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Technischer Hintergrund der Cryptowährungen: die Blockchain

Es soll nun um die elementare Technik gehen, die hinter bitcoin & Co. steckt. Schlagworte wie “Blockchain” oder “Mining” sind ja derzeit in aller Munde – doch was verbirgt sich dahinter? Was solltest du als Trader darüber wissen? In diesem und im nächsten Teil beleuchten wir diese interessanten Themen genauer. Alex wird dir im Video einen spannenden Blick „hinter den Kulissen“ der Cryptos ermöglichen und der Begleitartikel vertieft und erweitert dieses Wissen.

Ein kurzer Rückblick:

Der CME Bitcoin-Future hat in den letzten Monaten einen langen und beschwerlichen Weg hinter sich. Nach seiner Einführung im Jahr 2017 erlebte er einen kurzen Aufschwung und wurde am Ende des Jahres bei knapp 20.000 notiert. Dann dümpelte er in der Folgezeit zwischen rund 4.000 und etwa 15.000 hin und her.

Im Dezember letzten Jahres überlegte er es sich dann aber anders, holte tief Luft und stieg – nein SCHOSS – nach oben. Am 11. Dezember begann er seinen Aufstieg bei 18.020 und vier Monate später, am 15. April erreichte er den Gipfel bei 63.840 – ein Plus von 9164 Ticks oder 45.820 $.

Dann ging es ebenso schnell wieder nach unten, und heute, weitere drei Monate später, finden wir den Kurs wieder nahezu auf dem selben Niveau, den er zu Beginn des Jahres 2021 hatte.

In diesem Video soll es aber jetzt nicht um den Handel mit bitcoins gehen sonder um Technologie dahinter.

Werfen wir einen Blick darauf, wie die Blockchain funktioniert, warum sie wichtig ist und wie sie unser Leben in Zukunft beeinflussen kann. Ein besseres Verständnis dieser Technologie kann helfen, deine Sicht auf den Cryptomarkt zu verändern und dein Vertrauen in diese Währung zu erhöhen. Nimm die eine Tasse Kaffee und genieße das Video.

Auf YouTube ansehen →

Steigen wir ein zur Reise in die Welt von bitcoin, Blockchain und was dazugehört.

Was ist eine “Cryptowährung”?

Was eine Währung, also “GELD” ist und welche Eigenschaften und Funktionen diese Währung aufweisen muss, habe ich bereits in einem ersten Video erläutert. Dabei habe ich auch klargemacht, dass eine Cryptowährung alle Anforderung an eine herkömmliche, “FIAT- Geld“ genannte Währung, erfüllt.

Trotzdem verbleiben da noch Fragezeichen. Wie schaut denn eine Cryptowährung überhaupt aus? Ist es Geld, wie mein Euro oder der Dollar, Scheine, die schön rascheln und Münzen, die klimpern?

JA und NEIN! Natürlich gibt es auch bitcoin-Münzen (Scheine gibt es, soviel ich weiß, gar nicht!). Aber das ist nicht die eigentliche Form eines Cryptos, von dem der bitcoin ja nur EIN Vertreter ist. In Wirklichkeit ist ein Crypto eine digitales Datenmuster, also eine Abfolge von Nullen und Einsen, denen ein bestimmter Wert zugewiesen wird!

Jetzt muss ich als Erstes allerdings eine Kleinigkeit klarstellen, die im wirklichen Leben immer zur Verwirrung führt:

In Bitcoin folgt die Geldpolitik einer einfachen Regel:

Die endgültige Geldbasis wird auf etwa 21 Millionen bitcoins festgelegt. Neue bitcoins werden nach einem festgelegten Zeitplan geprägt und an Benutzer ausgezahlt, die helfen, das Netzwerk zu sichern.

Dies dient dem doppelten Zweck

a) den bitcoins aufgrund ihrer Knappheit einen Wert zu verleihen und

b) Anreize für Benutzer zu schaffen, sich mit dem Netzwerk zu verbinden und es durch Bereitstellung ihrer Rechenleistung zu sichern.

Ganz schön verwirrend, oder? Lass dich nicht ablenken, jetzt geht’s richtig los!

Das Herz der Cryptowährung

Bitcoin basiert auf einem Peer-to-Peer-Netzwerk von Computern, auf denen die Software läuft. Diese Computer werden Nodes genannt.

Das Herz von Bitcoin ist eine verteilte Datenbank, die eine Kopie des gemeinsamen Asset-Ledgers, des Hauptbuchs aller je getätigten Transaktionen, enthält. Diese Datenbank verteilt, das heißt: jeder Teilnehmer im Netzwerk (also jeder Knoten) hält EINE KOPIE davon. Die Kopien dieser Datenbank sind völlig konsistent.

Jeder Benutzer in diesem Netzwerk verfügt über einen kryptographischen privaten Schlüssel. Wenn ein Benutzer Geld ausgeben möchte, muss er diesen privaten Schlüssel verwenden, um eine Nachricht zu signieren, die angibt, an wen er das Geld senden möchte und wie hoch der Betrag sein soll.

Diese Nachricht sendet er an das Netzwerk.

Nehmen wir an, Alice hat eine digitale Münze, ein “TOKEN”, hier dargestellt durch die Binärzahl 01000101. Sie kann diesen Wert an Bob übertragen, indem sie ihm eine Nachricht mit dieser Zahl schickt, so dass Bob eine Kopie der Zahl und damit des Wertes hat.

Das Problem dabei ist natürlich, dass nichts Alice daran hindert, die gleiche Zahl an einen anderen Benutzer oder sogar an viele andere Benutzer zu senden.

Ein digitaler Wert kann also nicht einfach als eine Zahl dargestellt werden, die beliebig oft weiter gegeben werden könnte. Es muss also irgend ein “Kontrollorgan” da sein, das aufpasst, dass EIN Dollar auch nur EINMAL AUSGEGEBEN werden kann.

Eine zentrale Datenbank würde dieses Problem lösen. Schickt Alice ihren Dollar an Bob, wird dort vermerkt, dass Alice ihn nicht mehr hat. Möchte sie ihn ein zweites Mal schicken, wird diese Transaktion verweigert.

ABER:

Es gibt einige Probleme, die mit einer zentralen Datenbank verbunden sind

• alle Benutzer müssen sich zuvor bei einem zentralen Server registriert haben. Somit kennt die zentrale Datenbank die Identitäten aller Benutzer und sammelt deren finanzielle Historie.
• eine zentrale Datenbank ist auch ein leichtes Ziel für Angriffe, entweder durch Insider oder durch Außenstehende.
• Wenn ein Angreifer die Kontrolle über die Datenbank erlangt, kann er die Eigentumsverhältnisse aller Gelder ändern, sie also ihren rechtmäßigen Eigentümern stehlen. Oder er könnte neues Geld (neue Token) erstellen und sie sich selbst zuweisen.
• Der vielleicht größte Nachteil eines zentralen Servers ist die Störanfälligkeit: er stellt einen Single Point of Failure dar:

In unserem derzeitigen Finanzsystem sind dieses Kontrollorgan die Zentralbanken. Einer der Grundgedanken der Entwickler der Cryptocurrencies war es jedoch, genau auf diese Zentralorgane zu verzichten.

Was ist die “Blockchain”?

Im Zentrum des Bitcoin-Netzwerks steht die dezentrale Datenbank. Sie bildet quasi das “Hauptbuch” , das den Kontostand jedes Bitcoin-Nutzers enthält. Diese Datenbank wird auf jedem Rechner des Netzwerks gespeichert.

Bitcoin identifiziert Benutzer durch große Zeichenfolgen aus Buchstaben und Zahlen wie „13mckXcnnEd4SEkC27PnFH8dsY2gdGhRvM“. Die Adresse ist der öffentliche Teil eines öffentlich-privaten kryptografischen Schlüssels.

Der private Teil des Schlüssels befindet sich unter der Kontrolle des Benutzers. Wenn ein Benutzer (Alice) einem anderen Benutzer (Bob) etwas Geld schickt verwendet ihren privaten Schlüssel, um eine Nachricht mit den Worten „Ich möchte 1 bitcoin an 1gr6U6 senden…“ zu signieren, die sie an das Netzwerk sendet.

Diese Nachricht erhalten gleichzeitig ALLE Benutzer (Knoten) im Netz.

Nach dem Empfang von Alices Nachricht folgen die Knoten im Netzwerk diesen Schritten:

• Sie überprüfen, ob die Signatur korrekt ist. Wenn dies nicht der Fall ist, weisen sie die Nachricht zurück.
• Sie prüfen, ob die sendende Adresse über genügend Guthaben verfügt, um die Transaktion durchzuführen, sonst wird die Transaktion als ungültig betrachtet.
• Sie prüfen, ob die sendende Adresse über genügend Guthaben verfügt, um die Transaktion durchzuführen, sonst wird die Transaktion als ungültig betrachtet.

Ein wichtiges Detail ist, dass die Knoten im Netzwerk weder die Identität von Alice noch von Bob kennen, da die Benutzer nur durch ihre Adressen identifiziert werden.

Bitcoin-Benutzer werden durch ein Pseudonym identifiziert: Bitcoin bietet Pseudonymität. Bitcoin bietet aber keine Anonymität!

Es ist eine übliche Fehlmeinung, dass ich im Internet völlig anonym bin, nur weil ich meinen Namen und meine Postadresse nicht angeben muss. Es werden keine personenbezogenen Daten hinterlegt, doch Bitcoin kann anhand der Pseudo-Adressen auslesen, wer ein Geschäft abgewickelt hat. Auch die Vorläufe können rekonstruiert werden.

So können gezielt die Empfänger auf Nachfrage von staatlichen und gesetzlichen Organisationen ermittelt werden und an die fordernde Behörde weitergeben werden.

Diese Adressen werden allerdings nicht zentral durch das Netzwerk vergeben. Sie werden in den Geräten der Benutzer erstellt, wenn die Bitcoin-Software läuft, die die kryptographischen öffentlichen und privaten Schlüssel generiert.

In einem zentralisierten System werden die Gelder von einer zentralen Instanz gehalten, die auch die Mittel besitzt, diese Gelder zu kontrollieren oder zu sperren. Im Gegensatz dazu befinden sich in einem dezentralen System die privaten Schlüssel, die den Zugriff auf die Gelder ermöglichen, ausschließlich in den Händen der Endbenutzer.

Diese verteilte Datenbank von Bitcoin wird Blockchain genannt.

Transaktionen werden in Blöcken zusammengefasst und etwa alle 10 Minuten gruppiert. Diese Blöcke von Transaktionen werden dann nacheinander in einer Kette von Blöcken aufgezeichnet, daher der Name Blockchain.

Das Schema zeigt EINEN Block der Blockchain:

Zunächst enthält jeder Block

• eine Gruppe von (gültigen) Transaktionen
• den Hash des vorherigen Blocks und
• eine “Nonce”. Diese Nonce im Block dient als Prüfsumme der Transaktionen.

Jeder Block enthält außerdem eine spezielle Transaktion, die Coinbase genannt wird. Die Coinbase ist die erste Transaktion in einem Block. Sie hat nur einen Transaktionsinput, der eine besondere Bedeutung als Reward (Belohnung) beim sog. “Mining” hat.

Warum ist diese Blockchain so sicher?

Das wichtigste Element ist der Hash des Blocks, der aus den Daten der Transaktionen im Block errechnet wird. Dieser Hash ist ein wesentliches Merkmal der Sicherheit. Es ist denkbar unmöglich, die Daten im Block zu ändern, ohne dass dies weitreichende Folgen hätte:

Die Manipulation eines Blocks innerhalb einer Blockchain führt dazu, dass sich der Hash des Blocks ändert. Diese Änderung macht den folgenden Block, der ja auf den Hash des ersten Blocks zeigte, ungültig. Tatsächlich macht die Änderung eines einzelnen Blocks alle folgenden Blöcke ungültig. Dieser Aufbau verleiht der Blockchain ein hohes Maß an Sicherheit.

Etwa in 10-Minuten Abständen wir dann der jeweils nächste Block angefügt. Dieser ist mit dem vorherigen verkettet. Dabei bleiben alle vorherigen Transaktionen erhalten. Die Kette wird also länger und länger, es werden keine Glieder daraus entfernt.

Das geschieht, wenn jemand einen neuen Block im Netzwerk erstellt:

1. Der neue Block wird an alle Nodes im Netzwerk gesendet.
2. Jeder Knoten verifiziert dann den Block und stellt sicher, dass er nicht manipuliert worden ist.
3. Wenn alles in Ordnung ist, fügt jeder Knoten diesen neuen Block zu seiner eigenen Blockchain hinzu.

Diese Methode mag im Vergleich zu einer regulären relationalen Datenbank eine recht seltsame und aufwendige Art sein, Informationen aufzuzeichnen. Die Blockchain wurde entwickelt, um gegenüber Angreifern im Netzwerk widerstandsfähig zu sein.

Blöcke sind miteinander verkettet, um eine Aufzeichnung der Transaktionshistorie zu erstellen, die nicht verändert werden kann. Die Verbindung zwischen den Blöcken ist eine kryptografische Verbindung, die nicht gefälscht werden kann, es sei denn, der Angreifer hätte enorme Rechenressourcen und Zeit zur Verfügung. Da eine Kopie dieser Transaktionen auf allen Nodes des Netzwerks vorhanden ist, müsste der Angreifer gleichzeitig die Daten aller Nodes verändern.

Zusammenfassung

In diesem Video habe ich versucht, dir das Prinzip der Blockchain, des grundlegenden Hintergrunds der Bitcoin-Technologie näherzubringen. Ich habe versucht, es so einfach wie möglich darzustellen. Die Wirklichkeit ist nämlich, was die dahinterstehende Technologie betrifft, noch um einiges komplizierter.

Mit der Blockchain liegt eine Technologie vor, die weitgehend gegenüber Angriffen und Manipulationen von außen abgesichert ist. Ich sage “weitgehend, denn ob es eine absolute, 100%ige Sicherheit geben kann, wird die Zukunft zeigen.

Der wesentlichste Aspekt dieser Technologie ist: eine Zentrale Instanz wird durch sie unnötig. Dies erhöht zum einen die technische Zuverlässigkeit. Sowohl der Single Point of Failure wird ausgeschlossen als auch die Möglichkeit eines Angriffer, an einem zentralen Punkt das System in den Abgrund zu reißen.

Allerdings geht mit diesem Fehlen einer zentralen Instanz ein neues Problem einher: die Möglichkeit staatlicher und einflussreicher Organe, direkt und unmittelbar alle Aktionen zu überwachen und zu lenken entfällt. Zwar bietet die Blockchain keine Anonymität der Handelnden, alle Transaktionen sind dauerhaft aufgezeichnet und zurück verfolgbar, doch ein unmittelbarer Eingriff wie zum Beispiel die Sperrung eines Kontos oder das rückgängig Machen einer gültigen Transaktion, ist nicht möglich.

Welche Folgen das haben kann, wird die nahe Zukunft noch weisen. Mittlerweile gibt es schon erste Staaten (z.B. die Türkei), die Transaktionen mit Cryptowährungen gesetzlich verboten haben.

Doch nicht nur Staaten, denen nachgesagt wird, dass sie es mit der Freiheit ihrer Bürger nicht so genau nehmen, agieren gegen Cryptowährungen. Am 09.07. schreibt das Magazin t3n in einem Blogbeitrag: “Aus für Electrum, Wasabi und Co.? EU-Entwurf will anonyme Krypto-Wallets verbieten…„

Es wird sich noch viel tun in diesem Sektor, und wie immer wird das bedeuten: DRAN BLEIBEN, denn wer zu spät kommt oder reagiert, den bestraft dann einer. Wer? Wirst schon sehen!

Zum ersten Beitrag dieses Themenbereichs:

Cryptowährungen und Bitcoin — Eine Annäherung an das Thema

… und hier gehts weiter:

bitcoin Mining – welche Technologie und welche Risiken stecken dahinter?

Vorteile:

1. Ausfallsicherheit: Der Ausfall eines oder mehrerer Knoten führt nicht zum Zusammenbruch des Systems.
2. Unveränderlichkeit der Daten: würde eine Partei die Daten verändern, würden sie nicht mehr zu den Daten der nachfolgenden Blöcke passen. Das System wird in diesem Fall die Änderung nicht zulassen.
3. Dezentralität: Es ist keine zentrale Einheit notwendig, die die Daten kontrollieren, überwachen oder ändern könnte; außerdem ist für eine Transaktion kein “Mittelsmann”, also ein zentraler Server, notwendig über den die Daten geschleust werden müssen.
4. Rückverfolgbarkeit: Neue Blöcke werden an die Blockchain angehängt, dabei werden bestehende Blöcke nicht verändert oder gelöscht. Eine Transaktion ist also bis zu den allerersten Ursprüngen zurückverfolgt werden.

Das Prinzip der Blockchain findet bei den Cryptocurrencies Anwendung, bietet jedoch noch wesentlich mehr Einsatzmöglichkeiten (z.B. Gesundheitsdatenbank, Urheberrechtsdaten).

Nachteile der Technologie:

1. Speicheraufwand: Die Daten müssen auf jedem Knoten im Netz gespeichert werden, was im Moment noch technisch unrealistisch ist. Außerdem würde die Internet-Verbindung extrem stark belastet.
2. Performance: Die Verarbeitungsgeschwindigkeit einer Blockchain kommt nicht im Entferntesten an die einer zentralen Datenbank heran. Die Verifikation der Transaktionen und deren Synchronisation brauchen Zeit. Transaktionen müssen von jedem Knoten im Netz unabhängig verarbeitet werden.
3. Kompatibilität: Blockchain-Technologie lässt sich nicht einfach in bestehende IT-Landschaften einbinden, insbesondere wenn viele Legacy-Anwendungen laufen. Unsere, auf eine Microsoft-Monokultur aufbauende EDV-Welt ist der natürliche Feind einer jeden Blockchain.

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Quellen & Literaturempfehlung:

Pedro Franco: Understanding Bitcoins; 1. Aufl. 2015; John Wiley & Sons Ltd, West Sussex, United Kingdom

Online: Website des Magazins t3n z.B. hier: https://t3n.de/tag/bitcoin/, https://t3n.de/tag/blockchain/ und https://t3n.de/tag/kryptowaehrung/

Chart: https://www.tradingview.com/

Grafiken: erstellt mit LibreOffice Draw auf Grundlage v.: Pedro Franco, aaO.

Single Point of Failure: Bild: © Reuters

t3n – Beitrag: https://t3n.de/news/eu-enwtwurf-verbot-anonyme-krypto-wallets-1390795/