Die technische Seite der Blockchain Map
In unserem letzten Blogbeitrag „Das BlockWiki – die Blockchain erklärt” haben wir letzte Woche das BlockWiki vorgestellt, eine Zusammenstellung von Blockchain-Begriffen und Forschungsergebnissen zur Blockchain und Distributed-Ledger-Technologie. Ein Bestandteil des BlockWikis ist die Blockchain Map, die die technischen Hintergründe, verschiedenen Einsatzgebiete und Funktionen der Technologie grafisch darstellt. Sie ist in die zwei Bereiche technische Sicht und Businesssicht unterteilt. In diesem Blogbeitrag wird der Fokus auf die Erklärung der Elemente der technischen Seite gelegt.
Zentral in der Mitte der Blockchain Map befindet sich eine Münze mit dem Bitcoin-Logo. Bitcoin ist die bekannteste Blockchain-Anwendung und ein Grund dafür, dass die Blockchain in den letzten Jahren so viel Aufmerksamkeit erlangt hat. Es handelt sich um eine Kryptowährung, welche auf der Distributed-Ledger-Technologie basiert und ohne zentrale Instanz auskommt. Neue Bitcoins werden nicht wie bei einer Zentralwährung von einer Zentralbank gedruckt, sondern durch Mining „geschürft“. Ein Miner kann dabei theoretisch jeder sein, der über einen Computer mit einer hohen Rechenleistung verfügt. Dieser validiert neue, über die Blockchain getätigte Transaktionen, trägt sie in das dezentrale Kontobuch ein und erstellt einen Hashwert. Für jeden neuen Block wird dabei ein neuer Miner bestimmt. Als Gegenleistung für die zur Validierung aufgewendete Rechenleistung erhält der ausgewählte Miner eine bestimmte Anzahl an Bitcoins, den sogenannten Blockreward. Dadurch wird die Anzahl von Bitcoins mit der Zeit immer höher. Viele Miner schliessen sich in Mining-Pools zusammen, um die Chance, einen Block zu erstellen, zu erhöhen. Der Blockreward wird dann unter allen Teilnehmern des Mining-Pools anteilig nach Rechenleistung aufgeteilt. Die Wissenschaft, die sich mit dem Mining und der digitalen Darstellung von Vermögenswerten als Token beschäftigt, nennt man Token Economy. Mittlerweile kann so gut wie alles als Token dargestellt und in Blöcken gespeichert werden.
Als Voraussetzung für die Speicherung von sensiblen Daten muss in einem dezentralen Netz eine sichere Verschlüsselung gewährleistet werden können. Bei Bitcoin wird dafür die asymmetrische Kryptografie angewendet. Anders als bei der symmetrischen Kryptografie mit nur einem Schlüssel gehört bei der asymmetrischen Kryptografie zu jedem Teilnehmer ein privater und ein öffentlicher Schlüssel (Private Key und Public Key). Durch diese Logik kann nur der Empfänger mit seinem Privat Key eine mit dem zugehörigen Public Key verschlüsselte Nachricht entschlüsseln. Bei Bitcoin wird für die Verschlüsselung der SHA-256-Algorithmus verwendet. Damit werden Daten in einen 256-Bit-Code umgewandelt.
Nach der Verschlüsselung und Speicherung von Informationen auf einer Blockchain sind diese unveränderbar. Das wird durch die Struktur der Technologie garantiert. Wie der Name der Blockchain schon vermuten lässt, kann man sich den Aufbau als eine Abfolge von Blöcken (Blocks) vorstellen, die wie eine Kette miteinander verbunden sind. Den allerersten Block einer Blockchain nennt man Genesis Block. Jedem Block ist ein Hashwert, ein 64-Byte-Zahlencode, zugeordnet. Dieser kann einen Block eindeutig identifizieren. Bei Bitcoin wird er aus einem Merkle Root, einer Nonce und aus dem Hash des jeweils vorherigen Blocks berechnet. Der Merkle Root ist ein Zahlencode, welcher aus den Informationen des Blocks generiert wird. Im Fall von Bitcoin sind das alle verifizierten Transaktionen, die seit dem letzten Block durchgeführt wurden. Der Hash des vorherigen Blocks wird miteinberechnet, damit die Blöcke miteinander verbunden sind und eine Manipulation praktisch unmöglich ist. Die Nonce ist eine Zahlenkombination, die unbekannt ist und zum Zweck des Consensus dient. Als Konsens-Mechanismen werden Methoden bezeichnet, die Werte oder Transaktionen verifizieren, sodass sich alle beteiligten Teilnehmer des Netzwerkes über den Zustand einig sind und sich vertrauen können. Die verschiedenen Mechanismen haben ihren Ursprung im Byzantine Generals’ Problem, das eine Situation beschreibt, in der es aufgrund von Misstrauen und physischer Distanz Schwierigkeiten bei der Einigung auf ein gemeinsames Ziel und der Verfolgung einer einheitlichen Strategie gibt – wie im Fall der Belagerung einer Stadt durch mehrere Armeeeinheiten mit mehreren Generälen. Ein Byzantine–Fault–Tolerance-System beschreibt daher eine Konsensfindung zwischen verschiedenen Akteuren, auch wenn diese sich nicht am selben Ort befinden – so wie bei der Blockchain auch. Bei dem Proof-of-Work-Mechanismus, welcher auch bei Bitcoin angewendet wird, darf derjenige, der eine komplexe Rechenaufgabe als Erstes richtig löst, den nächsten Block erstellen. Bei Bitcoin muss dafür eine passende achtstellige Nummer gefunden werden, mit welcher der Hashwert des Blocks nach dem Durchführen des Hashalgorithmus mit 17 Nullen beginnt. Diese achtstellige Nummer nennt man Nonce. Eine andere Vorgehensweise zur Erfüllung des Consensus nutzt der Proof-of-Stake-Mechanismus. Dabei wird der jeweilige Miner per Zufallsmechanismus ausgewählt.
Die einzelnen an einem Blockchain-Netzwerk teilnehmenden Rechner nennt man Node, sogenannte Knotenpunkte. Alle Knotenpunkte ergeben zusammen das Peer-to-Peer-Network. Dieser Name beschreibt auch die wichtigste Eigenschaft des Netzwerks: Die Teilnehmer agieren nur direkt miteinander und nicht über eine höhere oder zentrale Instanz, die die Kontrolle besitzt. Über die einzelnen Nodes können so Informationen oder Dienstleistungen untereinander ausgetauscht werden. Allerdings gibt es Blockchain Frameworks, das heisst unterschiedliche Architekturen, bei denen sich die Zugriffsberechtigungen unterscheiden können. Das bekannteste Blockchain Framework ist die Public Blockchain, wie auch Bitcoin eine ist. Sie ist für jeden öffentlich zugänglich und einsehbar. Im Gegensatz dazu steht die Private Blockchain. Um einen Node in einer Private Blockchain einzurichten, braucht man eine Berechtigung. Somit ist es mit diesem Framework sogar möglich, sensible Daten über die Blockchain auszutauschen. Für eine Verknüpfung mehrerer Blockchains, egal ob Private oder Public Blockchain, gibt es Hybrid Blockchains. Durch sie ist eine Blockchain-übergreifende Übertragung von Daten möglich.
Alle Frameworks haben gemeinsam, dass das Hauptbuch der Blockchain verteilt bei allen Teilnehmern gespeichert und aktualisiert wird. Damit gehört die Blockchain zur Distributed-Ledger-Technology (DLT). Neben der Blockchain gibt es auch andere Technologien, zum Beispiel Hashgraph und Directed Acyclic Graph, welche ebenfalls zu den Distributed-Ledger-Technologien gehören, aber auf unterschiedlichen Datenstrukturen basieren. Technologien mit einem Distributed Ledger können verwendet werden, um Smart Contracts zu erstellen. Smart Contracts sind Computerprogramme, die als Verträge funktionieren und auf einem Distributed Ledger gespeichert werden. Die Vereinbarungen sind somit unveränderlich und können ohne Verifizierung einer dritten Partei abgeschlossen werden. Diese Logik von Smart Contracts wird genutzt, um die Blockchain Governance, also übergeordnete Regeln einer Blockchain, ohne höhere Instanz festzulegen. Das ist zum Beispiel bei Decentralized Autonomous Organisations (DAOs) der Fall. Ausserdem finden Smart Contracts auch Anwendung bei Oracles. Das sind Systeme, die Transaktionsdaten, die ausserhalb der Blockchain gespeichert werden (off-chain), auf die Blockchain bringen können.
Mit der linken Seite der Blockchain Map sind die wichtigsten Begriffe aus technischer Sicht abgedeckt. Nun ist es besonders spannend, welche Anwendungen und Funktionen aus Businesssicht mit der Blockchain möglich sind. Diese wird auf der rechten Seite der Map abgebildet und im nächsten Blogbeitrag genauer erläutert.
- Die Business-Seite der Blockchain Map - 28.05.2021
- Die technische Seite der Blockchain Map - 21.05.2021
- Das BlockWiki – die Blockchain erklärt - 14.05.2021
