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Blockchain: So funktioniert die Basis von Bitcoin

24.11.2018 | 10:30 Uhr |

Die Blockchain-Technologie sorgt für Gesprächsstoff. Unter anderem in Zusammenhang mit Bitcoin. Doch wie funktioniert die Blockchain überhaupt?

Am 7. März 2018 fanden im westafrikanischen Sierra Leone Präsidentschaftswahlen statt. 16 Kandidaten bewarben sich um die Nachfolge von Präsident Ernest Bai Koroma. Da keiner von ihnen die erforderliche Mehrheit von 55 Prozent erreichte, kam es am 27. März zu einer Stichwahl. Politisch ist das nur eine Randnotiz, doch technisch eine Sensation: Denn es war weltweit die erste Wahl, bei der eine Blockchain eingesetzt wurde. Im westlichen, stärker bevölkerten Teil des Landes stellten die Behörden auf diese Weise fest, wer bereits seine Stimme abgegeben hatte. Die Technik stammt vom Schweizer Start-up Agora, das sich auf Lösungen für digitale Wahlen spezialisiert hat.

Dieses Beispiel zeigt, dass die Blockchain-Technik mehr Möglichkeiten bietet, als nur Kryptowährungen wie Bitcoin zu erstellen und zu sichern. Vor allem in den letzten Monaten sind zahllose Pläne in allen Bereichen entstanden, die auf dem Blockchain-Konzept fußen.

Bitcoin 2018: Weltwährung der Zukunft?

Was ist eine Blockchain?

Datensätze sind in Blöcke eingeteilt, die mit einer Prüfsumme (Hash) gesichert sind, die wiederum in den folgenden Hash eingeht.
Vergrößern Datensätze sind in Blöcke eingeteilt, die mit einer Prüfsumme (Hash) gesichert sind, die wiederum in den folgenden Hash eingeht.

Blockchain funktioniert als dezentral aufgebaute Datenbank. Sie speichert identische Daten an mehreren Stellen, den Rechnerknoten, englisch Nodes. Ändert sich der Inhalt der Datenbank, kommt also zum Beispiel ein neuer Datensatz hinzu, werden sämtliche Kopien aktualisiert.

In einer Blockchain sind die Daten in Blöcke aufgeteilt. Jeder Datensatz in diesen Blöcken erhält eine Prüfsumme (Hash), zusätzlich wird für den gesamten Block eine Prüfsumme errechnet. Diese Prüfsumme wird in den nächsten Block übernommen und mit den Prüfsummen der dort liegenden Datensätze kombiniert, woraus dann eine weitere Prüfsumme entsteht. Diese wandert in den dritten Block, wo sie ebenfalls mit den Prüfsummen der einzelnen Datensätze zusammengefasst wird – und so weiter. Die Verbindungen zwischen den einzelnen Blöcken sind verschlüsselt. Das bedeutet, dass sich kein Datensatz verändern oder löschen lässt, ohne nicht auch sämtliche nachfolgenden Blöcke und Prüfsummen ändern zu müssen. Da eine Blockchain auf Dutzende, Hunderte oder sogar Tausende von Knoten verteilt ist, ist das aber nicht durchführbar. Es ist nur möglich, der Kette weitere Blöcke mit zusätzlichen Datensätzen hinzuzufügen. Somit sind alle Inhalte, die per Blockchain gespeichert sind, gegen Fälschungen oder Veränderungen gesichert.

Noch ausführlichere technische Informationen zur Bitcoin-Blockchain gibt es bei Wikipedia .

Was ist überhaupt Bitcoin?

Bitcoin ist eine rein digitale Währung - begründet 2009 -, die auf einem dezentralen Bezahl-Netzwerk basiert und die eine Blockchain als Rückgrat benötigt. Wer im Web mit Bitcoins bezahlt, zahlt geringere Transaktionsgebühren als bei traditionellen Online-Payment -Anbietern. Ein weiterer möglicher Vorteil von Bitcoin ist, dass die Währung nicht durch eine zentrale Staatsbank oder ähnliche Einrichtung gesteuert wird. Nachteile sind die überschaubare Zahl von Akzeptanzstellen und der mittlerweile sehr hohe Aufwand, neue Bitcoins zu berechnen - entsprechend stark steigt ihr Wert.

Es existieren keine physikalischen Bitcoins, sondern nur Kontostände, die mit öffentlichen und privaten Schlüsseln verbunden sind. Diese Kontostände werden in einem öffentlichen Buchhaltungssystem abgelegt - der Blockchain -, zusammen mit allen jemals getätigten Bitcoin-Transaktionen. Die für die Verwaltung dieser massiven Datenmenge notwendige Rechenpower wird durch ein großes Netz von Computern bereitgestellt (siehe nächster Punkt).

Die Bitcoin-Blockchain wächst stetig, da ständig neue Blöcke mit neu abgeschlossenen Bitcoin-Transaktionen hinzukommen. Jeder Computer, der an das Bitcoin-Netz angeschlossen ist, neue Bitcoins erzeugt und/oder die bisher erzeugten verwaltet, verwaltet eine 1:1-Kopie der vollständigen Blockchain, die Ende 2015 bereits rund 50 Gigabyte groß war.

Bitcoin-Mining - Das steckt dahinter

Auf https://blockchain.info kann man in Echtzeit zusehen, wie sich die Blockchain erweitert.
Vergrößern Auf https://blockchain.info kann man in Echtzeit zusehen, wie sich die Blockchain erweitert.

Bei Bitcoin speichert die Blockchain die einzelnen Überweisungen, sie werden hier Transaktionen genannt, als Datensätze. Über die Datenbank lässt sich jede einzelne Überweisung nachvollziehen, die jemals in Bitcoin ausgeführt wurde. Die Daten sind im Internet auf Seiten wie https://blockchain.info einsehbar. Mittlerweile umfasst die Bitcoin-Blockchain über 500.000 Blöcke: In jedem davon sind zwischen einigen Dutzend und etwa 3000 Transaktionen festgehalten.

Um die Prüfsummen eines Blocks zu berechnen, kommen Algorithmen zum Einsatz, die nach und nach immer komplexer werden. Mittlerweile werden die Hashes per Distributed Computing ermittelt, also mithilfe einer weltweit verteilten Rechenaufgabe. Wenn ein Anwender mit dem PC diese Aufgabe löst, erhält er Bitcoins – derzeit 12,5, was einem Gegenwert von etwa 100 000 Euro entspricht. Da es aber letztlich Zufall ist, wer als Erster ein Ergebnis liefert, und die Berechnungen aufgrund der komplexen Aufgabenstellung enorm viel Strom verbrauchen, ist Bitcoin-Mining für einen einzelnen Anwender meist ein Minus-Geschäft. Viele von ihnen haben sich daher zu Pools zusammengeschlossen und teilen die Erträge unter sich auf. 60 Prozent der Bitcoins werden mittlerweile in China geschürft, wo Strom deutlich günstiger ist als in Deutschland; auf dem zweiten Platz liegen die USA. Die Algorithmen sind so konzipiert, dass etwa alle 10 bis 15 Minuten ein neuer Bitcoin-Block errechnet wird.

Relevant: Bitcoin & Co. im freien Fall, aber Analyst sieht es gelassen

Was macht die Blockchain so besonders?

Die Blockchain ist die wohl größte technologische Erfindung des Bitcoin-Universums. Ohne Blockchain würde das Bitcoin-System nicht funktionieren, weil neue Bitcoins nur auf Grundlage der bisher erzeugten Bitcoins errechnet werden können und deshalb nachgehalten werden muss, was in der Vergangenheit schon passiert ist. Dennoch muss das Blockchain-Prinzip losgelöst von Bitcoin betrachtet werden. Stellen Sie sich die Blockchain als Rohrleitung vor und Bitcoin als das Wasser, das dort durchfließt. Oder Blockchain als Straße und Bitcoin als Auto. Der daraus folgende Clou: Auf der Grundlage der Blockchain-Technologie lassen sich neue Applikationen entwickeln und komplett neue Ökosysteme begründen.

Welche Vor- und Nachteile hat eine dezentrale Technologie wie Blockchain?

Die Dezentralisierung der IT im Allgemeinen und Blockchain im Speziellen bringt einige Vor- und Nachteile mit . Als Vorteile lassen sich anführen:

  • Schutz großer Datenmengen mittels Verschlüsselung und Zugriffsverwaltung;

  • Möglichkeit, große Datenmengen unternehmensübergreifend zu sammeln und analysieren;

  • einfachere Verifzierung von Datenbezugspunkten;

  • automatische Aufspüren von Schwachstellen in der Lieferkette, im Zahlungsverkehr und anderen Geschäftsprozessen;

  • Reduktion oder Vermeidung von unnötigen Kosten für die IT-Infrastrukur;

  • Reduktion der Kosten für interne und externe Finanztransaktionen, Finanzreporting und Verwaltung;

  • Schaffung eines Mechanismus zur Verbesserung des Vorstandsreportings und des regulatorischen Reportings;

  • Beschleunigung des Jahresabschlusses.

Als Nachteile sind zu nennen:

  • noch wenig individuelle Skalierbarkeit;

  • geringer Datendurchsatz;

  • Einschränkungen beim Speicherplatz;

  • schwer zu verwaltende Berechtigungen;

  • schwierige Integration mit bestehender Legacy im Unternehmen.

Wie kommt die Blockchain in der Finanzbranche schon zum Einsatz?

Schon heute ist vieles in der IT dezentralisiert - dem Internet und der Cloud sei Dank. Mit Anwendungen, die auf dem Blockchain-Prinzip basieren, kommen weiter neue Entwicklungen dazu, die dafür sorgen werden, die aufgeführten Nachteile nach und nach abzubauen. So basiert auch die Kryptowährung Ethereum auf dem Blockchain-Prinzip der dezentralen Rechenleistung und kann als eine Art Brücke zwischen Blockchain und Unternehmens-Systemen gesehen werden.

Die "skalierbare Blockchain-Datenbank" BigchainDB kann bis zu einer Millionen Schreibvorgänge pro Sekunde verwalten, Petabytes an Daten speichern und wartet trotzdem mit einer Latenzzeit von unter einer Sekunde auf - das alles dezentralisiert verwaltet und bei höchster Datenintegrität.

Blockchain-Anwendungsplattformen für die Finanzindustrie, die sich noch in der Entwicklung befinden - wie ERIS oder R3CEV - sollen die "Business-Regeln" der Blockchain-Technologie aufstellen und neue transparente, sichere und nachprüfbare Geschäftsmodelle in die IT, insbesondere der Finanzbranche, bringen. Für den CIO heißt ein solcher neuer dezentralisierter Technologiestack samt wachsendem Ökosystem, dass er seinen Aufgaben besser nachkommen kann: schnellere Fertigstellung für den Geschäftsbetrieb, eine sicherere Transaktionsabwicklung, Kostenreduzierung und engere Orientierung an regulatorischen Vorschriften. Die Integration mit bereits bestehenden Systemen stellt noch eine Herausforderung dar, ist aber nicht unüberwindbar und lässt sich mit den durch Blockchain zu erwartenden Vorteilen sowohl für die IT als auch fürs Business sehr gut rechtfertigen.

Welche anderen Industrien können von der Blockchain profitieren?

Das Brooklyn Microgrid ist ein lokales Stromnetz in New York, in dem etwa Solarstromerzeuger Energie an ihre Nachbarn verkaufen können.
Vergrößern Das Brooklyn Microgrid ist ein lokales Stromnetz in New York, in dem etwa Solarstromerzeuger Energie an ihre Nachbarn verkaufen können.

Das deutsche Start-up Motionwerk etwa bietet mit Share&Charge eine auf Blockchain-Technik basierende Lösung, um das Aufladen von Elektroautos an öffentlichen oder privaten Ladegeräten und Steckdosen abzurechnen. Auch RWE testet eine entsprechende Lösung.

Viel Aufsehen erregte 2015 das New Yorker Start-up LO3Energy , das sich zusammen mit Siemens auf den Aufbau von Microgrids fokussiert hat: Das sind lokale Energienetze innerhalb der Netze großer Stromversorger. In den lokalen Netzen können einzelne Personen selbst Strom verkaufen, den sie etwa mit ihrer privaten Solaranlage erzeugen. Das erste Projekt, das LO3Energy umgesetzt hat, ist das Brooklyn Microgrid : Die Siemens Digital Grid Division hat dazu in Brooklyn Netzwerk-Kontrollsysteme, Konverter, Smart Meter und Lithium-Ionen-Akkus installiert. Seither speisen die bei Brooklyn Microgrid registrierten Anwender den Strom ihrer Solaranlagen, den sie nicht selbst benötigen, in das Netz ein und verkaufen ihn ohne Zwischenhändler direkt an ihre Nachbarn. Wer wie viel Strom von wem gekauft hat, wird in einer Blockchain festgehalten, die LO3energy beigesteuert hat. Das Unternehmen hat dafür eine Blockchain-Technik namens Transactive Grid entwickelt und will die für den lokalen Stromverkauf konzipierte Datenbank auch bald in anderen Industriezweigen einsetzen.

Wir und die Blockchain: Gedanken über eine dezentrale Zukunft

Ebenfalls in New York kümmert sich die Firma Monegraph um einen häufig vernachlässigten Bereich der Kunst, nämlich digitale Werke: Viele Fotos, Videos, Musikstücke oder Augmented-Reality-Projekte werden nur noch digital veröffentlicht. Das erschwert dem Künstler aber, die Werke selbst zu vermarkten und ihre Verbreitung zu kontrollieren. Deshalb können sie ihre Kunstwerke auf die Server von Monegraph hochladen und in der Bitcoin-Blockchain registrieren. Auf diese Weise können sie ihren Kunden gegenüber beweisen, dass es sich bei den Werken tatsächlich um Originale handelt, die noch nicht tausendfach im Web kursieren. Denn jeder Verkauf eines Werks wird als Transaktion in die Blockchain eingetragen.

Auch der Verkauf digitaler Musikstücke lässt sich per Blockchain kontrollieren und abrechnen. Die Firma Peertracks bietet ähnlich wie Monegraph eine Art Onlineshop, wobei hier die Musik gestreamt wird. Künstler können ihre Songs hochladen und die Rechteinhaber in ein Formular eintragen. Der Verkauf der Dateien wird über Muse organisiert, die Blockchain-Plattform der Firma Openledger. Das Unternehmen Ujo bietet Künstlern und der Musikindustrie eine im Hintergrund laufende Abrechnungsmethode auf Basis der Ethereum-Blockchain an.

Die Schweizer Stadt Zug bietet ihren Bürgern seit Oktober 2017 eine elektronische E-ID an.
Vergrößern Die Schweizer Stadt Zug bietet ihren Bürgern seit Oktober 2017 eine elektronische E-ID an.

Sogar öffentliche Dienstleistungen lassen sich bereits per Blockchain-Technik abrechnen: In der Schweizer Stadt Zug kann man bereits seit Juli 2016 im Rahmen eines Pilotprojekts städtische Services mit Bitcoins bezahlen. Im Oktober 2017 ging die Kommune einen Schritt weiter und bietet seither ihren Bürgern eine digitale ID mit der Bezeichnung E-ID an. Sie besteht aus einem persönlichen Datentresor, der über eine App auf dem Smartphone gespeichert und biometrisch oder über eine PIN gesichert ist. Die App Uport legt dafür in der Blockchain der Kryptowährung Ethereum eine unveränderbare Kryptoadresse an, die mit dem Datentresor verknüpft ist. Auf diese Weise kann die ID bei Verlust des Smartphones einfach rekonstruiert werden. Über ein Zertifizierungsportal auf der Website der Stadt registrieren sich die Bürger online für die E-ID, müssen allerdings in den folgenden zwei Wochen noch persönlich im Einwohnermeldeamt erscheinen, damit die Angaben zu ihrer Identität überprüft werden können. Nach der amtlichen Bestätigung werden die Daten zur Identität mit dem Kryptoschlüssel der Stadt Zug signiert und in Form eines digitalen Zertifikats verschlüsselt in der Uport-App gespeichert. Danach sollen sich verschiedene Dienste der Stadt über die E-ID nutzen lassen: etwa den Zugang zu allen elektronischen Behördendienstleistungen, einen Blockchain-basierten Fahrradverleih, ein digitalisiertes Parkplatz-Management oder das Ausleihen von Büchern. Die Schweizer Regierung sieht die Einführung der E-ID in Zug als ein Pilotprojekt, das bei einem Erfolg landesweit eingeführt werden soll.

Beispiel Schwachstelle: Betrugsfall per Blockchain

Nach Bitcoin ist Ethereum die am weitesten verbreitete Kryptowährung der Welt. Ihre Beliebtheit verdankt sie unter anderem den Smart Contracts: Das sind kleine Programme, mit denen sich Verträge definieren lassen. Beispielsweise kann man dadurch Wenn-Dann-Beziehungen nachbilden: Wenn Person A eine bestimmte Dienstleistung erfüllt, dann überweist ihr Person B einen Geldbetrag. Mit komplexeren Smart Contracts lässt sich eine komplette Buchhaltung automatisieren, man kann damit aber auch die Finanzierung von Projekten vereinfachen. Da der Programmcode der Contracts in der Blockchain verzeichnet ist, lässt er sich jederzeit einsehen und nachvollziehen, was Betrug nahezu unmöglich machen soll. Die Geschichte des virtuellen Unternehmens The DAO bewies aber 2016 das Gegenteil.

The DAO wurde Anfang 2016 von zwei Brüdern, beide Programmierer aus Mittweida in Sachsen, gegründet. Das virtuelle Unternehmen baute komplett auf den Smart Contracts von Ethereum auf. Die Idee dahinter ist die wirtschaftstheoretische Überlegung, dass sich jede Firma als Geflecht von Verträgen darstellen lässt: Verträge zwischen Eigentümern und Mitarbeitern, Aufsichtsrat und Vorstand, oder dem Unternehmen und seinen Kunden. Diese Verträge waren bei The DAO in Form von Smart Contracts ausgeführt. Es gab keinen einzigen Angestellten in der Firma, kein Management und keinen geographischen Firmensitz, sondern nur Software. Der entsprechende Programmcode lässt sich bis heute bei Github herunterladen.

The DAO wurde als Investmentgesellschaft gegründet, die Geld in verschiedene Projekte stecken sollte. Die Auswahl traf ein Kuratorium, dem die beiden Gründer sowie unter anderem Vitalik Buterin, der Entwickler von Ethereum, angehörten. Anleger konnten ausschließlich mit der Ethereum-Währung Ether in The DAO investieren: Innerhalb weniger Wochen kamen so 150 Millionen US-Dollar zusammen – wohl nicht nur aus legitimen Renditeinteressen: Denn der Handel mit Ethers erfolgt anonym, und das Unternehmen The DAO war keinem Staat zugeordnet, musste also auch keine Steuern zahlen. Der Steuerhinterziehung war Tür und Tor geöffnet.

Schon im Juni 2016 kam aber das Ende für The DAO: Ein Unbekannter untersuchte den Code und fand eine Möglichkeit, mit einem übersehenen Smart Contract eine Art Tochtergesellschaft zu gründen und investiertes Kapital dorthin zu überweisen. So transferierte er Ethers im Wert von damals etwa 50 Millionen US-Dollar, vermutlich um sie an sich selbst zu überweisen. Den Firmengründern gelang es zwar, das Geld zu sperren. Doch um weitere Transaktionen dieser Art zu verhindern, mussten sie die Smart Contracts von The DAO verändern. Da diese in der Blockchain von Ethereum gespeichert waren, hätte die komplette Kette neu gestartet werden müssen. Das aber widerspricht dem Prinzip der Manipulationssicherheit der Blockchain. Um den Investoren ihr Geld zurückerstatten zu können, blieb The DAO keine andere Wahl: Ende Juni 2016 wurde das Unternehmen aufgelöst.

Diese Ideen gibt es für die Zukunft der Blockchain

Immer mehr staatliche Stellen und private Unternehmen erproben den Einsatz einer Blockchain. Das Ziel ist dabei immer eine einfache, aber absolut fälschungssichere Verwaltung sensibler Daten. Die schwedische Liegenschaftsverwaltung Lantmäteriet etwa testet den Einsatz einer Blockchain für die Digitalisierung der Grundbucheinträge. Damit würde der Notar überflüssig, der derzeit noch die Verträge beglaubigen muss.

Die amerikanische Börse Nasdaq und die Deutsche Börse überlegen, die Stimmrechtsabgabe während der Hauptversammlung per Blockchain zu sichern. In der Logistikbranche könnte der Weg einzelner Waren im Fernhandel in einer Blockchain nachgezeichnet werden, was viele Frachtpapiere sparen und Herkunft der Produkte unterbrechungsfrei kontrollierbar machen würde.

Das Start-up-Unternehmen Nebula Genomics will es Kunden ermöglichen, die Daten ihres Genoms anonym beispielsweise an Biotech-und Pharma-Unternehmen zu Forschungszwecken zu verleihen – per Blockchain gesichert bleiben sie aber immer nachweisbar im Besitz der Kunden.

Die größten Chancen hat die Blockchain jedoch im Finanz-und Versicherungswesen: Hier lassen sich Verträge künftig direkt zwischen einzelnen Marktteilnehmern schließen, ohne einen Zwischenhändler einschalten zu müssen.

Außerdem könnten sich per Blockchain viele Geschäfte automatisieren oder vereinfachen lassen: So müssen umfangreiche Versicherungsunterlagen nicht mehr im Original zwischen den Vertragspartnern ausgetauscht werden, sondern lassen sich fälschungssicher digital in einer Blockchain speichern, auf die jeder Beteiligte Zugriff hat. Laut einer Studie der Unternehmensberatung Roland Berger sind entsprechende Anwendungen in drei bis fünf Jahren zu erwarten.

Blockchain wird zur unsichtbaren Zukunftstechnik

Blockchain ist viel mehr als nur Bitcoin & Co. Mittlerweile entstehen immer mehr ernst zu nehmende Anwendungen, die in den kommenden Jahren den Alltag der Menschen bestimmen werden – sei es über den rein digitalen Austausch mit einer Behörde oder Geschäfte mit einer Bank oder einer Versicherung. Blockchain wird dabei in den meisten Fällen unsichtbar bleiben, denn die Technik arbeitet im Netzwerk und im Rechenzentrum. Kunden und Anwender werden aber auf jeden Fall von ihr profitieren.

Dieser Artikel basiert zum Teil auf einem Beitrag unserer US-Schwesterpublikation CIO.com .

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