Blockchain erklärt: Wie funktioniert eine Blockchain?

Eine Blockchain ist eine räumlich verteilte Datenbank, in der Daten auf hochsichere und transparente Weise gespeichert werden, sodass sie in Zukunft nicht mehr verändert werden können.

Blockchains wurden erfunden, um das Vertrauen in einzelne Personen, Unternehmen oder Regierungen bei der Speicherung und Übertragung jeglicher Art von Daten vollständig abzuschaffen.

Mit einer Blockchain können sogar Fremde anonym Geld oder andere Werte austauschen, und das mit hoher Sicherheit, dass alles nach den vorher festgelegten Regeln abläuft.

Denn im Gegensatz zu normalen Datenbanken, die von einzelnen Parteien kontrolliert werden, werden Blockchains von vielen verschiedenen Computern von Freiwilligen, die meist über die ganze Welt verteilt sind, gespeichert, aktualisiert und bewacht.

Der anonyme Erfinder der Kryptowährung Bitcoin namens Satoshi Nakamoto war der erste, der 2009 die Möglichkeiten der Blockchain öffentlich vorstellte, indem er Bitcoin schuf - eine digitale Währung, die völlig unabhängig von einzelnen Unternehmen oder Regierungen und extrem sicher ist.

Obwohl die Blockchain-Technologie durch Bitcoin populär wurde, wurde das Konzept eines dezentralisierten Registers zum ersten Mal von den Forschern Stuart Haber und W. Scott Stornetta in ihrem 1991 veröffentlichten Papier mit dem Titel "How to Time-Stamp a Digital Document" vorgestellt.

Heute sind Blockchains die Grundlage aller Kryptowährungen, die diese Art von Datenbank nutzen, um die Transaktionen der Nutzer sicher und transparent zu verarbeiten und zu speichern, ohne sich gegenseitig vertrauen zu müssen oder befürchten zu müssen, dass eine Transaktion in der Zukunft geändert oder rückgängig gemacht werden könnte.

Blockchains haben das Potenzial, die Art und Weise zu revolutionieren, wie Menschen kommunizieren und Daten austauschen, wo immer eine zentrale Vertrauensperson beteiligt ist.

Durch das Ausschalten von Mittelsmännern und das Speichern von Daten in einer öffentlichen, überprüfbaren Weise sind Blockchains transparent, sicher vor Hacks und im Vergleich zu vielen traditionellen zentralisierten Systemen extrem günstig in der Nutzung.

In zentralisierten Systemen, wie wir sie heute kennen, entscheiden privilegierte Einzelpersonen oder Gruppen über wichtige Entscheidungen, die große Auswirkungen auf andere haben. So können beispielsweise die Eigentümer von Social-Media-Plattformen willkürlich Nutzer zensieren oder Zentralbanken allein über alle traditionellen Währungen der Welt entscheiden.

Blockchains hingegen arbeiten in dezentralen Peer-to-Peer-Netzwerken mit Hunderten oder sogar Tausenden von Teilnehmern, die alle die gleiche Macht haben, so dass sich das Netzwerk ohne Einmischung von Regierungen, Unternehmen oder einzelnen Entwicklern selbst verwalten kann.

Die Nutzer von Blockchains handeln also direkt miteinander, und die Meinungen aller Teilnehmer bezüglich der Regeln und wichtiger Entscheidungen des Netzwerks sind gleich wichtig.

Da solche dezentralen Netzwerke kaum angreifbar sind, schaffen Blockchains faire, sichere und praktisch unaufhaltbare Netzwerke, die für jeden mit einer Internetverbindung zugänglich sind und meist nur von normalen Menschen regiert werden: "Von den Menschen, für die Menschen".

Da eine Blockchain nicht an einem einzigen Ort gespeichert wird, sondern auf viele so genannten Knoten an verschiedenen Orten der Welt verteilt ist, sind beliebte Blockchains sehr sicher vor Hacks oder Angriffen, durch die Benutzer ihre Vermögenswerte verlieren könnten.

Durch den Einsatz asymmetrischer Kryptografie legen Blockchains außerdem strenge Regeln für das Senden und Empfangen von Transaktionen fest, die verhindern, dass böswillige Benutzer mehr Geld senden, als sie besitzen, oder auf das Vermögen anderer zugreifen. Du kannst also sicher sein, dass nur du der wahre Besitzer deiner Vermögenswerte auf einer Blockchain bist und dass niemand sie dir wegnehmen kann.

Das macht viele Blockchains wie Bitcoin extrem sicher - vielleicht sogar sicherer als zentralisierte Server und Datenbanken von Unternehmen wie Banken.

Da Blockchains jede einzelne Transaktion öffentlich speichern, kann jeder überprüfen, ob sich jede Transaktion in der gesamten Geschichte einer Blockchain an die Regeln des Netzwerks hält.

Zentralisierte Instanzen wie Unternehmen oder Zentralbanken können dagegen interne Informationen zurückhalten oder falsch wiedergeben, so dass die Öffentlichkeit nichts über ihre internen Prozesse erfährt.

Bei Blockchains entscheiden die Teilnehmer über die Regeln und setzen sie aktiv durch. Sie wissen immer genau, was im Netzwerk vor sich geht, ohne sich darauf verlassen zu müssen, dass bestimmte Einzelpersonen oder Gruppen von Einzelpersonen dies überprüfen und ihnen Bericht erstatten.

Da Blockchains das Problem des Vertrauens in digitaler Kommunikation vollständig lösen, indem sie Dritte vollständig überflüssig machen, können Benutzer beliebige Vermögenswerte wie Geld direkt senden und empfangen, ohne dass kostenspielige Zahlungsabwickler wie PayPal, Visa, Western Union und Co. erforderlich sind.

In zentralisierten Bankensystemen hingegen ist das Versenden von Geld rund um den Globus nicht nur mit sehr hohen Gebühren verbunden, sondern dauert auch mindestens einige Geschäftstage.

Blockchains arbeiten mit dezentralen Peer-to-Peer-Netzwerken, d. h., die Benutzer tauschen sich nach streng festgelegten Regeln direkt untereinander aus und kontrollieren sich auch untereinander, ohne sich auf Dritte zu verlassen.

Zur Nutzung einer Blockchain registrieren die Benutzer weder ein Konto, noch geben sie private Informationen an andere weiter.

Stattdessen erzeugen alle Benutzer einer Blockchain ein kryptografisches Schlüsselpaar, das aus einem öffentlichen und einem privaten Schlüssel besteht und ihre Identität darstellt.

📫 Ein öffentlicher Schlüssel in einer Blockchain funktioniert wie eine Empfangsadresse, ähnlich wie eine E-Mail-Adresse. Im Beispiel von Bitcoin kannst du deinen öffentlichen Schlüssel mit anderen teilen, um von ihnen Bitcoins zu erhalten.

🔐 Ein privater Schlüssel in einer Blockchain ist wie ein Passwort für den entsprechenden öffentlichen Schlüssel, so wie dein E-Mail-Passwort dir Zugang zu allen Nachrichten gibt, die an die entsprechende E-Mail-Adresse gesendet werden. Mit diesem privaten Schlüssel kannst du sogenannte digitale Signaturen erstellen, mit denen du den Blockchain-Teilnehmern beweist, dass du tatsächlich der Eigentümer der an den öffentlichen Schlüssel gesendeten Vermögenswerte bist, was dir den Zugriff auf diese Vermögenswerte ermöglicht.

Durch die Verwendung dieser so genannten asymmetrischen Kryptografie anstelle von verwalteten Konten stützen sich Blockchains beim Senden und Empfangen von Vermögenswerten ausschließlich auf Mathematik, wodurch die Notwendigkeit zentraler Zahlungsanbieter entfällt.

Ein Beispiel: Wenn Alice Bob Vermögenswerte auf einer Blockchain senden möchte, entsperrt Alice ihre Vermögenswerte mit Hilfe ihres privaten Schlüssels und sperrt sie mit dem öffentlichen Schlüssel, den Bob mit ihr geteilt hat. Die interne Kryptographie garantiert, dass nur Bob mit Hilfe seines privaten Schlüssels Zugang zu diesen Geldern hat.

Eine solche Übertragung von Vermögenswerten mit Hilfe der Kryprographie auf einer Blockchain wird als Transaktion bezeichnet, und alle Transaktionen werden für immer auf einer Blockchain gespeichert.

Blockchains speichern alle jemals durchgeführten Transaktionen der Benutzer in Form von Blöcken, die der Blockchain in regelmäßigen Abständen einzeln hinzugefügt werden.

Ein Block-Hash ist ein digitaler Fingerabdruck, der jeden einzelnen Block in der Blockchain eindeutig anhand seines Inhalts identifiziert. Wenn sich ein Block oder eine seiner inneren Transaktionen auch nur geringfügig ändern würde, würde sich der daraus resultierende Block-Hash komplett ändern.

Da jeder Block in einer Blockchain den Hash-Wert des vorherigen Blocks speichert, wird sein eigener Block-Hash teilweise aus dem Hash des vorherigen Blocks generiert, wodurch - bildlich gesprochen - eine Kette von Blöcken entsteht. Daher auch der englische Name "Blockchain".

Da jeder Block den eindeutigen Bezeichner - den Hash - seines vorherigen Blocks speichert, sind die Blöcke in einer Blockchain so eng miteinander verbunden, dass die Änderung einer einzigen Transaktion innerhalb eines Blocks nicht nur den eigenen Block-Hash ändern würde, sondern auch eine Kettenreaktion von geänderten Block-Hashes der gesamten weiteren Blockchain auslösen würde.

Da eine solche Änderung der Block-Hashes leicht entdeckt werden könnte, würden alle Teilnehmer, die die Blockchain aktiv überwachen, eine solche Manipulation sofort zurückweisen und sie niemals in ihrer lokalen Kopie der Blockchain wiedergeben, was die Blockchain äußerst sicher macht.

In der Praxis bedeutet das, dass Transaktionen in Blockchains in Stein gemeißelt und unumkehrbar sind, da jede Manipulation sofort zu ungültigen Block-Hashes führen würde, die von allen Knoten einer Blockchain erkannt und zurückgewiesen würden.

Durch die sichere Speicherung aller Transaktionen fungiert die Blockchain als verteiltes Kassenbuch (eng. Distributed Ledger), das als einzige Quelle der Wahrheit verwendet wird, um festzustellen, welcher Benutzer zu welchem Zeitpunkt welche Vermögenswerte besitzt.

Jedes Mal, wenn Benutzer Transaktionen auf einer Blockchain durchführen, werden alte Transaktionen unter keinen Umständen entfernt. Stattdessen wird die neue Transaktion der Blockchain innerhalb eines neuen Blocks hinzugefügt.

Ein Beispiel: Wenn Alice 1 bitcoin besitzt und ihren 1 bitcoin an Bob schickt, der ihn im Gegenzug an Alice zurückschickt, werden der Blockchain zwei Transaktionen hinzugefügt, obwohl das Endergebnis dasselbe wäre, wenn dieses hin- und her Schicken nie stattgefunden hätten.

Wenn also ein Benutzer versucht, Vermögenswerte auf einer Blockchain zu versenden, können alle Teilnehmer schnell nachweisen, ob der Benutzer diese Vermögenswerte wirklich besitzt oder nicht, indem sie die Blockchain von der allerersten bis zur allerletzten Transaktion scannen.

Die Knoten einer Blockchain, auch Nodes genannt, sind Computer, die die gesamte Blockchain mit allen ihren Blöcken speichern und aktiv aktualisieren, was die Blockchain zu einer hochgradig replizierten und dezentralisierten Datenbank macht.

Bei den meisten Blockchain-Anwendungsfällen wie Kryptowährungen gibt es Tausende von weltweit verteilten Blockchain-Knoten, die von Freiwilligen betrieben werden.

Die Knoten speichern nicht nur die gesamte Blockchain, sondern entscheiden auch, welche neuen Transaktionen gültig sind und in die Blockchain aufgenommen werden und welche nicht, wodurch sie zu "Torwächtern" der Blockchains werden.

Ein Beispiel: Wenn ein Benutzer versucht, mehr Geld zu senden, als er besitzt, oder das Vermögen eines anderen Benutzers stiehlt, erkennen die Blockchain-Knoten diesen Betrug und lehnen die Transaktion ab, da sie gegen die Blockchain-Regeln verstoßen würde, auf die sich alle Knoten zuvor geeinigt haben. Eine solche böswillige Transaktion würde nie in die Blockchain aufgenommen werden.

Der Konsensmechanismus einer Blockchain legt strenge Bedingungen fest, die jeder Transaktionsblock erfüllen muss, um in die Blockchain aufgenommen zu werden.

Es gibt zwei beliebte Konsensmechanismen, die in Blockchains am häufigsten anzutreffen sind:

⚡ Proof of Work: Der Konsensmechanismus der Bitcoin-Blockchain erfordert, dass die so genannten Bitcoin-Miner viel Strom aufwenden, um ihre neuen Blöcke der Bitcoin-Blockchain hinzuzufügen.

💰 Proof of Stake: Der Konsensmechanismus der Ethereum-Blockchain verlangt von den Blockerstellern die Hinterlegung eines hohen Geldbetrags, um der Ethereum-Blockchain neue Blöcke hinzuzufügen.

Da Konsensmechanismen Kosten für die Erstellung neuer Blöcke für die Blockchain erfordern, stellen sie sicher, dass die überwiegende Mehrheit der Blockersteller die Regeln der Blockchain befolgt, da ein Verstoß gegen die Regeln durch die Erstellung unzulässiger Blöcke dazu führen würde, dass der Block zurückgewiesen wird und die mit dem Konsensmechanismus verbundenen Kosten verschwendet werden.

Da Konsensmechanismen von Benutzern von Blockchains verlangen, dass sie Kosten - im Fall von Bitcoin: Strom - aufwenden, um der Blockchain Blöcke hinzuzufügen, kann die Blockchain stabil wachsen und ist sicher vor Spam und sogenannten 51%-Angriffen.

Würde ein Angreifer versuchen, die Blockchain zu verändern und z. B. Blöcke rückgängig zu machen, müsste er einen Teil der Blockchain mit neuen gültigen Blöcken von neu erstellen. Und da alle Blöcke die teuren Anforderungen des Konsensmechanismus der Blockchains erfüllen müssen, müsste der Angreifer einen unvorstellbar hohen Geldbetrag einsetzen, um eine große Blockchain erfolgreich anzugreifen.

Daher machen Konsensmechanismen Blockchains sicher, indem sie es für eine böswillige Person oder eine kleine Gruppe von Personen extrem teuer machen, eine Blockchain mit böswilligen Blöcken zu spammen oder frühere Blöcke zu ändern/umzukehren.

Da sich Blockchains perfekt für die sichere und transparente Nachverfolgung des Eigentums und der Übertragung von Vermögenswerten eignen, werden Blockchains häufig als öffentliche Kassenbücher für die Übertragung von Kryptowährungen (siehe Bitcoin, Ethereum) verwendet, einschließlich Token, die das Eigentum an realen Vermögenswerten wie Metallen, Aktien oder sogar Immobilien darstellen (siehe NFTs oder Token wie PAX Gold).

Blockchains sind jedoch nicht auf Kryptowährungen beschränkt - es gibt unzählige Anwendungsfälle wie die sichere Speicherung digitaler Identitäten (siehe dock.io) oder die Dokumentation von Lieferketten (siehe Vechain), ohne die Möglichkeit künftiger Manipulation.

Da Blockchains außerdem unveränderlich sind, sind Blockchains auch sehr praktische Datenbanken für die Speicherung wichtiger Daten, die über die ganze Welt verteilt sind (siehe Filecoin).