Wie funktioniert Blockchain-Technologie?

Großer Würfel, der sich in schwarze und weiße kleine Würfel nach links auflöst

Jede Kette beginnt mit ihrem ersten Glied, in einer Blockchain heißt es Genesis-Block. Er wird fest programmiert und nicht – wie alle ihm folgenden Blocks – errechnet. Der Bitcoin-Genesis-Hash hat zwei zusätzliche Nullen und lautet 0000000032fe677166d54963b62a4677d8957e87c508eaa4fd7eb1c880cd27e3. Alle weiteren Blocks sind durch Prüfsummen fest mit ihm verbunden. Alle Blöcke hängen sequenziell hintereinander und bilden eine lange eindeutige Kette, die man sich auch als eine extrem lange Liste vorstellen kann.

Die Bitcoin-Blockchain wird von einer Gruppe anonymer Peers erarbeitet. Die Peers einer Blockchain müssen aber nicht anonym sein. Ähnlich wie im Cloud-Computing können Blockchains über private, semi-private und öffentliche Netzwerke entstehen. Wer möchte, kann sich problemlos eine eigene Lösung bauen, in der er alle Peers kennt oder in der er definiert, wie Interessenten teilnehmen können. Über MultiChain kann bspw. jeder Nutzer Open-Source-Code downladen, um eine eigene geschlossene Blockchain zu betreiben.

Mining – alle Blocks nach dem Genesis-Block werden errechnet

Alle Blocks, die dem Genesis-Block folgen, werden von den Netzwerkknoten, den sogenannten Miners, errechnet. Metaphorisch gesprochen "schürfen" die Miners weitere Blöcke; dieser Prozess wird Mining genannt. Technisch gesehen, sammeln die Miners schwebende Transaktionen, um sie zu einem neuen Block zusammenzufassen und an die Blockchain zu hängen. Neue Blocks werden in der Bitcoin-Blockchain mit dem SHA-256-Hashing-Algorithmus berechnet. Je mehr Blocks vorhanden sind, desto aufwändiger wird die Berechnung neuer Blocks, respektive Bitcoins und das Schwierigkeitsziel des Systems (difficulty) steigt. Die Difficulty des Bitcoin-Systems wird adaptiv gesteigert, um die steigende Rechenleistung auszugleichen:

Schwierigkeitsgrad der Bitcoin-Blockchain steigt
Steigender Schwierigkeistgrad der Bitcoin-Blockchain

Die anonymen Peers der Bitcoin-Blockchain investieren viel Arbeit in die Berechnung jedes neuen Blocks. Mit diesem aufwändigen Mining verhindern sie die Manipulation der Blockchain, denn wer die Blockchain verändern wollte, müsste parallel zur existierenden Blockchain, die das Netzwerk aufgebaut hat, eine eigene Blockchain minen, die gegenüber der bereits existierenden gültig wird. Dieses Unterfangen wäre einfach zu rechenintensiv.

Prinzipiell gilt: Die Dauer des Minings reguliert den Zielkonflikt zwischen der Geschwindigkeit, in der sich Informationen sicher verbreiten lassen und der Dauer, die temporäre Forks existieren können, ehe sie von der „longest Chain“ überschrieben werden. Die Bitcoin-Blockchain schreibt beispielsweise vor, dass das Mining eines neuen Blocks durchschnittlich zehn Minuten dauert.

Man kann aber auch eine Blockchain aufzusetzen, die eine sehr kurze Dauer für das Mining eines neuen Blocks vorschreibt, also eine schnelle Verbreitung der Informationen vorsieht. Daraus folgt dann aber auch, dass mehr temporäre Forks entstehen, wodurch das System instabiler wird. Die Dauer des Minings reguliert somit den Konflikt zwischen Geschwindigkeit und Stabilität einer Blockchain. Je schneller das durchschnittliche Mining erfolgt, desto instabiler ist die Blockchain. Je langsamer, desto stabiler.

Alt-Chains und Side-Chains kann man selbst gestalten

Was für Bitcoin gilt, muss aber nicht für alle Blockchains gelten, denn Alt- oder Side-Chains können nach eigenem Gusto konfiguriert werden. Side-Chains sind Bitcoin-Ableger; sie bauen auf einem Bitcoin, dem Seed, auf und bieten mehr Funktionen als die Bitcoin-Blockchain. Alt-Chains sind demgegenüber unabhängig von Bitcoin und können gänzlich nach eigenen Vorstellungen programmiert werden.

Prinzip: The longest Chain wins

Das Prinzip „the longest chain wins“ bezieht sich nicht auf die Anzahl der Blöcke einer Blockchain, sondern auf die Menge der Arbeit (Summe der „difficulties“), die bis dato geleistet wurde. Das heißt: Eine Kette mit zehn Blöcken, die wenig arbeitsintensiv erstellt wurden, wird eine Kette mit fünf sehr aufwändig erarbeiteten Blöcken nicht ersetzen.

Um das Longest-chain-wins-Prinzip genauer zu verstehen, muss man zwei Systeme einer Blockchain unterscheiden: Den Block-Baum und die aktive Kette. Der Block-Baum besteht aus allen gültigen Blöcken bis zurück zum Genesis-Block. Die aktive Kette ist ein Pfad vom Genesis Block (oben) bis zu einem Blattknoten am unteren Ende der Block-Struktur. Jeder vorgeschlagene Pfad ist eine Option; aber die Miner sind angewiesen, den Pfad zu wählen, der mit der meisten Arbeit erstellt wurde.

Die Knoten müssen sich auf einen Konsens einigen

Es existieren also stets mehrere „richtige Ketten“, und die Regeln des Blockchain-Systems sind darauf ausgerichtet, dass die Knoten sich schnell auf einen Konsens einigen. Diese Einigung bedeutet, dass alternative Pfade, in denen weniger Arbeit steckt eliminiert werden. Entweder ein neuer Block verlängert die aktive Kette oder er verlängert einen alternativen Pfad. Wenn dieser alternative Pfad mehr Arbeit in sich vereint als der aktive Zweig, dann erfolgt eine Reorganisation, bei der die Blöcke des alten Zweigs deaktiviert und die Blöcke des neuen Zweigs aktiviert werden. Es entsteht eine neue „aktive Kette“.

Alle Blöcke sind fest miteinander verbunden

Jeder Block ist fest mit seinem Vorgänger verknüpft, weil er den Hash-Wert (Prüfsumme, die die Integrität der Daten sichert) seines direkten Vorgängers enthält. Ein Block wird gültig, wenn sein Hash-Wert kleiner ist als das aktuelle Hash-Target. Die Miners erzeugen so lange zufällig gewählte Zeichenketten (Nonce), bis der Hash des Blocks den Zielvorgaben des Netzwerks entspricht.

Das Erzeugen des Hashs durch iterierte Nonces ist mit dem Drehen eines Glücksrads vergleichbar: Die Miner ziehen so lange Nieten (Nonces, die nicht die Zielvorgabe erfüllen), bis ein passender Hash getroffen wird. Der Miner, der den Hash eines neuen Blocks erzeugt, gibt auch das neue Target heraus. Wenn ein Miner im Bitcoin-System weniger als zehn Minuten gebraucht hat, um einen neuen Block zu berechnen, dann steigt die Schwierigkeit. Wenn die Mining-Operation mehr als zehn Minuten gedauert hat, dann sinkt das Schwierigkeitsziel.

Diese Art der Berechnung kann man sich, vorwärts gedacht, sehr gut vorstellen: Man dreht am Glücksrad – und irgendwann passt das Ergebnis zur Zielvorgabe. Der Clou besteht darin, dass die Operation irreversibel ist. Es ist unmöglich vom gültigen Ergebnis auf den vorhergehenden Block zu schließen. Wer die Blockchain manipulieren wollte, müsste "zurück auf Los" und beim Genesis-Block beginnen, die komplette Chain neu zu berechnen. Er müsse den Proof-of-work für jeden bereits gefundenen Kompromiss neu erarbeiten – und dieses Unterfangen wäre schlicht zu rechenintensiv.

Fertige Blocks werden auf alle Netzwerkknoten kopiert

Wenn ein neuer Block berechnet und für gültig erklärt wurde, ist der sogenannte Proof-of-work abgeschlossen. Nun werden die Kopien des Blocks auf alle Netzwerkknoten verteilt und gespeichert. Der Block kann jetzt nicht mehr verändert werden. Neben dem Hash-Wert, der Nonce und den Daten der Transaktion enthält jeder Block noch einen Zeitstempel.
Jeder neue Block, den die Miners errechnen, basiert demnach auf dem Konsens aller beteiligten Knoten und lässt die Blockchain weiter wachsen. Der Miner in der Bitcoin-Blockchain, der einen gültigen Block berechnet hat, wird derzeit mit 25 Bitcoin belohnt.

Eine Blockchain wächst folglich durch mathematische Operationen. Und jeder neue Block enthält verifizierte Transaktionsdaten. Diese Form der mathematisch getriebenen Evolution unterscheidet sich deutlich von etablierten Arten, um Werte zu übertragen, weil streng genommen kein Intermediär mehr notwendig ist, um die Transaktionen mit seiner Autorität abzusichern und Vertrauen zu stiften.

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