Wie funktioniert das eigentlich mit einer Kryptowährung wie z.B. Bitcoin. Aha, die basiert auf einer Blockchain-Technologie. Ja, das hilft mir jetzt auch nicht richtig weiter. Wenn Du hier zustimmen kannst, bist Du beim nachfolgenden Artikel gut aufgehoben.

Blockchain ist eine Technologie, Bitcoin ist die Nutzung dieser Technologie

Die Blockchain ist zunächst einmal nicht einfach ein „Stück Technik“ (also Hard- oder Software), sondern eine Technologie. Eine Technologie beschäftigt sich per Definition auch mit dem Wissen, aus dem der Prozess und das Ergebnis hervorgehen. Dies können auch wirtschaftliche, rechtliche, soziale und andere Aspekte sein.

Auf Basis der Technologie „Blockchain“ kann beispielsweise ein Anwendungsgebiet „Kryptowährung“ betrieben werden. Bitcoin oder Eterum sind konkrete Beispiele für Kryptowährungen.

Es lassen sich darüber hinaus viele andere Anwendungsmöglichkeiten auf Basis der Technologie Blockchain finden, die zunächst nichts mit einer Währung zu tun haben.

Warum überhaupt eine Blockchain?

Fast logisch, aber sicherheitshalber erwähnt: Die Blockchain basiert auf dem Einsatz von IT. „Die Blockchain“ ist im Endeffekt eine Datenbank. Also etwas für die IT ganz Alltägliches: eine Kombination aus Hard- und Software, auf der Daten abgespeichert werden. Die Blockchain ist kein Produkt eines konkreten Herstellers.

Der Grundgedanke der Blockchain-Technologie ist die „Transaktion“. Eine Transaktion findet in der Wirtschaft dann statt, wenn ein Gut oder eine Dienstleistung über eine Schnittstelle transferiert wird.

Eigentlich basiert fast unsere gesamte Wirtschaft auf Transaktionen. Im Finanzsektor gibt es Finanztransaktionen (z.B. eine Überweisung, ein Aktienhandel). Im Handel besteht eine Lieferkette aus Transaktionen. Auch die Zulassung eines PKW’s oder die Eintragung einer Immobilie im Grundbuch sind Transaktionen. Im Gesundheitswesen bestehen Krankenakten und Behandlungsprotokolle aus Transaktionen. Diese Liste ließe sich beliebig fortführen.

Nun kann man sich fragen, warum man die relativ neue Technologie der Blockchain nutzen sollte? Schließlich verarbeiten IT-Systeme in allen Branchen seit Jahrzehnten Transaktionsdaten zuverlässig. Diese Frage ist vollkommen berechtigt.

Ein wesentlicher Bestandteil jedes professionellen IT-Systems ist die sogenannte „Transaktionssicherheit“. Je wichtiger ein System ist, desto mehr Aufwand (=Kosten) wird hierfür geleistet. Es spielen dabei mehrere Faktoren eine Rolle: so ist zu vermeiden, dass Transaktionen verloren gehen können oder fehlerhaft bzw. unvollständig sind (z.B. durch Fehler im System oder Ausfälle). Darüber hinaus muss man sicherstellen, dass Transaktionen nicht nachträglich verändert werden können.

Beispielsweise ist es bei einer Banküberweisung vollkommen undenkbar, dass der Auftrag durch einen Systemausfall „einfach weg“ ist oder nachträglich manipuliert wird.

Datenbanken sind zunächst aber von Natur aus zunächst unsicher – sie speichern einfach nur Daten. Also versucht man durch umfangreiche Softwareprogramme und Prozesse sicherzustellen, dass die gespeicherten Daten sicher sind und nichts verloren gehen kann. Das kostet viel Aufwand, bedarf hoher Qualitätssicherungsmaßnahmen und es werden Redundanzen aufgebaut.

Man kann es sich vielleicht am besten anhand einer Excel-Tabelle vorstellen, bei der jede Zeile eine Transaktion darstellt. Ohne Sicherungsmaßnahmen kann kein Anwender gewährleisten, dass nicht jemand anders die Daten verändert hat. So können z.B. ganze Zeilen gelöscht sein (=Transaktion entfernt) oder einzelne Zellen verändert worden sein (=Transaktion manipuliert). Im Extremfall ist die ganze Datei kaputt (=Alle Transaktionen verloren). Also fängt man an, die Probleme durch entsprechende Gegenmaßnahmen zu reduzieren: Zellen mit einem Kennwort schützen, die Daten regelmäßig sichern usw.

Zurück zur Blockchain: die Technologie ist deswegen so interessant, weil sie die Absicherung von Transaktionen mitbringt. Die Stärke der Technologie ist die Transaktionssicherheit. Damit entfällt ein großer Aufwand bei der Entwicklung der Systeme und Prozesse. Natürlich hat sie – wie jede Technologie – dafür bei anderen Aspekten wiederum Nachteile. Doch dazu später mehr.

Wie funktioniert nun eine Blockchain?

Der Begriff „Blockchain“ setzt sich aus den zwei wesentlichen Komponenten dieser Technologie zusammen: dem Block und der Kette (engl. „chain“).

Im „Block“ werden die einzelnen Transaktionen hintereinander gespeichert. Ein Block wird nach einer bestimmten Anzahl von Transaktionen abgeschlossen und es wird der nächste Block erzeugt. Dieser wird quasi an den vorherigen angehängt – und es ergibt sich die Kette. Diese Kette wächst mit jedem Block weiter – vom allerersten Block („Genesis“) bis zum aktuellen letzten Block.

Beim Abschließen eines Blocks greifen Mechanismen, die für eine Verschlüsselung sorgen, einen Zeitstempel einarbeiten und einen sogenannten Hash-Wert erzeugen. Dies ist eine Art Prüfsumme, die aus allen Inhalten des Blocks errechnet wird. Die einzelnen Blöcke werden aneinander gekettet und der Folgeblock kennt den Hash-Wert des vorherigen Blocks. Das fertige Erzeugen eines Blocks wird als das „Schürfen“ (engl. mining) bezeichnet.

Neu hinzukommende Transaktion werden zunächst darauf geprüft, ob der Einreicher überhaupt zur Einreichung berechtigt ist. Anschließend werden die Transaktionen in eine Warteschlange gestellt. Sind genügend Transaktionen vorhanden, geht das Spiel wieder von vorne los.

Der dezentrale Ansatz

In einer sogenannten öffentlichen Blockchain gibt es nicht den einen zentralen Server, auf dem die Datenbank liegt. Es können beliebig viele Rechner zusammengeschaltet sein (man spricht hier von einem Peer-2-Peer-Netzwerk). Alle Rechner sind gleichwertig – es gibt keinen „Chef“. Diese Rechner werden „Knoten“ genannt. Alle Knoten synchronisieren sich untereinander und alle validieren die Gültigkeit eines neuen Blocks. Erst wenn eine Mehrzahl der Knoten die Validieren vorgenommen hat, ist der Block gültig und wird in die Blockchain aufgenommen.

Diese dezentrale Verteilung bringt einen insgesamt höheren Ressourceneinsatz (=viele Rechner) mit sich als ein zentrales System und ist auch deutlich langsamer (=die Verteilung der Daten dauert).

Unternehmen können die Blockchaintechnologie daher auch in ihrem geschlossenem IT-Umfeld betreiben (private Blockchain). Dies reduziert den Ressourceneinsatz, verringert aber natürlich auch die Ausfallsicherheit. Auch hybride Ansätze zwischen öffentlicher und privater Blockchain sind möglich. Diese Unterschiede würden hier aber zu weit gehen.

Manipulation und Ausfallsicherheit

Eine nachträgliche Veränderung einer Transaktion in einem abgeschlossenen Block würde bedingen, dass der erzeugte Hash-Wert (=also die Prüfsumme) geändert wird. Da dieser Hash-Wert auch im Folgeblock hinterlegt ist, müsste auch dieser angefasst werden – und so weiter bis zum aktuellen Ende der Kette. Eine Manipulation bedürfte also eines sehr großen Rechenaufwandes und wäre somit extrem teuer.

Durch den dezentralen Ansatz und die Synchronisation der einzelnen Knoten untereinander würden die anderen Knoten die Manipulation sofort bemerken und die fehlerhaften Blöcke ablehnen. Ein Angreifer müsste tatsächlich mindestens 51% aller Knoten gleichzeitig manipulieren, damit keine Ablehnung erfolgt.

Durch die Synchronisation auf viele Rechner wird der Ausfall eines Systems vollkommen irrelevant, da eine Kopie auf vielen anderen Rechnern existiert. Wird der ausgefallene Rechner wieder in Betrieb genommen, synchronisiert er sich erneut. Je mehr Knoten in der Blockchain betrieben werden, desto mehr erhöht sich die Ausfallsicherheit.

Bitcoin als Anwendung der Blockchain

Bitcoin (stellvertretend für „Kyptowährungen“) basieren auf der Technologie der Blockchain. Es gilt der oben beschriebene Prozess – die Transaktionen sind die einzelnen Zahlungsvorgänge in Bitcoin.

Um Benutzer dazu zu animieren, das „Schürfen“ (also das Erzeugen der Blöcke) zu übernehmen, bedarf es eines Anreizes. Konkret werden sie in der geschürften Währung, also in Bitcoin bezahlt.

Alle 10 Minuten wird die Bitcoin-Blockchain um einen neuen Datenblock erweitert. Dazu wird allen Minern (=Schürfern) eine komplexe mathematische Aufgabe gestellt. Es gilt das Windhund-Prinzip: wer die Aufgabe als erster korrekt löst, darf den Block erstellen und bekommt dafür die definierte Anzahl von Bitcoins gutgeschrieben. Alle anderen Miner gehen leer aus. Somit wird die Gesamtsumme der sich im Umlauf befindlichen Währung genau um diesen Betrag höher. Aktuell erhält ein erfolgreicher Miner 6,25 Bitcoin zzgl. der im Block eingenommenen Transaktionsgebühren. Da sind beim Kurswert vom 20.11.2020 immerhin rund 96.000€. Das Ganze ist allerdings bei weitem nicht so trivial, wie es sich hier stark vereinfacht darstellt und benötigt immense Rechenleistung. Oft schließen sich mehrere Miner zu einem Pool zusammen.

Grundsätzlich kann jeder einen solchen Knoten in das Netzwerk integrieren und Bitcoins „schürfen“ (daher kommt auch der Begriff für diesen Vorgang). Der Download einer Software auf den eigenen Rechner reicht (eine Websuche nach „bitcoin mining software“ fördert diverse Produkte). Tatsächlich ist aber eine hohe Rechenleistung für das Schürfen und das Lösen der Aufgaben nötig – für den Einzelnutzer lohnt sich das kaum.

Eine hohe Rechenleistung und damit eine gute Erfolgsquote bedingt auch einen hohen Stromverbrauch für Rechner und Klimatisierung. So kommen inzwischen viele sogenannte „Miner“ (Schürfer) aus China – über 60% der ins Netzwerk gespeisten Rechenleistung kommt aus dem Reich der Mitte. Ein Abwanderung in kältere Regionen mit günstigeren Strompreisen steht immer wieder im Raum. Derzeit entwickelt sich Kasachstan zu einem neuen „Mining-Paradies“.

Vor- und Nachteile

Die Blockchain-Technologie bietet eine ausfallsichere und manipulationssichere Datenbanktechnologie. Daten können somit dauerhaft und revisionssicher gespeichert werden. Die Blockchain kann mit auch mit kleiner Infrastruktur dezentral, z.B. in Schwellenländern, eingesetzt werden.

Auf der anderen Seite hat sie Nachteile, wenn das System wachsen soll (=Skalierbarkeit), viele Daten (=Datenmenge) schnell transportiert (=Datendurchsatz) oder komplexe Berechtigungen vergeben werden müssen.

Die Blockchain lässt sich sicherlich in vielen Bereichen der Wirtschaft einsetzen, da ein Großteil der Prozesse transaktionsbasiert erfolgt. Sie ist aber kein Allheilmittel oder eine Nachfolgetechnologie. Ausfallsicherheit und Manipulationssicherheit können auch mit „klassischer“ IT erreicht werden – oft dann aber mit einem deutlich höheren Aufwand. Dafür dann aber auch mit anderen Vorteilen.

Zusammenfassung

Wie bei allen Technologien sind zunächst die Vorteile und Nachteile abzuwägen.

Bevor man dies tut, gilt es aber erst einmal zu überprüfen, was die zu erreichenden Ziele sind. So banal das klingt, so wichtig ist es. Eine Technologie muss der Erreichung des Ziels bestmöglich dienen – ganz oft wird es leider umgekehrt entschieden.