Um die Blockchain-Technologie zu verstehen, ist es wichtig die Hintergründe und Beweggründe für die Erfindung der Blockchain zu begreifen. In diesem Zusammenhang haben die Meisten wahrscheinlich schon davon gehört, dass die Blockchain-Technologie auf Bitcoin und dessen Erfinder, Satoshi Nakamoto, zurückgeht. Wir werden folgenden Fragen beantworten:

• Warum wurde Bitcoin bzw. die Blockchain erfunden?
• Welche Probleme löst die Blockchain Technologie, die zuvor nicht digital umsetzbar waren?
• Mit welchen Maßnahmen und Mitteln erfolgt die Umsetzung?
• Und welches Potential bietet die Blockchain jenseits des Themas Kryptowährungen und Zahlungsmittel?
• Wird die Blockchain tatsächlich ein neues dezentrales Geldsystem bringen, ohne Zentralbanken und Mittelsmänner?

Die Entwicklung der Blockchain

Die Geschichte der Blockchain und des Bitcoins sind unzertrennlich verbunden. Um das Potential der Blockchain-Technologie zu verstehen, ist es aufgrund der engen Verbindung unabdingbar zu verstehen, warum Bitcoin erfunden wurde.

Unser heutiges Finanzsystem und alle Branchen, die sich diesem in irgendeiner Art und Weise bedienen, basieren auf dem Vertrauen an Dritte. Beispielsweise vertrauen die Bürger eines Landes darauf, dass die nationale Währung einen Gegenwert repräsentiert, mit dem sie Güter und Dienstleistungen kaufen können.

Käufer eines Gutes vertrauen bei der Zahlung per Kreditkarte darauf, dass das Bankinstitut den Betrag abbucht, den das Gut kostet und nicht mehr als diesen Betrag.

Der Verkäufer vertraut der Bank, dass der Kaufpreis auf sein Bankkonto überwiesen wird. Sowohl Käufer, als auch Verkäufer vertrauen darauf, dass sie uneingeschränkt auf ihre Vermögenswerte in Form vom Geld auf dem „virtuellem“ Konto der Bank zugreifen können und dass dieses einen stabilen Gegenwert repräsentiert.

Die weltweite Finanzkrise im Jahr 2008, währenddessen auch das Bitcoin Whitepaper veröffentlicht wurde, war insofern auch eine Vertrauenskrise, weil das zuvor beschriebene Vertrauen erschüttert wurde und weder Bürger  noch Banken sich untereinander vertraut haben. Satoshi Nakamoto hat dieses Problem erkannt und den Bitcoin als Alternative zum etablierten Finanzsystem entwickelt.

Der Bitcoin und die Blockchain benötigen das vorgenannte Vertrauen auf Dritte nicht, weil keine Dritten, beispielsweise in Form von Banken, zur Durchführung von Transaktionen benötigt werden. Satoshi Nakamoto wollte jedoch eine digitale Währung schaffen, die keinen zentralen Punkt hat, welchen die Staatsgewalt beherrschen oder auch zerstören könnte.

Die Lösung war deshalb ein vollständig dezentrales Computer-Netzwerk, ein sogenanntes Peer-to-Peer Netzwerk, bei dem es keine zentrale Koordinierungsstelle gibt. Im Gegensatz zu zentralisierten System, wo die Komponenten um eine Hauptkomponente angeordnet sind, die die Koordinierung übernimmt, bilden die Komponenten in dezentralisierten System ein Netz aus untereinander verbundenen Komponenten (auch „Knoten“ genannt, zu Englisch: „Nodes“).

Source: naulicrea | Shutterstock

Welche Probleme löst die Bitcoin Blockchain Technologie?

Auch bei Ausfall einer oder mehrerer Komponenten kann ein Peer-to-Peer (P2P) Netzwerk problemlos weiter fortbestehen und arbeiten. Die Idee eines P2P Netzwerkes war im Jahr 2008, als Satoshi Nakamoto Bitcoin erschuf, keine neue Erfindung.

So gab es bereits vor Bitcoin erfolgreiche Peer-to-Peer Netzwerke, wie die Filesharing Plattform BitTorrent, wo Nutzer unmittelbar untereinander Dateien und große Datenmengen austauschen konnten. Allerdings reichte ein P2P Netzwerk nicht aus, um die Idee eines digitalen Geldes zu realisieren.

Das Kernproblem bestand darin, woran zahlreiche Versuche vor Bitcoin scheiterten, dass digitale Güter sehr einfach zu duplizieren (oder gar unendlich kopierbar) sind. Dieses Problem wird in Fachkreisen auch als „Double-Spending-Problem“ bezeichnet.

Der Fachbegriff beschreibt das Problem, dass im Gegensatz zu physischen Gegenständen, die nur einmal ausgegeben werden können, digitale Güter mehrfach, an zwei verschiedenen Orten (gleichzeitig) verwendet werden können.

Satoshi Nakamotos Lösung hierfür wardie Blockchain-Technologie (die aus verschiedenen Komponenten besteht, wie wir noch später erklären werden). Um das doppelte Ausgeben zu verhindern, forderte Satoshi eine verteilte Datenbank, in der jede Transaktion gespeichert und die durch alle Teilnehmer des Netzwerkes gespeichert wird.

Schutz der Blockchain vor Angreifern

Ein weiteres Problem bestand jedoch darin, dass in einem Netzwerk mit unbekannter Anzahl von Knoten mit unbekannter Zuverlässigkeit und Vertrauenswürdigkeit ein gemeinsamer Konsens definiert werden musste, um das Erreichen und Erhalten einer Datenintegrität in der Datenbank zu gewährleisten. Schließlich könnten böswillige Knoten im Netzwerk versuchen dieses zu manipulieren.

Die einfache sowie geniale Forderung von Satoshi besteht deshalb darin, dass das die Mehrheit der Teilnehmer des Netzwerkes (jeder „Full Node“) sich auf einen gemeinsamen Konsens einigen müssen. Nur wenn ein dezentraler Konsens im P2P Netzwerk darüber erreicht wird, welche Transaktionen gültig sind, werden diese auch in die Datenbank aufgenommen und damit als valide verifiziert.

Die Lösung für das Double-Spending Problem

Bevor Satoshi die Blockchain erfunden hat, galt das Double-Spending-Problem als unlösbares Problem für dezentrale Zahlungssysteme. Nakamoto erklärte im Bitcoin-Whitepaper, dass „der Empfänger der Zahlung nicht verifizieren kann, ob der Sender das Geld nicht doppelt ausgegeben hat“, weshalb zuvor eine zentrale Kontrollstelle für die Vorgänger von Bitcoin die einzige Lösung war.

Doch wie genau löste Satoshi das Double-Spending-Problem ohne eine zentrale Instanz zu schaffen?

Satoshi entwickelte die Blockchain als eine verteilte Datenbank, die nicht auf einem zentralen Server liegt, sondern von den Teilnehmern des P2P Netzwerkes gemeinschaftlich gepflegt wird. Dabei kann man sich die verteilte Datenbank (Blockchain-Struktur) tatsächlich als eine Kette von Blöcken vorstellen, die mittels Kryptographie verkettet sind.

Jeder neue Block enthält eine gewisse Anzahl an neuen Transaktionsdaten und ist über einen Hash-Wert mit dem vorhergehenden Block verbunden (eine Art Prüfsumme, die die Integrität der Daten bestätigt). Zusätzlich beinhaltet jeder Block auch noch einen Hash-Wert für die gesamte Blockchain.

Hiermit wird die Reihenfolge der Blöcke fälschungssicher gemacht. Die Transaktionsdaten, also die Daten zum Sender, Empfänger sowie die Höhe der gesendeten Bitcoins, gelten deshalb nach wenigen Blöcken als nahezu unwiderruflich.

Die Schaffung eines dezentralen Konsens

Bereits die Vorläufer der Bitcoin Blockchain verfolgten die Idee, dass jeder Knoten im Netzwerk die gesamte Transaktionshistorie speichern muss, um die Gültigkeit einer Transaktion gewährleisten zu können. Die Forderung bedeutet jedoch, dass jede Person über alle Transaktionen im Netzwerk Bescheid wissen muss. Jeder Knoten muss dementsprechend jede Transaktion kennen und speichern.

Es gibt jedoch auch bei diesem Lösungsansatz ein Problem. Ein solches Netzwerk ist nämlich nicht vor „Sybil“-Attacken (auch 51% Attacken) geschützt. Dies bedeutet, dass sich ein böswilliger Akteur im Netzwerk so viele falsche Identitäten zulegen könnte, bis er die Mehrheit der Knoten besitzt. Mit dieser Mehrheit könnte der Angreifer die Transaktionshistorie nach seinem Belieben (auch rückwirkend) manipulieren.

Um die Manipulation zu verhindern, hat Satoshi die fortlaufende Kette von Hash-Werten (die Blockchain), wie zuvor beschrieben, erfunden. Dabei stellt sich jedoch außerdem die Frage, wie ein einheitlicher Konsens gefunden wird und wie die Hash-Werte erzeugt werden. Hier kommt der sogenannte „Proof of Work“ ins Spiel.

Der Konsensmechanismus von Bitcoin: Proof of Work

Der Begriff beschreibt sehr gut die Funktionsweise der Bitcoin Blockchain. Ähnlich, wie bei dem Schürfen von Gold, müssen Ressourcen eingesetzt werden, um neue Einheiten (Gold bzw. Bitcoin) abzubauen (zu „minen“). Bei Bitcoin handelt es sich dabei um Rechenleistung. Die Rechenleistung ist eine Ressource, die nicht so einfach, wie eine digitale Identität, fälschbar ist.

Um eine gültige Transaktion in die Blockchain aufzunehmen muss nachgewiesen werden, dass man Rechenleistung verbraucht hat oder eine Gebühr dafür („Miners-Fee„) zahlen. Die Miner versuchen hierfür durch unzählige Wiederholungen und Probieren ein kryptographisches Rätsel zu lösen, indem sie eine bestimmte Rechenoperation immer wieder ausführen.

Die Generierung eines neuen Blocks, was im Kontext der Blockchain auch als „Mining“ bezeichnet wird, erfolgt dabei in folgender Reihenfolge:

1. Zusammenfassung aller Transaktionen in einen Block
2. Prüfung durch die Miner, ob die Transaktionen legitim sind (durch die Proof-of-Work Berechnungen)
3. Der „erste“ Miner, der die Berechnung gelöst hat, erhält die Block-Vergütung
4. Die bestätigten Transaktionen werden durch einen neuen Block an die Blockchain angehängt

Das Rätsel funktioniert wie folgt: Der Miner nimmt alle verfügbaren Transaktionen (bzw. den „Merkle-Tree„), die in den Block eingefügt werden sollen. Hierzu fügt er eine zufällige Zeichenfolge hinzu, die sogenannte „Nounce„.

Der Miner verarbeitet beide Komponenten zu einem Hash und vergleicht diesen Wert mit dem Zielwert (ebenfalls ein Hash-Wert). Dies wiederholt der Miner solange, bis die beiden Werte übereinstimmen und der Proof of Work erfüllt ist.

Der Proof of Work verhindert Sybil-Attacken. Der Konsens der „Miner“ ersetzt eine zentrale Institution.

Die Architektur einer Blockchain

Seit der Erfindung von Bitcoin hat sich die Blockchain-Technologie wesentlich weiterentwickelt. Ursprünglich sollte die Bitcoin Blockchain einzig und allein die Anforderung erfüllen, ein digitales und dezentrales Bargeld zu sein.

Jedoch gibt es unzählige Projekte auf dem Kryptomarkt, die weitaus mehr Funktionen und Ziele verfolgen als „nur“ ein den Werttransport. Spätestens mit der Entwicklung von Ethereum hat sich das volle Potential der Blockchain Technologie offenbart.

Ethereum fügte dem Konzept der Blockchain die Möglichkeit hinzu, dezentrale Applikationen und Smart Contracts auf der Blockchain auszuführen. Damit legte Ethereum die Grundlage, dass nicht nur das globale Finanzsystem, sondern jede Branche und jedes Unternehmen durch ein Peer-to-Peer-System fortgeführt und erweitert werden kann.

Basierend auf der Blockchain, welche überwiegend als Vermittlungsinstanz von immateriellen, digitalen Gütern und Dienstleistungen tätig ist, bietet die Blockchain ungeahnte Möglichkeiten. Die Beseitigung von Intermediären führt dabei zu einem erheblichen Potential, einerseits um Kosten einzusparen. Andererseits können die Kommunikation und die Transaktionen maßgeblich beschleunigt werden.

Der oft umgangssprachlich verwendete Begriff der Blockchain-Technologie bezeichnet dabei im eigentlichen Sinne eine Architektur, welche sich aus der Blockchain-Datenstruktur, einem Blockchain-Algorithmus und Kryptografie- sowie Sicherheits-Technologien zusammensetzt. Im Wesentlichen stellt die Blockchain somit ein neues Paradigma für die Art und Weise dar, wie Informationen geteilt und gespeichert werden.

Wichtig zu wissen dabei ist, dass nicht jede Blockchain gleich funktioniert und nicht gleich gebaut ist. Die Basis-Technologie von Bitcoin wurde durch zahlreiche neue Krypto-Projekte weiterentwickelt. Um den dezentralen Konsens zu erreichen, wurden beispielsweise andere Mechanismen, wie der Proof of Stake (soll ab 2020 durch Ethereum verwendet werden), der Delegated Proof of Stake (wird u. a. von EOS, TRON, und Lisk verwendet), die Delegated Byzantine Fault Tolerance (von NEO) oder auch der Tangle (von IOTA) erfunden.

Im Grundprinzip haben aber alle (öffentlichen) Blockchains dieselben Herausforderungen zu bewältigen:

• Schaffung eines Peer-to-Peer Netzwerks, dass eine unbestimmte Anzahl von Knoten mit unbekannter Vertrauenswürdigkeit und Zuverlässigkeit Gerecht werden muss.
• Speicherung von Daten in einem verteilten Hauptbuch
• Schaffung eines dezentralen Konsens
• Lösung des Double-Spending-Problems
• Schutz vor Sybil-Attacken
• Schutz der Benutzerkonten

Öffentliche vs. private Blockchains

Es gibt öffentliche Blockchains, die von jeder Person und Unternehmen genutzt werden können. Das Gegenteil davon sind private Blockchains.

Während auf den ersten Blick kein großer Unterschied zu bestehen scheint, wird dir der Unterschied zwischen den beiden Arten letztlich für das Verständnis helfen, wie Blockchain-Netzwerke als Ganzes funktionieren.

Öffentliche Blockchains

Alles, was du bisher gelesen hat, bezieht sich auf öffentliche Blockchains, wie Bitcoin und Ethereum. Sie ermöglichen es jedem an ihrem Netzwerk teilzunehmen und einen Knoten zu betreiben. Ein öffentliches Blockchain-Netzwerk ist somit vollständig offen. Das Netzwerk verfügt in der Regel über Anreize, um mehr Teilnehmer zur Teilnahme zu ermutigen (z. B. der „Mining Reward“ bei Bitcoin).

Der große Nachteil einer öffentlichen Blockchain kann allerdings in der Offenheit (für Unternehmen) bestehen, da es grundsätzlich keine vollständige Privatsphäre für Transaktionen gibt. (Eine Ausnahme sind die Privacy Coins, wie Monero, ZCash und DASH.)

Private Blockchains

Die andere Art sind private Blockchains. Im Gegensatz zu öffentlichen Blockchains sind sie nur für einen bestimmten Kreis zugänglich, der darauf zugreifen und daran teilnehmen kann. Ein privates Blockchain-Netzwerk erfordert eine Einladung und muss von einer zentralen Instanz (einem Unternehmen, wie z. B. Facebook bei Libra) genehmigt werden.

Hierdurch wird eingeschränkt, wer am Netzwerk teilnehmen darf. Außerdem kann die zentrale Instanz Einfluss auf die Nodes nehmen. Beispielsweise ist denkbar, dass Facebook bestimmte Transaktion nicht ausführt oder verbietet.

Allgemeine Definition: Was ist eine Blockchain?

Welches Potential bietet die Blockchain Technologie?

Grundsätzlich hat die Blockchain-Technologie das Potential alle Branchen zu revolutionieren, in denen es eine zentrale Vermittlerinstanz (einen Intermediär) gibt. Außerdem kann die Blockchain in vielen Bereichen für mehr Transparenz sorgen. Die Technologie kann dabei als dezentrales Buchungssystem dienen, um jegliche Arten von Eigentumsrechten digital zu dokumentieren. Der Lesezugriff auf die dezentrale Datenbank ist dabei für jedermann gleich.

Das Potential der Blockchain liegt vor allem im Gewinn von Effizienz bei etablierten Prozessen für Unternehmen, wodurch erhebliche Kosteneinsparungen prognostiziert werden.

Außerdem könnten die Kosten auch für den Endnutzer wesentlich sinken, da die teils erheblichen Preisaufschläge, die Intermediäre verlangen (z.B. bei der Überweisung von kleineren oder größeren Beträgen ins Ausland), entfallen. In den nachfolgenden Branchen und Prozessen birgt die Blockchain ein großes Potential (die Liste ist nicht vollständig, sondern soll nur beispielhaft zeigen, welche Bereiche der Wirtschaft verändert werden könnten).

Finanz- und Bankenwesen

Die Branche, die womöglich am stärksten durch die Blockchain Technologie geprägt werden wird, ist das Finanz- und Bankenwesen. Während Banktransaktionen weltweit momentan noch mehrere Tage dauern und erhebliche Kosten verursachen, bietet die Blockchain das Potential die Transaktionsdauer auf wenige Minuten und die Kosten auf winzige Beträge zu senken (Ripple oder Stellar Lumens haben es sich zum Ziel gesetzt, grenzüberschreitende Transaktionen schnell und günstig abzuwickeln).

Darüber hinaus schläft die Blockchain nie, während Banken und Finanzinstitute an Geschäftszeiten gebunden sind. Zumindest verarbeiten die Banken nur Montag bis Freitag Transkationen, bis der Geldbetrag auf unserem Konto sichtbar ist.

Nutzung im Supply Chain Management

Mittels der Blockchain können sowohl Auftraggeber, Lieferanten und sogar Endkunden die Herkunft eines Produktes und der einzelnen Materialien im Detail und in Echtzeit nachvollziehen. Die Blockchain ist dabei fälschungssicher und fast unmöglich manipulierbar.

Dies ermöglicht es Unternehmen und auch Kunden zu überprüfen, ob bestimmte Produkte tatsächlich bestimmte Labels, wie „Bio“, „Lokal“ und „Fair Trade“ erfüllen. Insbesondere in der Lebensmittelindustrie aber auch bei Kleidungshändler besteht großes Einsatzpotential.

Anwendungen im Immobilienbereich

Wie beschrieben, ist die Blockchain prädestiniert, um Eigentumsrechte und deren Übertragungen aufzuzeichnen und für jedermann nachvollziehbar zu machen. Logischerweise ist der Immobilienbereich ein großer Markt, der stark von der Blockchain profitieren kann.

Mittels der Blockchain könnte der aufwendige Prozess, der durch physische Urkunde und deren Beurkundung durch Notare entsteht, durch die Blockchain ersetzt werden, die die Übertragungen verifiziert. Die Eigentümer können darauf vertrauen, dass ihre Urkunde korrekt und dauerhaft ist.

Anwendungen im Gesundheitswesen

Im Gesundheitswesen könnten Krankenakten, die durch jedes Krankenhaus und jeden Arzt für sich allein geführt werden, vereinheitlicht werden. Wenn eine Krankenakte erstellt wird, können die Daten in die Blockchain geschrieben werden.

Der Patient erhält damit den Nachweis und die Sicherheit, dass die Akte nicht geändert werden kann. Diese persönlichen Gesundheitsakten könnten verschlüsselt in der Blockchain gespeichert werden, so dass sie nur für bestimmte Personen zugänglich sind.

Internet of Things

Die Blockchain wird als das Rückgrat der aufstrebenden Internet der Dinge-Industrie dienen, um neue, dezentrale Netzwerke zu sichern und riesige Mengen an Informationen in Echtzeit zu verarbeiten. Um die riesigen Datenmengen zu bewältigen, die vernetzte Geräte im Internet of Things untereinander produzieren, wird die Blockchain wesentlich besser geeignet sein, als zentralisierten Kommunikationssysteme.

Abstimmungen und Wahlen

Die heutigen Wahlsysteme gehören zu den veraltetsten, ineffizientesten und manipulationsanfälligsten Aspekten moderner Demokratien. Die Blockchain-Technologie kann implementiert werden, um die Gültigkeit der Stimmzettel einzelner Bürger zu verschlüsseln und manipulationssicher zu gestalten.

Auch wenn es bereits viele Anwendungsfälle der Blockchain in der Praxis gibt, steckt die Entwicklung weiterhin ini den Kinderschuhen. Unternehmen weltweit verstehen erst ansatzweise, wie die Blockchain ihrem Unternehmen helfen und dabei Kosten und Zeit sparen kann. Die nächste Zeit wird zeigen, in welche weiteren Bereiche unseres täglichen Lebens und Alltags die Blockchain vordringen wird.