Blockchain, Bitcoin & Co. - so gut erklärt wie selten - 11.03.2021

Blockchain ist nicht nur Bitcoin! Blockchain ist eine Basistechnologie, auf der Systeme mit unterschiedlichen Zwecken errichtet werden können und sie nimmt weiter Fahrt auf. Während sich Inhaber von Krypotwährungen, als bislang bekannteste Anwendung der Blockchain-Technologie, über ein Plus von 300% in 2020 freuen durften, stehen nun auch weitere Branchen in den Startlöchern.

So entwickeln sich zunehmend Startups wie die Shopping-App Wysker oder Krypto-Sammlerstücke wie die CryptoKitties. Im Health Sector starten Plattformen wie Solve.Care, die unkompliziert Zahlungen zwischen Patienten, Ärzten, Apotheken, Versicherern abwickeln. Und  ganz aktuell auf dem Weg, der digitale Impfpass eines Zusammenschlusses von IBM und dem Kölner Startup Ubirch, die den Zuschlag einer EU weiten Ausschreibung erhalten haben.

Mit wachsender Zahl an Blockchains rückt nun auch die Interoperabilität stärker in den Fokus. Zwar basieren sie alle auf der gleichen Grundlage, doch gibt es auch deutliche Unterschiede, die eine nahtlose Zusammenarbeit verhindern. Noch sind die Hürden groß.

Aber welches Prinzip steht eigentlich hinter dieser scheinbar universal anwendbaren, bahnbrechenden Technologie?

Was ist eine Blockchain?

Die Blockchain Technologie ist ein System zum digitalen Transfer von Vermögenswerten. Bei der Blockchain handelt es sich dabei um eine Datenbank, die kontinuierlich alle Transaktionen registriert, die in diesem System getätigt werden - ähnlich einem Kassenbuch in der SAP Buchhaltung eines Unternehmens. Informationen zu Sender, Empfänger sowie Höhe und Art des übersendeten Vermögenswertes werden in einem Datensatz festgehalten. Da es sehr viele Transaktionen und somit viele dieser Datensätze zu verzeichnen gibt, werden sie in Blöcken zusammengefasst und - sobald ein Block eine bestimmte Größe erreicht hat - abgespeichert. Für die folgenden Datensätze wird ein neuer Block eröffnet, mit Informationen befüllt und bei Vollständigkeit ebenfalls abgespeichert. Mit allen folgenden Blöcken wird gleich verfahren, wodurch sich eine Kette an Blöcken ergibt, die immer länger wird - die sogenannte Blockchain. Da jedes Glied der Kette mit einem anderen verknüpft ist, kann es nicht unbemerkt entfernt oder verändert werden. Durch ihre Struktur schützt sich die Blockchain selbst vor Manipulation. Die Verknüpfung der Transaktionen und Blöcke erfolgt mittels Hash.

Exkurs: HASH

Ein Hash ist ein alphanumerischer Code zur Verschlüsselung von Informationen. Jeder Block einer Blockchain hat im Header einen Hash, der seiner eindeutigen Identifizierung innerhalb der Kette dient.

Der erste Block einer Blockchain startet mit einem einzigartigen Hash (z.B. A0). Bei der Erstellung eines neuen Blocks wird der Hash des vorhergehenden Blocks in den neuen Header übernommen und mit dem Hash-Baum des aktuellen Transaktions-Blocks (z.B. T1) kombiniert. Auf diese Weise entsteht ein neuer, längerer Hash (A0 + T1 = A0T1). Dieser kumulierte Hash wird wiederum in den folgenden Block-Header übernommen und dort mit dem Hash des zweiten Transaktions-Blocks (z.B. T2) kombiniert (A0T1 + T2 = A0T1T2).

Durch diesen Transfer enthalten nachgelagerte Blocks immer die Hashs ihrer Vorgänger-Blocks. Der kumulierte Hash gewinnt mit jedem abgeschlossenen Block an Länge.

Vereinfacht kann man sich eine Blockchain wie einen Turm aus Bauklötzen vorstellen. Ein Bauklotz symbolisiert einen Block in der Blockchain, auf den Informationen (Datensätze) geschrieben werden. Sind alle Daten korrekt notiert, wird der Bauklotz platziert. Bauklotz für Bauklotz wächst der Turm so in die Höhe. Möchte nun jemand eine Information auf einem der Bauklötze löschen oder manipulieren, muss dafür der Klotz aus dem Turm entfernt werden - und das würde sofort auffallen, da dann der Turm zusammenstürzt.

Die Bestandteile einer Blockchain

Die Definition der Blockchain ist aber noch nicht vollständig ohne die Nennung weiterer wichtiger Bestandteile neben den Blocks und der Kette an sich. Zum Blockchain System gehören auch die sogenannten “Miner” (englisch für “Bergarbeiter”) und eine systemeigene Einheit zur Entlohnung (meist Coins), die als Entgelt für die Miner dient.

Miner

Miner sind für den Fortbestand des Systems essentiell. Sie überprüfen neue Informationen und speichern diese ab. Desweiteren stellen sie die Hardware zur Verarbeitung der Daten zur Verfügung. Die zahlreichen Miner stehen über ein Netzwerk alle miteinander in Verbindung. Theoretisch kann jeder ein Miner werden, der einen Computer besitzt - ganz gleich wo auf der Welt, ob Privatperson oder Unternehmen.

Miner erfüllen zwei grundsätzliche Aufgaben in der Blockchain Technologie:

• Überwachung der Transaktionen
  Die Miner sind der Teil der Blockchain, der für die Richtigkeit der Daten zuständig ist. Alle Miner beobachten alle Transaktionen im System und listen die entsprechenden Datensätze eigenständig auf. Wurden nun so viele Datensätze gesammelt, dass ein Block gefüllt ist, vergleichen die Miner ihre Daten. Treten Unstimmigkeiten auf, wird sich für die Variante des Datensatzes entschieden, den die Mehrheit der Miner unterstützt (Konsensus). Liegen nach der Überprüfung alle Datensätze in korrekter Form vor, werden sie final und unveränderbar gespeichert und als Block der Kette hinzugefügt. Jeder Miner erhält eine Kopie des Blocks, sodass die gesamte Blockchain bei jedem Miner stets synchronisiert ist.
• Bereitstellung der Hardware
  In den bisherigen Erläuterungen handelte es sich beim Blockchain System nur um eine Technologie, deren Abläufe mittels Software prozessiert werden. Für jede Blockchain-Anwendung gibt es individuelle Software, die von jedem heruntergeladen werden kann. Doch dafür benötigt es leistungsfähige Hardware, auf der die Rechenprozesse stattfinden. Auch hierfür sind die Miner zuständig: Sie stellen ihre eigene Hardware dem Blockchain System zur Verfügung.

Die Miner sind über ein internationales Peer-to-Peer Netzwerk miteinander verbunden und stellen die unabhängige Arbeit der Blockchain sicher. Jeder Miner ist ein Knotenpunkt (ein Peer) im System. Mit der Anzahl der Miner wächst auch die Leistungsfähigkeit des Systems. Dies lässt sich an einem einfachen Beispiel verdeutlichen:

• Blockchain System mit zwei Minern: Zwischen A und B findet eine Transaktion statt. A sendet 100 Euro an B. Dieser wiederum behauptet, bei ihm seien nur 50 Euro eingegangen und A solle ihm nochmals 50 Euro schicken. A erkennt, dass B lügt - es steht Wort gegen Wort.
• Blockchain System mit drei Minern: Es spielt sich die gleiche Transaktion zwischen A und B ab und B möchte ebenfalls betrügen, um sein Vermögen zu vermehren. Allerdings hat C, der die Transaktion beobachtet hat, die Manipulation durch B ebenfalls bemerkt. Der Fehler kann aufgedeckt, berichtigt und korrekt abgespeichert werden.

Skaliert man diese Methode auf ein System mit Hunderttausenden, Millionen oder sogar Milliarden von Minern, wird deutlich: Je mehr Miner und Knotenpunkte es gibt, die eine Transaktion beobachten, umso schwieriger ist es, das System zu manipulieren. Hinzu kommt, dass die Miner auf der gesamten Welt verstreut sind. Selbst wenn es gelingen sollte, die Datensätze einzelner Miner zu verfälschen, wird sich dank des demokratischen Mehrheitsprinzips für die Speicherung der korrekten Form entschieden.

Coin

Miner erfüllen extrem wichtige Aufgaben - doch warum sollte sich jemand dazu entscheiden, diese freiwillig zu übernehmen? Die Antwort ist die Bezahlung in Coins oder Tokens (oder einer ähnlichen quantifizierbaren Entlohnungseinheit). Jedes System hat seine eigene Einheit, die in bestimmten Abständen automatisch vom System immer dann generiert werden, wenn ein neuer Block begonnen wird. Diesen Vorgang nennt man “Mining” oder “Schürfen”. Für die Investition, die der Miner tätigt (Zurverfügungstellung der Rechenleistung seines Rechners), erhält er entsprechend seinem Aufwand Coins als Entgelt.

Die Coins unbekannter Projekte sind erst einmal wertlos. Je beliebter die Blockchain-Anwendung wird, umso interessanter wird es zum Beispiel für Dritte, auf der zugehörigen Plattform Werbung zu schalten. Die Werbeplätze können allerdings nur mit der systemeigenen Währung bezahlt werden - dadurch entsteht eine Nachfrage und somit erhalten die Coins der Miner einen Wert. Sie können gegen reale Währungen wie Dollar, Euro und weitere gehandelt werden.

Neben den Minern, die auch Full Nodes genannt werden, gibt es auch Light Nodes. Sie nutzen das System, ohne Hardware zur Verfügung zu stellen. Somit haben sie weniger Investitionen, werden aber auch nicht automatisch an den regelmäßig neu verfügbaren Coins beteiligt.

Die Säulen der Blockchain: Sicherheit in einem weltweit geteilten System

Bestimmte Merkmale machen die Blockchain in ihrer Funktionsweise so einzigartig und revolutionär, dass Experten ihrer Entwicklung eine ähnliche Bedeutung wie der des Internets zuschreiben.

“We have elected to put our money and faith in a mathematical framework that is free of politics and human error.”
– Tyler Winklevoss, Mitentwickler von Facebook

Neue Möglichkeiten für Online-Geschäfte

Die Blockchain hebt die Abwicklung von Geschäftsprozessen auf eine neue Ebene. Durch die innovative Technologie entstehen neue Möglichkeiten, Transaktionen gleichzeitig sicher und schnell durchzuführen:

• Direkter Versand von Werten: Das Internet ermöglicht es, Informationen mit der ganzen Welt zu teilen. Die Blockchain erweitert die Möglichkeiten um das direkte Versenden von Vermögenswerten oder sensiblen Daten, ohne dass ein zwischengeschalteter Mittelsmann notwendig ist.
• Smart Contracts: Durch die Blockchain werden sogenannte Smart Contracts für die Abwicklung von Transaktionen ermöglicht. Ein Smart Contract trägt viel zur Automatisierung von Geschäftsprozessen bei: In die für die Transaktion notwendige Datenbasis sind bestimmte Vertragskonditionen eingearbeitet, die die Erfüllung des Vertrags für die beteiligten Parteien vereinfacht. Ein Beispiel: Der Konsument K bestellt ein Produkt online beim Verkäufer V. K bezahlt das Produkt sofort bei der Bestellung, das Geld wird von einer neutralen Institution aber noch zurückgehalten. V schickt das Produkt an K und sobald letzterer den Eingang des Produktes bestätigt, wird die noch offene Zahlung an V automatisch vom System getätigt.
• Lizenzierungs- oder Zertifikatstechnologien: Der Schutz von Urheberrechten ist für viele Branchen elementar wichtig. Das gilt bekanntermaßen für die Musik- und Filmindustrie, aber auch Produkt- und Fertigungsunternehmen brauchen zukünftig bessere Lösungen, um ihre Produkte im Zuge digitaler Prozesse besser zu schützen. So ist ein Urheber im Zweifel immer in der Beweislast, dass sein „Werk“ von ihm als erstem veröffentlicht wurde. Lizenzierungen auf Blockchain-Technologie ermöglichen sichere Zeitstempel, die diesen Nachweis zweifelsfrei erbringen. Ein weiteres Beispiel für digitale Zertifikate ist der geplante COVID 19 Impfpass, mit dem ein sicherer Nachweis der Impfung gewährleistet wird.

Vorteile der Blockchain

• Leistungssteigerung durch Umsetzung von Transaktionen in wenigen Sekunden, nahezu Echtzeit
• Kostenreduzierung durch die Entfernung von Mittelsmännern
• Risikominderung durch unveränderbare und prüffähige Speicherung von Daten
• mehr Möglichkeiten für Innovationen

Nachteile der Blockchain

• Eingeschränkte Skalierbarkeit (eine Ausweitung des System erhöht Speicherbedarf enorm)
• Aufwendige Verarbeitung durch kryptographischen Verifizierungsprozess
• extremer Bedarf an Rechenleistung und Speicherplatz
• Verfolgung von Transaktionen bis zur Identifizierung einer Person zu rechtlichen und präventiven Zwecken nicht möglich

Die Mission von Bitcoin: Vertrauen in der Finanzbranche schaffen

“Blockchain is the technology and Ƀitcoin is merely the first mainstream manifestation of its potential” – Marc Kenigsberg, Befürworter und Experte für Blockchain und Bitcoin

Marc Kenigsberg, Gründer des Blogs BitcoinChaser.com, korrigiert in diesem Zitat bereits eine falsche Annahme vieler Menschen: Blockchain und Bitcoin sind keine Synonyme füreinander - die Blockchain ist eine Technologie und Bitcoin ein System, welches auf dieser Technologie basiert. Der hohe Zuspruch, den die Kryptowährung genießt, verdeutlicht sehr gut die Brisanz und das Potenzial der Blockchain.

Die Idee hinter Bitcoin war, finanzielle Investitionen vertrauenswürdig und nach dem Crash auf dem Aktienmarkt 2008 wieder attraktiv zu machen.

““The root problem with conventional currency is all the trust that’s required to make it work. The central bank must be trusted not to debase the currency, but the history of fiat currencies is full of breaches of that trust. Banks must be trusted to hold our money and transfer it electronically, but they lend it out in waves of credit bubbles with barely a fraction in reserve. We have to trust them with our privacy, trust them not to let identity thieves drain our accounts.” –Satoshi Nakamoto, Erfinder von Bitcoin

Bitcoin hingegen ist an keine Bankinstitution gebunden - das heißt, Bitcoin “gehört” niemandem. Es gibt keine Zentralbank, die die Ausgabe der Kryptowährung reguliert oder Gebühren für die Eröffnung von Konten erhebt, so wie es bei herkömmlichen Währungen der Fall ist. Dies ist möglich dank der Durchführung der Transaktionen im Peer-to-Peer Netzwerk der Blockchain, bei dem alle Beteiligten miteinander verbunden sind. Jeder ist gleichzeitig “Kunde” und “Banker”. Auf diese Weise lässt die Blockchain Leute ohne besondere Beziehung zueinander zusammenarbeiten, ohne dass sie eine neutrale Zentralautorität konsultieren müssen. Das Vertrauen bei Bitcoin entsteht durch die grundsätzliche Sicherheit des Systems. Die Beteiligten sind anonym, die Datensätze transparent und unveränderbar, Entscheidungen werden über eine demokratische Mehrheit getroffen und es gibt keine zwischengeschaltete Instanz, durch die eine Manipulation möglich wäre. Hinzu kommt, dass Bitcoin nicht durch Inflation gefährdet werden kann, da es nur eine begrenzte Menge Bitcoins gibt.

Interoperabilität: größtes Hemmnis und Potential für die Wirtschaft

Das Innovationstempo im Blockchain-Markt ist rasant und gleichzeitig hoch fragmentiert. Die Konnektivität und Interoperabiltät zwischen Blockchain-Netzwerken stand lange im Wettbewerb zum Innovationsdruck. Vor diesem Hintergrund bestätigt auch eine PwC Analyse unter 600 Blockchain-affinen Führungskräften, diesen Punkt als wesentliches Hemmnis. 45% der Befragten sahen die Konnektivität als große Hürde.

Das dies nicht auf Dauer so bleiben wird, war absehbar. Blockchains müssen miteinander auf eine sichere Art und Weise kommunizieren können, um Transaktionen durchzuführen, Daten auszutauschen und Werte zu übertragen. Hier liegen die größten Effizienzpotentiale und damit das Interesse der Wirtschaft. Heute ist die Verknüpfung der Blockchains untereinander und die Vernetzung mit Fremdsystemen (Bsp. ERP), ein Schwerpunkt auf dem Innovationskalender.

Weitere Anwendungsmöglichkeiten der Blockchain

Systeme auf Basis einer Blockchain sind nicht nur dem Finanzsektor vorbehalten. Zwar stammen von dort die großen Namen der Blockchain Technologie, das Prinzip lässt sich aber auch auf andere Bereiche anwenden. So befassten sich die eher unbekannten Pioniere der Blockchain mit dem branchenübergreifenden Thema der Urheberschaft und Änderungsverfolgung bei Dokumenten.

Blockchains können immer dann zur Anwendung kommen, wenn fortlaufend Daten anfallen und diese sicher vor Veränderung aufbewahrt werden sollen. Generell steht dabei eine bestimmte Art von Vermögenswert im Fokus, zum Beispiel Geld in Form einer bestimmten Währung, materielles oder geistiges Eigentum.

“Anything that can conceive of as a supply chain, blockchain can vastly improve its efficiency- it doesn’t matter if its people, numbers, data, money.” – Ginni Rometty, CEO von IBM

Die folgenden Beispiele zeigen, dass die Blockchain auch über Bitcoin, Ethereum und andere Krypotwährungen hinaus angewendet werden kann:

Shopping
Melanie Mohr entwickelte die Plattform “Yeay”, auf der die Mitglieder der Generation Z als eine Art Influencer agieren und eigenen Content zu ihren Lieblingsprodukten erstellen - als Belohnung gibt es “Word-of-Mouth-Token” (ähnlich Coins).

Eines der bekanntesten deutschen Blockchain-Projekte ist Wysker. Die App soll das Shopping-Erlebnis insbesondere für den jungen Nutzer revolutionieren und Werbetreibenden optimalen Zugang zu ihren Zielgruppen bieten.

Energieproduktion und -verteilung
Brooklyn Microgrid testet ein System zum Handel von Solarstrom unter privaten Produzenten und Verbrauchern, mit dem die Unabhängigkeit von großen Stromkonzernen gewährleistet werden soll.

E-Mobilität
Das Startup Slock.it und der Stromversorger RWE arbeiten an einem portablen Steckdosenadapter zum Laden von E-Autos. Der Adapter berechnet die Kosten für den benötigten Strom und stellt diese dem Autofahrer - nicht dem Besitzer der Steckdose - in Rechnung.

Gaming
EverdreamSoft entwickelt ein System, mit dem Ingame-Vermögenswerte (Sammelgegenstände, Items, Spielkarten und ähnliches) in der Blockchain gespeichert werden und somit vor Angriffen auf den Server des Spielentwicklers sicher sind. Zudem können die Items auch außerhalb des Spiels gehandelt werden.

Logistik
Nachverfolgbarkeit in der Logistik. Im Zuge der weltweiten Warentransporte zu Land, zu Wasser oder in der Luft, müssen Lieferanten, Empfänger, Logistikunternehmen, Zollbehörden und auch Geldgeber auf dem Laufenden bleiben und alle denselben Informationsstand haben. Dafür müssen die entsprechenden Daten für alle einsehbar und doch gut geschützt sein. Genau das ist die Stärke der Blockchain. Sie funktioniert als große, dezentrale Buchhaltung und löst damit viele Probleme: z. B. die Herkunftskontrolle von Gütern und deren Bestandteilen oder Produktpiraterie.

Urheberrechte
Hierfür haben Entwickler bereits eine sogenannte „Documentchain“ entwickelt. Mit dieser dezentrale Blockchain ist es möglich einen sicheren Nachweis über die „Ersterstellung“ eines Werkes zu erbringen und damit die Inhaberschaft eindeutig nachzuweisen.  Fotos, Texte, Musik oder technischen Zeichnungen können manipulationssicher aufbewahrt werden. Darüber hinaus ist eine Direktvergütung für die Streamingnutzung z.B. von Musiktiteln umsetzbar.

3-D Druck 
Digitales Lizenzmanagement basierend auf Blockchain-Technologie, kann dem 3-D Druck zum kommerziellen Durchbruch verhelfen. Denn auch hier geht es um Autorisierung von online verfügbaren „Daten“. Ersatzteile können so schnell vor Ort gedruckt werden, das funktioniert für die Anbieter jedoch nur, wenn die 3-D Druck-Modelle gleichzeitig vor unkontrolliertem kopieren geschützt werden können. Blockchain Lizenzierungsmodelle leisten das.

Sind Blockchains die Zukunft?

Die aktuelle, außergewöhnliche Entwicklung der Blockchain lässt gespannt in die Zukunft blicken: Werden wir in einigen Jahren Blockchain Systeme so selbstverständlich nutzen wie heute das Internet? Ist die Blockchain Technologie trotz ihrer Nachteile langfristig erfolgreich? Oder ist es lediglich ein Hype und der Wert von Bitcoins, anderen Kryptowährungen, Coins und Token verfällt? Die Beobachtung der Entwicklungen zur Blockchain lohnt sich, denn uns erwarten zahlreiche spannende Projekte, die unsere Lebensweise maßgeblich verändern können.

“The Bitcoin technology is key.” — Bill Gates, Mitgründer von Microsoft, Investor und Philantrop