Wie funktioniert eigentlich die Blockchain? Teil 1 P2P-Netzwerk

Blockchain macht Daten praktisch unveränderbar

Blockchain macht Daten praktisch unveränderbar

Was ist Blockchain ?

Blockchain ist eine technische Lösung, um Daten in einer verteilten Infrastruktur ohne zentrale Instanz nachvollziehbar und manipulationssicher im Konsens zu verwalten. Mit Blockchain ist es möglich, Transaktionen (zum Beispiel im Zahlungsverkehr mit Kryptowährungen) ohne zentrale Instanz vertrauensvoll und transparent zu verifizieren.

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Der Name Blockchain leitet sich von der Dokumentationsart der Daten ab: Blöcke von Datensätzen werden aneinander gereiht und zu einer stetig wachsenden Blockkette (engl. blockchain) verknüpft. In einem Konsensverfahren einigen sich alle Knoten im Netzwerk auf einen einheitlichen Stand der Blockkette. Kryptografische Mechanismen sorgen unter anderem dafür, dass einmal in die Blockchain aufgenommene Daten praktisch nicht mehr verändert werden können.

Die wichtigsten Ziele der Blockchain-Technologie auf einen Blick:

Praktisch unveränderliche Daten

Für alle Nutzer transparente und nachvollziehbare Transaktionen

Verteilte (und keine zentrale) sowie konsensuale Datenspeicherung

Verzicht auf Mittelsmänner

Was sind Kryptowährungen?

Bei einer Kryptowährung handelt es sich um ein digitales Zahlungsmittel auf der Grundlage eines Blockchain-Systems. Guthaben wird in Form von Computercode von einem Teilnehmer zum anderen übertragen. Eine solche Übertragung wird durch eine kryptografisch signierte Transaktion in der Blockchain dokumentiert.

Die Verifizierung dieser Transaktionen (Signaturprüfung) übernehmen die im Netzwerk befindlichen Rechner. Nur wer einen passenden geheimen Signaturschlüssel besitzt, kann eine gültige Transaktion einstellen und damit über das dahinter stehende Guthaben verfügen. Seine Schlüssel speichert man in einer digitalen Geldbörse (Wallet).

Empfänger von Transaktionen werden normalerweise nur durch eine abstrakte Adresse (eine Art Kontonummer) repräsentiert, sodass Kryptowährungen idealerweise pseudonym verwendet werden können. Überwacht und verbucht werden die Transaktionen durch sogenannte Miner. Durch riesige Rechenleistungen erkaufen sich die Miner das Recht zur Bildung neuer Blöcke und zur Verlängerung der Blockchain. Für diese Anstrengung werden die erfolgreichen Miner mit Währungseinheiten entlohnt.

Kryptowährungen wie Bitcoins, Ether oder Monero bilden noch die Ausnahme, um online zu bezahlen. Dementsprechend gibt es erst wenige Online-Portale und -Shops, die Kryptowährungen als Zahlungsmethode akzeptieren. Und auch offline bieten bisher Geschäfte, Restaurants, oder Museen Kryptowährungen eher selten als alternatives Zahlungsmittel an. Der Bezahlvorgang wird dabei in der Regel über QR -Codes mittels einer digitalen Geldbörse (einer Wallet, die auf dem Smartphone vorliegt) abgewickelt. Um Sicherheitsrisiken zu minimieren, sind folgende Maßnahmen sinnvoll:

Legen Sie mehrere Sicherheitskopien Ihrer Wallet an, für den Fall, dass Ihr PC oder das Smartphone gestohlen wird oder einen technischen Defekt hat. Diese Backups sollten sicher verwahrt und mit einem kryptografischen Zugriffsschutz versehen werden

oder das gestohlen wird oder einen technischen Defekt hat. Diese sollten sicher verwahrt und mit einem kryptografischen Zugriffsschutz versehen werden Wie beim Bargeld sollten Sie auch in Ihrer Wallet auf PC oder Smartphone keine großen Summen aufbewahren; nur kleinere Mengen für den täglichen Bedarf sind sinnvoll

oder keine großen Summen aufbewahren; nur kleinere Mengen für den täglichen Bedarf sind sinnvoll Wichtig ist vor allem die Verschlüsselung der Wallet sowie der angelegten Sicherheitskopien

Die Vorteile von Kryptowährungen sind, dass sie weltweit, pseudonym und ohne Vermittlungsinstanzen (Banken) eingesetzt werden können. Minutenschnell können auch große Summen weltweit transferiert werden. Es gibt jedoch keine staatliche Regulierung der Währung, was zu diversen Problemen führen kann wie dem Ausschluss eigener Transaktionen aufgrund eines Mehrheitsentscheides von Minern. Durch das aufwendige Miningverfahren zur Verwaltung der Blockchain sind Kryptowährungen außerdem oft wenig effizient. Es gibt aktuell über 1000 verschiedene Kryptowährungen am Markt, die bekannteste davon ist Bitcoin.

Kryptowährungen stellen im rechtlichen Sinne in der Regel keine Währung dar, sondern zählen laut BaFin zu den "Finanzinstrumenten". Das Finanzamt stuft sie als Wirtschaftsgüter ein. So sind beim bzw. nach dem Bezahlen mit Kryptowährungen auch steuerliche Aspekte zu beachten.

Im folgenden Video erklärt Dr. Sarah Maßberg vom Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik ( BSI ) noch einmal den Zusammenhang zwischen Kryptowährungen und Blockchain und gibt einen Einblick in die Sicherheitsstruktur dieser Technologie:

Wo kommt die Blockchain -Technologie zum Einsatz?

Sicherlich sind Kryptowährungen das prominenteste und erste Beispiel für Anwendungen der Blockchain-Technologie. Darüber hinaus werden in vielen weiteren Wirtschaftszweigen Chancen und Potenziale für den Einsatz der Blockchain-Technologie diskutiert, wie wir an einzelnen Beispielen zeigen:

Finanzsektor

Neben dem Einsatz bei digitalen Zahlungsmitteln könnte Blockchain bei elektronischen Handelssystemen wie dem nachbörslichen Handel oder eine Beteiligung am Finanzsystem für die Teile der Weltbevölkerung eingesetzt werden, die bislang keinen Zugang haben.

Automobilindustrie und Versicherungswesen

Sogenannte smart contracts ( dt . "intelligente Verträge") - Computerprotokolle, die auf der Blockchain laufen und den Umgang mit Verträgen technisch unterstützen - könnten den Versicherungsmarkt ergänzen. Zum Beispiel könnte ein Vertrag direkt mit einem Mietauto geschlossen werden, das erst dann zur Fahrt bereit ist, wenn die entsprechende Rate gezahlt wurde.

Transportwesen und Supply-Chain- Management

Hier gibt es Vorschläge zur lückenlosen effizienten Dokumentation von Abläufen mit Hilfe der Blockchain-Technologie.

Blockchains und die Frage nach der Sicherheit

Blockchains werden durch kryptografische Verfahren wie Hashfunktionen oder digitale Signaturen gesichert. Diese sind nach heutigem Stand sichere und bewährte Konzepte, die vor Manipulation und Fälschung schützen können. Daneben gibt es aber viele weitere Aspekte – insbesondere der praktischen Umsetzung, die bei der Sicherheitsbetrachtung von Blockchains berücksichtigt werden müssen. In der Praxis (zum Beispiel bei Bitcoin) zeigen sich Probleme insbesondere durch Fehler in der Implementierung, unsichere Netzwerkprotokolle oder schlecht gesicherte Endanwendungen (beispielsweise Wallets).

Für das BSI stehen vorrangig technisch-gestalterische Aspekte für den sicheren Einsatz von Blockchains im Vordergrund. Herausforderungen sieht das BSI insbesondere in Fragen der Implementierungssicherheit, des Datenschutzes und der Langzeitsicherheit. Bei der Langzeitsicherheit ist zu beachten, dass sich im Bereich des Quantencomputing Fortschritte zeigen, die längerfristig die heute üblicherweise in Blockchain-Anwendungen verwendeten kryptografischen Algorithmen gefährden können. Diese Aspekte werden in den Eckpunkten des BSI genauer erläutert. Zukünftig werden diese Eckpukte zu einem Leitfaden ausgebaut.

Was ist eine Blockchain? Definition & Funktionsweise

Bei einem Distributed Ledger (auf Deutsch: verteiltes Kontobuch) handelt es sich um ein öffentliches, dezentral geführtes Hauptbuch. Der Inhalt des Ledgers (in der Regel eine Aneinanderreihung von Transaktionsdaten, die beispielsweise Kontobewegungen belegen) wird in einem Computernetzwerk gemeinschaftlich erstellt. Eine Kopie des Datenbestands liegt auf jedem Knoten des Netzwerks vor.

Überweist Hugo Paul das Geld für die Mütze mithilfe einer Blockchain-Anwendung, wird diese Transaktion im Distributed Ledger gespeichert und ist fortan für alle Teilnehmer der entsprechenden Anwendung nachvollziehbar.

Statt einer realen Währung wie Euro oder Dollar kommen in Blockchain-Netzwerken in der Regel digitale Währungsäquivalente wie Bitcoin, Ether, Litecoin oder Dash zum Einsatz.

Das Distributed-Ledger-Konzept wird auf Basis von Peer-to-Peer-Netzwerken realisiert, die eine Kommunikation unter gleichrangigen Rechnern ermöglichen. Veränderungen am Datenbestand werden nur dann vorgenommen, wenn die am Netzwerk beteiligten Knoten zu einem Konsens kommen.

Digitale Werte werden in Blockchain-P2P-Netzwerken nicht von A nach B übertragen. Stattdessen halten sämtliche Teilnehmer eine Kopie aller Transaktionsdaten in anonymisierter Form vor, aus der zweifelsfrei hervorgeht, wer welchen digitalen Wert zu welcher Zeit besitzt. Bei Änderungen des Datenbestandes wird jedes Replikat auf jedem beteiligten Knoten mit der neusten Version der Blockchain synchronisiert. Die Teilnehmer interagieren mit der Blockchain über eine Clientsoftware, die sowohl das Konsensverfahren als auch die Replikation des Datenbestandes regelt.

Änderungen am Datenbestand werden nur dann akzeptiert, wenn sich alle beteiligten Rechner durch einen Mehrheitsbeschluss darauf einigen, dass die Änderung rechtmäßig ist.

Akzeptiert die Mehrheit der beteiligten Rechner die Änderung, wird der neue Zustand der Blockchain von allen Teilnehmern übernommen. Stellt die Mehrheit der Teilnehmer hingegen fest, dass die Änderung nicht rechtmäßig sein kann, beispielsweise weil Widersprüche zu älteren Replikatender Blockchain erkannt wurden, wird diese von allen beteiligten Rechnern abgelehnt. Ein Rechner, der Änderungen an der Blockchain vornehmen möchte, muss somit nachweisen, dass er berechtigt ist, den gemeinsamen Datenbestand zu ändern.

Wie funktioniert eigentlich die Blockchain? Teil 1 P2P-Netzwerk

Die Frontends senden laufend Transaktionen ins Netzwerk, welche die einzelnen Nodes in unterschiedlicher Reihenfolge erhalten und ausführen. Um trotzdem den gleichen Zustand auf jeder Node zu erreichen, müssen sich die Nodes auf die Reihenfolge und somit das Ergebnis der Transaktionen einigen. Dieses Verfahren nennt man Consensus. Es gibt verschiedene Consensus-Mechanismen. Der wohl bekannteste von ihnen ist das sog. Proof of Work (PoW). Die Nodes versuchen unabhängig voneinander eine Zahl (sog. Nonce) zu erraten, die zur Lösung einer Berechnungsaufgabe benötigt wird. Den Nodes bleibt nichts anderes übrig, als es mit verschiedenen Zahlen zu versuchen und zu hoffen, dass eine von ihnen der Schlüssel zur Lösung der Berechnungsaufgabe ist. Das Durchprobieren vieler verschiedener Zahlen erfordert allerdings sehr viel Rechenarbeit. Die Node, die es als Erste schafft, darf die von ihr ausgewählten Transaktionen in der von ihr gewählten Reihenfolge in einem sog. Block an die anderen Nodes im Netzwerk verteilen. Danach beginnt das PoW-Verfahren wieder von vorne, um weitere auf Verarbeitung wartende Transaktionen in eine für alle Nodes gültige Reihenfolge zu setzen.

Unveränderbare Verkettung von Blöcken

Jeder Block enthält einen eindeutigen Fingerabdruck des vorherigen Blocks (sog. Parent Hash). Durch diesen Fingerabdruck sind die Blöcke an ihre Vorgänger gekettet (s. Abbildung 2). Schon die kleinste Änderung an einem Block, z. B. Manipulation einer enthaltenen Transaktion, würde den Fingerabdruck verändern und die Kette durchtrennen. Damit die Kette wiederhergestellt werden kann, ist eine Neuerstellung aller nachfolgenden Blöcke erforderlich. Dies bedarf jedoch bei jedem Block eines erneuten PoW, was mit sehr viel Rechenarbeit verbunden ist. Während der Betrüger damit beschäftigt ist, arbeiten die anderen Nodes an neuen Blöcken und verlängern so die Kette immer weiter. Die Nodes sind so programmiert, dass sie die Kette für gültig halten, in deren Blöcke die meiste Rechenarbeit investiert wurde. Um Erfolg zu haben, müsste ein Betrüger also die Kette ab dem manipulierten Block so lange um neue Blöcke erweitern, bis er dabei mehr Rechenarbeit investiert hat als alle anderen Nodes zur Erweiterung der nicht manipulierten Kette in Summe. Dies ist natürlich nur möglich, wenn der Betrüger mehr Rechenkraft besitzt als der Rest des Netzwerks zusammen. Diese Eigenschaft macht die Blockchain unter der Annahme, dass die Mehrheit der Nodes ehrlich agiert, manipulationssicher. Damit das so bleibt, werden die Nodes für ihre ehrliche Arbeit belohnt. Sie dürfen in ihren Block eine weitere Transaktion mit einer Gutschrift auf ihr eigenes Konto inkludieren. Wenn der Block beim PoW ausgewählt wird, enthält er bereits die Gutschrift für diese Node. Die Gutschrift wird als Bestandteil des Blocks nach dessen Verteilung und Prüfung schließlich von allen anderen Nodes anerkannt.