Blockchain – viel mehr als nur Kryptowährungen

Maschinen und Werkzeuge sind weltweit nahezu überall gleich verfügbar. Durch die Weiterentwicklung der additiven Fertigung und insbesondere des 3D-Drucks kann in naher Zukunft überall dort produziert werden, wo ein Produkt gerade benötigt wird. In jeder Fabrik und in jeder Werkstatthalle werden dann 3D-Drucker stehen, die defekte Ersatzteile neu produzieren können, die vor Ort ausgetauscht werden.

Wo Hardware überall mehr oder weniger gleich verfügbar ist, wird geistiges, also immaterielles Eigentum zum alles entscheidenden Faktor im Wettbewerb. 

Für den digitalen Raum wirft diese Entwicklung neue Fragen auf: Geeignete 3D-Drucker mag es überall geben – aber wem gehört eigentlich die Druckdatei? Wie kann ich sicherstellen, dass mein geistiges Eigentum auch im digitalen Raum geschützt ist? Wie können Nutzungs- und Eigentumsrechte in der digitalen Welt nachgewiesen und sicher übertragen werden?

An dieser Stelle kommt die Blockchain ins Spiel: Das Ziel der Technologie ist die verlässliche Dokumentation und Absicherung von Transaktionen ohne eine zentrale Instanz. Im Kern beruht sie auf einer transparenten dezentralen Datenbank, die weder gehackt noch manipuliert werden kann.

In einer Blockchain werden Daten mithilfe von Kryptographie (Verschlüsselung) gesichert. Hierdurch sollen sowohl eine hohe Transparenz, als auch Schutz vor Manipulationen gewährleistet werden.

Die Blockchain-Technologie wurde im Zusammenhang mit der Kryptowährung Bitcoin entwickelt. Die Blockchain des Bitcoin ist im Kern ein Softwareprogramm, das jeder kostenfrei herunterladen kann. Der eigene Rechner wird so zu einem Knoten im Bitcoin-Netzwerk.

Als Blockchain wird eine Art digitales Journal (Public Ledger/öffentliches Kassenbuch) bezeichnet, in dem alle Transaktionen vermerkt sind, die jemals getätigt wurden.

Die Einträge in dieses Journal werden nicht einzeln vorgenommen, sondern mehrere Eintragungen werden zu einem Block zusammengefasst. Statt durch eine zentrale Autorität wird dieser Block nach einer verteilten Konsensfindung von einem Peer-to-Peer Netzwerk bestätigt und an die bestehende Blockchain angehängt.

Jeder Block beinhaltet einen digitalen Fingerabdruck (Hash), den Fingerabdruck des vorherigen Blocks und eine Anzahl an Transaktionen. Ein Block gilt erst dann als bestätigt, wenn ihm mehrere Folgeblöcke angehängt wurden.

Jede Transaktion ist mit einem Zeitstempel versehen sowie mit einer anonymen ID für Absender und Empfänger. Die gespeicherten Transaktionen sind nachvollziehbar und können nachträglich nicht verändert werden.

Die Software synchronisiert die Blockchain permanent zwischen allen Knoten. Somit ist der aktuelle Stand einer Blockchain stets auf allen Rechnern des Netzwerkes abgespeichert. 

Dokumente und Vermögenswerte werden fälschungssicher codiert und der Transfer zwischen Sendern und Empfängern wird als Transaktion in der Blockchain gespeichert.

Wie funktioniert eine Blockchain?

Kernelemente der Blockchain-Technologie sind die Verschlüsselung von Transaktionen durch Hashing sowie die Konsensfindung über die Korrektheit von Transaktionen.

Jede Transaktion, z.B. die Überweisung einer Kryptowährung oder die Registrierung eines Dokumentes, wird von einem Sender erzeugt und digital signiert.

Diese Transaktion wird an das Netzwerk gesendet und an die beteiligten Knoten verteilt. Die Knoten des Netzwerkes überprüfen die Gültigkeit der Transaktion und versuchen, einen Konsens zu finden. Anschließend werden mehrere gemeinsam "geglaubte" Transaktionen in einem Block gespeichert und durch Hashfunktionen in ein standardisiertes Format überführt und an die bestehende Blockchain angehängt.

Diese Codierung ist gegenüber Manipulationsversuchen sicher, da die Änderung bereits einer Transaktion den Hashwert des Blockes verändern würde und damit der Hashbaum nicht mehr konsistent wäre. 

Diese Ketten werden dann in allen Knoten des Netzwerkes synchronisiert, d.h. alle Knoten verfügen über dasselbe Basiswissen.

Was bedeutet Proof-of-Work?

Die Konsensbildung ist ein wesentlicher Grundpfeiler des Blockchain-Konzeptes. Sie dient dazu, Transaktionen so zu validieren, dass eine Übereinkunft über die als gültig anzuerkennenden Transaktionen gefunden werden kann, womit die damit gespeicherte Aussage von allen anerkannt wird und zukünftig nicht mehr veränderbar ist.

Das aktuell bekannteste von einer Blockchain-Implementierung verwendete Verfahren ist der Proof-of-Work der Bitcoin-Blockchain.

Das Ziel des Proof-of-Work Algorithmus ist es, eine Zahl (nonce = number used only once) zu finden, die in Kombination mit dem neuen Block, der an die schon existierende Blockchain angehängt werden soll, einen Hashwert ergibt, der eine bestimmte Bedingung erfüllt.

Diese Zahl kann nur durch vielfaches Ausprobieren gefunden werden, da Hashfunktionen sogenannte Einwegfunktionen sind. Das bedeutet, dass das Ergebnis nicht zurückgerechnet werden kann. Ein Beispiel für eine einfache Einwegfunktion ist die Quersumme. Es gibt unendlich viele Zahlen, deren Quersummenergebnis zum Beispiel "5" ist. Der Weg zum Ergebnis einer Einwegfunktion kann also nachträglich nicht zurückgerechnet werden.

Beim Proof-of-Work Verfahren hat die Rechenleistung der Knoten maßgeblichen Einfluss darauf, wer das Rätsel löst und einen passenden nonce-Wert findet. Da der Aufwand neben der Investition in die Rechenleistung im Wesentlichen in der verbrauchten Energie besteht, ist der Proof-of-Work-Ansatz nicht für alle Blockchain-Anwendungen sinnvoll.

Aus diesem Grund wurden alternative Proof-of-Work Verfahren entwickelt, die entweder speicher- oder netzwerkbasiert sind.

Bei speicherbasierten Verfahren wird das Rätsel nicht durch Rechenleistung, sondern durch eine entsprechende Anzahl Speicherzugriffe gelöst. Netzwerkbasierte Verfahren lösen das Rätsel durch die Kommunikation mit anderen Netzwerk-Knoten, z.B. um von dort Informationen zu sammeln, die zur Lösung des Rätsels erforderlich sind. 

Das Proof-of-Work Verfahren ist immer dann sinnvoll, wenn der Zugang zum Blockchain-Netzwerk öffentlich ist und keiner Zugangsbeschränkung unterliegt (öffentliche Blockchain). 

Was bedeutet Proof-of-Stake?

Ein großes Problem des Proof-of-Work Verfahrens ist der immense Energieverbrauch und damit verbunden ständig steigende Kosten. 

Proof-of-Stake ist ein alternatives Verfahren der Konsensbildung. Es ist vor allem für private Blockchains relevant, bei denen die beteiligten Knoten bekannt sind und einer Zugangsbeschränkung unterliegen. 

Beim Proof-of-Stake werden Knoten, die einen neuen Block validieren können, nach ihren Anteilen an der Kryptowährung oder über ein Zufallsverfahren ausgewählt.

Statt Rechenleistung einzusetzen, müssen Netzwerkteilnehmer nachweisen, dass sie in die Kryptowährung investiert haben. Daher kommt der Begriff "Stake", der in diesem Zusammenhang "Anteil" oder "Einsatz" bedeutet.

Die Idee dahinter: Hat jemand viel Geld in die Währung investiert, dann müsste er oder sie auch ein großes Interesse daran haben, dass alles mit rechten Dingen zugeht. Denn Betrug würde das Vertrauen in die Währung und damit den Wert der eigenen Investition gefährden.

Blockchain ist mehr als Kryptowährungen 

Die Blockchain-Technologie ist eine leistungsstarke Plattform für zahlreiche weitere Anwendungen auch außerhalb der Finanzbranche und vor allem unabhängig von Kryptowährungen.

So sind zum Beispiel für das Internet of Things insbesondere die mit "Smart Contracts" verbundenen Automatisierungspotenziale wichtig. Dem Thema "Smart Contracts" und "Non-fungible Token" widmen wir einen eigenen Beitrag in unserer Reihe "25 Technologien für eine digitale Industrie".

Unser Fazit: Die Blockchain-Technologie ist noch vergleichsweise jung, die Ausschöpfung ihrer Potenziale steht erst am Anfang. Das SWMS-Team programmiert seit 2016 Software für Blockchain-Anwendungen.

Haben Sie Fragen zum Thema Blockchain und Smart Contracts? Nehmen Sie Kontakt auf zu Ingo Schlalos .