Blockchain Summer School 2019: Von der Idee zum Prototyp

Viele Initiativen arbeiten derzeit intensiv an Blockchain-basierten Use Cases, was die Technologie zu einem der vielversprechendsten Innovationstreiber in vielen Branchen macht. Die Konzeption und Implementierung erfordern jedoch Know-how in mehreren Bereichen sowie die Berücksichtigung größerer wirtschaftlicher und gesellschaftlicher Fragen. Die vierte Blockchain Summer School in Kopenhagen, die vom European Blockchain Center und der IT-University Kopenhagen vom 12-16. August organsiert wurde, bildete hierbei den Ausgangspunkt, um Wissenschaftler und PhD-Studenten aus aller Welt zusammenzubringen, in der Blockchain-Technologie auszubilden und praktische Lösungen für verschiedene Branchen zu entwickeln. Neben der Analyse bestehender Geschäftsprozesse und Effizienzsteigerungspotentiale durch Einsatz der Blockchain gab es im Rahmen des Hackathons die Möglichkeit, mit Praxispartnern und Organisationen zusammenzuarbeiten und eigene Blockchain-basierte Prototypen umzusetzen. So zum Beispiel eine Anwendung für das unabhängige CO₂-Monitoring von Nutz- und Passagierfahrzeugen auf der Blockchain / DLT, die ich als Teil eines Projektteams für die Europäische Kommission mitentwickelt habe.  

Hintergründe eines Blockchain-basierten CO₂-Monitorings
Abbildung 1: Anteil unterschiedlicher Transportmedien an den Gesamtemissionen im Verkehrssektor

Die Motivation für ein Blockchain-basiertes CO₂-Monitoring liegt auf der Hand, der Verkehrssektor ist für fast 30 % der gesamten CO₂-Emissionen der EU verantwortlich. Wie in Abbildung 1 dargestellt, wurden 2017 fast 25 % der Treibhausgasemissionen im Verkehrssektor durch den Luft- und Seeverkehr verursacht. Der Straßenverkehr hingegen war für fast 72 % der Treibhausgasemissionen verantwortlich. Von diesen Emissionen entfielen 51 % auf Pkw und 22 % auf schwere Nutzfahrzeuge (EEA, 2019). Infolgedessen hat sich die Europäische Kommission das langfristige Ziel gesetzt, die Verkehrsemissionen bis 2050 um 60 % gegenüber dem Niveau von 1990 zu senken. In einem ersten Schritt dürfen alle neu zugelassenen Personenkraftwagen ab 2021 nur durchschnittlich 95 g CO₂/km ausstossen, entsprechend einem Verbrauch von 3,6 Litern Diesel oder 4,1 Litern Benzin. Jedoch gab es in der Vergangenheit eine erhebliche Diskrepanz zwischen den offiziellen Herstellerangaben und den tatsächlichen Fahremissionen. Im Jahr 2015 mündete dies in den Dieselskandal des Volkswagen-Konzerns. Seitdem ist die Thematik keineswegs aus dem Fokus des öffentlichen Interesses gerückt. Der International Council on Clean Transportation (ICCT) hat sich intensiv mit Emissionen aktueller Modelle beschäftigt und zahlreiche Fahrzeuge relevanter Hersteller analysiert. Nach den neuesten Analysen liegt der tatsächliche Verbrauch auf der Straße für Neufahrzeuge im Jahr 2016 durchschnittlich 42 Prozent über den offiziellen Herstellerwerten (VCD, 2019). Die kommende Verordnung der EU-Kommission sollte daher auf der Grundlage eines Überwachungssystems umgesetzt werden, dass den realen Kraftstoff- und Energieverbrauch misst. Dafür fehlt es derzeit aber an einem EU-weiten System zur Sammlung und Speicherung solcher Informationen. Gemäss den Herstellern und der europäischen Verordnung werden leichte und schwere Fahrzeuge ab 2021 mit geeigneten Instrumenten ausgestattet, die den Energieverbrauch und den Kraftstoffverbrauch unter Realbedingungen – und nicht wie bisher unter Laborbedingungen – messen und aggregieren. Als neuartige Infrastruktur können die Blockchain und/oder weitere Distributed-Ledger-Technologien (DLT) hier als interessante Lösung für ein System gesehen werden, dass eine nachträgliche Manipulation dieser Messwerte unmöglich macht (Antonopoulos & Wood, 2018). Das Projektteam, das sich aus Doktoranden mit verschiedensten fachlichen Hintergründen von Physik über Computer Science bis hin zu Umweltwissenschaften zusammensetzt, hat hier nun einen Blockchain- und DLT-basierten Prototyp zu entwickeln, der in allen 28 Mitgliedstaaten implementiert werden kann.

Konzeptualisierung des Prototyps
Abbildung 2: EU Commission Monitoring System

Mithilfe einer zuverlässigen Datenbank für relevante Fahrzeugverbrauchsdaten sollen die Leistung und die CO₂-Emissionen von neu zugelassenen Fahrzeugen im Jahr 2021 überprüft werden (Abbildung 1). Diese Datenbank sollte vor technischen Ausfällen geschützt sein, Hackerangriffen standhalten können sowie vor politischer Manipulation geschützt sein und jedes der teilnehmenden Länder gleichbehandeln. Gleichzeitig muss sie aber auch die Möglichkeit bieten, sensible Daten nur autorisierten Parteien zugänglich zu machen. Zusammenfassend sollten bei der Entwicklung des Prototyps folgende Entwurfsparameter berücksichtigt werden:

  • Transparente, prüfbare, verifizierte und konsistente Historie und Berichte
  • Manipulationssicherheit durch autorisierte Stakeholder
  • Dezentrale, unabhängige und gleichberechtigte Datenspeicherung, bei der kein EU-Land bevorzugt behandelt wird
  • Sichere anonyme Datenübertragung und skalierbare Lösung

Da vor der eigentlichen Konzeptualisierung eines Blockchain-Prototyps immer zuerst geprüft werden sollte, ob es sich bei der Blockchain überhaupt um die geeignetste Technologie für einen Use Cases handelt, bestand unser Ansatz zur Bewertung der Machbarkeit aus zwei Schritten: Der Prüfung der generellen Eignung der Technologie und der anschliessenden Konzeptualisierung des Prototyps. Darüber hinaus sollte bei der Planung eines Blockchain-Projekts immer auch berücksichtigt werden, dass die Einschätzung über die Anwendbarkeit der Blockchain- und Distributed-Ledger-Technologie sowohl fundierte Kenntnisse der Technologie selbst als auch Know-how zum jeweiligen Use-Case erfordert.

Abbildung 3: Entscheidungsbaum einer Blockchain-Relevanz

In Anlehnung an den Entscheidungsbaum von Henglein (2019) (Abbildung 3) stellt das Projekt generell einen validen Blockchain-Use-Case dar. Um zu gewährleisten, dass alle Länder sich an die neuen EU-Vorgaben zur Reduktion der CO2-Emmissionen halten und darüber hinaus auch auf technischer Ebene kein Land bei der Datenspeicherung bevorzugt wird, wird ein dezentrales, unabhängiges System benötigt, das sowohl Manipulationssicherheit als auch Gleichberechtigung gewährleistet. Ersteres erfordert unter anderem einen Zugriff auf das System in Form eines Public- und Private-Key-Paares, um die nicht abstreitbare Urheberschaft und Integrität von Transkationen der Fahrzeugsensordaten zu gewährleisten. Einmal kryptografisch versiegelt und validiert können diese Transaktionen nachträglich nur im Rahmen eines vordefinierten Konsensmechanismus zwischen den gleichberechtigten EU-Parteien geändert werden. Schließlich führt der dezentrale Speicher zu einer replizierten Datenbasis, um sicherzustellen, dass Daten nicht im Sinne eines Single Point of Failure gehackt oder manipuliert werden können.

Bevor die detaillierten Anwendungsmerkmale für die Implementierung definiert werden, findet eine Konzeptphase statt, die fünf Elemente auf dem Weg zur vorgeschlagenen Lösung behandelt (Abbildung 4):

Abbildung 4: Konzeptionelles Vorgehen für Blockchain-basierte Anwendungsfälle

Teilnehmer

Zunächst werden die beteiligten Akteure und ihre Funktionen definiert, um die Einheiten zu beschreiben, die Zugang zum Blockchain-Netzwerk erhalten. Hier wird das System von den 28 EU-Mitgliedsstaaten initiiert. Jedes Land betreibt einen Knoten, die Daten werden auf der Grundlage eines automatisierten Konsensmechanismus validiert, der alle Länder gleichberechtigt behandelt. Die Anzahl der Knoten ermöglicht ein ausreichendes Mass an Dezentralisierung und damit einen guten Kompromiss zwischen Sicherheit und Leistung.

Technologie

Im Hinblick auf den End-to-End-Prozess ist eine Konvergenz zweier verschiedener Technologien in Form von IoT und Blockchain zu beobachten: Die Eingangsdaten werden von Sensoren im Fahrzeug erzeugt und über Gateways an einen Server übertragen. Hierbei werden separate Transaktionsdaten generiert, die dann über einen Adapter auf der Blockchain als manipulationssichere und verteilte Transaktionsdatenbank gespeichert werden.

Transaktionen & Wertobjekte

Im nächsten Schritt erfolgt eine spezifische Analyse des Prozesses durch die Identifizierung geeigneter Business-Objekte, die auf der Blockchain gespeichert werden sollen. Die dynamischen Datenbankfähigkeiten von DLT ermöglichen es, jegliche Art von Übertragung in Form einer Transaktion aufzuzeichnen. Ziel ist es nicht, die gesamten Verbrauchsdaten auf der Blockchain zu speichern, da ein solches System durch die schiere Datenmenge zu viel Rechenleistung benötigen würde. Das ist aber auch gar nicht nötig, da die Blockchain problemlos mit einer konventionellen Datenbank kombiniert werden kann, auf der jedes Land seine Fahrzeugdaten zentral speichert. Sobald eine bestimmte Anzahl an Datentransaktionen auf dieser Datenbank eingegangen ist, werden diese kryptographisch verschlüsselt und nur in Form eines Hashwertes auf der Blockchain gespeichert. Wird auch nur eine Datenübertragung auf der konventionellen Datenbank nachträglich geändert, stimmt der zur Prüfung erzeugte Hashwert nicht mehr mit dem zuvor auf der Blockchain gespeicherten überein, die Manipulation wird damit offensichtlich.

Datenauthentizität & Zugriff

Da die Lösung eine Datenverifizierung auf der Blockchain mit einer separaten Lösung zur Speicherung der Kraftstoffverbrauchsdaten auf einer herkömmlichen Datenbank kombiniert, können Integrität, Datenschutz und Compliance gewährleistet werden. Auf der Blockchain sind nur Hashwerte einsehbar, die ohne die Verbindung zur Datenbank keine sinnvolle Auswertung von Information ermöglichen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass jedes EU-Land allein seine länderspezifischen Daten auf der konventionellen Datenbank verwalten kann.

Geschäftslogik

Anschließend muss betrachtet werden, über welche weiteren Funktionalitäten die Blockchain verfügen soll. Neben einer Klasse für die vorgeschlagenen Fahrzeuginformationen wurde eine Validierungsfunktion in einen Smart Contract implementiert, die auf die Werte aus der Datenbank und der Blockchain zugreift, sie kontinuierlich abgleicht und dadurch die Integrität der Fahrzeugdaten prüft und sicherstellt. Das Ergebnis dieser Prüfung wird dem Nutzer durch eine Frontendapplikation mitgeteilt und visualisiert.  

Implementierung des Prototyps

Im Anschluss an die konzeptionellen Vorarbeiten konnte eine sichere anonyme Datenübertragung und -speicherung sowie eine skalierbare Lösung auf Basis des Enterprise Ethereum Frameworks in Kombination mit einer verteilten Datenbankarchitektur in Form von Cassandra umgesetzt werden. Die Implementierungsphase ist ein Schritt, über den sich ein eigener Artikel schreiben liesse. An dieser Stelle möchte ich nur darauf eingehen, mit welcher Architektur wir unser Konzept konkret umgesetzt haben. Die Architektur basiert auf zwei Layern:

  • Verification-Layer: Die Verifizierungsschicht speichert minimal verschlüsselte Informationen zur Datenbestätigung, die Schicht ist in ein Blockchain-System integriert, um Daten vertraulich zu behandeln, jeder Knoten wird von europäischen Ländern verwaltet. Die Daten werden in Batches von Sensordaten in Form eines Hashwertes gespeichert.
  • Data-Layer: Die Datenbank ist eine von der EU kontrollierte private Datenbank, die alle sensiblen Daten über den Kraftstoffverbrauch, die Gesamtstrecken der Fahrzeuge und insbesondere die Bewegungsvektoren enthält.
Fazit – Blaupause zur Gestaltung von Blockchain-/DLT-basierten Prototypen

Die Teilnahme an der Blockchain Summer School war eine wertvolle Erfahrung, insbesondere durch den interdisziplinären Austausch in den einzelnen Projektteams und den anspruchsvollen, aber dennoch geschützten Rahmen, in dem wir einen Prototyp entwickeln konnten, der eine gesamtgesellschaftliche Problemstellung adressiert. Als Ergebnis soll nachfolgend nochmals die dreistufige methodische Herangehensweise für die Umsetzung des Prototyps herausgestellt werden, die wir als Projektteam im Rahmen der Summer School entwickelt haben:

  1. Prüfung der Eignung der Blockchain für den Use Case mithilfe des Entscheidungsbaums von Henglein (2019)
  2. Konzeptualisierung des Prototyps durch die Ausgestaltung in fünf Dimensionen
    • Teilnehmer
    • Technologie
    • Transaktionen & Wertobjekte
    • Datenauthentizität & Zugriff
    • Geschäftslogik
  3. Implementierung des Prototyps durch Übersetzung des Konzepts in spezifische Ausprägungen und Anwendungsmerkmale mit Frontend und anschliessender Programmierung

Diese Herangehensweise kann auf Blockchain-Projekte allgemein übertragen werden und wird uns unabhängig davon, ob es um die Lösung gesellschaftlicher Problemstellungen auf überstaatlicher Ebene oder um die Erhaltung der Wettbewerbsfähigkeit eines Finanzinstitutes geht, auch zukünftig bei der systematischen Entwicklung von Blockchain-/DLT-Prototypen unterstützen.


Quellen:

Antonopoulos, A. M. & Wood, G. (2018). Mastering ethereum: building smart contracts and dapps. O’Reilly Media. (first 2 chapters) https://github.com/ethereumbook/ethereumbook

EEA (2019). European Environment Agency. https://www.eea.europa.eu/data-and-maps/indicators/transport-emissions-of-greenhouse-gases/transport-emissions-of-greenhouse-gases-11

Henglein F., (2019). Next-generation distributed ledger technology: Stepping back and looking ahead. Presentation at the 4th Blockchain Summer School, IT-University, Copenhagen, Denmark.

Lewrick, M., Link, P. & Leifer, L. (2017). Das Design Thinking Playbook. München: Vahlen.

Uebernickel, F., Brenner, W., Pukall, B., Naef, T. & Schindlholzer, B. (2015). Design Thinking: Das Handbuch. Frankfurter Allgemeine Buch.

VCD (2019). EU setzt Vorgaben für Pkw. https://www.vcd.org/themen/auto-umwelt/co2-grenzwert/

Roger Heines

Nach seinem Masterabschluss in Industrial Engineering an der TU Dortmund, war Roger Heines als Consultant in einer internationalen Unternehmensberatung tätig. Hier sammelte er relevante Projekterfahrung in der Prozess,- Automobil,- und Zuliefererindustrie mit den Schwerpunkten Produktion und Logistik. Im Rahmen eines Forschungsaufenthaltes an der Universität St.Gallen verfasste er seine Masterarbeit im Bereich Blockchain Technology und Supply Chain Finance. Begeistert von den Potentialen, erforscht er nun als Doktorand im CC Ecosystems, wie innovative Technologien den Austausch von Informationen in Finanznetzwerken sowie zukünftige Finanzdienstleistungen revolutionieren werden.
Roger Heines

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