Blockchain einfach erklärt

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Blockchain und Bitcoin – die Buzzwords der Stunde. Im Interview erklärt Tim Weingärtner, Vizedirektor und Leiter Forschung an der Hochschule Luzern – Informatik, die Begriffe.

Eine Blockchain ist eine verteilte, öffentliche Datenbank. Im Kontext von Bitcoin wird diese Datenbank genutzt um Geldtransaktionen zu verwalten. Der Begriff „Chain“ kommt von der Kette, zu der die Transaktionen in chronologischer Reihenfolge hinzugefügt werden.

Die Blockchain ist also eine Art Logbuch, welches alle Daten chronologisch erfasst. Wozu dient so etwas?
Nehmen wir an, Sie möchten eine Zahlung durchführen und Sie möchten dies mittels einer elektronischen Geldüberweisung machen, also nicht gegen Bargeld. Heute sind Sie auf einen Intermediär oder eine Trusted Third Party, also eine Bank, angewiesen, welche die Transaktion abwickelt. Diese stellt sicher, dass das Geld auch wirklich bei der Zielperson landet und dass Ihnen der Betrag belastet wird. Es kann kein Geld während der Transaktion „generiert“ werden oder „verloren“ gehen. Der Betrag, der Sie verlässt landet beim Empfänger, ausser natürlich der für den Service anfallenden Gebühren.
Möchten Sie diese Zahlung direkt, also Peer-to-Peer durchführen, möchten Sie einen Beweis, dass der vereinbarte Betrag auch wirklich an die Zielperson übergeht. Da eine elektronische Geldüberweisung keinen physischen Bestandteil, wie einen Geldschein, besitzt, ist das gar nicht so einfach. Ausserdem möchten Sie beide, dass der Betrag nicht nachträglich erhöht oder reduziert werden kann. Gibt es keine zentrale Stelle, der beide Parteien vertrauen, wird das schwierig. Hier kommt die Blockchain ins Spiel.

Und wie löst die Blockchain dieses Problem?
Es wurde eine Lösung für das „Problem der byzantinischen Generäle“ gefunden. Also die Frage, wie in einem öffentlichen Netz der Konsens auf eine „Wahrheit“ sichergestellt werden kann.

Eins nach dem anderen: Was hat die Blockchain mit Byzanz zu tun?
Die Informatik bedient sich gerne Geschichten, um Probleme zu definieren. Das Problem der byzantinischen Generäle ist ein verteiltes Abstimmungsproblem. Transferieren wir das Problem einmal auf eine weniger kriegerische Situation:

Versetzen wir uns in die Situation einer Gruppe von Leuten, die sich zu einer Party treffen wollen. Die Uhrzeit, wann die Party starten soll, ist noch nicht klar. Leider können sich die Personen nur im direkten Gespräch, also 1:1, unterhalten. Als weitere Herausforderung sind einige „schwarze Schafe“ darunter. Das heisst Personen, welche die Party sabotieren möchten und bewusst eine falsche Startzeit weitergeben. Wie bekommt man ohne einen Organisator oder Whatsapp eine sichere Lösung hin?
Das unter dem Pseudonym Satoshi Nakamoto veröffentlichte Dokument «Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System» stellt einen Algorithmus vor, der das Problem der byzantinischen Generäle erstmals löst. Er basiert auf einem sogenannten Proof-of-Work, der rechnerischen Lösung eines Verschlüsselungsproblems.

Das müssen Sie genauer erklären.
Fangen wir erst mal mit dem Begriff Verschlüsselung an. Hier hilft das Bild von einem Ei (An dieser Stelle herzlichen Dank meinem Kollegen Marc Pouly für dieses brillante Analogon). Sie alle haben bestimmt schon einmal ein Spiegelei gemacht. Aufschlagen ist einfach. Den Prozess umkehren, also aus einem Spiegelei wieder ein ganzes Ei zu machen, ist nicht möglich. Gleiches macht in der Informatik eine Hashfunktion, eine nicht umkehrbare Verschlüsselungsfunktion. Das Spiegelei ist dem Hashwert und das Aufschlagen des Eis entspricht der Hashfunktion.

Jetzt zum Proof-of-Work. Stellen Sie sich vor, ein Huhn würde individuelle Eier produzieren, abhängig von der Nahrungskombination mit der Sie es füttern. Ihre Aufgabe ist es jetzt solche Eier herzustellen, deren Spiegeleier eine spezielle, vorgegebene Form erreichen. Diese Aufgabe kann nicht vorausberechnet werden und ist nicht umkehrbar. Sie müssen es schlicht und einfach ausprobieren. Sicher ist, dass die geforderte Spiegeleiform erzeugbar ist, wenn Sie nur oft genug probieren. Sie sind also für eine ziemlich lange Zeit mit Huhn füttern und Eier aufschlagen beschäftigt. Mit viel Arbeit bekommen Sie es aber hin. Vergessen wir dabei mal Ihren Cholesterinwert. Wenn Sie es einmal geschafft haben, kann jeder sehr einfach aus Ihrem Huhn und der gefundenen Nahrung solch ein Ei und damit ein entsprechendes Spiegelei erzeugen. Man nennt dieses Vorgehen Proof-of-Work, da Sie die Lösung im wahrsten Sinne des Wortes „erarbeiten“ müssen. Bei der Blockchain entspricht die Form des Spiegeleis der Bedingung, dass der Hashwert mit einer bestimmten Anzahl Nullen beginnen muss. Da das Ergebnis Wahrscheinlichkeitsverteilt ist, kann es ein Computer in einem vorgegebenen Zeitraum bewerkstelligen. Je mehr Nullen, desto mehr Rechenzeit für den Proof-of-Work.

Kommen wir jetzt zur eigentlichen Blockchain, die man sich als eine Kette vorstellen kann. Ich füttere meinem Huhn:

  1. die Informationen die ich in der Blockchain speichern möchte,
  2. die aktuelle Zeit,
  3. das letzte Spiegelei in der Blockchain
  4. und eine Zusatznahrung, die mit den obigen drei „Futtermittel“ die geforderte Spiegeleiform erzeugt.
Blockchain anhand von Huhn und Ei einfach erklärt.

Blockchain anhand von Huhn und Ei einfach erklärt.

Die Zusatznahrung muss ich mit dem oben beschriebenen Proof-of-Work erarbeiten. Bei der Blockchain heisst diese Nonce. Sie ist jedes Mal neu zu berechnen, da die Informationen (1.), der Zeitpunkt (2.) das letzte Spiegelei (3.) jeweils andere sind. Habe ich dies gemacht, kann ich das erzeugte Ei an die Kette anhängen. Jeder kann überprüfen, ob das Ei rechtmässig in der Kette hängt. Er muss nur das Ei zerschlagen und erhält die vordefinierte Form.

Die gefütterten Bestandteile (Information, Zeit, letztes Spiegelei, Zusatznahrung) kann ich von aussen lesen, indem ich das Ei gegen die Sonne halte. Somit kann ich jederzeit auf die Informationen zugreifen.

Kann ich dann nicht auch die Informationen verändern?
Das geht eben genau nicht! Wenn ich Sie verändern würde, so passt meine Zusatznahrung, Nonce, nicht mehr und jeder kann dies nachprüfen indem er mein Ei zerschlägt. Genauso kann ich kein Ei dazwischen in die Kette hängen, da beim folgenden Ei das Spiegelei des Vorgängers eingebaut ist. Ich müsst also das gesamte Kettenende verändern. Das ist aber, durch den Proof-of-Work, sehr aufwändig. Damit Sie ganz sicher sind, dass niemand die Kette mit viel Mühe manipuliert, verteilen Sie jetzt sehr viele Kopien im ganzen Internet. Jedes neue Ei wird an alle Ketten angehängt. Vielleicht fällt eine Kette aus oder wird mutwillig verändert. In diesem Fall gilt: Die längste Kette ist die gültige Kette.

Warum ist das jetzt sicher?
Durch den Proof-of-Work wird sichergestellt, dass Manipulationen viel Rechenleistung benötigen. Gleichzeitig wird durch die Verteilung auf viele Instanzen eine lokale Veränderung unmöglich. Damit wird es uninteressant einzelne Transaktionen verändern zu versuchen. Interessanter ist es, durch das Mining Geld zu verdienen.

Sie sprechen es an: Mining. Wie passt das ins Bild?
Damit das ganze System funktioniert, braucht es unabhängige Hühner-Fütterer, sogenannte Miner. Also Personen, die zu vorgegebenen Informationen die richtige Nahrungskombination suchen. Sie möchten ja als misstrauischer Zeitgenosse sicherstellen, dass nicht ihr Vertragspartner die Informationen manipuliert und diese in die Blockchain einhängt. So könnte er die Transaktion verändern. Am Anfang haben das die Bitcoin-User selbst gemacht. Heute überlassen Sie das Finden, bleiben wir bei unserem Hühnerbeispiel, der richtigen Zusatznahrung oft professionellen Gemeinschaften, Firmen und sogar ganzen Staaten. Diese Miner „graben“ nach Nonce (oder Hühnerfutter), so dass das Resultat den Anforderungen (Spiegeleiform) entspricht. Dabei reden wir nicht von ein oder zwei, sondern von sehr vielen. Sie arbeiten parallel an der Lösung. Der Erste gewinnt. Und weil das eine ziemlich harte Arbeit ist, die recht viel Rechenleistung verbraucht, wird der glückliche Finder belohnt. Dieser Lohn kommt bei Bitcoins, einer Umsetzung der Blockchain, aus einer Transaktionsgebühr und einem kleinen Anteil neu erzeugter Bitcoin-Währung.

Inwiefern ist die Blockchain-Methodik revolutionär?
Wie wir gesehen haben, besteht die Blockchain-Methode aus verschiedenen Bestandteilen, die sich zu einem grossen Gesamtbild zusammenfügen.

Aus Informatik-Sicht ist es spannend, da bisher im Datenbankbereich immer die Frage im Vordergrund stand, ob die Datenbank in sich stimmig (konsistent) ist. Die Blockchain stellt eine verteilte, öffentliche Datenbank dar, bei der die einzelne Transaktion im Vordergrund steht und damit die Frage: Ist die Transaktion korrekt?

Aus ökonomischer Sicht ist es spannend, da bisher immer ein vertrauenswürdiger Intermediär (Trusted Third Party) benötigt wurde, wenn zwei Parteien eine gegenseitige Transaktion oder einen Vertrag abgewickelt haben. Die Rolle des Intermediärs übernehmen im Finanzbereich die Banken. Bitcoin ist eine Währung, welche Banken als Intermediär überflüssig macht.

Die Blockchain beschränkt sich jedoch nicht auf den Finanzsektor. Mit dieser Technologie wird es plötzlich möglich, dass Verträge zwischen zwei Parteien, die sich potentiell misstrauen, in einem öffentlichen Netzwerk abgewickelt werden können. Die Rolle des Intermediärs übernimmt die Community. Damit könnten grundsätzlich alle Intermediäre überflüssig werden. Seien es etablierte, wie Notare im Vertragswesen, oder neu entstandene, wie Uber.

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Was leistet die Hochschule Luzern auf diesem Gebiet?
Gerade in der Region Zug konzentrieren sich viele neue Firmen, welche die Blockchain-Technologie für revolutionäre Geschäftsideen nutzen. Das geht soweit, dass man mittlerweile vom «Crypto Valley Zug» spricht (NZZ und Handelszeitung). Das Departement Informatik der Hochschule Luzern wird im September 2016 in diesem Crypto Valley, in Rotkreuz, starten. Wir bieten Konferenzen zu diesem Thema an, beispielsweise die Swiss Digital Finance Conference, und arbeiten in diesem Bereich heute schon eng mit dem Institut für Finanzdienstleistungen IFZ des Departements Wirtschaft zusammen.

Weitere Informationen
Wer jetzt so richtig neugierig geworden ist und unbedingt mehr über Bitcoin, Blockchain oder Cryptowährungen lernen will, dem empfiehlt Tim Weingärtner ein Informatikstudium an der Hochschule Luzern oder eine Weiterbildung in den Bereichen Digital Banking und Digital Business Innovation.

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6 Kommentare

  1. Pingback: 8 Dinge, die Sie über das digitale Universum wissen sollten

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  3. Danke für die gut verständliche Erklärung!
    Wenn ich das als nicht mehr zu den „Millenials“ gehörender Oekonom richtig verstehe werden zunehmend digitale, resp. virtuelle Währungen in Konkurrenz zueinander stehen?
    Heisst gleichzeitig, dass man in eine gewisse Abhängigkeit zu „seiner“ virtuellen Wähung geraten kann?
    Ist eine virtuelle Währung wechselbar mit einer anderen ähnlich den Währungen? Wie wird allenfalls der Wert, resp. ein allfälliger Wechselkurs bestimmt?
    Wie gross ist der Druck zu einem gewissen Zeitpunkt in eine traditionelle Währung umzusteiegn oder gar „physische Werte“ zu erwerben wie Edelmetalle.
    Was geschieht bei einem EMP, resp. einem NEMP nachdem zunehmend viele „Spieler“ den Finger am Drücker haben.

    • Tim Weingärtner on

      Lieber Herr Wiedmer

      Bei Cryptowährungen handelt es sich, wie bei Aktien, um Anteile eines virtuellen Ganzen. Diese können Sie bei Cryptobörsen oder Tauschdiensten wie ShapeShift tauschen. Es wird, wie bei einer Börse, nach Angebot und Nachfrage gehandelt. Das heisst, der Kurs wird über diese Faktoren bestimmt. Es gibt somit auch keine Garantie, dass Sie in eine andere Cryptowährung umtauschen können. Gleiches gilt natürlich auch für den Tausch in FIAT Währungen (CHF, EUR, USD, …). Dadurch kann der Kurs von Cryptobörse zu Cryptobörse variieren und auch das Portfolio an akzeptierten Währungen variiert.

      Derzeit gibt es grosse Kursschwankungen bei Bitcoin. Diese beeinflussen auch die anderen Cryptowährungen sowie den Bedarf zurück in «physische Werte» zu wechseln. Dabei ist es wie bei einer Aktie: Wollen plötzlich alle ihre Anteile verkaufen fällt der Kurs schlagartig.

      Die Auswirkungen eines EMP / NEMP (Nuklearer Elektromagnetischer Puls) wären nur dann verheerend, wenn alle verbundenen Mining-Rechner zerstört würden. Damit wäre keine Kopie der Blockchain und damit auch keine «Ledger» mehr verfügbar. Die Wahrscheinlichkeit ist jedoch sehr gering, da es zigtausend Kopien der gleichen Blockchain gibt. Wahrscheinlicher wäre es, dass alle Rechner einer einzigen Bank ausfallen und somit alle Kontostände dieser Bank verloren gehen würden.

      Freundliche Grüsse,
      Tim Weingärtner

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  5. Stephanie Gold on

    Vielen Dank für die verständliche Erklärung. Ich schreibe meine Doktorarbeit im Bereich Legal Tech und bearbeite dabei auch die rechtlichen Aspekte der Smart Contracts, für die jedenfalls ein Grundverständnis der Blockchain unumgänglich ist. Sie haben mir sehr weitergeholfen.
    Haben Sie vielleicht auch eine derart einfach verständliche Erklärung für die sogenannte Fork und die Verwerfung kürzerer Äste auf Lager?
    Freundliche Grüße,
    S. Gold

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