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Digitale Wertpapiere – Teil 1: Blockchain

Blockchain ist eines der Trendwörter unserer Zeit. Der Begriff wird häufig als die nächste disruptive Erfindung beschrieben und mit dem Internet vor gut 20 Jahren verglichen. Doch was genau versteckt sich überhaupt hinter diesem Begriff und wie funktioniert dieses System?

Digital Bullshit Bingo oder: Was bedeutet Blockchain überhaupt?

Blockchain ist eines der Trendwörter unserer Zeit. Der Begriff wird häufig als die nächste disruptive Erfindung beschrieben und mit dem Internet vor gut 20 Jahren verglichen. Doch was genau versteckt sich überhaupt hinter diesem Begriff und wie funktioniert dieses System? In den folgenden Zeilen möchte ich versuchen, auf diese Fragen eine Antwort zu geben und das Prinzip möglichst anschaulich zu erklären. Um es verständlich zu machen, werden an einigen Stellen vereinfachende Annahmen getroffen und nicht jede Eventualität und Ausprägung erklärt. Ganz grundsätzlich ist Blockchain ein Konzept Daten digital zu speichern, es handelt sich also um eine Art von Datenbank. 

Und warum brauche ich eine solche Blockchain-Datenbank?

Blockchain ist eine interessante Technologie, wenn 

  1. Etwas unwiderruflich gespeichert oder dokumentiert werden muss
  2. Nicht alle Personen mit Schreibzugriff vertrauenswürdig und / oder bekannt sind
  3. Transaktionen schnell und über Landesgrenzen hinaus abgewickelt werden sollen
  4. Es keinen zentralen Akteur mit absoluter Entscheidungshoheit geben soll

Was macht eine Blockchain-Datenbank besser?

Einer der großen Unterschiede zu herkömmlichen Datenbankstrukturen ist die Dezentralität. Die Daten werden also nicht zentral an einem Ort gespeichert, sondern gleichzeitig an vielen Orten (auch Nodes) innerhalb eines Netzwerks. Dies nennt man auch Distributed Ledger Technologie (DLT). Neben der dezentralen Struktur gibt es ein weiteres wichtiges Merkmal, welches der Blockchain auch ihren Namen gibt. Bei Blockchain werden einzelne Datensätze nämlich in chronologischer Reihenfolge in Blöcken zusammengefasst. Diese Blöcke werden anschließend aneinander gekettet und miteinander verbunden. Um das genaue Vorgehen zu veranschaulichen, möchte ich folgendes Beispiel nutzen. Anwendungsbeispiel: Dokumentation von Transaktionen 

Unsere Beispielsdatenbank dokumentiert Transaktionen von Flaschen Riesling. Die erste Transaktion ist, dass Winzer A 10 Flaschen Riesling (FR) an Kunde A verkauft. Die zweite Transaktion ist, dass Winzen B 15 Flaschen Riesling an Kunde B verkauft. Diese beiden Transaktionen werden im Block 1 zusammengefasst: 

 

 

 

 

 

 

Kunde A merkt kurz nach dem Kauf, dass er gar keinen Riesling haben wollte, storniert die Bestellung und schickt die 10 Flaschen Riesling folglich an Winzer A zurück. Kunde B ist dagegen von dem Riesling so begeistert, dass er noch weitere 20 Flaschen bestellt. Diese nächsten beiden Transaktionen werden in Block 2 zusammengefasst: 

 

 

 

 

 

 

Hashs: Die Verbindung von Blöcken 

Wie zu Beginn bereits beschrieben, müssen diese beiden Blöcke jetzt miteinander verbunden werden. Diese Verbindung erfolgt durch einen Algorithmus, der aus allen Daten eines Blocks eine eindeutige Signatur (auch Hash) mit üblicherweise 64-Zeichen generiert. Dabei gilt, dass dieser Algorithmus für gleiche Daten immer die gleiche und für unterschiedliche Daten immer eine unterschiedliche Signatur erzeugt. Das bedeutet also, dass eine Veränderung von einzelnen Daten auch immer zu einer Veränderung der Signatur führen würde. Die eigentliche Verbindung entsteht dadurch, dass die Signatur von Block 1 in Block 2 integriert wird. Block 2 besteht also nicht mehr ausschließlich aus den Daten zu Transaktion 3 und 4, sondern zusätzlich auch aus der Signatur von Block 1. Dieses Vorgehen wird immer fortgesetzt, so dass der Folgeblock auf der Blockchain immer die Signatur seines Vorgängers enthält. 

 

 

 

 

 

 

Für jede Blockhain gibt es ein Protokoll

Für jede Blockchain wird dabei zu Beginn in einem Protokoll definiert, welche Signaturen gültig sind. Beispielsweise kann eine Regel sein, dass jede Signatur mit genau 10 Nullen beginnen muss. Doch wie passt eine solche Regel mit der oben beschrieben Signatur zusammen? Die Signatur ist schließlich von den Daten eines Blocks abhängig und kann nicht beliebig gewählt werden. 

Nonce: Das dritte Element eines Blockchain Blocks 

Die Lösung ist, dass der Block neben den Transaktionsdaten und der Signatur des Vorgängers noch eine weitere Art von Daten enthält. Diese zusätzliche Art von Daten wird Nonce genannt. Die Nonce wird dann so lange geändert, bis eine Signatur gefunden ist, die die Regeln zur Gültigkeit erfüllt. Das Ändern der Nonce erfolgt dabei nach dem Prinzip Trial and Error, es wird also einfach so lange probiert, bis es passt. Ist eine Lösung gefunden, wird diese Lösung inklusive des fertigen Blocks im Netzwerk verteilt, so dass die anderen Akteure jetzt auf diesem Block aufbauen können. Der Akteur, der die Lösung findet, erhält für seine Arbeit eine Belohnung. 

 

 

 

 

 

 

Mining: Das Vollenden neuer Blöcke

Dieser Vorgang zur Vollendung von neuen Blöcken und somit zur Bestätigung von Transaktionen nennt sich Mining und bevorzugt Akteure mit der größten Rechenleistung, da diese Akteure in der gleichen Zeit mehr Kombinationen probieren können als Akteure mit weniger Rechenleistung. 

Proof of Work: Der aufwendige Weg zur Lösung

Diese Logik zur Signatur (auch Konsensmechanismus) der Blöcke wird Proof of Work genannt. Der Zweck des Konsensmechanismus ist es sicherzustellen, dass alle Nodes die gleiche Kopie der Blockchain speichern. Insgesamt funktioniert Proof of Work zwar, allerdings ist es recht ineffizient, da viele Akteure immer zeitgleich an der Lösung des gleichen Problems arbeiten müssen. Darüber hinaus wird die Nutzung großer und energieintensiver Rechenzentren incentiviert. 

Proof of Stake: der Gamechanger zur Effizienzsteigerung

Neben Proof of Work gibt es daher noch eine Vielzahl anderer Konsensmechanismen. Die bekannteste Alternative ist Proof of Stake und funktioniert wie folgt: Anders als bei Proof of Work arbeiten hier nicht mehr viele Akteure gleichzeitig an der Lösung des gleichen Problems, sondern es wird zufällig ein Akteur im Netzwerk zur Bestätigung der Transaktion ausgewählt. Dieser Akteur muss dabei jedoch gewisse Voraussetzungen erfüllen. 

Stake: Die digitale Kaution in der Blockchain

Insbesondere muss eine Art Kaution (auch Stake) als eine Art Sicherheit hinterlegt werden. Die Höhe der Sicherheit entscheidet dann, welche Transaktionen von diesem Akteur bestätigt werden können. Dabei gilt, dass der Stake immer größer als das Volumen der Transaktion sein muss. Falls dieser Akteur eine fehlerhafte Transaktion bestätigt, wird er bestraft und verliert einen Teil seiner Stake. So wird sichergestellt, dass keine fehlerhaften Transaktionen bestätigt werden. 

Proof of Stake Mechanismus: Der nachhaltige Zwilling des Proof of Works

Der Proof of Stake Mechanismus ist deutlich effizienter als Proof of Work und incentiviert nicht den Bau immer größerer und leistungsstärkerer Rechenzentren. Somit ist der Energieverbrauch für Transaktionen auf Basis von Proof of Stake deutlich geringer und auch aus Gesichtspunkten der Nachhaltigkeit deutlich positiver zu bewerten. Darüber hinaus können mehr Transaktionen im gleichen Zeitraum abgewickelt werden und die Kosten der einzelnen Transaktionen sinken. 

Sicherheit: Das Killerargument für die Blockhain

Insgesamt wird die Blockchain-Technologie als besonders sicher gesehen. Dies liegt insbesondere daran, dass die einzelnen Blöcke fest miteinander verknüpft sind. Eine Änderung von einem Datensatz eines Blocks würde also dazu führen, dass sich alle folgenden Blöcke ebenfalls ändern müssen. Kombiniert man diesen Sachverhalt dann noch mit einem dezentralen System, welches die gleiche Kopie der Daten an einer Vielzahl von Orten speichert, und der Transparenz der Daten, wird sehr schnell klar, dass eine Manipulation einzelner Daten quasi nicht möglich ist 

Somit ist die Blockhain deutlich sicherer als herkömmliche Datenbanken. Das Vertrauen in die Validität einzelner Transaktionen beruht also nicht mehr auf einer zentralen und vertrauensschaffenden Instanz, sondern ergibt sich aus der Architektur des  Systems selbst. Das bietet eine Vielzahl an Chancen und potenziellen Anwendungsfällen. 

Sind sie neugierig geworden, welche das sind? Lesen Sie mehr dazu in Teil 2 meiner Blogbeitragsreihe Blockchain. Ein Update folgt in Kürze.

Herzliche Grüße
Ihr Felix Auspurg
Teamleiter Projekt Management

 

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