Was ist Blockchain & wie funktioniert sie?

Sie ist nahezu ein Heilsversprechen für die Maschine-zu-Maschine-Kommunikation und die Grundlage vieler Kryptowährungen: Die Blockchain. Durch sie lassen sich komplexe Prozesse ohne zentrale Instanz überprüfen. Wie genau eine Blockchain funktioniert, erfahren Sie hier.

Zentrale Unterscheidung

Unterscheidung zwischen zwei Bedeutungen.

Wenn von Blockchain die Rede ist, muss zunächst klargestellt werden, welche Vorstellung sich dahinter verbirgt.

Im allgemeinen Sprachgebrauch sind nämlich zwei verschiedene Bedeutungen von „Blockchain“ üblich:

• Die Bezeichnung der Technologie
• Konkrete Anwendungen der Technologie

Während die Technologie an sich auf einem immer gleichen Grundprinzip basiert, kann mit „Blockchain“ eben auch die Transaktionshistorie von auf Blockchain basierenden Systemen, z.B. Kryptowährungen gemeint sein.

Technologie der Blockchain

Die Blockchain geht auf verschiedene Überlegungen in den neunziger Jahren zurück. Dabei ging es in den Computerwissenschaften um die Frage, wie sich einzelne Informationsblöcke kryptografisch miteinander verketten lassen.

Im Jahr 2008 veröffentlichte Satoshi Nakamoto ein Whitepaper, wie eine kryptografische Verkettung genutzt werden kann, um eine Datenbank über verteilte Teilnehmer zu managen. Dieses Whitepaper war der Startschuss für die Kyptowährung Bitcoin. Die Blockchain von Bitcoin, welche gewissermaßen Transaktionshistorie dieser Kryptowährung ist, gilt damit als erste und älteste noch aktualisierte Blockchain.

Grundprinzip der Blockchain

Blockchain lässt sich mit „Kette von Datensätzen“ übersetzen. Die Idee ist, dass Informationen in einem sogenannten Block gespeichert werden. Dieser Block wird anschließend verschlüsselt und der Schlüssel im nachfolgenden Block gespeichert.

Durch diese Verkettung der einzelnen Datenblöcke ergeben sich mehrere Vorteile:

Verschlüsselung der Blöcke

Damit die gesamte Kette intakt bleibt, verweisen die einzelnen Elemente (Blöcke) aufeinander. Dabei werden kryptografische Verschlüsselungsfunktionen verwendet. Diese Funktionen liefern ein Abbild der Zeichenfolge (Prüfsumme oder Hash genannt). Dabei besteht die Möglichkeit, dass verschiedene Zeichenfolgen den gleichen Hash erzeugen. Das bedeutet, dass sich allein aus dem Hash die ursprüngliche Zeichenfolge nicht wiederherstellen lässt.

In der Blockchain werden die einzelnen Vorgänge verschlüsselt und diese Information an den nächsten Block weitergegeben. Wie die Verschlüsselung im Einzelnen funktioniert, ist von Blockchain zu Blockchain unterschiedlich. Allen gemeinsam ist jedoch, dass durch die Verkettung eine Manipulation nahezu ausgeschlossen ist: Schon die kleinste Änderung bewirkt eine Lawine, bei der sich die Prüfsummen aller darauffolgenden Blöcke ändern.

Beispiel: Verschlüsselung bei Bitcoin

Bei Bitcoin bestehen die Blöcke aus einem Kopf und einer Wurzel. In der Wurzel werden einzelne Transaktionen abgelegt und diese paarweise mit einer Prüfsumme versehen, die im Header abgelegt wird. Zudem befindet sich im Header die Prüfsumme des Headers des vorhergehenden Datensatzes. Aus diesen beiden Zeichenfolgen wird erneut eine Prüfsumme gebildet, die im Header des darauffolgenden Blocks abgelegt wird.

Schema für die Verschlüsselung in der Bitcoin-Blockchain.

Dezentrales Netzwerk

Sicherheit durch dezentrale Struktur.

Einer Blockchain liegt die Idee zugrunde, dass die Aktualisierung und Validierung nicht über eine zentrale Instanz erfolgen muss. Stattdessen funktioniert die Blockchain über ein Netzwerk von verschiedenen Knoten, die „Nodes“ genannt werden. Jeder Teilnehmer im Netzwerk hat Zugriff auf die gesamte Blockchain und kann so Transaktionen bestätigen.

Die dezentrale Infrastruktur macht Fälschungen an der Datenkette sehr unwahrscheinlich: Um einen einzelnen Block zu ändern, müssten alle Knotenpunkte gleichzeitig entscheiden, eine Änderung vorzunehmen. Dies wäre ein erheblicher technischer Aufwand und würde damit im Missverhältnis zum Nutzen stehen.

Um dem Netzwerk beizutreten, muss ein Teilnehmer zunächst die gesamte Blockchain herunterladen. Je nach Alter und Umfang der Nutzung kann dies einige Zeit in Anspruch nehmen.

Um die Validierung von Daten zu erreichen, existieren verschiedene Verfahren. Die am häufigsten genutzte ist die Proof-of-Work-Methode: Der Nutzer bekommt eine schwere Aufgabe, die er zu berechnen hat. Die Korrektheit der Lösung lässt sich jedoch leicht prüfen. Für die Erbringung des Arbeitsnachweises ist Zeit und Energie aufzuwenden. Ein anschauliches Beispiel für die Proof of Work-Methode sind Captchas.

Neue Blöcke entstehen, wenn genügend Teilnehmer des Netzwerks die notwendige Arbeitsleistung erbracht haben. Ein erheblicher Nachteil ist der Energieverbrauch, der durch diese dezentrale Funktionsweise entsteht.

Sicherheit

Blockchains sind sicher.

Aufgrund der Architektur der Blockchain ist es äußerst schwierig, Manipulationen an den Datensätzen durchzuführen. Da jede Änderung durch das Konsensprinzip bestätigt wird, erforderte es enormen Aufwand an Energie, um eine missbräuchliche Anwendung der Blockchain zu erreichen.

Theoretisch ist es möglich, die Blockchain zu manipulieren, indem 51% der teilnehmenden Nutzer kontrolliert werden. Dies ist jedoch bereits bei einer kleinen Anzahl an Teilnehmern mit einem derartigen Aufwand (von Rechenleistung und damit Energie) verbunden, dass diese kritische Masse faktisch nicht erreicht wird.

Anwendung der Blockchain

Die erste Blockchain wurde für die Kryptowährung Bitcoin geschaffen. Damit erschöpfen sich die Anwendungsmöglichkeiten der Blockchain jedoch nicht.

Smart Contracts

Die Technologie könnte genutzt werden, um so genannte „Smart Contracts“ abzuschließen. Mithilfe dieser Verträge ließen sich etwa Kaufverträge abschließen, die bei Nichterfüllung einer Vereinbarung Konsequenzen haben. So könnte beispielsweise ein auf Raten gekauftes Auto den Dienst verweigern, wenn eine Zahlung ausbleibt.

Lieferketten

In der Industrie könnte die Blockchain-Technologie die logistischen Abläufe revolutionieren. Es wären etwa Konstellationen denkbar, in denen Zulieferer und Hersteller ihre Maschinen miteinander kommunizieren lassen, um neue Aufträge abzuwickeln: Wenn in einer Autofabrik ein Teil knapp wird, informiert das System des Herstellers den Zulieferer. Hier könnten zudem Smart Contracts geschlossen werden, sodass sich die Wege enorm verkürzten und Kosten eingespart würden.

Schutz vor Geldwäsche

Auf dem Bereich der Finanztransaktionen könnte ein Kreislauf entstehen, der Geldwäsche erkennbar macht. Durch die Transparenz in der Blockchain kann die Herkunft von Beträgen offengelegt werden. In der Geldwäsche übliche Praktiken wie Verschleierung durch mehrfache Transaktionen können so erschwert werden.

Gesundheitswesen

Durch die Datensicherheit in der Blockchain könnten sensible Daten ebenfalls gespeichert und weitergegeben werden. Eine mögliche Anwendung liegt in der elektronischen Patientenakte. Da die Blockchain auch so eingerichtet werden kann, dass nur bestimmte Informationen von berechtigten Nutzern abgerufen werden können, ließen sich so reibungslose Abläufe in Diagnose und Therapie organisieren.

Vor- und Nachteile von Blockchain

Zusammenfassung