Blockchain einfach erklärt: Wie funktioniert die Technologie?
Die Blockchain zählt zu den wichtigsten Technologien, die sich mit dem Kryptowährungsmarkt entwickelt haben. Meist wird sie mit Bitcoin in Verbindung gebracht, doch ihre Einsatzmöglichkeiten beschränken sich nicht auf digitales Geld. Blockchains können unter anderem zur Speicherung von Daten, Abwicklung von Zahlungen, Ausführung digitaler Vereinbarungen und Bestätigung von Eigentumsrechten genutzt werden.
Für Einsteiger kann die Blockchain kompliziert wirken. Ihr grundlegendes Funktionsprinzip ist jedoch vergleichsweise einfach: Informationen werden in aufeinanderfolgenden Blöcken gespeichert, miteinander verknüpft und den Netzwerkteilnehmern zur Verfügung gestellt.
In diesem Leitfaden erklären wir, was eine Blockchain ist, wie sie funktioniert und weshalb sich die darin gespeicherten Daten nicht ohne Weiteres verändern lassen.
Blockchain: Was bedeutet dieser Begriff eigentlich?
Das Wort „Blockchain“ lässt sich als „Blockkette“ übersetzen. Gemeint ist eine Art digitales Register, in dem Informationen zu Blöcken zusammengefasst und anschliessend in der richtigen Reihenfolge miteinander verknüpft werden.
Jeder neue Block enthält unter anderem Daten zu ausgeführten Vorgängen sowie eine besondere Kennung, die auf den vorherigen Block verweist. So entsteht eine geordnete Kette von Informationen.
Eine Blockchain lässt sich mit einem Buch vergleichen, dem regelmässig neue Seiten hinzugefügt werden. Der Unterschied besteht darin, dass Kopien dieses Buches gleichzeitig auf vielen Computern der Netzwerkteilnehmer gespeichert sein können.
Wie gelangen Informationen in die Blockchain?
Wie Daten gespeichert werden, kann sich je nach Netzwerk etwas unterscheiden. Der grundlegende Ablauf ist jedoch ähnlich.
Zunächst stösst der Nutzer einen Vorgang an, etwa den Versand einer Kryptowährung oder die Ausführung eines Smart Contracts. Die Information zu diesem Vorgang wird an das Netzwerk übermittelt und dort gemäss den geltenden Regeln geprüft.
Nach der Bestätigung kann der Vorgang zusammen mit anderen Vorgängen in einen neuen Block aufgenommen werden. Anschliessend wird der Block an die bestehende Kette angehängt, und die aktualisierte Version des Registers wird an die Netzwerkteilnehmer verteilt.
Vereinfacht gesagt läuft der Prozess wie folgt ab:
- Der Nutzer initiiert einen Vorgang
- Die Information wird an das Blockchain-Netzwerk übermittelt
- Die Netzwerkteilnehmer prüfen, ob sie gültig ist
- Geprüfte Vorgänge werden zu einem Block zusammengefasst
- Der neue Block wird mit den vorherigen Blöcken verknüpft
- Das aktualisierte Register wird im Netzwerk gespeichert
Aus welchen Elementen besteht die Blockchain?
Um die Funktionsweise der Technologie zu verstehen, sollte man einige ihrer grundlegenden Bestandteile kennen.
Datenblock
Ein Block ist eine digitale Sammlung von Informationen. In einem Kryptowährungsnetzwerk kann er eine Liste ausgeführter Transaktionen, den Zeitpunkt ihrer Bestätigung sowie technische Daten enthalten, die für den weiteren Betrieb des Systems erforderlich sind.
Jede Blockchain legt eigene Regeln für die Grösse der Blöcke, die Art der gespeicherten Daten und die Häufigkeit ihrer Erstellung fest.
Verbindung zwischen den Blöcken
Der neue Block bezieht sich auf einen zuvor erstellten Block. Auf diese Weise bilden die aufeinanderfolgenden Elemente des Registers eine chronologische Struktur.
Eine Änderung der Informationen in einem älteren Block würde dessen Verknüpfung mit den nachfolgenden Blöcken beeinflussen. Das ist einer der Gründe, weshalb sich die Historie einer umfangreichen Blockchain nur sehr schwer manipulieren lässt.
Kryptografischer Hash
Ein Hash, auch kryptografischer Hashwert genannt, ist eine Zeichenfolge, die aus bestimmten Daten erzeugt wird. Er lässt sich mit einem digitalen Fingerabdruck vergleichen.
Schon eine geringfügige Änderung der Eingabedaten führt zu einem anderen Hashwert. Dadurch kann das Netzwerk erkennen, dass der Inhalt des Blocks verändert wurde.
Ein Hash ist nicht dasselbe wie eine Verschlüsselung. Er soll Informationen nicht verbergen, sondern einen eindeutigen Prüfwert erzeugen, mit dem sich ihre Integrität kontrollieren lässt.
Netzwerkknoten
Knoten sind Computer oder andere Geräte, die mit der Blockchain verbunden sind. Sie können eine Kopie des Registers speichern, Informationen über neue Vorgänge weiterleiten und die Gültigkeit der Daten prüfen.
Nicht jeder Knoten muss dieselben Aufgaben erfüllen. Einige speichern die vollständige Historie des Netzwerks, andere greifen nur auf einen begrenzten Teil der Informationen zu.
Warum benötigt die Blockchain keine zentrale Datenbank?
In einem herkömmlichen System wird eine Datenbank meist von einer bestimmten Institution, einem Unternehmen oder einem Administrator verwaltet. Diese Stelle legt die Zugriffsregeln und die Art fest, wie Änderungen vorgenommen werden.
In einer dezentralen Blockchain werden Kopien des Registers von vielen unabhängigen Teilnehmern gespeichert. Es gibt daher keinen einzelnen zentralen Server, von dem der Betrieb des gesamten Systems abhängt.
Die Dezentralisierung kann die Widerstandsfähigkeit des Netzwerks gegenüber Ausfällen und Manipulationsversuchen erhöhen. Der Ausfall eines einzelnen Computers führt nicht zum Verlust des gesamten Registers, da sich Kopien davon auch auf anderen Geräten befinden.
Nicht jede Blockchain ist jedoch vollständig dezentralisiert. Der Grad der Dezentralisierung hängt unter anderem von der Zahl der Teilnehmer, dem Verfahren zur Bestätigung von Vorgängen und der Verteilung der Kontrolle über das Netzwerk ab.
Wie einigt sich das Netzwerk auf die gültige Version der Daten?
Die Teilnehmer einer Blockchain müssen sich darauf einigen, welche Vorgänge gültig sind und welchen aktuellen Stand das Register hat. Dazu dienen Konsensmechanismen.
Ein Konsensmechanismus lässt sich als eine Reihe von Regeln beschreiben, nach denen das Netzwerk zu einer Einigung gelangt, ohne dass ein zentraler Administrator erforderlich ist.
Zu den bekanntesten Mechanismen gehören:
- Proof of Work, bei dem Miner Rechenarbeit ausführen
- Proof of Stake, bei dem die Beteiligung an der Bestätigung von Vorgängen mit dem Besitz und dem Hinterlegen bestimmter Vermögenswerte verbunden ist
- Mechanismen in privaten Netzwerken, bei denen nur zugelassene Teilnehmer über die erforderlichen Berechtigungen verfügen
Die einzelnen Lösungen unterscheiden sich hinsichtlich Geschwindigkeit, Energieverbrauch, Kosten und Dezentralisierungsgrad.
Was verbindet Blockchain und Kryptowährungen?
Kryptowährungen nutzen die Blockchain als Register für Guthabenstände und ausgeführte Transaktionen. So kann das Netzwerk prüfen, ob ein Nutzer über die entsprechenden Vermögenswerte verfügt und nicht versucht, dieselben Einheiten mehrfach auszugeben.
Eine Blockchain speichert Coins nicht so, wie ein Computer eine Datei speichert. Stattdessen enthält sie Informationen, anhand derer sich feststellen lässt, welche Vermögenswerte den einzelnen Adressen zugeordnet sind.
Der Zugriff auf Kryptowährungen wird mithilfe kryptografischer Schlüssel gesteuert. Ein öffentlicher Schlüssel oder eine daraus abgeleitete Adresse kann zum Empfang von Vermögenswerten dienen. Mit dem privaten Schlüssel lassen sich Vorgänge autorisieren; er sollte ausschliesslich dem Eigentümer bekannt sein.
Ist jede Blockchain öffentlich zugänglich?
Blockchains können unterschiedliche Zugriffsregeln haben. Meistens werden sie in öffentliche und private Netzwerke unterteilt, es gibt jedoch auch Zwischenformen.
Offene Netzwerke
Eine öffentliche Blockchain ist für einen breiten Nutzerkreis zugänglich. In der Regel kann jeder die gespeicherten Transaktionen einsehen, einen eigenen Knoten betreiben oder Anwendungen nutzen, die in diesem Netzwerk ausgeführt werden.
Zu dieser Kategorie gehören unter anderem Bitcoin und Ethereum.
Öffentliche Netzwerke setzen in der Regel auf Transparenz und Zensurresistenz sowie auf eine Begrenzung der Kontrolle einzelner Akteure.
Netzwerke mit eingeschränktem Zugriff
Eine private Blockchain wird von einer bestimmten Organisation oder einer geschlossenen Gruppe von Teilnehmern kontrolliert. Der Zugriff auf Daten und die Berechtigung zur Bestätigung von Vorgängen können eine entsprechende Genehmigung voraussetzen.
Solche Lösungen können von Unternehmen, Finanzinstituten oder Organisationen eingesetzt werden, die die Distributed-Ledger-Technologie nutzen, zugleich aber die Kontrolle über den Zugang behalten möchten.
Konsortial-Blockchain
Ein Konsortialnetzwerk wird von mehreren zusammenarbeitenden Akteuren verwaltet. Keiner von ihnen hat allein die vollständige Kontrolle über das System.
Dieses Modell kann in Branchen eingesetzt werden, in denen viele Unternehmen eine gemeinsame Datenbank benötigen, diese aber nicht einem einzigen Betreiber überlassen möchten.
Wie entsteht die Sicherheit einer Blockchain?
Die Sicherheit einer Blockchain beruht nicht auf einem einzigen Mechanismus. Sie entsteht durch das Zusammenspiel von Kryptografie, verteilter Datenspeicherung und Regeln zur Konsensfindung.
Zu den wichtigsten Schutzmassnahmen gehören:
- Verknüpfung aufeinanderfolgender Blöcke mithilfe kryptografischer Hashwerte
- Speicherung von Kopien des Registers auf mehreren Geräten
- Überprüfung von Vorgängen nach festgelegten Regeln
- Verwendung digitaler Signaturen
- die Notwendigkeit, vor dem Hinzufügen neuer Daten die Zustimmung des Netzwerks einzuholen
Das bedeutet jedoch nicht, dass jedes blockchainbasierte System automatisch vollständig sicher ist. Fehler können in Anwendungen, Smart Contracts, Wallets oder bei der Aufbewahrung privater Schlüssel auftreten.
Die Sicherheit hängt auch von der Struktur des jeweiligen Netzwerks und der Anzahl der unabhängigen Teilnehmer ab, die es absichern.
Können die in der Blockchain gespeicherten Daten gelöscht werden?
Häufig heisst es, Daten in einer Blockchain seien unveränderlich. In der Praxis bedeutet dies, dass eine nachträgliche Änderung sehr schwierig ist und die Kontrolle über einen erheblichen Teil des Netzwerks erfordern kann.
Unveränderlichkeit sollte jedoch nicht als absolute Garantie verstanden werden. Unter bestimmten Umständen kann es zu einer Reorganisation von Blöcken, einem Protokoll-Update oder einer Aufspaltung des Netzwerks kommen.
In öffentlichen, ausreichend verteilten Blockchains wird die Änderung älterer Einträge mit jedem weiteren Block schwieriger. Je mehr neue Blöcke nach einem Vorgang entstanden sind, desto sicherer gilt er als Bestandteil der Netzwerkhistorie.
Was sind Smart Contracts?
Ein intelligenter Vertrag, also ein Smart Contract, ist ein Programm, das in einer Blockchain ausgeführt wird. Es führt bestimmte Anweisungen automatisch aus, sobald die darin festgelegten Bedingungen erfüllt sind.
Er kann zum Beispiel:
- digitale Vermögenswerte übertragen
- einen Token gegen einen anderen eintauschen
- Vermögenswerte auf mehrere Adressen verteilen
- das Abstimmungsergebnis bestätigen
- einen Kredit abwickeln
- das Eigentumsrecht an einem digitalen Objekt verwalten
Ein Smart Contract muss kein Vertrag im herkömmlichen rechtlichen Sinne sein. In erster Linie handelt es sich um Computercode, der vom Netzwerk ausgeführt wird.
Sein Vorteil liegt in der Automatisierung, doch Fehler im Code können zu Verlusten führen. Deshalb sollten komplexe Smart Contracts gründlich getestet und auditiert werden.
Wofür wird die Blockchain ausserhalb von Kryptowährungen eingesetzt?
Die Blockchain-Technologie kann überall dort eingesetzt werden, wo ein gemeinsames und überprüfbares Register von Informationen benötigt wird.
Verfolgung der Lieferkette
Eine Blockchain kann die einzelnen Transport- und Produktionsschritte von Waren erfassen. Dadurch lassen sich die Herkunft eines Produkts und sein Weg vom Hersteller bis zum Empfänger nachvollziehen.
Digitaler Eigentumsnachweis
In einer Blockchain können Informationen über Rechte an digitalen oder physischen Vermögenswerten gespeichert werden. Beispiele sind Token, die Sammlerstücke, Beteiligungen oder andere Vermögensrechte repräsentieren.
Dokumente und Zertifikate
Hashwerte von Dokumenten können in einer Blockchain gespeichert werden, um ihre Echtheit später nachzuweisen. Dabei muss nicht der vollständige Inhalt des Dokuments veröffentlicht werden.
Dezentrale Finanzen
DeFi-Anwendungen ermöglichen unter anderem den Tausch von Token, die Vergabe von Krediten und die Verzinsung von Vermögenswerten, ohne dass ein traditioneller Vermittler erforderlich ist.
Abstimmungen und Verwaltung von Organisationen
Eine Blockchain kann zur Erfassung von Stimmen und Verwaltung dezentraler Organisationen eingesetzt werden. Die Transparenz des öffentlichen Registers ermöglicht es den Teilnehmern, die Ergebnisse getroffener Entscheidungen zu überprüfen.
Grenzüberschreitende Abwicklungen
Einige Netzwerke ermöglichen die Übertragung digitaler Vermögenswerte zwischen Nutzern in verschiedenen Ländern. Dauer und Kosten eines solchen Vorgangs hängen von der verwendeten Blockchain ab.
Die wichtigsten Vorteile der Blockchain-Technologie
Zu den potenziellen Vorteilen der Blockchain gehören:
- die Möglichkeit, ohne zentralen Administrator zu arbeiten
- Transparenz der Einträge in öffentlichen Netzwerken
- Widerstandsfähigkeit gegen den Ausfall eines einzelnen Servers
- leichtere Überprüfung der Transaktionshistorie
- Möglichkeit zur Automatisierung von Prozessen
- geringerer Bedarf an bestimmten Vermittlern
- weltweiter Zugang zum Netzwerk
Die Bedeutung der einzelnen Vorteile hängt von der Ausgestaltung des jeweiligen Systems ab.
Blockchain und herkömmliche Datenbank: die wichtigsten Unterschiede
Eine herkömmliche Datenbank verfügt in der Regel über einen Administrator, der Informationen ändern oder löschen kann. Ausserdem wird sie häufig auf Servern gespeichert, die einer einzigen Organisation gehören.
Eine Blockchain kann Kopien des Registers auf viele Teilnehmer verteilen und die Möglichkeit begrenzen, die gespeicherte Historie einseitig zu verändern.
Das bedeutet jedoch nicht, dass eine Blockchain immer die bessere Lösung ist. Eine herkömmliche Datenbank kann schneller, günstiger und einfacher zu bedienen sein. Eine Blockchain ist vor allem dann sinnvoll, wenn mehrere unabhängige Parteien ein gemeinsames Register benötigen, die vollständige Kontrolle darüber aber nicht einem einzelnen Akteur überlassen möchten.
Ist die Blockchain anonym?
Eine Blockchain gewährleistet nicht automatisch Anonymität. In vielen öffentlichen Netzwerken kann jeder die Transaktionshistorie einsehen, die einer bestimmten Adresse zugeordnet ist.
Eine Adresse enthält in der Regel weder Vor- noch Nachnamen. Anhand anderer Daten, etwa Informationen, die bei der Nutzung eines bestimmten Dienstes angegeben wurden, kann sie jedoch möglicherweise einer konkreten Person zugeordnet werden.
Aus diesem Grund ist „Pseudonymität“ für viele Blockchains eine treffendere Bezeichnung.
Zusammenfassung
Eine Blockchain ist ein verteiltes Register, in dem Informationen in miteinander verknüpften Blöcken gespeichert werden. Ihre Funktionsweise beruht auf Kryptografie, Konsensmechanismen und dem Zusammenspiel vieler Geräte der Netzwerkteilnehmer.
Diese Technologie hat die Entstehung von Kryptowährungen ermöglicht, kann aber auch Smart Contracts, digitales Eigentum, Zahlungssysteme, Lieferketten und Verfahren zur Bestätigung der Echtheit von Daten unterstützen.
Eine Blockchain beseitigt nicht alle Risiken und ersetzt nicht jede herkömmliche Datenbank. Sie ist jedoch eine nützliche Lösung für Systeme, die Transparenz, unabhängige Überprüfbarkeit und eine Begrenzung der Kontrolle eines einzelnen Administrators erfordern.
Nein. Eine Blockchain ist eine Technologie zur Speicherung und Überprüfung von Daten, während Bitcoin eine Kryptowährung ist, die eine eigene Blockchain nutzt.
Das hängt von der Art des Netzwerks ab. Eine öffentliche Blockchain kann von vielen unabhängigen Teilnehmern betrieben werden, während eine private Blockchain unter der Kontrolle eines einzelnen Unternehmens oder einer geschlossenen Gruppe von Organisationen stehen kann.
In öffentlichen Netzwerken lassen sich die meisten Informationen zu Blöcken und Transaktionen mithilfe eines Blockchain-Explorers einsehen. Bei privaten Blockchains kann der Datenzugriff eingeschränkt sein.
Eine bestätigte Transaktion kann in der Regel nicht wie eine herkömmliche Überweisung storniert werden. Um die Vermögenswerte zurückzuerhalten, muss der Empfänger möglicherweise eine neue Transaktion ausführen.
Keine Technologie bietet vollständige Sicherheit. Eine ausreichend dezentralisierte Blockchain kann sehr widerstandsfähig gegen nachträgliche Änderungen sein. Risiken können jedoch bei Anwendungen, Wallets, Smart Contracts und der Aufbewahrung privater Schlüssel auftreten.
Nutzer können bestimmte Vorgänge offline vorbereiten. Für ihre Übermittlung an das Netzwerk und ihre Bestätigung ist jedoch in der Regel eine Internetverbindung erforderlich.
Die Grösse einer Blockchain nimmt mit jedem neu hinzugefügten Block zu. Vollständige Knoten können die gesamte Historie speichern, während schlankere Anwendungen nur die Informationen abrufen, die sie für bestimmte Aufgaben benötigen.
