen Unternehmen stark auf private Blockchains. Greifen verschiedene Instanzen mit unterschiedlichen Berechtigungen auf ein Netzwerk aus Informationen und Daten zu, bieten private Blockchains geeignete Methoden wie Authentifizierung durch Identitätsmanagementsysteme, die den Eintritt in die private Umgebung steuern. Private Blockchains werden auch häufig als permissioned Blockchains bezeichnet, da der Zugang nicht für Jedermann möglich, sondern genehmigungspflichtig ist. Vorteile von Private Blockchains Beim Einsatz einer privaten Blockchain profitieren Unternehmen und Organisationen von der Effizienz der Transaktionen und behalten die Kontrolle über die Einsicht ihrer internen Unternehmensaktivitäten. Eine öffentliche Blockchain wäre für ein Unternehmen ungeeignet, da die Konkurrenz theoretisch ebenso Einblick in die privaten Geschäfte erhalten könnte. Außerdem kann die Unternehmensführung besser selektieren, welcher Mitarbeiter innerhalb des Netzwerks die Berechtigung erhält, eine konkrete Aufgabe auszuführen. Als Betreiber einer privaten Blockchain muss klar sein, dass es sich nicht um einen dezentralisierten Ansatz handelt. Denn zumindest anfänglich müssen sich die Netzwerkteilnehmer darüber einig sein, dass ein Teilnehmer die Steuerung in der Hand hält. Ist das Netzwerk groß genug, kann vereinbart werden, dass die Spielregeln, die sogenannte Governance, dezentral abläuft. Was ist Zero-Knowledge? Mit Zero-Knowledge ist der Null-Wissen-Beweis gemeint, bei dem es sich um ein kenntnisfreies Protokoll handelt, bei dem die Daten in den Händen der Nutzer bleiben, und so die Sicherheit dieser Inhalte gewährleistet. Der Zero-Knowledge-Proof hat komplexe Verfahren als Grundlage, etwa das Feige-Fiat-Shamir-Protokoll. Einfach ausgedrückt wird dadurch in der Kryptografie sichergestellt, dass ein „Verifizierer“ eines Geheimnis das Geheimnis zwar nicht kennt, aber mit hoher Wahrscheinlichkeit bestätigen kann, dass der Inhalt des Geheimnis richtig ist, das ihm durch den „Beweiser“ angezeigt wird. Es gibt Ansätze, die private Geschäfte in einer öffentlichen Blockchain abwickeln können. Dazu kommt der Zero-Knowledge-Ansatz zum Einsatz. Dabei bestätigen die öffentlichen Knoten eine Transaktion, deren kompletten Inhalt sie nicht kennen. Das ist nur möglich mit hohen Sicherheitsanforderungen. Der große Nutzen spricht für den Einsatz von ZK in der Cloud, jedoch ist der Aufwand relativ hoch und daher sind Zero-Knowledge-Proofs bisher nur wenig im Einsatz. Außerdem ist bei diesem Verfahren problematisch, dass der Beweis stets nur für eine Person gilt. Weiterhin ist zu bedenken, dass, wenn der Schlüssel verloren geht, der Zugriff auf die Daten in der Cloud nicht mehr möglich ist. Beispiel einer Zero-Knowledge-Blockchain ist Zcash, die eine Funktion mit dem Namen zk-SNARK betreibt, die Eigenschaften aus dem Zero-Knowledge-Verfahren aufweist.

Konsortium oder Federated Blockchains Dieser Blockchain-Typ ist eine Erweiterung privater Blockchains. Sie versucht, die alleinige Autonomie der Private Blockchain zu entfernen. Hier ist also mehr als eine Person oder Unternehmen für das Netzwerk verantwortlich. Es gibt eine Gruppe von Unternehmen oder repräsentativen Personen, die zusammenarbeiten und Entscheidungen für den besten Nutzen des gesamten Netzwerks treffen. Solche Gruppen werden auch Konsortien oder Föderationen genannt, woher sich auch der Name ableiten lässt. Die Funktionsweise einer Federated Blockchain lässt sich an folgendem Beispiel erklären. Ein Konsortium besteht aus 20 Finanzinstituten. Diese haben in einem Code festgelegt, dass eine Transaktion, ein Block oder eine Entscheidung innerhalb des Netzwerks nur als wahr angenommen werden darf, wenn mehr als 15 der beteiligten Institute diese bestätigen. Auf diese Weise wird innerhalb eines Konsortiums ein Konsens erzielt. Dieser Blockchain Typ erlaubt eine schnelle Abwicklung von Transaktionen, ohne auf die Entscheidung eines Einzelnen, wie bei der Private Blockchain angewiesen zu sein. Durch die Wahl innerhalb des Konsortiums werden zudem Fehlentscheidungen oder betrügerische Aktivitäten von einzelnen Teilnehmern verhindert, da eine definierte Mehrheitsentscheidung vorliegen muss. Public-Permissionless Blockchains Je nach Sichtbarkeit der Daten wird noch bei den unterschiedlichen Blockchain Typen zwischen öffentlichen und privaten Varianten unterschieden. Public-Permissionless Blockchains haben offene Einträge, während aber die Teilnehmer anonym oder pseudonym bleiben. Beispiel für Public-Permissionless Blockchains sind Bitcoin oder Ethereum. Public-Permissioned Blockchains Beim Einsatz von Private-Permissioned Blockchains dürfen nur festgelegte Personen auf die Blockchain zugreifen und nur definierte Teilnehmer Transaktionen validieren. Hier ist der Teilnehmerkreis übersichtlich. Die Technologie steuert den Zugang der Teilnehmer, wie bei Sovrin der Firma Evernym, bei der die Endnutzer den vorgegebenen Rahmenbedingungen des Systems unterliegen. Private-Permissionless Blockchains Hier hat jede Instanz durch die Bereitstellung von Smart Contracts eine private Sidechain, wodurch Leseberechtigungen nur bestimmten Personen oder Organisationen gewährt werden. Das bedeutet, dass sich jeder am Validierungsprozesses beteiligen kann, aber nur Berechtigte auf die Blockchain zugreifen dürfen. Private-Permissioned Blockchains Ein bekanntes Beispiel ist das R3-Konsortium mit seiner Lösung „Corda”, bei der alle Teilnehmer bekannt sind und sich sogar häufig untereinander kennen. Das vereinfacht die Prozedere und sorgt für eine extrem schnelle Blockerstellung.

Smart Contracts verstehen Beim Einsatz von Private und Federated Blockchains spielen Smart Contracts eine wichtige Rolle. Smart Contracts sind einer der wichtigsten Einsatzgebiete von Blockchain Technologien in Unternehmen und Organisationen. Sie beeinflussen die Entscheidung für eine der verschiedenen Blockchain Typen hinsichtlich ihrer möglichen Anwendungsgebiete. Innerhalb einer Blockchain können Smart Contracts entwickelt werden. Smart Contracts (dt.: intelligente Verträge) sind Verträge, die auf Computerprotokollen basieren und Abläufe im Geschäftsleben rechtssicher automatisieren, auch zwischen Partnerunternehmen. Smart Contracts bauen auf der Blockchain-Technologie auf und nutzen die Vorteile dieser Technologie. Diese digitalen Verträge sind Computerprogramme, die von Entwicklern geschrieben werden. Sie kosten weniger Geld und arbeiten effizienter als manuelle Abläufe im Unternehmen. Bisher sind sie in unserer Welt nicht gesetzlich bindend, das dürfte aber aufgrund der voranschreitenden Technologie auch nur eine Frage der Zeit sein.