Die Blockchain ist eine digitale Technologie zur Speicherung und Übertragung von Informationen ohne zentrale Kontrollstelle.
Es handelt sich um ein dezentrales System, das nicht verwaltet werden muss, gleichzeitig aber von jedermann benutzt werden kann. Aufgrund der Vorteile, die die Blockchain-Technologie bietet, wird davon ausgegangen, dass diese Technologie eine Reihe von Märkten und Branchen revolutionieren wird.
Daher wird die Blockchain als disruptive Technologie klassifiziert.
- Was ist eine Blockchain?
- Wie funktioniert eine Blockchain?
- Welches sind die bekanntesten Blockchains?
- Welche Vor- und Nachteile bietet eine Blockchain?
Daniel Wenz
Was ist eine Blockchain? - Definition und Erklärung
Blockchains sind fälschungssichere, verteilte Datenstrukturen, die im Wesentlichen als Erweiterung und Weiterentwicklung des Netzwerkgedankens aufgefasst werden können.
Blockchains basieren auf der Distributed-Ledger-Technologie und sind deren derzeit bekannteste Ausprägung.
Der Begriff "Distributed Ledger", zu Deutsch: "verteiltes Kontobuch", beschreibt Netzwerke, bei denen Daten verteilt organisiert sind. Diese Daten werden bei allen Netzwerkteilnehmern parallel gespeichert und mit Hilfe eines Konsensverfahrens verifiziert.
Die Nutzung sämtlicher Netzwerkteilnehmer sorgt für eine dezentrale Ausrichtung des Netzwerks, bei der es, im Gegensatz zu traditionellen Datenbanken, nicht mehr notwendig ist, Daten zentral zu speichern. Demnach ist auch keine zentrale Verwaltungsstelle notwendig. Die Datenpflege wird von sämtlichen Netzwerkteilnehmern durchgeführt.
Blockchains weisen eine spezielle Struktur in Form einer kryptographischen Verkettung von Datenblöcken auf. Diese sind in chronologischer Reihenfolge über bestimmte Prüfsummen ("Hashes") miteinander verbunden. Eine vereinfachte grafische Darstellung der Blockchain wurde vom Bitcoin-Begründer Satoshi Nakamoto im Bitcoin Whitepaper veröffentlicht.
Bei Hashes handelt es sich um nicht umkehrbare Verschlüsselungsfunktionen, die für jeden beliebigen Datensatz gebildet werden können. Wurde ein Datenblock einmal verschlüsselt und in der Blockchain abgelegt, folgt ein neuer Datenblock. Sobald dieser abgelegt ist, sind die Daten des vorherigen Blocks nicht mehr veränderbar.
Wird innerhalb eines Datenblocks eine Änderung vorgenommen, ändert sich der Hashwert des gesamten Blocks. Weil der Hashwert jedoch Voraussetzung für den Hashwert des darauffolgenden Blocks ist, führt jede nachträgliche Veränderung eines einzigen Zeichens zur Fehlerhaftigkeit der gesamten Blockkette. Aus diesem Grund gelten Blockchains als besonders fälschungssicher.
Wie funktioniert eine Blockchain? - 8 wichtige Konzepte
Die Blockchain beschreibt technisch gesehen eine dezentrale Datenbankstruktur, die zwischen die Teilnehmer eines Netzwerkes geschaltet wird.
So wird gewährleistet, dass eine vollständige Erfassung aller Transkationen in der Historie gegeben ist und dass jede Transaktion von der Mehrheit des Netzwerkes überprüft werden kann.
Dezentralität als Eigenschaft einer Blockchain
Blockchains sind eine Art verteiltes elektronisches Register, das Informationen dauerhaft und transparent speichert und zugänglich macht.
Hierbei muss die Blockchain nicht auf eine zentrale Instanz zurückgreifen. Sie ist aufgrund einiger grundlegender Konzepte der Kryptografie dezentral organisiert.
- Hash-Funktionen
- kryptografische Puzzles
- Hash-Bäume
- digitale Signaturen
Blockchain und Hash-Funktionen
Hash-Funktionen sind mathematische Funktionen, die dazu dienen, Daten bzw. Informationen beliebiger Größe als Eingabemenge auf einem Zielbereich abzubilden. Die Idee hierbei ist, dass die Menge des Zielbereichs wesentlich kleiner ist als die potenzielle Eingabemenge. Die Hash-Funktion sollte den Zielbereich möglichst gut ausnutzen.
Verändert sich ein geringer Teil des Eingabewertes, liefert die Hash-Funktion einen gänzlich anderen Zielwert.
Dies ermöglicht es, über den Zielwert auf die Unversehrtheit des Eingabewertes zu schließen. Man spricht von Datenintegrität.
Konsensmechanismen, Proof-of-Work und Kryptografische Puzzles
Hinzu kommen so genannte kryptografische Puzzles. Dabei handelt es sich um eine Art Rätsel mit folgender Ausgangsbedingung: Mit einer Hash-Funktion soll ein bestimmter Ausgabewert erzielt werden. Dabei soll durch die Variation eines vorgegebenen Wertes und die Berechnung des Hash-Wertes nur durch Durchprobieren eine Lösung gefunden werden. Es kann nicht vorbestimmt werden, wie ein bestimmter Ergebniswert der Hash-Funktion erzielt werden kann. Mit Arbeitsaufwand (Proof-of-Work) müssen daher zufällig Werte durchprobiert werden, bis eine Lösung gefunden ist.
Mit Hilfe dieser Puzzles ist es möglich, eine Zufallsauswahl unter einer Menge von Netzwerkteilnehmern durchzuführen, ohne dass eine zentrale Stelle diese Auswahl trifft. Dies entspricht dem Grundcharakteristikum der Dezentralität einer Blockchain.
Hash-Trees und Digitale Signaturen
Neben den Puzzles werden auch Hash-Bäume für den Aufbau bestimmter Datenstrukturen verwendet. Diese bieten die Möglichkeit, das Vorhandensein bestimmter Informationen in einer Ansammlung von Daten effizient zu prüfen.
Ein weiterer wichtiger Bestandteil der Blockchain sind digitale Signaturen. Sie sind ein weit verbreiteter Ansatz, um die Authentizität von Daten sicherzustellen. Das grundlegende Konzept basiert auf zwei miteinander korrespondierenden Schlüsseln. Diese werden durch eine Erzeugungsfunktion erstellt und stehen einem Benutzer zur Verfügung. Jeder Benutzer besitzt einen öffentlichen Schlüssel (engl. public key), der beliebig verteilt werden darf, und einen privaten Schlüssel (engl. private key), der nur ihm selbst zur Verfügung steht.
Die Signatur ist in diesem Sinne ein Verschlüsselungsverfahren, bei dem der private Schlüssel zum Einsatz kommt, der auf den Hash-Wert einer Nachricht angewendet wird. Beide Schlüssel zusammen dienen der Verifizierung der Nachricht (bzw. der Information oder der jeweiligen Daten).
Transparenz: Vollständige Prüfbarkeit der Daten
Die Teilnehmer einer Blockchain werden Nodes, User und Miner genannt. Die User benutzten Dienstleistungen der Blockchains, indem sie bestimmte Transaktionen ausführen. Die Nodes übertragen und speichern Informationen. Die Miner stellen diese Informationen in Blöcken zusammen. Dadurch wird das System aufrechterhalten.
Dieses System sorgt dafür, dass die Informationen, die auf der Blockchain übertragen, gespeichert und bearbeitet werden, allen Teilnehmern zugänglich sind. Die Miner sorgen dafür, dass diese Informationen in sehr regelmäßigen Zeitabständen nach präzisen Regeln aktualisiert werden. Das bekannteste Beispiel hierfür ist das Bitcoin Mining.
Daraus folgt, dass die Blockchain immer einzigartig und unveränderbar ist.
Blockchains und Zensurresistenz
Die in einer Blockchain enthaltenen Informationen können nicht geändert werden. Dies ist nur möglich, wenn die Mehrheit der Benutzer der Änderung zustimmt. Diese Zensurresistenz basiert auf den präzisen und unveränderlichen Regeln, nach denen alle Blöcke miteinander verbunden sind.
Die Nodes innerhalb der Blockchain validieren und speichern alle Transaktionen. Dabei besitzt jeder Node eine eigene lokale Kopie der gesamten Blockchain. Dabei handelt es sich um eine Auflistung aller jemals im Netzwerk durchgeführten Transaktionen. Wird nun eine neue Transaktion durchgeführt, wird diese im gesamten Netzwerk verteilt und das Ergebnis der Transaktion von allen validierenden Nodes berechnet.
Die einzelnen Nodes melden die Ergebnisse im Netzwerk zurück. Mit Hilfe des zuvor angesprochenen Konsens-Algorithmus kann die Übereinstimmung, also der gemeinsame Konsens, bestimmt werden. Durch dieses System wird die Integrität im geteilten Netzwerk sichergestellt und die Zensurresistenz garantiert.
Der Prozess zur Konsensbildung und zur Erstellung und Verteilung neuer Blocks ist abhängig vom Konsens-Mechanismus bzw. der konkreten Blockchain-Implementierung. Beispielsweise wird bei Bitcoin und Ethereum der Proof-of-Work-Algorithmus eingesetzt.
Bei Proof-of-Work wird für die Berechnung eines neuen Blocks aus Transaktionen, dem Hashwert des vorherigen Blocks und einer Zufallszahl ein Hashwert berechnet, der eine definierte Anzahl von Nullen aufweist. Dieser Berechnungsprozess wird als Mining bezeichnet.
Anonymität: Ist eine Blockchain anonym?
Ein weiterer wesentlicher Grundsatz der Blockchain ist die Anonymität. Blockchains kommen grundsätzlich ohne Authentifizierung, Autorisierung, Zugriffskontrollen oder Nachverfolgbarkeit aus. Nutzer identifizieren sich über Schlüssel, nicht über Identitäten.
Dass dies nicht zwangsweise mit der Idee des Datenschutzes einhergeht, liegt auf der Hand. Aus diesem Grund wird an zahlreichen gesetzlichen Rahmenwerken gearbeitet, die sich mit dem Umgang digitaler Identitäten auseinandersetzen. Zu nennen ist hier das Whitepaper zur Erarbeitung der Blockchain-Strategie der deutschen Bundesregierung, sowie die eIDAS-Verordnung der Europäischen Union.
Im Hinblick auf die Bitcoin-Blockchain argumentierte Ben Weiss, der Chef des Bitcoin-Bankomatenanbieters CoinFlip, dass diese keineswegs anonym sei, sondern pseudo-anonym. Es sei nicht möglich, größere Mengen Bitcoin zu kaufen, ohne seine Identität nicht nachzuweisen.
Transaktionskosten einer Blockchain
Ein weiterer wichtiger Aspekt im Hinblick auf die Anwendbarkeit der Blockchain sind die verhältnismäßig geringen Transaktionskosten für große Transaktionen. Die vorab genannten Charakteristika der Blockchain-Technologie sorgen für automatisierte, effiziente, fälschungssichere Transaktionen. Theoretisch kann jede Form von Handel, die derzeit noch manuell von Vermittlern ausgeführt wird, zu drastisch niedrigeren Transaktionskosten auf einer Blockchain durchgeführt werden.
Die 5 bekanntesten Blockchains im Überblick
Die wohl bekannteste Blockchain-Anwendung ist Bitcoin (BTC). Sie bildete 2008 den Startpunkt einer Weiterentwicklung verschiedener Blockchains, die mittlerweile ebenfalls dominant auf dem Markt auftreten.
Bitcoin Blockchain: Der Beginn der Innovation
Bitcoin wurde 2008 während der Finanzkrise entwickelt. Der oder die Entwickler sind unter dem Pseudonym Satoshi Nakamoto bekannt. Hauptmotivation der Entwicklung der Bitcoin-Blockchain war der Eindruck des Versagens von Banken und Regierungen während der Finanzkrise. Die daraus resultierende Skepsis war auch der Grund dafür, Bitcoin als Open-Source-Blockchain zu konzipieren, das keine zentrale Instanz erfordert und für alle Teilnehmer offen ist.
Die digitale Bitcoin-Währung funktioniert nach den grundlegenden Blockchain-Eigenschaften: Sie ist unveränderbar und damit sicher. Außerdem kann ein Bitcoin nur jeweils einmal ausgegeben werden. Da die Technologie offen für alle ist, gibt es viele Nodes, die den Schutz vor Datenverlust und Manipulation gewährleisten.
Die Bitcoin-Blockchain ist öffentlich. Teilnehmer einer Transaktion weisen sich nur per Kontonummer (öffentlicher Schlüssel) aus. Diese Schlüssel werden in einem digitalen Wallet gespeichert. Das System kommt also ohne Klarnamen aus. Mit dem privaten Schlüssel weisen die Nutzer nach, dass ihnen die der Kontonummer zugeordneten Bitcoins gehören.
Ethereum Blockchain: Dezentrale Anwendungen und Smart Contracts
Auch Ethereum basiert auf der Blockchain-Technologie. Allerdings ist Ethereum im Gegensatz zu Bitcoin keine reine Kryptowährung, sondern eine Plattform für Smart Contracts.
Ethereum ist eine programmierbare Blockchain. Während Bitcoin dem Nutzer eine Menge vorgefertigter Funktionen zur Verfügung stellt, gibt es bei Ethereum die Möglichkeit, jede beliebige Funktion durch die Nutzer erstellen zu lassen. Zwar gibt es ebenso vorgefertigte Funktionen, doch diese können von den Nutzern beliebig erweitert werden.
Den Kern der Blockchain bildet bei Ethereum die Ethereum Virtual Machine. Sie agiert ähnlich wie die Java Virtual Machine und bildet eine sichere Schnittstelle auf die Ressourcen eines Nodes innerhalb des Netzwerks..
Die "Währung" von Ethereum ist zum einen der Ether. Anders als beim Bitcoin handelt es sich nicht rein um eine Währung, sondern vielmehr um eine Gebühr für Berechnungen auf der Ethereum Virtual Machine. Auch Gas ist ein Mechanismus von Ethereum. Jede Transaktion im Netzwerk ist mit einer Gebühr verbunden, die mit Gas abgerechnet wird.
Burak Aras
Cardano Blockchain: Ein Konkurrent zu Ethereum
Cardano wurde von Ethereum-Mitbegründer Charles Hoskinson ins Leben gerufen. Cardano ist eine dezentralisierte Plattform für komplexe Transfers von digitalen Werten und Smart Contracts.
Cardano verwendet die interne Kryptowährung ADA als Zahlungsmittel für Transaktionen. Sie nutzt die Blockchain-Grundprinzipien Transparenz und Offenheit, insbesondere Quelloffenheit.
Ziel des Cardano-Projekts ist es, alle bisherigen Blockchain-basierten Probleme wie Skalierbarkeit, massenhafte Nutzung, Interoperabilität und Nachhaltigkeit zu überwinden.
Polkadot: Eine Blockchain für das dezentrale Web 3.0
Polkadot zählt zu den bekanntesten Blockchains und schafft mit seinem Multichain-Protokoll den Standard für das dezentrale Web 3.0.
Das Alleinstellungsmerkmal von Polkadot besteht in der Interoperabilität.
Besonders hierbei ist die Unterstützung für die Übertragung jeglicher Daten und Assets. Damit können also explizit nicht nur Token, sondern eine Vielzahl von Werten über mehrere Blockchains hinweg, das heißt interoperabel, transferiert werden.
Institutionen, Anwendungen und jegliche Form von Dienstleistungen können somit auf der Polkadot Blockchain abgebildet werden. Damit schafft das Ökosystem die Grundlage für das dezentrale Web 3.0.
Aus der technischen Perspektive betrachtet, besteht Polkadot aus vier Komponenten:
- Relay Chain: Die Relay Chain bildet die Basis der Blockchain. Es handelt sich um die Zentral, die dazu beiträgt, einen Konsens sowie Interoperabilität und vor allem Netzwerksicherheit innerhalb der einzelnen Parachains zu schaffen.
- Parachains: Parachains sind eigenständige Chains, die wiederum eigenständige native Token haben und für einen dedizierten Anwendungszweck genutzt werden
- Parathread: Parathreads sind mit Parachains zu vergleichen. Der Unterschied liegt in der Nutzung, wobei hier ein "Pay-as-you-go" Model verwendet wird.
- Bridges: Bridges entsprechen dem Gedanken einer "Brücke". Sie ermöglichen es den einzelnen Parachains mit externen Blockchains (z.B. Ethereum) zu kommunizieren. Sie sind damit für die Interoperabilität zuständig
Der native Coin des Polkadot-Ökosytems ist DOT. DOT ermöglicht die Interaktion auf der Blockchain, erlaubt den Nutzern Mitbestimmungsrechte (engl. governance) und unterstützt bei der Schaffung von Parachains.
Solana: Blockchain für Enterprise-Anwendungen
In unserem Vergleich der 5 bekanntesten Blockchains ist Solana das wohl neueste Projekt. Der offizielle Start des Projekts war im März 2020 von in Genf ansässigen Solana Foundation.
Im Kern zeichnet sich das Projekt und die damit verbundene Blockchain durch ein hybrides Modell aus, welches zwei Konsensmechanismen miteinander verbindet. So setzt Solana nicht nur auf einen Proof-of-Stake Mechanismus, sondern nutzt ebenso einen Proof-of-History (PoH) Mechanismus.
Solana zeichnet sich durch eine hohe Skalierbarkeit in Verbindung mit niedrigen Transaktionskosten aus.
Mit diesem Hintergrund zielt das Projekt vor allem auf eine Blockchain ab, die es auch Institutionen und Unternehmen ermöglicht, das Feld Decentralized Finance (DeFi) in einem skalierbaren Kontext nutzen zu können.
Vor- und Nachteile einer Blockchain
Die Blockchain-Technologie bietet zahlreiche Anwendungsvorteile, ist aber auch mit Risiken und Gefahren behaftet.
- Datenschutz, Sicherheit, Transparenz
- dezentrale Struktur, daher keine Intermediäre notwendig
- zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten mit hohen Effizienzsteigerungspotenzial
- bessere Nachverfolgbarkeit
- geringe Transaktionskosten
- noch zu wenig realisierbare Einsatzgebiete
- komplexe Umsetzung neuer Technologien notwendig
- Unsicherheit im Hinblick auf die neue, relativ unbekannte Technologie
- steigende Datenmenge führt zu Herausforderungen an die Aufbewahrung
Blockchain oder Datenbank - Die Unterschiede
Der wesentliche Unterschied zwischen einer Blockchain und einer gewöhnlichen Datenbank liegt in der Netzwerkarchitektur. Datenbanken nutzen eine Client-Server-Architektur, bei der ein Benutzer Daten anfragen kann, die auf einem zentralen Server gespeichert sind. Dieser wird von einer Kontrollinstanz (Administrator) verwaltet.
Hingegen besteht die Blockchain aus mehreren dezentralen Nodes, die die Verwaltung übernehmen.
- Wertverifizierung durch kryptografische Sicherung
- Ermöglichung von Transaktionen ohne Intermediär
- sichere Aufbewahrung von Werten
- sicherer Verleih und Tausch von Werten
- sichere Abrechnung und Bewertung von Assetbewegungen
Fazit: Was ist eine Blockchain?
Im Kern lässt sich die Grundidee der Blockchain mit fünf fundamentalen Eigenschaften beschreiben: Unveränderbarkeit, Nicht-Abstreitbarkeit, Integrität, Transparenz und gleiche Rechte.
Der Wesenskern der Blockchain ist ihre Dezentralität. Diese bildet zugleich den Vorteil gegenüber gewöhnlichen Datenbank-Systemen. Gegenwärtig existieren bereits verschiedene Blockchain-Anwendungen, die die grundlegenden Eigenschaften der Blockchain aus Effizienz, Performance und Transparenz nutzen. Allerdings ist gerade die vollständige Transparenz in vielen geschäftlichen Anwendungen nicht gewünscht. Es bleibt daher abzuwarten, wie die Balance zwischen notwendiger Transparenz und gewünschter Privatsphäre künftig gemeistert wird.
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