Kryptowährungen verstehen, selbst kreieren

Blockchain-Technologien im Detail

Dr. Thomas Kaltofen ist Diplom-Chemiker und promovierte mit einem biophysikalischen Thema an der Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg. Neben einem Forschungsaufenthalt an der Chalmers Universität Göteborg beschäftigte er sich intensiv mit Datenbanken und C#-Programmierung am Fraunhofer Institut IPA in Stuttgart. Dr. Kaltofen ist freiberuflicher Experte für Blockchain-Anwendungen in der Chemie- und Pharmabranche.
Dieser Artikel betrachtet Ausprägungen von Blockchains, es werden Mining-Prinzipien diskutiert und die Erstellung einer eigenen Kryptowährung beschrieben.

Während in den bisher erschienenen Artikel Grundlagen und Use Cases vorgestellt wurden, soll dieser Beitrag technische Details der Blockchain erläutern. Abschließend soll in diesen Artikel erklärt werden, wie man selbst eine eigene Kryptowährung entwirft und implementiert.

Die Bitcoin Blockchain nutzt das Proof-of-Work-Prinzip. Dabei werden die Miner für das Erstellen und die Verschlüsselung einens neuen Blockes mit Bitcoins belohnt. Größter Nachteil ist der große Energiehunger. Andere Prinzipien wie Proof of Stake sind wesentlich umweltfreundlicher ("Green Mining").
Die Bitcoin Blockchain nutzt das Proof-of-Work-Prinzip. Dabei werden die Miner für das Erstellen und die Verschlüsselung einens neuen Blockes mit Bitcoins belohnt. Größter Nachteil ist der große Energiehunger. Andere Prinzipien wie Proof of Stake sind wesentlich umweltfreundlicher ("Green Mining").
Foto: FabreGov - shutterstock.com

Was ist eine Blockchain?

Die Blockchain ist eine neuartige Technik zum Speichern von Daten. Sie erlaubt das sichere Management von Informationen jeglicher Art. Elementare Einheiten dieser Technologie sind Transaktionen, die verifiziert, validiert und zu Blöcken zusammengefasst werden. Diese Blöcke werden anschließen verkettet und die Datenbank wächst somit linear weiter.

Die Blockchain hat das Potential, große Teile der Wirtschaft umzuwälzen und neu zu ordnen. Die Blockchain Datenbank kann als absolut manipulationssicher angesehen werden, da die Blöcke mit einer Hash-Funktion aufwendig verschlüsselt werden und Kopien der Datei im Internet verbreitet werden.

Arten von Blockchains

Im Prinzip unterscheidet man Blockchains zwischen einer privaten und einer öffentlichen Variante, wobei es noch die Konsortium-Blockchain als Mischform gibt. Dieser Abschnitt erläutert die Arten und geht kurz auf die jeweiligen Vorteile ein.

Öffentliche Blockchains (Public Blockchains)

Eine öffentliche Blockchain ist ein offenes System, bei dem jeder Teilnehmer in der Welt die Daten einsehen, Transaktionen ausführen und deren Richtigkeit nachvollziehen und anderweitig an dem Konsensprozess (englisch consensus process) teilnehmen kann.

Der Konsensprozess bestimmt, welche Blöcke zu der Kette angefügt werden und was deren aktueller Zustand ist. Öffentliche Blockchains sind durch Krypto-Ökonomie (englisch cryptoeconomics) gesichert, dabei handelt es sich um eine Kombination aus wirtschaftlichen Anreizen und kryptografischen Verschlüsselungsmethoden. Diese Mechanismen sind unter anderem bekannt als "Proof of Work", "Proof of Stake". Die verschiedenen Mining-Prinzipien werden in diesen Artikel vorgestellt. Diese Mechanismen folgen den allgemeinen Grundsatz, dass das Ausmaß, in dem jemand im Konsensprozess Einfluss nehmen kann, proportional zur Menge der wirtschaftlichen Ressourcen ist, die sie tragen können. Diese Blockketten gelten generell als "vollständig dezentralisiert".

Konsortium-Blockchains (Consortium Blockchains)

Die Konsortium-Blockchain ist eine Blockchain, bei welcher der Konsensprozess durch einen vorgewählten Satz von Knoten gesteuert wird. Ein Konsortium ist ein Unternehmenszusammenschluss mehrerer rechtlich und wirtschaftlich selbständig bleibender Unternehmen zur Durchführung eines vereinbarten Geschäftszwecks.

Für die Blockchain kann man sich zum Beispiel ein Konsortium von 15 Finanzinstituten vorstellen. Jeder dieser Teilnehmer betreibt einen oder mehrere Knoten. Das Recht, die Blockchain zu lesen, kann als öffentlich deklariert oder auf bestimmte Teilnehmer beschränkt werden. Ferner gibt es auch sogenannte Hybrid-Routen, die auch als Wurzelhashes der Blöcke bezeichnet werden. Diese Blockchains werden auch als "teilweise dezentralisiert" betitelt.

Private Blockchains (Fully Private Blockchains)

Als Alternative zu den öffentlichen Blockchains wurden verschiedene Blockchains geschaffen, bei denen die Transaktionen durch vertrauenswürdige Instanzen validiert werden. Dies kann auch dadurch erreicht werden, dass der Zugriff auf die Blockchain selbst auf eine kleinere Zahl vertrauenswürdige Benutzer eingeschränkt wird. Solche Blockchains werden als private Blockchains bezeichnet und ermöglichen die Vergabe von Zugriffsrechten auf die Blockchain.

Vergleich Öffentliche/Private/Konsortium-Blockchain

Öffentliche Blockchain

Konsortium-Blockchain

Private Blockchain

Sicherheit

Proof of Work/Proof of Stake

durch Satz von Knoten gesteuert

vorab festgelegte Nutzer

Zugriff

offener Schreib- und Lesezugriff

vom Konsortium gesteuert

Berechtigungsvergabe für Schreib- oder Lesezugriff

Geschwindigkeit

langsam

schneller

sehr schnell

Identität

anonym/pseudonym

anonym oder öffentlich

bekannte Identitäten

Blockbildung in der Blockchain - Das Mining

Das Mining (deutsch Schürfen) bezeichnet die Produktion des Blockes. Es ist ein wesentlicher Schritt in der Abwicklung des Blockchain-Prozesses. Das Mining ersetzt die zentrale Institution (etwa eine Zentralbank), die sonst neue Einheiten einer Währung ausgibt. Die gängigste Technik, die auch bei der Kryptowährung Bitcoin angewandt wird, ist das sogenannte "Proof of Work". Dabei muss der Miner ein schwieriges, mathematisches Rätsel lösen um zum Zug zu kommen. Dabei konkurrieren verschiedene Miner miteinander.

Wer das Rätsel zuerst gelöst hat, kommt zum Zug und erhält für seinen Dienst eine Gebühr in Form von Bitcoins. Für diese Technik werden enorme Rechenleistungen benötigt, was mit einem immensen Stromverbrauch einhergeht. Im Folgenden werden weitere Techniken besprochen.

Proof of Work (PoW)

Mit Bitcoin, das die Blockchain-Technologie populär gemacht hat, wurde der sog. "Proof of Work"-Algorithmus (PoW) entwickelt. Da es sich bei Bitcoin um eine öffentliche Blockchain mit sich gegenseitig nicht bekannten Teilnehmern handelt, bestehen hohe Anforderungen an die Sicherheit und Funktionsfähigkeit des Algorithmus. Prinzipiell kann jeder Teilnehmer im Bitcoin-Netzwerk an der Blockerzeugung mitwirken. Das PoW-Konzept ist dabei so konstruiert, dass ungefähr alle zehn Minuten irgendein Teilnehmer des Systems die in dieser Zeit bei ihm angelangten Transaktionen zu einem nicht mehr veränderbaren Block zusammenfasst. Dieser wird dann an alle verteilt und ist schließlich Teil der kollektiven Blockchain. Der Empfänger einer Transaktion muss also so lange warten, bis er einen Block bekommt, der die Transaktion enthält. Dann ist sie beglaubigt.

Um die Teilnehmer des Bitcoin-Systems zum Erzeugen der Blöcke zu bewegen, wird für jeden Block, der Bestandteil der Blockchain wird, eine Belohnung in Form einer festgelegten Anzahl an Bitcoins gewährt. Diese Bitcoins werden zu genau diesem Zeitpunkt erschaffen. Derjenige, der zuerst einen Block erzeugt, bekommt als Einziger die Belohnung. Zusätzlich erhält der Miner die in den Transaktionen enthaltenen Transaktionsgebühren. Der Algorithmus passt sich den Schwierigkeitsgrad automatisch an die am Mining beteiligte Rechenleistung an. Je mehr Teilnehmer also an dem Mining teilnehmen beziehungsweise je stärker deren Rechenleistung ist, desto schwieriger wird die Aufgabe. Größter Kritikpunkt am PoW ist der immense Stromverbrauch, da enorme Rechenleistungen nötig sind um das Rätsel zu lösen.