Blockchain Grundlagen

Alles was digital ist, können wir kopieren. Eine PDF-Datei auf deinem Laptop. Deine privaten Fotos auf dem Smartphone teilst du über Bluetooth. Das ist einfach und auch gut so. Schnell und unkompliziert. Doch eine Sache möchtest du und andere nicht in der digitalen Sphäre sehen.

Ein Hacker hat Zugriff auf dein Bankkonto. Dieser „kopiert“ dein Kontowert von – sagen wir 1000 Euro. Er möchte nicht, dass du es mitbekommst, dass er über dein Konto Waren kauft. Da verändert er das System der Bank so, dass er in der Lage ist dein Geld „doppelt“ auszugeben. Keiner bekommt das mit. In der Realität ist das nicht so einfach. Es gibt eine Buchführung, Kontenabgleich etc., das solche Dinge vermeidet. Daher brauchst du deine Bank, die du „vertraust“, dass sie alles richtig macht und auf dein Geld aufpasst.

Es gibt also gewisse digitale Daten, die wir sicherstellen möchten, dass diese konsistent bleiben und nachweislich dein digitales Eigentum sind. Du möchtest nicht, dass jemand anderes deine Identität stiehlt, um Zugriff auf dein digitales Eigentum zu erlangen. Dieses „Kopier“-Problem, Double Spending Problem, hat Satoshi Nakamoto mit dem Bitcoin-Protokoll erstmals gelöst. Das ist essentiell zu verstehen und zu wissen!

Das Wort „Hash“ kommt aus dem Englischen und bedeutet „zerhacken“. Ein Hash-Algorithmus (oder auch Hash-Funktion) erhält Eingabewerte und zerhackt diese in kleine Stücke und spuckt am Ende eine Zeichenkette aus, die meistens ein fest Länge hat. Um das zu verdeutlichen, öffne die Seite hashgenerator.de in einen separaten Browser-Tab auf. Gebe deinen Namen in das Feld „Deine Nachricht“ ein und beobachte was passiert.

Das Ergebnis hat immer den gleichen Wert, wenn die Eingabe identisch ist. Jede Veränderungen der Eingabe ergeben einen komplett neuen Hash-Wert.

Was hat das alles für einen Sinn? Hast du schon mal Software aus dem Internet heruntergeladen? Da wird manchmal die Checksumme angezeigt. Diese Angabe ist nichts anderes als ein Hash der Datei. Diese kannst du bei dir lokal auf dem Rechner gegenprüfen. Mit der Kommandozeile oder einem Hilfsprogramm kannst du den Hash-Wert der heruntergeladenen Datei berechnen lassen und vergleichst den Wert mit dem, des Software-Herstellers.

Auf diese Weise kannst du dir sicher sein, dass keine andere Person die Software evtl. manipuliert hat oder bei der Datenübertragung Fehler passiert sind.

Ein Hash-Wert ist somit ein Fingerabdruck von digitalen Informationen.

Nein, wir stempeln nicht die Zeit. In der Informatik werden Zeitstempel vielseitig angewendet. Zum Beispiel in Datenbanken. Nehmen wir an, du hast eine Exceltabelle, in dieser erfasst du jeden Tag in einer neuen Zeile deine Arbeitszeit. Die Personalabteilung hat auch Zugriff auf die Tabelle und sieht an Hand der Datum- und Uhrzeit-Spalte, von wann bis wann du gearbeitet hast.

Doch wann hast du den Eintrag exakt gespeichert? Dass du eine Zeiterfassung an einem Sonntag um 0:12:55 Uhr erledigt hast,  das steht nicht in einer Spalte.

In einer Datenbank und Software lässt sich dieses einfach umsetzen. Wir speichern alle Zeiten von neuen Einträge und Veränderungen in einer separaten Spalte oder in eine Log-Datei. Hierzu generiert das System, in unserem Fall dem Bitcoin-Protokoll ein sogenannten Timestamp (Zeitstempel).

Was können wir mit dem Zeitstempel nun machen? Erinnerst du dich an den Hash-Wert? Zeit verändert sich kontinuierlich und somit auch der Zeitstempel. Wir können den Zeitstempel als zusätzliche Eingabe nutzen, um ein Hash-Wert zu erhalten. Kombinierst du den Zeitstempel mit zusätzlichen Daten wie zum Beispiel dem Betrag einer Überweisung, dann ist diese Hash-Wert ein Fingerabdruck deiner getätigten Überweisung. Du hast die Überweisung mit einem Fingerabdruck „gestempelt“. Und ähnlich funktioniert das auch bei Bitcoin.

Wenn du Geld von einem Geldautomaten abhebst oder jemandem Geld über PayPal schickst, dann löst du eine Transaktion aus. Eine Transaktion mit Euros und anderen nationalen Währungen behinhaltet ein Zielkonto, den Betrag und dein Absenderkonto mit ein paar zusätzlichen Metadaten.

Ähnliche Informationen braucht das Bitcoin Protokoll, um einen Betrag an bitcoin von dir zum Schallplattehändler zu senden. Du hast eine 1.) Bitcoin Adresse für das Ziel zum Beispiel

15vwoaN74MBeF5nr2BH4DKqndEFjHA6MzT

Ebenso braucht eine Bitcoin Transaktion eine 2.) digitale Signatur, die durch dein Wallet erzeugt wird mit deinem privaten Schlüssel. Und natürlich muss in der Transaktion der 3.) Betrag an Bitcoins stehen, die du transferieren möchtest.

All diese Transaktions-Informationen werden verpackt und an einen oder mehreren Computern (Nodes) gesendet, mit dem dein Wallet verbunden ist.

Es gibt verschieden Typen von Transaktionen. Damit du nicht gleich überwältigt wirst mit weiterer Komplexität, bleiben wir erstmal bei dem oben beschriebenen Transkationsvorgang.

Wallets sind mit Nodes verbunden. Sobald deine Wallet eine Transaktion durchführt, leitet eine oder mehrere Nodes deine Transaktion weiter an benachbarten Nodes. Diese Weiterleitung wird so lange durchgeführt, bis alle Nodes im gesamten Computer-Netzwerk deine Transaktionen haben. Auf diesem Weg dahin, wird deine Transaktion von jeder Node überprüft.

Jetzt kannst du dir vorstellen, dass nicht nur deine Transaktion im Netzwerk herumschwirrt sondern Tausende andere Transaktionen auch. Es braucht also eine Lösung, die koordiniert, welche Transaktionen wann durchgeführt wird, damit deine Bitcoins an den neuen Besitzer übertragen wird. Diese Aufgabe übernehmen spezielle Nodes. Diese speziellen Nodes kümmern sich darum, dass Transaktionen geordnet werden und verpacken die Transaktionen in eine Nachricht und teilen allen Nodes mit, welche Transaktionen nun verarbeitet wurden. Diese verpackte Nachricht mit vielen Transaktionen nennt man einen „Block“.

Eine aneinander Reihung dieser Nachrichten, werden daher Blockchain genannt. Wusstest du, dass im Bitcoin Whitepaper nie von einer Blockchain gesprochen wurde? Sondern nur von einer chain of blocks.

Alle Computer, die im Bitcoin Netzwerk existieren koordinieren sich in einem dezentralen Netzwerk und sind auf der ganzen Welt verteilt. Bei der Begriffserklärung ist es wichtig zwei Ebenen zu unterscheiden, die oft verwechselt werden oder sogar manchmal gleich gestellt werden.

Technische Ebene

Bitcoin ist ein dezentrales Netzwerk an Nodes. Jede Node ist wieder mit anderen Nodes verbunden. Spezielle Nodes (sogenannte Miner) haben eine besondere Aufgabe und erzeugen die Blöcke. Auf der technischen Ebene beschreiben wir also die Topologie eines Netzwerkes unabhängig davon wer diese Nodes betreibt.

Organisatorische Ebene

Bitcoin wird von verschiedenen Menschen und Organisationen weiterentwickelt. Es gibt die Bitcoin Foundation, individuelle Entwickler oder privatwirtschaftliche Unternehmer. Es sind Menschen die sich dezentral koordinieren, um die Software Bitcoin weiterzuentwickeln oder es sind Privatpersonen oder Unternehmen, die Bitcoin Nodes betreiben. Wir haben hier also eine dezentrale Organisation des Bitcoin Ökosystems. Bitcoin liegt nicht in einer Hand eines großen Tech-Giganten.

Wenn du also von Distributed Ledger Technologien hörst, dann versuche zu verstehen in welchem Kontext dezentral und distributed genutzt werden. Geht es um die Technologie , die Organisation oder um beides?

Du hast schon einmal an einem Meeting teilgenommen mit mehr als 5 Personen? Es gilt am Ende des Meetings eine gemeinsame Entscheidung für eine Sache zu finden?

Es wird diskutiert, es wird argumentiert und am Ende sollten im idealen Fall, alle für ein Ergebnis entscheiden – einen Konsens finden. Du kannst dir vorstellen, dass der Aufwand und die Zeit einen Konsens zu finden, lange dauern kann je mehr Personen mit gleichem Stimmrecht teilnehmen.

Dieser Prozess der Konsens-Findung gibt es auch in verteilten Systemen und ist ein maßgebliches Merkmal bei Distributed Ledger Technologien.

Ein verteiltes Netzwerk von Computern, muss über eine „Wahrheit“ von Daten abstimmen.

Hast du wirklich 0,0044 BTC an den Plattenhändler transferiert oder gibt es hier jemanden im Netzwerk, der einen anderen Betrag gesehen hat? Gibt es jemanden, der deine Transaktionen verfälscht hat? Wenn ja, welche Transaktion ist die gültige? Die mit 0,0044 BTC oder die gefälschte mit 0,0022 BTC?

Wie wird diese Unstimmigkeit in Bitcoin gelöst? Hierzu braucht es ein Konsens-Mechanismus, der im gesamten Netzwerk valide Transaktionen final in einen Block speichert und somit der Betrag an bitcoins einem neuen Eigentümer zugeschrieben wird. Hierzu braucht es keine Personen, die über die Wahrheit entscheiden, sondern Mathematik und Maschinen-Rechenpower, um die Transaktionen und das Netzwerk abzusichern.