Was ist eine Blockchain? Erklärung und Funktionsweise der Technologie

💡 Was ist eine Blockchain? - Das Wichtigste in Kürze

• Was ist eine Blockchain? Eine Blockchain ist eine dezentrale Datenbank, die eine kontinuierliche, in chronologischer Reihenfolge angeordnete Kette von Datenblöcken verwendet. Jeder Block enthält eine Liste von Transaktionen, die durch Kryptographie miteinander verbunden und gesichert sind.
• Wie funktioniert eine Blockchain? Eine Blockchain funktioniert, indem sie Transaktionen in Blöcken speichert und die Blöcke kryptographisch miteinander verknüpft. Diese Informationen werden durch ein dezentrales Computernetzwerk gesichert und bedürfen somit keiner zentralen Instanz.
• Welche Eigenschaften hat eine Blockchain? Die Struktur einer Blockchain gewährleistet Sicherheit, Transparenz, Zensurresistenz und ermöglicht eine dezentrale Interaktion zwischen Netzwerkparteien. Die Blockchain stellt damit sicher, dass in einem öffentlichen Netzwerk Konsens über die »Wahrheit« erreicht wird.
• Wofür werden Blockchains verwendet? Krypowährungen sind nur einer von vielen Anwendungsfällen für Blockchains. Darüber hinaus können Blockchains bei Lieferketten, im Gesundheitswesen oder im Immobiliensektor Anwendung finden.
• Welche Nachteile hat eine Blockchain? Es ist schwierig, gleichzeitig Sicherheit, Skalierbarkeit und Dezentralisierung in einer Blockchain zu gewährleisten. Dieses Problem ist als Blockchain-Trilemma bekannt.

Blockchain einfach erklärt: Definition und Bedeutung

Eine Blockchain ist eine dezentralisierte, verteilte digitale Datenbank und die bekannteste Anwendungsform von Distributed-Ledger-Technologie. Transaktionen oder Datensätze werden dabei in Blöcken organisiert. Diese Blöcke werden mithilfe von kryptographischen Techniken miteinander verknüpft.

Jeder Block enthält eine Liste von Transaktionen oder anderen Daten sowie den Hashwert des vorherigen Blocks. Dadurch entsteht eine Kette von Blöcken, die Blockchain.

Diese Struktur macht die Daten in der Blockchain sicher vor Manipulation, da jede Änderung an einem Block auch die Hashwerte aller nachfolgenden Blöcke beeinflusst und somit leicht nachgewiesen werden kann.

Üblicherweise werden Blockchains durch ein dezentrales Computernetzwerk verwaltet. Nodes, auch Knoten genannt, sind die einzelnen Computer, die Teil eines Blockchain-Netzwerks sind. Jeder Node speichert eine Kopie der gesamten Blockchain und arbeitet mit anderen Nodes zusammen, um Transaktionen zu verifizieren und neue Blöcke zur Blockchain hinzuzufügen.

Funktionsweise einer Blockchain

»Wie funktioniert eine Blockchain?« - Um die Funktionsweise von Blockchains zu verstehen, ist es notwendig, einige Bestandteile und Konzepte kennenzulernen. Diese lassen sich grundsätzlich in folgende Kategorien unterteilen:

• Hardware: Dies bezieht sich auf die physische Infrastruktur, die die Blockchain unterstützt. Dazu gehören die Computer, die miteinander verbunden sind und die Blockchain-Daten speichern und verarbeiten.
• Netzwerk- und Konsensmechanismen: Dies umfasst die kryptografischen Mechanismen, die verwendet werden, um Einigkeit über den Zustand der Blockchain zu erzielen und Transaktionen zu validieren. Dazu gehören die Kommunikation zwischen den Teilnehmern sowie das Hinzufügen neuer Blöcke.

Ich werde zunächst auf die Kryptographie in Blockchains eingehen und anschließend die Eigenschaften erklären, die aus diesen Strukturen resultieren.

Blöcke

Ein Block ist der grundlegende Baustein einer Blockchain. Er enthält Transaktionen und dient als fundamentale Einheit der Datenübertragung und -speicherung. Die Blockchain selbst ist eine Verkettung dieser Datenblöcke. Ein Block besteht aus zwei Hauptkomponenten: dem Block Header und dem Block Body.

• Block Body: Der Block Body enthält die eigentlichen Transaktionsdaten, die von Minern verifiziert werden müssen, bevor sie in den Block aufgenommen werden.
• Block Header: Der Block Header ist der Kopf des Blocks und enthält sechs Hauptkomponenten: die Versionsnummer der Software, den Hash des vorherigen Blocks, den Root Hash, die Zeit im Sekundenformat, das Ziel der aktuellen Schwierigkeit und den Nonce, der bei Proof-of-Work-Algorithmen verwendet wird, um gültige Hashes zu erzeugen.

Die Block Size gibt die maximale Datenmenge an, die ein einzelner Block aufnehmen kann, während die Block Height die Anzahl der Blöcke angibt.

Hash-Funktionen

Hash-Funktionen nehmen Daten beliebiger Größe als Eingabe und ordnen sie einem Zielbereich zu, der wesentlich kleiner ist. Dies ermöglicht eine effiziente Verarbeitung und Speicherung von Daten. Zu den bekanntesten Hash-Funktionen zählt der SHA-256, er findet auf Bitcoin Anwendung.

Da sich auch geringfügige Änderungen in den Eingabedaten auf den Hash-Wert auswirken, kann durch den Vergleich von Hash-Werten auf die Unversehrtheit der Daten geschlossen werden. Dabei spricht man von Datenintegrität.

Wenn Daten in einem Block nachträglich geändert werden, ändert sich der Hash-Wert dieses Blocks, was wiederum den Hash des nächsten Blocks beeinflusst. Somit wird Manipulation von Daten erkennbar gemacht.

Konsensmechanismus

Der Konsensmechanismus dient dazu, eine Einigung im Netzwerk zu erzielen, indem er sicherstellt, dass alle Teilnehmer darüber einig sind, welche Transaktionen gültig sind und wie neue Blöcke erstellt werden.

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. Beim PoW-Mechanismus müssen Teilnehmer durch das Lösen komplexer mathematischer Rätsel, die auf Hash-Funktionen basieren, nach einer zufälligen Lösung suchen. Diese Lösung wird benötigt, um neue Blöcke zur Blockchain hinzuzufügen und Transaktionen zu validieren.

Konkret müssen die Teilnehmer des Netzwerks eine sogenannte Nonce (einen zufälligen Wert) in den Daten des Blocks ändern und den Hash-Wert des Blocks berechnen, bis sie einen Hash finden, der unterhalb des Schwierigkeitsziels liegt. Neben PoW gibt es weitere alternative Konsensmechanismen:

• Proof-of-Stake
• Delegated Proof-of-Stake
• Proof-of-History

Digitale Signaturen

Digitale Signaturen in Blockchains sind kryptografische Techniken, die verwendet werden, um die Authentizität von Transaktionen oder Nachrichten zu gewährleisten und sicherzustellen, dass sie nicht manipuliert wurden.

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).

Eigenschaften einer Blockchain

Aus der Kombination dieser Mechanismen entsteht eine dezentrale Datenbankstruktur, die zwischen die Teilnehmer eines Netzwerkes geschaltet wird. Dieses System ermöglicht es, dass verschiedene Parteien in einem Netzwerk miteinander interagieren können, ohne auf einen zentralen Vermittler angewiesen zu sein. Folgende Eigenschaften entstehen dadurch:

1. Dezentralität: Dezentralität in einer Blockchain bedeutet, dass die Kontrolle über das Netzwerk und die Daten nicht von einer zentralen Autorität oder Entität ausgeübt wird. Es gibt keine zentrale Instanz, die über das Netzwerk herrscht oder Entscheidungen trifft. Stattdessen arbeiten die Teilnehmer des Netzwerks gemeinsam daran, die Integrität der Blockchain aufrechtzuerhalten.
2. Transparenz: Die Transparenz bei einer Blockchain ist in der Regel hoch, da alle Transaktionen und Daten öffentlich und für alle Teilnehmer des Netzwerks einsehbar sind. Jeder kann die gesamte Transaktionshistorie der Blockchain überprüfen.
3. Zensurresistenz: Die Zensurresistenz einer Blockchain basiert auf unveränderlichen Regeln, die von allen Nodes im Netzwerk befolgt werden. Jeder Node validiert und speichert Transaktionen, wobei alle Nodes eine Kopie der gesamten Blockchain besitzen. Durch dieses System wird die Integrität im geteilten Netzwerk sichergestellt und die Zensurresistenz gewährleistet.
4. Permissionlessness: Permissionlessness bezieht sich auf die Offenheit und den freien Zugang zu einem System oder Netzwerk, ohne dass eine Genehmigung oder Erlaubnis erforderlich ist. Dies folgt dem Grundgedanken der Diskriminierungsfreiheit und Transparenz.
5. Pseudonymität: Obwohl Transaktionen anonym erscheinen mögen, sind sie tatsächlich pseudonym, da sie durch Adressen identifiziert werden. Wenn eine Adresse jedoch mit einer Person verknüpft ist, kann die gesamte Transaktionshistorie dieser Person nachverfolgt werden.

Nun treffen diese Eigenschaften nicht zwangsläufig auf alle Blockchains zu, stellen jedoch wichtige Merkmale und Errungenschaften dieser Technologie dar. Beispielsweise ermöglichen nicht alle Blockchains einen freies Teilhabe. Dabei spricht man dann von privaten Blockchains. Ebenso gibt es Blockchains wie Monero, die nicht nur Pseudonymität, sondern vollständige Anyonymität gewährleisten.

Mehr zum Thema Anonymität in Blockchains findest Du übrigens in unserem detaillierten Artikel.

Arten von Blockchains

Wie lassen sich Blockchains also nun unterscheiden? Es gibt verschiedene Arten von Blockchains, die sich in ihrer Architektur, ihrem Zweck und ihrer Governance unterscheiden. Hier sind einige der Haupttypen:

1. Öffentliche Blockchains: Diese sind für jedermann zugänglich und dezentralisiert. Jeder kann teilnehmen, Transaktionen validieren und neue Blöcke hinzufügen. Beispiele sind Bitcoin und Ethereum.
2. Private Blockchains: Im Gegensatz zu öffentlichen Blockchains sind private Blockchains für autorisierte Benutzer zugänglich. Die Teilnehmer sind normalerweise bekannt und müssen vom Netzwerkadministrator genehmigt werden. Diese Art von Blockchain wird oft in Unternehmen und Organisationen für interne Zwecke eingesetzt.
3. Hybride Blockchains: Hybride Blockchains kombinieren Elemente von öffentlichen und privaten Blockchains. Zum Beispiel können sie öffentliche Blockchains verwenden, um Transparenz zu gewährleisten, während sensible Transaktionen in einem privaten oder konsortialen Netzwerk stattfinden.
4. Konsortium-Blockchains: Diese Art von Blockchain liegt zwischen öffentlichen und privaten Blockchains. Hier beteiligen sich mehrere Organisationen an der Validierung von Transaktionen und der Verwaltung des Netzwerks. Die Kontrolle über die Blockchain liegt jedoch nicht bei einer einzelnen Entität, sondern wird von den Teilnehmern gemeinsam getragen.
5. Sidechains: Sidechains sind eine Möglichkeit, eine separate Blockchain zu erstellen, die mit einer Haupt-Blockchain, wie zum Beispiel Bitcoin oder Ethereum, verbunden ist. Diese Sidechains ermöglichen es, bestimmte Funktionen oder Anwendungen von der Haupt-Blockchain zu trennen, um die Skalierbarkeit zu verbessern oder spezifische Anforderungen zu erfüllen.

Es gibt also auch Blockchain-Implementierungen, die keine Kryptowährungen benötigen, wie Hyperledger Fabric oder R3 Corda.

Anwendungsfälle von Blockchains

»Welche Anwendungsfälle gibt es für Blockchains?« - Blockchains eignen sich zur Lösung verschiedener Problemstellungen in diversen Sektoren. Kryptowährungen sind nur einer von vielen Anwendungsfällen. In diesem Abschnitt möchten wir einige dieser Blockchain Anwendungen vorstellen.

• Blockchain für digitales Geld: Die bekannteste Anwendung betrifft digitales Geld. Digitales Geld kann für Zahlungen, Überweisungen und als langfristige Investition verwendet werden. Es ermöglicht sichere, dezentrale Transaktionen ohne eine zentrale Autorität wie eine Bank.
• Blockchain im Gesundheitswesen: Blockchains können im Gesundheitswesen zur sicheren Speicherung und dem Austausch von Patientendaten sowie der transparenten Verwaltung von Arzneimittelzulassungen eingesetzt werden. Mehr Informationen findest Du in unserem Artikel Blockchains im Gesundheitswesen.
• Blockchain im Immobiliensektor: Die Blockchain ermöglicht die sichere und transparente Verwaltung von Grundbucheinträgen und die Tokenisierung von Immobilien durch Smart Contracts und dezentrale Hauptbücher. Mehr Informationen gibt es in unserem Artikel Blockchains im Immobiliensektor.
• Blockchain im Supply-Chain-Management: Blockchains können im Supply-Chain-Management für die Rückverfolgbarkeit von Lebensmitteln und anderen Produkten eingesetzt weden. Dies trägt zu einer effizienten Qualitätskontrolle und der Optimierung von Lieferprozessen bei. Mehr Infomationen gibt es in unserem Artikel Blockchain im SCM.
• Blockchain in der Finanzbranche: Die Blockchain-Technologie bietet der Finanzbranche verschiedene Lösungen und Anwendungen, darunter dezentrale Kreditvergabe, dezentrale Börsen (DEX) und Yield Farming. Mehr dazu in unserem Artikel Blockchain in der Finanzbranche.

Auf unserer Webseite haben wir den verschiedenen Blockchain-Anwendungen eine eigene Sektion gewidment. Dort findst Du die verschiedenen Felder übersichtlich dargestellt.

Die Geschichte der Blockchain

Wenngleich Bitcoin die bekannteste Anwendung einer Blockchain darstellt, waren viele der technologischen Komponenten bereits Jahre zuvor erfunden worden. Nachfolgend findest Du einige der wichtigsten Meilensteine.

Für mehr Informationen zur Geschichte der Blockchain empfehle ich einen Blick in das Paper On the Origins and Variations of Blockchain Technologies von Sherman et al. (2019).

Bekannte Blockchains im Überblick

»Welche Blockchains gibt es?« - Seit der Veröffentlichung von Bitcoin sind zahlreiche Blockchains mit unterschiedlichen Eigenschaften und Anwendungsfällen entwickelt worden. Die nachfolgende Graphik zeigt einige der wichtigsten Blockchains sortiert nach TVL. Das ist der Gesamtwert der Vermögenswerte, die in einer Blockchain hinterlegt sind.

Bitcoin

Bitcoin ist die älteste Blockchain und basiert auf dem Whitepaper "Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System", das im Jahr 2008 von dem anonymen Entwickler Satoshi Nakamoto veröffentlicht wurde.

• Mainnet-Launch: 2009
• Konsensmechanismus: Proof-of-Work
• Hashing-Algorithmus: SHA-256

Bitcoin wurde ursprünglich als Peer-to-Peer-Zahlungssystem konzipiert, das es Benutzern ermöglicht, Geld direkt und ohne Zwischenschaltung traditioneller Finanzinstitutionen zu senden und zu empfangen. Im Gegensatz zu vielen anderen Kryptowährungen hat Bitcoin eine feste Obergrenze von 21 Millionen Coins, die jemals geschaffen werden können. Dieses begrenzte Angebot trägt zur Werterhaltung bei und unterscheidet Bitcoin als potenziellen Wertspeicher von Fiatwährungen.

Mehr Informationen über Bitcoin gibt es in unserem Bitcoin-Hub.

Ethereum

Ethereum (ETH) ist die zweitgrößte Blockchain nach Bitcoin (BTC) und eine dezentrale Plattform, die es durch Smart Contracts ermöglicht, dezentrale Anwendungen und Finanzanwendungen zu entwickeln. Die native Kryptowährung ist Ether (ETH).

• Mainnet-Launch: 2015
• Konsensmechanismus: Proof-of-Stake
• Hashing-Algorithmus: Ethash

Ethereum stellt eine gesamte Plattform dar, die Entwicklern als Grundlage für dezentrale Anwendungen dient. Es ermöglicht die Erstellung und Ausführung von Smart Contracts, die auf der Ethereum Blockchain gespeichert sind und automatisiert ausgeführt werden. Die Ethereum Virtual Machine (EVM) ermöglicht die Ausführung von Programmen unabhängig von der Programmiersprache. Dies hat die Erstellung von Blockchain-Anwendungen vereinfacht und effizienter gemacht.

Mehr Informationen zu Ethereum gibt es in unserem Ethereum-Hub.

Solana

Solana (SOL) ist eine offene Blockchain und Smart Contract Plattform, die sich auf dezentrale Finanzdienstleistungen (DeFi) konzentriert. Die Plattform wurde im März 2020 gestartet und bietet eine hohe Transaktionsgeschwindigkeit von bis zu 50.000 Transaktionen pro Sekunde sowie niedrige Transaktionskosten.

• Mainnet-Launch: 2020
• Konsensmechanismus: Proof-of-History
• Hashing-Algorithmus: SHA-256

Solana konkurriert mit Ethereum in Bezug auf Geschwindigkeit und Flexibilität und bietet Möglichkeiten für dezentrale Apps (DApps) und NFTs. Die Plattform verwendet den Proof-of-History (PoH) Mechanismus in Kombination mit Proof-of-Stake (PoS) für schnelle Verarbeitungszeiten und die Sicherheit des Netzwerks.

Mehr Informationen zu Solana findest Du in unserem Solana-Hub.

Cardano

Cardano (ADA) ist eine dezentrale, öffentliche Blockchain und komplett Open-Source. Es ermöglicht die Ausführung von Smart Contracts und dezentralen Anwendungen.

• Mainnet-Launch: 2017
• Konsensmechanismus: Proof-of-Stake
• Hashing-Algorithmus: BLAKE2b

Cardano wird oft als potenzieller »Ethereum-Killer« bezeichnet, da es einen wissenschaftlichen Ansatz verfolgt und versucht, die Implementierung von Smart Contracts und dezentralen Anwendungen zu verbessern. Die Entwicklung der Cardano-Blockchain erfolgt in fünf Phasen: Byron, Shelley, Goguen, Basho und Voltaire. Jede Phase konzentriert sich auf spezifische Aspekte.

Mehr Informationen zu Cardano gibt es in unserem Cardano-Hub.

Herausforderungen und Einschränkungen

»Welche Nachteile haben Blockchains?« - Wir haben bereits über die verschiedenen Vorteile gesprochen, die sich aus der Implementierung kryptografischer Konzepte ergeben. Blockchains sind jedoch kein Allheilmittel und unterliegen auch gewissen Einschränkungen.

1. Skalierbarkeit: Eine der bemerkenswertesten Herausforderungen ist die Skalierbarkeit. Traditionelle Blockchains wie Bitcoin und Ethereum haben Schwierigkeiten, eine große Anzahl von Transaktionen pro Sekunde zu verarbeiten. Das kann zu Netzwerküberlastungen und hohen Transaktionsgebühren während Spitzenzeiten führen.
2. Mangelnde Interoperabilität: Unterschiedliche Blockchains operieren oft isoliert voneinander, was zu einem Mangel an Interoperabilität führt. Diese Fragmentierung beeinträchtigt die Kommunikation und den Datenaustausch zwischen verschiedenen Blockchain-Netzwerken und -Anwendungen.
3. Risiken der Zentralisierung: Obwohl Blockchains dezentralisiert sein sollen, können bestimmte Aspekte wie Mining-Konzentration oder Governance-Strukturen zu Risiken der Zentralisierung führen und möglicherweise die Sicherheit und Integrität des Netzwerks untergraben.

Die größte Herausforderung besteht im Überwinden des Blockchain-Trilemmas. Das Blockchain-Trilemma besagt, dass es schwer ist, gleichzeitig Sicherheit, Skalierbarkeit und Dezentralisierung in einer Blockchain zu maximieren. Verbesserungen in einem Bereich sind meist mit Kompromissen in den anderen beiden verbunden.

In unserem Artikel über Blockchain Hacks erörtern wir weitere Aspekte.

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.