Wie Blockchain funktioniert

Betrachten Sie die Kette oben, bevor Sie weiterlesen. Jeder Block speichert einen kurzen Fingerabdruck (seinen Hash) seines eigenen Inhalts, und er speichert außerdem den Hash des vorangegangenen Blocks, was die Blöcke genau dadurch zu einer Kette verbindet. Manipulieren Sie Block 2, ändert sich sein Fingerabdruck, sodass Block 3 und Block 4 nicht mehr zu dem Block dahinter passen und als beschädigt aufleuchten. Stellen Sie sich nun ein riesiges Notizbuch vor, das jede jemals getätigte Zahlung auflistet, und stellen Sie sich Tausende Computer vor, die jeweils eine identische Kopie davon führen. Keine Bank besitzt die Hauptversion, niemand kann hineingreifen und eine Zeile ändern, und jeder kann prüfen, ob seine Kopie mit den Kopien aller anderen übereinstimmt. Das ist eine Blockchain. Der Name ist wörtlich gemeint: Es ist eine Kette aus Blöcken, wobei jeder Block ein Bündel von Transaktionen ist und die Blöcke der Reihe nach verknüpft sind. Sie brauchen keinerlei Programmierkenntnisse, um das zu verstehen. Sie brauchen nur ein klares Bild eines gemeinsamen Notizbuchs, das sich nur sehr schwer fälschen lässt, und der Rest dieses Moduls baut dieses Bild Schritt für Schritt auf.

Ein gemeinsames, nur erweiterbares Register

Beginnen wir mit dem Notizbuch. Statt dass eine einzelne Bank es führt, halten Tausende Computer (sogenannte Knoten) jeweils ihre eigene aktuelle Kopie. Das ist gemeint mit „verteilt“, und das verschafft Ihnen zwei Vorteile.

Erstens gibt es keine einzelne Kopie, die gehackt, beschlagnahmt oder verloren werden könnte. Geht ein Knoten offline, lebt das Register weiter auf jeder anderen Maschine, sodass es nichts Zentrales anzugreifen gibt.

Zweitens ist das Register nur erweiterbar (append-only). Sie können am Ende neue Einträge hinzufügen, aber Sie können alte nicht im Stillen löschen oder umschreiben, weil jede andere Kopie Ihnen sofort widersprechen würde. Deshalb wird eine Blockchain als gemeinsame Quelle der Wahrheit bezeichnet: nicht weil eine Autorität dafür bürgt, sondern weil Tausende unabhängige Kopien übereinstimmen müssen.

Wie Blöcke zu einer Kette verknüpft werden

Neue Transaktionen werden gesammelt und zu einem Block gebündelt. Bevor das Netzwerk diesen Block akzeptiert, prüft es ihn gegen die Regeln: Sind die Coins echt, gehören sie dem Absender tatsächlich, sind die Signaturen gültig? Erst dann wird der Block an das Ende der Kette angehängt.

Der raffinierte Teil ist, wie ein Block mit dem nächsten verbunden wird. Jeder Block lässt seinen Inhalt durch eine Hash-Funktion laufen, eine mathematische Funktion, die beliebige Daten in einen kurzen Fingerabdruck fester Länge verwandelt. Jeder neue Block speichert dann den Fingerabdruck des unmittelbar vorangegangenen Blocks. So trägt Block 100 den Fingerabdruck von Block 99, Block 99 den von Block 98, und dieser Verweis reicht bis ganz zum allerersten Block zurück. Die Blöcke werden durch diese Fingerabdrücke aneinandergekettet, und genau diese Verkettung macht Manipulationen an der gesamten Historie erkennbar (warum, sehen Sie gleich).

Wer entscheidet, welcher Block als Nächstes kommt

Wenn niemand das Sagen hat, wie einigen sich Tausende Knoten auf den nächsten Block? Sie folgen einem Konsensmechanismus, einem gemeinsamen Regelwerk, das festlegt, wer den nächsten Block hinzufügen darf. Die beiden, von denen Sie am häufigsten hören werden, sind Proof of Work und Proof of Stake.

Beim Proof of Work (verwendet von Bitcoin) konkurrieren spezielle Knoten namens Miner darum, ein schwieriges mathematisches Rätsel zu lösen. Das Lösen erfordert echten Stromverbrauch und Rechenleistung, und wer als Erster löst, erwirbt das Recht, den nächsten Block hinzuzufügen, und erhält eine Belohnung.

Beim Proof of Stake (von Ethereum seit 2022 verwendet) gibt es kein Rätsel-Wettrennen. Stattdessen hinterlegen Validatoren einen Teil ihres eigenen Kapitals als Einsatz, genannt Stake, und das System wählt teils zufällig und teils nach der Höhe des Stakes aus, wer den nächsten Block hinzufügt. Wer beim Betrügen erwischt wird, kann diesen Stake verlieren.

Beide Ansätze erreichen dasselbe Ziel, ehrliche Übereinstimmung ohne zentrale Instanz, mit demselben Trick: Sie machen Betrug teuer.

Warum das Register so schwer zu fälschen ist

Drei Faktoren summieren sich dazu, eine Blockchain sehr schwer fälschbar zu machen.

• Hash-Verkettung. Ändern Sie auch nur eine alte Transaktion, ändert sich der Fingerabdruck dieses Blocks, was den Verweis in jedem nachfolgenden Block bricht. Die Manipulation versteckt sich nicht, sie leuchtet auf.
• Verteilte Kopien. Ihre gefälschte Version muss sich gleichzeitig gegen Tausende ehrliche Kopien durchsetzen, und die Mehrheit gewinnt.
• Die Kosten des Angriffs. Um die jüngste Historie tatsächlich umzuschreiben, müsste ein Angreifer mehr als die Hälfte der Mining-Leistung oder des Stakes im Netzwerk kontrollieren, die gesamte betroffene Arbeit erneut leisten und dabei schneller sein als alle anderen zusammen. Das ist der berüchtigte 51-Prozent-Angriff, und in einem großen Netzwerk ist er so teuer, dass er sich in der Regel nicht lohnt.

Beachten Sie, was hier eigentlich die Arbeit leistet. Sicherheit entsteht nicht dadurch, dass ein vertrauenswürdiger Wächter das Hauptbuch überwacht. Sie entsteht dadurch, dass Unehrlichkeit mehr kostet, als sie jemals einbringen könnte.

Kurzer Wissenscheck

Was bedeutet „nur erweiterbar“ (append-only) für eine Blockchain? Sie können neue Einträge am Ende des Registers hinzufügen, aber Sie können bestehende nicht im Stillen löschen oder umschreiben, weil jede andere Kopie des Hauptbuchs Ihrer veränderten Version widersprechen würde.

Wie werden einzelne Blöcke zu einer Kette verknüpft? Jeder Block speichert den Hash (den Fingerabdruck) des vorangegangenen Blocks. Dieser Verweis reicht bis zum ersten Block zurück, sodass eine Änderung an einem alten Block die Verknüpfung in jedem nachfolgenden Block bricht.

Warum ist ein 51-Prozent-Angriff auf einem großen Netzwerk so schwer durchzuführen? Um die jüngste Historie umzuschreiben, müsste ein Angreifer mehr als die Hälfte der Mining-Leistung oder des Stakes im Netzwerk kontrollieren, die gesamte betroffene Arbeit neu erledigen und dabei immer noch schneller sein als das gesamte ehrliche Netzwerk. Auf einer großen Chain ist das so teuer, dass es sich selten lohnt, es zu versuchen.

Quellen

• NIST, "IR 8202: Blockchain Technology Overview", Definition einer Blockchain als verteiltes, nur erweiterbares Hauptbuch aus hash-verketteten Blöcken, das über viele Knoten kopiert wird.
• ISO, "ISO 22739: Blockchain and distributed ledger technologies - Vocabulary", wie eine gemeinsame Datenbank über viele Knoten hinweg ohne zentralen Administrator repliziert und synchronisiert wird.
• bitcoin.org, "Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System" (Satoshi Nakamoto), warum Miner Rechenleistung und Energie aufwenden, um Blöcke hinzuzufügen und die Belohnung zu erhalten.
• ethereum.org, "Proof-of-stake (PoS)", wie Validatoren proportional zu dem von ihnen eingesetzten Kapital ausgewählt werden, das bei Betrug verfallen kann.
• ethereum.org, "The Merge", Ethereums Wechsel zu Proof of Stake am 15. September 2022 und die Senkung des Energieverbrauchs um etwa 99.95%.
• bitcoin.org, "Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System" (Satoshi Nakamoto), der 51-Prozent-Angriff und warum das Umschreiben der Historie in einem großen Netzwerk unerschwinglich teuer ist.