Blockchain: Definition, Vorteile, Einsatz

Blockchain – Wikipedia

Die bestimmende Blockchain (schwarz) besteht aus der längsten Folge von Blöcken ausgehend vom Ursprung (grün) zum aktuellen Block. Alternative Ketten verwaisen (lila), sobald sie kürzer als eine andere Kette sind.

Schema eines Blockes in der Blockchain

Eine Blockchain (auch Block Chain, englisch für Blockkette) ist eine kontinuierlich erweiterbare Liste von Datensätzen in einzelnen Blöcken.[1][2] Neue Blöcke werden nach einem Konsensverfahren erstellt und mittels kryptographischer Verfahren an eine bestehende Kette angehängt. Jeder Block enthält dabei typischerweise einen kryptographisch sicheren Hash (Streuwert) des vorhergehenden Blocks,[2] einen Zeitstempel und Transaktionsdaten.[3]

Eine Blockchain ist ein Beispiel einer Distributed-Ledger-Technologie (dezentral geführte Kontobuchtechnologie) oder DLT[4] und ähnelt in der Funktionsweise dem Journal der Buchführung. Die Blockchain wird daher auch als „Internet der Werte“ (Internet of values) bezeichnet und legt die technische Basis für Kryptowährungen wie Bitcoin.

Eine Blockchain kann in der Buchführung genutzt werden, wenn Einigkeit auf den aktuellen und fehlerfreien Zustand in einem dezentralen Netzwerk mit vielen Teilnehmern hergestellt werden muss (siehe auch: Byzantinischer Fehler). Was dokumentiert wird, ist für den Begriff der Blockchain unerheblich. Entscheidend ist, dass spätere Transaktionen auf früheren Transaktionen aufbauen und diese als richtig bestätigen, indem sie die Kenntnis der früheren Transaktionen beweisen. Damit wird es unmöglich gemacht, Existenz oder Inhalt der früheren Transaktionen zu manipulieren oder zu tilgen, ohne gleichzeitig alle späteren Transaktionen ebenfalls zu ändern. Andere Teilnehmer der dezentralen Buchführung erkennen eine Manipulation der Blockchain dann an der Inkonsistenz der Blöcke.

Erste Grundlagen zur kryptografisch abgesicherten Verkettung einzelner Blöcke wurden 1991 von Stuart Haber und W. Scott Stornetta, 1996 von Ross J. Anderson und 1998 von Bruce Schneier und John Kelsey beschrieben.[5] 1998 arbeitete auch Nick Szabo an einem Mechanismus für eine dezentralisierte digitale Währung, die er „Bit Gold“ nannte.[6] Im Jahr 2000 entwickelte Stefan Konst eine allgemeine Theorie zu kryptografisch abgesicherten Verkettungen und leitete daraus verschiedene Lösungen zur Umsetzung ab.[5][7]

Das Konzept der Blockchain als verteiltes Datenbankmanagementsystem wurde erstmals 2008 von einer Person oder Personengruppe unter dem Pseudonym Satoshi Nakamoto im White Paper zu Bitcoin beschrieben.[8] Im Jahr darauf veröffentlichte „Satoshi Nakamoto“ die erste Implementierung der Bitcoin-Software und startete dadurch die erste öffentlich verteilte Blockchain.

Verkettungsprinzip Eine Blockchain ist eine verkettete Folge von Datenblöcken, die über die Zeit weiter fortgeschrieben wird. Dezentrale Speicherung Eine Blockchain wird nicht zentral gespeichert, sondern als verteiltes Register geführt. Alle Beteiligten speichern eine eigene Kopie und schreiben diese fort. Konsensmechanismus Es muss sichergestellt werden, dass eine bei allen Beteiligten identische Kette entsteht. Hierfür müssen zuerst Vorschläge für neue Blöcke erarbeitet werden. Dies geschieht durch Validatoren (die bei Bitcoin „Miner“ genannt werden). Dann müssen sich die Beteiligten einigen, welcher vorgeschlagene Block tatsächlich in die Kette eingefügt wird. Dies erfolgt durch ein sogenanntes Konsensprotokoll, ein algorithmisches Verfahren zur Abstimmung. Manipulationssicherheit Durch kryptographische Verfahren wird sichergestellt, dass die Blockchain nicht nachträglich geändert werden kann. Die Kette der Blöcke ist somit unveränderbar, fälschungs- und manipulationssicher. Transparenz/Vertraulichkeit Die auf der Blockchain gespeicherten Daten sind von allen Beteiligten einsehbar. Sie sind deshalb aber nicht unbedingt auch für alle sinnvoll lesbar, denn Inhalte können verschlüsselt abgespeichert werden. Blockchains erlauben so eine flexible Ausgestaltung des Vertraulichkeitsgrads. Nichtabstreitbarkeit Durch die Nutzung digitaler Signaturen sind Informationen in der Blockchain speicherbar, die fälschungssicher nachweisen, dass Teilnehmer unabstreitbar bestimmte Daten hinterlegt haben, etwa Transaktionen angestoßen haben.[9]

Neue Blöcke werden über ein Konsensverfahren geschaffen und anschließend an die Blockchain angehängt.[10] Das populärste Konsensverfahren ist hierbei die Proof-of-Work-Methode; es bestehen jedoch zahlreiche andere Formen, Konsens herzustellen (Proof of Stake, Proof of Space, Proof of Burn, Proof of Activity). 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 Integritätsbestätigung von Transaktionen.[11]

Proof of Work [ Bearbeiten | Quelltext bearbeiten ]

→ Hauptartikel : Proof of Work

Der Proof-of-Work stellt einen Arbeitsnachweis z. B. die Lösung einer mathematischen Aufgabe dar. Das Ergebnis kann hingegen ohne großen Aufwand nachgeprüft werden. Mit diesem Verfahren wird das übermäßige Erzeugen eines neuen Blockes eingeschränkt, indem Rechenarbeit erbracht werden muss.

Proof of Stake [ Bearbeiten | Quelltext bearbeiten ]

→ Hauptartikel : Proof of Stake

Der Proof of Stake stellt einen Nachweis des Anteils am Netzwerk dar. Der Anteil bzw. der „Stake“ jedes Teilnehmers wird aus Teilnahmedauer und/oder Vermögen ermittelt und fließt in eine gewichtete Zufallsauswahl ein. Ein deterministischer Algorithmus wählt aus dieser Zahl den Knoten aus, der einen neuen Block hinzufügt.

Insbesondere bei der Anwendung als Kryptowährung gibt es in der Praxis Einschränkungen im Zeitverhalten sowie im Kommunikations- und Speicherbedarf. Wer die Glaubwürdigkeit einer Transaktion oder eines Kontostands selbst überprüfen möchte, muss die aktuelle Blockchain bis zurück zum Genesis-Block kennen. Dazu muss jeder Teilnehmer eine vollständige Kopie der bisherigen Buchhaltung speichern. Der immense Speicherbedarf könnte dann mit Archiv-Servern realisiert werden, die als einzige die gesamte Blockchain speichern. Darauf aufbauend arbeiten voll validierende Server, indem sie initial die Blockchain aus den Archivservern laden, aber im Betrieb nur mit einem Teil davon arbeiten. Sie übernehmen die eigentliche Last der anfallenden Buchungen. Teilnehmer könnten dann Software zur vereinfachten Überprüfung von Zahlungen betreiben und von den Servern nur Teilinformationen empfangen.[12]

Die limitierte Rate zur Erzeugung neuer Blöcke und der Indeterminismus des Konsensverfahrens können zu unvorhersehbar langen Bestätigungszeiten führen. Im Proof of Work Verfahren führen Schwankungen der tatsächlich betriebenen Rechenleistung und die dem Prinzip immanente Streuung zu Wartezeiten der Transaktions-Bestätigungen einem Vielfachen des Erwartungswertes. Durch das Anpassen des Schwierigkeitsgrads in hoher Frequenz können diese Schwankungen gering gehalten werden.

Teilbare Blöcke [ Bearbeiten | Quelltext bearbeiten ]

Kette aus Block-Headern. Von einem Hashbaum ist der Teilbaum einer Transaktion abgebildet.

Wenn in jedem Block der Hashwert über den vollständigen Vorgänger gespeichert wird, benötigt man jeweils auch den vollständigen Block, um die Lückenlosigkeit der Kette zu überprüfen. Man benötigt also die gesamte Buchhaltung, auch wenn man nicht an jeder einzelnen Buchung interessiert ist. Um das zu verhindern, werden Hash-Bäume eingesetzt. Anstatt einen Hashwert über den gesamten Block zu bestimmen, kann man auch Hashwerte einzelner Transaktionen errechnen und diese als Hash-Baum organisieren. An der Wurzel des Baumes erhält man damit wieder einen Hashwert, der alle Transaktionen zusammenfassend absichert. Damit kann ein Block-Header erstellt werden, der nur noch den Hashwert des Vorgängers, den Nonce und den Wurzel-Hashwert des eigenen Baums enthält.

Der einzelne Block wird dadurch zwar größer, aber die Lückenlosigkeit der Kette lässt sich jetzt allein anhand der vergleichsweise kleinen Block-Header überprüfen. Diese Header lassen sich also bequem speichern und sind in ihrem Speicherbedarf nicht von der Anzahl der durchgeführten Transaktionen abhängig.

Die Blockchain ist damit eine Reihe von Hashbäumen, bei denen zunächst nur die Wurzel und deren Verkettung von Interesse sind. Möchte eine SPV-Anwendung eine einzelne Transaktion überprüfen, so benötigt sie nur den dafür relevanten Teilbaum, um den Hashwert der Transaktion anhand der Werte dieses Teilbaums bis zur Wurzel überprüfen zu können. Dem voll validierenden Server oder den Archiv-Servern, von dem der Teilbaum bezogen wird, muss nicht vertraut werden. Der Teilbaum stellt mit seinen Hashwerten die überprüfbare Verbindung zwischen der einzelnen Transaktion und dem Block-Header des Blocks, in dem sie gebucht wurde, dar. Dieses Verfahren erlaubt es mit sehr geringem Aufwand, die Gültigkeit einer Buchung zu kontrollieren, ohne die restliche Buchhaltung zu kennen.

Die relativ kleinen Block-Header sind mit ein Grund dafür, dass spezialisierte Hardware extrem effizient für das Mining im Proof of Work eingesetzt werden kann. Es wird für jeden neuen Nonce nur der Hashwert des kleinen Block-Header und nicht des gesamten Blocks berechnet. Der Speicherbedarf ist also sehr gering. Genau das versuchen neuere Hashfunktionen wie scrypt zu vermeiden, indem sie den Speicherbedarf künstlich erhöhen und damit den Einfluss spezieller Hardware auf z. B. die Währung reduzieren.

Siehe auch : „Blockchain“ im Artikel Bitcoin

Bei Bitcoin besteht eine Blockchain aus einer Reihe von Datenblöcken, in denen jeweils eine oder mehrere Transaktionen zusammengefasst und mit einer Prüfsumme versehen sind, d. h., sie werden jeweils paarweise zu einem Hash-Baum zusammengefasst. Die Wurzel des Baumes (auch Merkle-Root, bzw. Top-Hash genannt) wird dann im zugehörigen Header gespeichert. Der gesamte Header wird dann ebenfalls gehasht; dieser Wert wird im nachfolgenden Header abgespeichert. So wird sichergestellt, dass keine Transaktion verändert werden kann, ohne den zugehörigen Header und alle nachfolgenden Blöcke ebenfalls zu ändern.[13]

Die Blockchain von Bitcoin ist die älteste Blockchain. Sie startete im Januar 2009, hatte Anfang Juni 2019 eine Größe von ca. 222 GB[14] und lag am 5. Juni 2019 auf ca. 9.516 Knoten[15] redundant und öffentlich zugriffsbereit vor.

Beim Auditing in der Informationstechnik geht es darum, sicherheitskritische Operationen von Softwareprozessen aufzuzeichnen. Dies betrifft insbesondere den Zugriff auf und die Veränderung von vertraulichen oder kritischen Informationen. Das Auditing eignet sich hierbei deshalb für eine Blockchain, weil es relativ geringe Datenmengen produziert und gleichzeitig hohe Sicherheitsanforderungen aufweist.

Eine Blockchain kann hierbei das Audit-Log (auch als Audit-Trail bezeichnet) vor Veränderung schützen. Zudem sollten die einzelnen Einträge mit einer digitalen Signatur versehen werden, um die Echtheit zu gewährleisten. Ein dezentraler Konsensmechanismus, wie bei Bitcoin, wird nicht zwingend benötigt.[16]

Da einerseits vertrauliche Informationen gespeichert werden und andererseits kein Element der Blockchain gelöscht werden kann, ohne diese ungültig zu machen, kann zudem eine Verschlüsselung der einzelnen Einträge erfolgen.[16] Da die Implementierung von Blockchains derzeit (Stand Mai 2017) mangels einfach zu verwendender Implementierungen sehr aufwändig ist, empfiehlt sich der Einsatz nur für besonders schützenswerte Informationen.

Einsatzbeispiele sind das Auditing bei Systemen für medizinische Informationen (z. B. Elektronische Gesundheitsakte), Verträgen und Geldtransaktionen mit hohem finanziellen Wert, militärischen Geheimnissen, der Gesetzgebung und der elektronischen Stimmabgabe, dem Sicherheitsmanagement kritischer Anlagen oder Daten von Großunternehmen, die unter den Sarbanes-Oxley Act oder ähnliche Richtlinien fallen.

Wie im Juli 2018 bekannt wurde, testen die vier Wirtschaftsprüfungsgesellschaften Deloitte, KPMG, PricewaterhouseCoopers International und Ernst & Young einen Blockchain-Dienst zur Prüfung der Zwischenberichte von Aktiengesellschaften. Ziel ist es, den Wirtschaftsprüfungsunternehmen die Möglichkeit zu geben, die Geschäftsvorgänge durch eine nachvollziehbare und manipulationssichere Datenkette auf dezentrale Weise zu verfolgen, wodurch der Bestätigungsprozess optimiert und automatisiert wird.[17][18]

Die Blockchain wird auch als Anwendung in den Kapitalmärkten in Betracht gezogen. Das R3-Konsortium hat mit mehreren Finanzinstitutionen die Plattform Corda veröffentlicht, die einen Unterbau für Blockchain-Anwendungen für Kapitalmärkte darstellen soll. Die Plattform soll noch bis 2021 als Pilotprojekt für die E-Krona der Schwedischen Reichsbank, in Zusammenarbeit mit Accenture, im Einsatz stehen.[19]

Die größten Anwendungsgebiete für Kapitalmärkte bestehen im Bereich des Settlement von Aktien und anderen Finanzinstrumenten, der Ausgabe von Konsortialkrediten und der Finanzierung von Unternehmen mit Eigenkapital.

Lieferketten für Lebensmittel [ Bearbeiten | Quelltext bearbeiten ]

Der Einsatz einer Blockchain, in der die Beteiligten die Transaktionen der Lieferkette gemeinsam dokumentieren, kann hier deutliche Kosten- und Zeiteinsparungen ermöglichen. Eine Blockchain könnte das Misstrauen gegenüber einem zentralen registerführenden Akteur aufheben, da ein Blockchain-Register für alle Teilnehmer zugänglich ist. Die Buchführungs- und Leserechte können dabei gestuft verteilt werden, angepasst an die unterschiedlichen Nutzergruppen und deren Bedürfnisse, wie zum Beispiel Hersteller, Spediteure, Zoll und verschiedene Verbraucher. Somit herrscht keine vollständige Transparenz, die Wettbewerber ausnutzen könnten. Für Endverbraucher können zum Beispiel lediglich Leserechte eingeräumt werden, anhand derer die Herkunft und die gesamte Lieferkette von der Ernte über Verarbeitung, Logistik, Verzollung, Zertifizierung, Lebensmittelüberwachung, den Großhändler bis zum Einzelhandel transparent und überprüfbar nachvollzogen werden können.

Zudem gibt es Automatisierungspotenziale für die einzuhaltenden Dokumentationspflichten: So könnte beispielsweise ein im Container angebrachter Sensor die Temperatur von Lebensmitteln messen, die Messdaten in die Blockchain schreiben und so eine lückenlose Einhaltung der Kühlkette dokumentieren. Würde sie nicht eingehalten, könnte ein entsprechend aufgesetzter Smart Contract automatisch Alarm schlagen.[20]

Unterschiedliche Sichtweisen auf die Blockchain-Technologie [ Bearbeiten | Quelltext bearbeiten ]

Die verschiedenen Disziplinen können die Blockchain-Technologie aus sehr unterschiedlichen Blickwinkeln betrachten und bewerten.

Für einen Informatiker produziert die Blockchain-Technologie eine einfache Datenstruktur, die Blockchain, die Daten als Transaktionen in einzelnen Blöcken verkettet und in einem verteilten Peer-to-Peer-Netz redundant verwaltet. Die Alternative wäre eine konventionelle Datenbank, die kontinuierlich von allen Teilnehmern repliziert wird.

Für die Cyber-Sicherheitsexperten hat die Blockchain-Technologie den Vorteil, dass die Daten als Transaktionen in den einzelnen Blöcken manipulationssicher gespeichert werden können, das heißt, die Teilnehmer der Blockchain sind in der Lage, die Echtheit, den Ursprung und die Unversehrtheit der gespeicherten Daten (Transaktionen) zu überprüfen. Die Alternative wäre hier zum Beispiel ein PKI-System als zentraler Vertrauensdienstanbieter.

Für den Anwendungsdesigner bedeutet die Nutzung der Blockchain-Technologie eine vertrauenswürdige Zusammenarbeit zwischen verschiedenen Organisationen, ohne die Einbindung einer zentralen Instanz, eines PKI-Systems, Notars usw. Die Alternative könnte hier ein kostenintensiver Treuhänder sein, der die Zusammenarbeit und Eigentumsübertragung zwischen den verschiedenen Organisationen verwaltet und verifiziert. Da die Blockchain-Technologie dies automatisiert macht, werden durch die vertrauenswürdige Zusammenarbeit die Prozesse auch sehr viel schneller und effektiver.[21][22]

„Die Grundidee des Kerbstocks ist äusserst einfach: Bei dieser genauso primitiven wie raffinierten Technik werden zwei Stöcke nebeneinandergelegt und quer eingeritzt, wobei jede Kerbe einer Schuld entspricht. Der Gläubiger nimmt einen Stock, der Schuldner den anderen. Der Gläubiger wird keine Kerbe hinzufügen und der Schuldner keine beseitigen können, da der Vergleich der zwei Stöcke die Fälschung sofort offenbaren würde.

Ziemlich einfach, oder? Eine uralte, aber auch höchst moderne Technik. Denn die Blockchain – diese Erfindung, die uns als die grösste Neuheit unserer Zeit erscheint – ist nichts anderes als ein weltweites, auf unzählige Computer ausgeweitetes Kerbholz. Anstelle eines von zwei Personen geteilten Zählstabs haben wir es mit einer Spur zu tun, die auf möglichst vielen Festplatten gespeichert wird, damit das Hinzufügen oder Löschen von Spuren (Blöcken) verhindert wird.“ Maurizio Ferraris[23]

Kritik / Beurteilungen [ Bearbeiten | Quelltext bearbeiten ]

Seit Jahren wird öffentliche Kritik von Experten laut, die die Sicherheit und Nutzbarkeit von Blockchain in Frage stellen. Kritisiert werden am häufigsten die geringe Effizienz der langen Datenketten und der hohe Energieverbrauch bei dem für das Erzeugen eines neuen gültigen Blocks häufig eingesetzten Verfahren Proof-of-Work.[24] Neben technischer Kritik von Entwicklerseite warnen auch Fachleute aus der Wirtschafts- und Finanzwelt vor Euphorie für eine „Lösung“, der das Problem fehle.[25][26] Die deutsche Expertenkommission Forschung und Innovation sieht in ihrem Gutachten 2019 in der Blockchain-Technologie „hohe Nutzenpotenziale für Unternehmen, Bevölkerung und Verwaltung“. Mögliche Anwendungen liegen unter anderem in internationalen Lieferketten und im Stromhandel.[27]

Der Experte für Kryptographie und Computersicherheit Bruce Schneier warnt vor falschem Vertrauen in Blockchain[28] und dem Mangel an Anwendungsfällen. Er sehe bis jetzt keinen Einsatzzweck für die Blockchain.[29]

„Jedes Unternehmen, das heute auf die Blockchain setzt, könnte eigentlich auf sie verzichten. Niemand hatte jemals ein Problem, für das die Blockchain eine Lösung ist. Stattdessen nehmen die Leute die Technologie und machen sich auf die Suche nach Problemen.“ Bruce Schneier [30]

Daniel Drescher: Blockchain Grundlagen. Eine Einführung in die elementaren Konzepte in 25 Schritten (Übersetzung aus dem Englischen von Guido Lenz) . mitP Verlags GmbH & Co. KG, Frechen 2017, ISBN 978-3-95845-653-2.

. mitP Verlags GmbH & Co. KG, Frechen 2017, ISBN 978-3-95845-653-2. Stuart Haber, W. Scott Stornetta: How to Time-Stamp a Digital Document . In: Advances in Cryptology – Crypto ’90. Lecture Notes in Computer Science v. 537 . Springer-Verlag, Berlin 1991, ISBN 978-3-540-38424-3, S. 437–455 , doi: 10.1007/3-540-38424-3_32

. In: . Springer-Verlag, Berlin 1991, ISBN 978-3-540-38424-3, , doi: Ross J. Anderson: The Eternity Service . In: Pragocrypt . 1996.

. In: . 1996. Bruce Schneier, John Kelsey: Cryptographic Support for Secure Logs on Untrusted Machines . In: The Seventh USENIX Security Symposium Proceedings . USENIX Press, Januar 1998, S. 53–62 .

. In: . USENIX Press, Januar 1998, . Primavera De Filippi, Aaron Wright: Blockchain and the Law: The Rule of Code . Harvard University Press, Cambridge, MA 2018, ISBN 978-0-674-97642-9.

Wiktionary: Blockchain – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Artikel

Vorlesungen

Podcasts

Vorträge

Weiteres

Blockchain

Was wir anbieten

Individuell betrachten wir mit Ihnen Ihr aktuelles sowie mögliche zukünftige Geschäftsmodelle und Use Cases auf Basis der Blockchain und erproben diese mittels Prototypen in verschiedenen Domänen, zum Beispiel:

Versicherungen & Verträge FMCG Auditierung/Revision Abrechnung & Bezahlsysteme Tracking & Tracing Travel & Transportation Ticketing & Events Energiewirtschaft Agrarwirtschaft Lebensmittelproduktion Maschinenbau

Eine Lab Session dient dazu, Möglichkeiten auszuloten. Zudem können im Rahmen eines „Red-Flag“- Szenarios mögliche Gefahren für das eigene Geschäftsmodell identifiziert werden.

Blockchain: Definition, Vorteile, Einsatz

Bitcoin-Miner lösen Algorithmen, um neue Blöcke in die Datenkette zu schreiben. Derjenige, dem dies für einen neuen Block zuerst gelingt, weist damit nach, dass er Arbeitsleistung erbracht hat. Für diesen Proof-of-Work erhält er eine festgelegte Anzahl an Bitcoin.

In den Anfangszeiten des Minining genügte ein Laptop für die Rechenarbeit. Mittlerweile sind dafür ganze Server-Farmen mit speziellen Mining-Rechnern (ASICS) notwendig. Diese organisieren sich in immer größer werdenden Mining-Pools, was der Grundidee der Dezentralisierung entgegenläuft. Deshalb wurden Alternativen entwickelt, um Blockchains zu sichern – die bekannteste davon ist der Proof-of-Stake.

Beim Proof-of-Stake erhält man das Recht auf einen neuen Block – und damit auf eine Belohnung – nicht mehr durch reine Rechenleistung. Vielmehr können diejenigen, die eine Blockchain validieren, Kryptowährungen einsetzen. Je mehr jemand in einem Depot hinterlegt, desto höher wird die Wahrscheinlichkeit, dass er für die Fertigstellung ausgewählt wird. Führt er dies korrekt durch, erhält er einen bestimmten Betrag gutgeschrieben. Unternimmt er einen Betrugsversuch, was durch die anderen Validatoren schnell entdeckt werden würde, wird sein Einsatz einbehalten.