Was ist eine Blockchain

Was Sie lernen werden:

1. Was ist eine Blockchain?
2. Warum Vertrauen ein grundlegendes Thema in menschlichen Beziehungen ist
3. Die Merkmale einer Blockchain
4. Wie eine Blockchain funktioniert: Konsens

Eine Blockchain ist eine neue Art, Daten zu speichern. Anstatt Informationen und die Kontrolle darüber an einem Ort (einer Datenbank) zu zentralisieren, speichern Blockchains sie in einem Netzwerk, in dem kein einziger Punkt die Befugnis hat, Datensätze zu ändern, was als Dezentralisierung bezeichnet wird.

Blockchains zeichnen Daten – in Blöcken – auf und speichern diese Daten sicher, indem sie diese Blöcke mithilfe von Kryptographie miteinander verketten, daher Blockchain.

Satoshi Nakamoto – das Pseudonym der Person oder Gruppe, die hinter Bitcoin steht und die wir bereits kennengelernt haben – stellte die Idee einer Blockchain in einem 2008 veröffentlichten Whitepaper (Entwurf) vor. Die Fähigkeit, ein dezentralisiertes Transaktionsbuch zu erstellen, war von grundlegender Bedeutung für die Lebensfähigkeit von Bitcoin – einem neuen digitalen Peer-to-Peer-Geld – und die Lösung des Problems der doppelten Ausgaben.

Mit anderen Worten: Wie kann man ein rein digitales Geld schaffen, das nicht zweimal ausgegeben werden kann und das nicht über ein Finanzinstitut läuft, sondern einfach von Person zu Person über ein verteiltes Netzwerk fließt?

Die Blockchain war ein zentrales Element in Satoshis Lösung, in Kombination mit einer Methode, die sicherstellt, dass nur gültige Transaktionsdaten zu jedem neuen Block hinzugefügt werden – bekannt als Konsensmechanismus.

Das Problem des Vertrauens und der Handlungsfähigkeit

Im allerersten Artikel dieses Abschnitts über die Grundlagen von Kryptowährungen haben wir entdeckt, dass Geld zunächst dazu verwendet wurde, den Handel zu erleichtern. Es erleichterte den Austausch von Waren zwischen zwei Parteien, die sich nicht kannten oder einander nicht vertrauten.

Mit der Ausweitung der Zivilisation und des Handels wurde akzeptiert, dass die einzige Lösung für dieses Vertrauensproblem in großem Maßstab darin besteht, die Macht in den Händen eines ultimativen Schiedsrichters zu zentralisieren.

Monarchen, Generäle, Regierungen oder multinationale Institutionen haben das letzte Wort und die Kontrolle darüber, was fair ist (Recht), wer welche Vermögenswerte besitzt und was diese Vermögenswerte wert sind (Zentralbankwesen).

Diese Regelung hat sich als eher praktisch als optimal erwiesen. Es hat sich immer wieder gezeigt, dass das Vertrauen in eine zentrale Behörde nicht sehr effizient ist – siehe Finanzkrise 2008. Dies ist allgemein als das Principal-Agent-Problem bekannt.

Wie also kann eine Blockchain dieses uralte Problem lösen?

Das ganze Gerede über Regierungen und Autorität klingt vielleicht etwas weit hergeholt. Gehen wir also ein paar Schritte zurück und konzentrieren uns auf die zentrale Frage, wie Blockchains Vertrauen ohne Autorität schaffen.

Zunächst werden wir die einzigartigen Merkmale einer Blockchain aufschlüsseln – wie Daten strukturiert sind – und dann den Prozess beschreiben, mit dem eine Einigung (Konsens) über die Gültigkeit dieser Daten erzielt wird. Der Konsensmechanismus ist das eigentliche Geheimnis der Blockchain, da er die Abschaffung einer Kontrollinstanz ermöglicht.

Abschließend werden wir die Grenzen der Blockchain bewerten und beurteilen, ob die Technologie den ganzen Hype wert ist, was uns zu den letzten beiden Artikeln in diesem Abschnitt über die Einführung von Kryptowährungen und die Grenzen der Kryptowährungen führt.

Die einzigartigen Merkmale einer Blockchain

Jeder Block in einer Blockchain (mit Ausnahme des Genesis-Blocks oder ersten Blocks – mehr dazu später) enthält drei Dinge.

1. Aufzuzeichnende Daten, die durch einen so genannten kryptografischen Hash dargestellt werden.
2. Eine kodierte Darstellung (oder kryptografischer Hash) der Daten des vorherigen Blocks.
3. Ein Zeitstempel, wann der Block der Kette hinzugefügt wurde.

Schlüsseln wir diese drei Dinge auf, was sie sind.

• Daten – Die auf einer Blockchain aufgezeichneten Daten können variieren, je nachdem, wofür die Technologie verwendet wird. Als Währung verwendet Bitcoin zum Beispiel eine Blockchain, um seine Transaktionsdaten aufzuzeichnen – deshalb wird sie auch als Ledger bezeichnet. Andere Verwendungszwecke sind die Verwaltung von Lieferkettendaten, Daten aus dem Gesundheitswesen und Identitätsaufzeichnungen – die Möglichkeiten sind unbegrenzt, solange die Informationen digitalisiert werden können. Der Punkt ist, dass Blockchains viele verschiedene Arten von Daten sicher speichern können.
• Kryptografische Hashes – Ein kryptografischer Hash ist im Wesentlichen eine kodierte (durcheinander gewürfelte) Darstellung einer Information. Es wird eine mathematische Funktion (ein Jumbler) verwendet, um diese Darstellung (Jumble) zu erzeugen, die die bedeutungsvollen Informationen mit dem Hash verknüpft. Wenn ich also die Informationen ändere, ändert sich auch der entsprechende Hash-Wert, da die beiden Dinge durch die Hash-Funktion (Jumble) untrennbar miteinander verbunden sind.

Hier sind einige vereinfachte Beispiele:

Unsere Daten: Y=1,
Wir wenden eine kryptografische Hash-Funktion an (um sie zu verwirren)
Dies erzeugt den Hash Y1.

Wenn ich die ursprünglichen Daten in Y=2 ändere und die Hash-Funktion anwende, ändert sich auch die Hash-Ausgabe und wir erhalten Y2.

Entscheidend ist, dass es trivial ist, zu bestätigen, dass Y2 die korrekte Ausgabe des Hash ist, aber fast unmöglich, herauszufinden, was die Eingabe war.

Dies wird zur Erklärung vereinfacht, weil kryptografische Hashes die Daten, die sie darstellen, verschlüsseln. Die einzige Verbindung zwischen den Daten und dem Hash ist also die mathematische Funktion, die den Hash erzeugt, und nicht irgendein Inhalt.

Hier ein weiteres Beispiel

Eingabedaten Y=1
Anwendung der Hash-Funktion
Hash-Ausgang=dog,
Ändern Sie die Eingabedaten in Y=2
Hash-Funktion anwenden
Hash-Ausgabe=Bäume.

Es gibt keinen erkennbaren Zusammenhang zwischen Hund und Bäumen, sie sind einfach Produkte derselben Hash-Funktion, die aus den Datensätzen Y=1 und Y=2 erzeugt wurde.

In Wirklichkeit handelt es sich bei kryptografischen Hashes um lange Buchstaben- und Zahlenfolgen, die abgesehen von der Darstellung der Daten keinerlei Wörtern oder Bedeutungen entsprechen, sondern eine einheitliche Länge aufweisen. Was die digitale Kryptografie zur Lösung unseres Vertrauensproblems beiträgt, ist eine zuverlässige Methode zur Sicherung von Daten, die keine Autorität oder Gewaltandrohung erfordert.

Zeitstempel – dies ist ziemlich selbsterklärend. Eine Aufzeichnung des Zeitpunkts, zu dem ein einzelner Datenblock zur Kette hinzugefügt wurde. Obwohl einfach, sind Zeitstempel von entscheidender Bedeutung, da sie Blockchains überprüfbare und unveränderliche historische Referenzpunkte geben.

Die Kette unzerstörbar machen

Die Innovation der Blockchain-Technologie besteht darin, dass Blockchains von vornherein resistent gegen rückwirkende Änderungen sind und Daten ohne eine zentrale Behörde sicher speichern können.

Der Prozess beginnt mit der kryptografischen Hash-Funktion. Jeder Block hat eine Hash-Funktion für seine eigenen Daten und eine Hash-Funktion für die Daten des letzten Blocks.

Durch die Verschlüsselung der Daten des vorherigen Blocks in jedem neuen Block entsteht eine Kette, die immer schwerer zu korrumpieren ist; um die Daten eines bestimmten Blocks zu manipulieren oder zu verändern, müssten auch alle nachfolgenden Blöcke verändert werden, damit die Kette gültig bleibt.

Wenn ich die Daten eines bestimmten Blocks ändere, ändert sich der zugehörige Hash – wie in unserem obigen Hundebeispiel – und unterscheidet sich von den Hashes aller nachfolgenden Blöcke, wodurch die Kette ungültig wird.

Aufgrund der Geschwindigkeit der heutigen Computer reicht diese Hash-Funktion jedoch nicht aus, um Blockchains vor Manipulationen zu schützen.

Computer können Hunderttausende von Hash-Funktionen pro Sekunde berechnen und könnten effektiv neue Hashes für alle Blöcke in einer Kette berechnen, um sie wieder gültig zu machen. Daher musste Sastoshi einen Konsens-Mechanismus schaffen – in Anlehnung an frühere Versuche mit digitalem Geld -, der gegen Brute-Force-Angriffe immun war.

Proof-of-Work eingeben

Proof-of-Work ist die zweite Hälfte der Blockchain-Technologie, die in Kombination mit kryptografischen Hash-Funktionen dafür sorgt, dass die Bitcoin-Blockchains sicher sind.

Im Wesentlichen ist Proof-of-Work ein Mechanismus, der die Erstellung neuer Blöcke verlangsamt, indem er Arbeit/Aufwand erfordert, bevor ein Block erzeugt wird. Bei Proof-of-Work muss für jeden neuen Block, der der Kette hinzugefügt wird, ein mathematisches Rätsel gelöst oder berechnet werden.

Das Rätsel selbst ist willkürlich, aber die Anforderung, ausreichend „Arbeit“ zu verrichten – elektrische Energie zu verbrauchen – ist eine Möglichkeit, Leute davon abzuhalten, zu versuchen, die Blockchain durcheinander zu bringen; man müsste mehr Aufwand betreiben, als es gerechtfertigt wäre, dies zu tun.

Dieser Proof-of-Work-Prozess ist so geregelt, dass die Blöcke in einer durchschnittlichen Zeitspanne erstellt werden, die als Blockzeit bezeichnet wird. Bei Bitcoin dauert es etwa 10 Minuten, um einen neuen Block zu erstellen, was, wie in unserem Artikel über die Grenzen von Bitcoin beschrieben, ein Hindernis für die Skalierung darstellt.

Es gibt eine Belohnung für denjenigen, der das Problem löst, um einen Anreiz zu schaffen, dass dies geschieht. Wie wir bereits im Fall von Bitcoin gesehen haben, ist die Belohnung derzeit auf 6,25 Bitcoins festgelegt und wird bis mindestens 2024 gelten (bekannt als Halving).

Dieser Mechanismus bedeutet, dass es für Miner einen wirtschaftlichen Anreiz gibt, neue Blöcke hinzuzufügen, indem sie den erforderlichen Arbeitsaufwand leisten. Außerdem wird verhindert, dass Computer einfach einen Haufen neuer Hashes erzeugen und eine Kette mit falschen Daten in den Blöcken verifizieren.

Bitcoin verwendet Proof-of-Work als Konsensmechanismus, aber es gibt noch viele andere, die beliebtesten sind Proof-of-Stake (PoS) und Delegated-Proof-of-Stake (DPoS).

Diese Mechanismen sind etwas komplizierter und zielen darauf ab, eine effizientere Methode zu sein, um Blockchains zuverlässig sicher zu machen, aber ohne die Anforderung der Arbeit, die im Wesentlichen auf Rechenleistung und Energieverbrauch hinausläuft. Sie sind der Versuch, das Blockchain-Trilemma zu lösen – Skalierbarkeit, Sicherheit und Dezentralisierung.

PoS bedeutet im Wesentlichen, dass man sich an dem Spiel beteiligt, indem man Geld einzahlt, um daran teilzunehmen, während DPoS dasselbe ist, außer dass man die Autorität, die man durch seinen Einsatz über den Blockchain-Konsens erhält, an einen anderen Teilnehmer delegieren kann.

Wie wird der Konsens erreicht?

Wir haben also unsere kryptografischen Hash-Funktionen, die Datenblöcke in einer Kette verbinden. Wir haben unseren Proof-of-Work-Mechanismus, der Anreize für das Hinzufügen neuer Blöcke zu einer Kette schafft und dazu beiträgt, böswillige Akteure zu verhindern, indem für jeden Block ein rechnerischer Nachweis verlangt wird.

Der letzte Weg, wie Blockchains Sicherheit gewährleisten, ist die Verteilung.

Blockchains laufen über ein sogenanntes Peer-to-Peer-Netzwerk (P2P) – wie im obigen Zitat von Satoshi erwähnt.

P2P-Netzwerke sind nicht zentralisiert und werden von einer einzigen Instanz – z. B. einer Regierung – betrieben, sondern bestehen aus einem verteilten Netzwerk von Computern, die alle denselben Regeln (Protokollen) folgen. Auf diese Weise hat jeder der an die Blockchain angeschlossenen Computer Zugriff auf den vollständigen Datensatz (oder die Kette), verhält sich aber auf vorhersehbare Weise.

Jedes Mal, wenn ein neuer Block zur Kette hinzugefügt wird, hat jeder die Möglichkeit, die Daten dieses Blocks auf ihre Richtigkeit zu überprüfen. Jeder Computer, der eine Verbindung zu einer Blockchain herstellt und diese betreibt, wird als Knoten bezeichnet.

Damit ein Block in die Kette aufgenommen wird, müssen mindestens 51 % (eine Mehrheit) aller Knoten zustimmen, dass er korrekt ist. Mit anderen Worten, dass der Arbeitsnachweis gelöst wurde und die Hash-Funktionen alle übereinstimmen. Dies wird als Konsens bezeichnet – die Schaffung einer gemeinsamen Vereinbarung über die Wahrheit in unserer magischen Lösung für unser Vertrauen. Und das alles ohne eine zentrale Autorität.

Um eine Blockchain erfolgreich zu korrumpieren, müssen Sie

1. Alle Blöcke der Kette fälschen.
2. Den Proof of Work für jeden Block neu erstellen.
3. Die Kontrolle über mehr als 50% des P2P-Netzwerks übernehmen.

Dies ist nicht nur fast unmöglich, da die Schwierigkeit mit der Anzahl der Knoten zunimmt, es ist auch wirtschaftlich nicht sinnvoll. Daher sind Blockchains eine sichere und dezentralisierte Möglichkeit, Daten zu speichern, wobei diese Eigenschaften mit dem Wachstum der Blockchains zunehmen.

Blockchain Anwendungsfälle

Nachdem wir nun wissen, wie Blockchains funktionieren, wollen wir uns einige verschiedene Anwendungsfälle der Blockchain-Technologie ansehen.

Die bekannteste Anwendung, für die die Technologie ursprünglich erfunden wurde, ist eine neue Form des Geldes ohne zentrale Kontrolle, die wir heute als Kryptowährung kennen, deren erstes und bekanntestes Beispiel Bitcoin ist.

Durch die Speicherung aller Bitcoin-Transaktionsdaten in einer Blockchain schuf Satoshi Nakamoto die weltweit erste digitale und dezentralisierte Version eines soliden Geldes. Wir haben uns in einem früheren Artikel ausführlich damit befasst, also lesen Sie ihn, wenn Sie eine Auffrischung wünschen.

Seitdem wurde die Blockchain auch in vielen anderen Bereichen außerhalb des Währungsbereichs eingesetzt. Ein weiteres berühmtes Beispiel ist Ethereum.

Im Jahr 2013 schlug der Programmierer Vitalik Buterin in einem Whitepaper vor, dass die Blockchain-Technologie zur Erstellung so genannter intelligenter Verträge verwendet werden könnte.

Im Jahr 2015 wurde die Ethereum-Blockchain ins Leben gerufen, um diese Verträge darauf aufzubauen, einschließlich einer Programmiersprache (Solidity) und einer eigenen Währung (Ether).

Man kann sich das so vorstellen, dass Bitcoin uns programmierbares und dezentralisiertes Geld beschert hat und Ethereum uns programmierbare und dezentralisierte Verträge.

Daraus haben sich viele Anwendungen entwickelt, und neue Branchen sind entstanden. Die derzeit bemerkenswerteste davon ist das dezentrale Finanzwesen oder DeFi, eine experimentelle Form des Finanzwesens, bei der intelligente Verträge (und damit Blockchains) als Vermittler anstelle von Maklern, Börsen oder Banken eingesetzt werden. Weitere Einzelheiten zu Ethereum finden Sie in Artikel 7 – Ethereum – der Weltcomputer.

Das schwächste Glied

Wie wir bereits in unseren Diskussionen über „solides Geld“ gesehen haben, opfert die Bitcoin-Blockchain die Skalierbarkeit für Sicherheit und Dezentralisierung.

Im Gegensatz dazu können zentralisierte und sichere Systeme wie Visa Zehntausende von Transaktionen pro Sekunde verarbeiten, leiden aber unter dem Problem der doppelten Ausgabe und des Vertrauens; Proof-of-Work-Funktionen ermöglichen Vertrauen ohne Autorität, können aber nicht die gleiche Menge erreichen.

Bitcoin verarbeitet derzeit etwa fünf Transaktionen pro Sekunde, Ethereum etwa 15, was die Sache langsam und unpraktisch macht.

Die Ethereum-Gemeinschaft arbeitet derzeit hart daran, dieses Problem mit Ethereum 2.0 zu lösen. Das Hauptziel dieser Open-Source-Entwicklung ist es, die Transaktionskapazität von 15 pro Sekunde auf Zehntausende zu erhöhen, und zwar mit einer Technik, die als Sharding bekannt ist.

Weitere Einzelheiten hierzu sind Gegenstand eines fortgeschritteneren Artikels. Im Moment ist es wichtig, sich daran zu erinnern, dass die Blockchain-Technologie noch in den Kinderschuhen steckt, und obwohl die Technologie sehr vielversprechend ist, befindet sich die Gemeinschaft noch im Prozess der Entwicklung und Anwendung in großem Maßstab.

Viele Projekte bezeichnen sich selbst als Blockchain, weisen aber die hier beschriebenen Merkmale nicht auf, weil sie nicht ohne Weiteres erreicht werden können, und das Prinzipal-Agent-Problem bedeutet immer, dass dort, wo jemand die Kontrolle ausüben kann, die Wahrscheinlichkeit groß ist, dass er dies auch tut, und zwar nicht unbedingt zum Vorteil des Nutzers.

Blockchain ist zu einem Modewort geworden, das manchmal verwendet wird, um Glaubwürdigkeit zu suggerieren, wie in den Dotcom-Tagen, und sinnlose Verweise darauf, dass es sich um ein „Online-Unternehmen“ handelt.

Blockchains & die Zukunft

Sie sollten nun ein grundlegendes Verständnis dafür haben, wie die Blockchain-Technologie in der Praxis funktioniert und warum sie eine so revolutionäre Idee ist. Blockchains sind ein radikaler neuer Weg, um im digitalen Zeitalter Vertrauen zu schaffen, ohne dass eine zentrale Autorität benötigt wird.

Um zu verstehen, welche Auswirkungen Blockchains eines Tages haben könnten, ist es sinnvoll, einen Blick zurück auf die Entstehung der Technologie zu werfen.

Erinnern Sie sich an den Begriff Genesis-Block von vorhin? So wird der erste Block in einer Blockchain genannt. Der Genesis-Block auf der ersten Blockchain, Bitcoin, enthielt die folgende Nachricht:

Eine Anspielung auf die Zeitungsschlagzeile dieses Datums, die eine weitere Rettungsaktion für die Finanzinstitute meldete, die die berüchtigte Finanzkrise von 07/08 verursacht hatten.

Was auch immer Sie vom Hype um die Blockchain-Technologie halten, es besteht kein Zweifel daran, dass sie mit dem Ziel entwickelt wurde, die Funktionsweise der Welt zum Besseren zu verändern, indem sie sich auf das konzentriert, was sie am Laufen hält – Geld.

Eine Blockchain ist ein digitales Hauptbuch für alle Kryptowährungstransaktionen. Sie wächst ständig, da ihr „abgeschlossene“ Blöcke mit neuen Aufzeichnungen hinzugefügt werden. Jeder Block enthält einen kryptografischen Hash des vorherigen Blocks, einen Zeitstempel und Transaktionsdaten. Die Knoten verwenden die Blockchain, um legitime Transaktionen von Versuchen zu unterscheiden, Münzen, die bereits an anderer Stelle ausgegeben wurden, erneut auszugeben.

Eine Blockchain ist eine verteilte Datenbank, die eine sichere, transparente und fälschungssichere Aufzeichnung ermöglicht. Sie ist die zugrunde liegende Technologie hinter Bitcoin und anderen Kryptowährungen und hat das Potenzial, die Art und Weise, wie wir mit der digitalen Welt interagieren, zu revolutionieren.

Jetzt, da Sie ein wenig mehr darüber wissen, was sie tut und wie sie es tut, hoffe ich, dass Sie sehen können, dass Blockchain der Katalysator für Veränderungen in so vielen anderen Bereichen sein könnte, in denen Vertrauen und dessen Missbrauch die Zivilisation zerstört haben.