Wie funktioniert Blockchain? Blöcke, Hashes, Konsens

Wie funktioniert Blockchain? Eine Blockchain ist eine geteilte Aufzeichnung von Transaktionen, von der viele Computer gleichzeitig Kopien führen. Neue Einträge werden in Blöcke gruppiert, jeder Block trägt einen einzigartigen Fingerabdruck des vorherigen Blocks, und das Netzwerk folgt einem Regelwerk, um sich darauf zu einigen, welcher neue Block als Nächstes kommt. Das Ergebnis ist eine Aufzeichnung, die sich im Nachhinein nur sehr schwer umschreiben lässt und die keine einzelne Partei kontrolliert.

Dieser Artikel erklärt jeden dieser Bausteine, woher die Idee stammt, wie unterschiedliche Blockchains zu einer Einigung kommen, und, ebenso wichtig, was eine Blockchain nicht leistet. Er erklärt die Technologie und bezieht keine Position dazu, ob eine Kryptowährung gekauft oder gehalten werden sollte.

Wie funktioniert Blockchain?

Beginnen wir mit einem Hauptbuch: einer Liste, wer wem was geschickt hat. Eine Bank führt ein Hauptbuch der Konten ihrer Kunden, und alle vertrauen der Kopie der Bank, weil die Bank dafür verantwortlich ist.

Eine Blockchain ersetzt dieses eine vertrauenswürdige Hauptbuch durch viele Kopien, die von vielen unabhängigen Computern gehalten werden, den sogenannten Knoten (Nodes). Damit all diese Kopien identisch bleiben, ist das Hauptbuch auf eine bestimmte Weise aufgebaut.

• Transaktionen werden in Blöcken gruppiert. Statt Einträge einzeln hinzuzufügen, sammelt das Netzwerk aktuelle Transaktionen und fasst sie zusammen.
• Jeder Block ist mit dem vorherigen verknüpft. Jeder Block enthält einen Hash des vorherigen Blocks, eine Art digitalen Fingerabdruck, der weiter unten erklärt wird.
• Das Netzwerk einigt sich auf jeden neuen Block. Ein Regelwerk, Konsensmechanismus genannt, entscheidet, welcher Block als Nächstes hinzugefügt wird, sodass am Ende jeder Knoten dieselbe Kette hat.

Diese drei Ideen zusammen sind es, die eine Blockchain von einer gewöhnlichen Datenbank unterscheiden.

Hashes: der Fingerabdruck, der die Kette verbindet

Eine Hashfunktion nimmt ein beliebiges Datenstück und erzeugt daraus eine kurze Zeichenfolge fester Länge. Zwei Eigenschaften zählen. Dieselbe Eingabe ergibt immer denselben Hash. Und schon eine winzige Änderung der Eingabe – eine einzelne Ziffer in einer einzelnen Transaktion – erzeugt einen völlig anderen Hash.

Weil jeder Block den Hash des vorherigen Blocks enthält, bilden die Blöcke eine Kette. Würde jemand versuchen, eine Transaktion in einem alten Block zu verändern, würde sich der Hash dieses Blocks ändern. Der nächste Block, der den alten Hash gespeichert hat, würde nicht mehr passen, ebenso wenig jeder Block danach. Um einen einzigen alten Eintrag zu ändern, müsste ein Angreifer jeden Block seitdem neu berechnen und den Rest des Netzwerks überzeugen, die veränderte Version zu akzeptieren.

Das ist gemeint, wenn man sagt, eine Blockchain sei manipulationssicher (tamper-evident). Änderungen sind nicht unmöglich, aber sie fallen auf, und in einem großen Netzwerk sind sie extrem teuer durchzusetzen.

Woher die Idee stammt

Die Idee der Verkettung ist älter als Kryptowährungen. 1991 veröffentlichten die Forscher Stuart Haber und W. Scott Stornetta ein Paper mit dem Titel „How to Time-Stamp a Digital Document“, das beschreibt, wie sich Einträge mit Hashes verketten lassen, sodass niemand sie unbemerkt zurückdatieren oder verändern kann. Ihre Arbeit wird oft als das erste Blockchain-Design bezeichnet.

Am 31. Oktober 2008 veröffentlichte eine Person oder Gruppe unter dem Namen Satoshi Nakamoto das Bitcoin-Whitepaper, das diese Verkettung mit einer Methode verband, die es Fremden im Internet erlaubt, sich auf das Hauptbuch zu einigen, ohne einer zentralen Partei zu vertrauen. Haber und Stornetta sind darin die meistzitierten Autoren. Der erste Bitcoin-Block wurde am 3. Januar 2009 erzeugt und trug eine Zeitungsschlagzeile über Bankenrettungen aus der Ausgabe der Times jenes Tages.

Ethereum, gestartet 2015, erweiterte die Idee von der Aufzeichnung von Zahlungen hin zur Ausführung kleiner Programme, Smart Contracts genannt, direkt auf der Blockchain.

Konsens: Einigung ohne Schiedsrichter

Das eigentlich schwierige Problem, das eine öffentliche Blockchain löst, ist nicht die Speicherung. Es ist die Einigung. Wenn Tausende Computer jeweils eine Kopie halten und jeder mitmachen kann, wie einigen sie sich darauf, welcher neue Block gültig ist – ohne zentrale Instanz und ohne dass jemand betrügt, indem er dieselbe Münze zweimal ausgibt?

Konsensmechanismen sind die Antwort. Die beiden am weitesten verbreiteten sind Proof of Work und Proof of Stake.

Bitcoin verwendet Proof of Work, wobei etwa alle zehn Minuten ein neuer Block hinzugefügt wird. Proof of Work ist sicher, verbraucht aber sehr viel Strom, weil das Lösen der Rätsel absichtlich aufwendig gestaltet ist.

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Mit dem Mechanismus zu beginnen ist Absicht. Die meiste Verwirrung rund um Krypto entsteht dadurch, direkt zu den Preisen zu springen, ohne zu verstehen, was das zugrunde liegende System garantiert und was nicht. Die Lektionen dauern etwa fünf Minuten, und ein Guide begleitet dich durch alles Ungewohnte.

Von Proof of Work zu Proof of Stake

Die Energiekosten von Proof of Work wurden zu einem der stärksten Kritikpunkte an der Blockchain-Technologie. Ethereum reagierte, indem es seinen Konsensmechanismus änderte. Am 15. September 2022 wechselte es in einem Upgrade namens „The Merge“ von Proof of Work zu Proof of Stake. Die Ethereum Foundation schätzt, dass dies den Energieverbrauch des Netzwerks um etwa 99,95 Prozent senkte.

Der Wechsel zeigte, dass Konsens eine Design-Entscheidung ist, kein festes Merkmal von Blockchains. Unterschiedliche Systeme gehen unterschiedliche Kompromisse zwischen Sicherheit, Geschwindigkeit, Energieverbrauch und dem Grad ihrer tatsächlichen Dezentralisierung ein.

Öffentliche und private Blockchains

Nicht jede Blockchain steht allen offen. Öffentliche Blockchains wie Bitcoin und Ethereum lassen jeden das Hauptbuch lesen und teilnehmen. Private oder erlaubnispflichtige Blockchains beschränken die Teilnahme auf zugelassene Mitglieder, etwa eine Gruppe von Unternehmen, die sich eine Lieferketten-Aufzeichnung teilen.

Private Blockchains sind schneller und verbrauchen weniger Energie, geben aber vieles von dem auf, was öffentliche Blockchains besonders macht. Kontrolliert eine kleine Gruppe, wer in das Hauptbuch schreiben darf, ist das näher an einer geteilten Datenbank mit zusätzlichen Schutzmaßnahmen als an einem System, das ohne vertrauenswürdige Parteien funktioniert.

Was eine Blockchain nicht leistet

Die Technologie wird oft so beschrieben, als löse sie Probleme, die sie nicht löst.

Sie macht Einträge nicht wahr. Eine Blockchain zeichnet auf, was eingegeben wurde – konsistent und dauerhaft. Werden falsche Informationen eingegeben, werden sie falsch aufgezeichnet, für immer. Das wird manchmal das Orakel-Problem genannt: Die Kette kann keine Fakten über die Außenwelt prüfen.

Sie verleiht einem Token keinen Wert. Dass jemand einen Token hält, wird zwar aufgezeichnet, sagt aber nichts darüber aus, ob der Token etwas wert ist. Der Artikel über Tokenomics erklärt, wie du liest, was ein Token tatsächlich verspricht.

Sie macht dich nicht anonym. Die meisten öffentlichen Blockchains sind pseudonym: Adressen sind keine Namen, aber jede Transaktion ist für jeden sichtbar, dauerhaft, und lässt sich oft zurückverfolgen.

Sie schützt dich nicht davor, den Zugang zu verlieren. Kontrollierst du eine Wallet direkt und verlierst den privaten Schlüssel, gibt es meist niemanden, der ihn wiederherstellen kann.

Warum Verständnis vor allem anderen kommt

Kaum eine andere Technologie ist von so selbstsicheren Behauptungen umgeben wie Blockchain, in beide Richtungen. Den Mechanismus zu verstehen – was Hashing und Konsens garantieren und was nicht – ist der beste Schutz sowohl gegen Hype als auch gegen vorschnelle Abwertung.

Astra Trainer ist darauf ausgelegt, dass dieses Verständnis hängen bleibt. Auf jedes Thema folgt ein Quiz, und jeder Kurs endet mit einer Abschlussprüfung aus zehn Fragen, während tägliche Quests, Punkte und eine Streak die Fünf-Minuten-Lektionen am Laufen halten. Ein Circle gibt dir eine kleine Gruppe mit einem gemeinsamen Wochenziel und Live-Sessions – hilfreich bei einem Thema, bei dem vieles von dem, was man hört, nur Lärm ist.

Was du daraus mitnehmen solltest

Eine Blockchain ist ein geteiltes Hauptbuch, das von vielen Computern gehalten wird, mit Transaktionen, die in Blöcken gruppiert und durch Hashes verkettet sind, sodass das Ändern alter Einträge auffällt und teuer ist.

Die Idee der Verkettung stammt von Haber und Stornetta aus dem Jahr 1991; Bitcoin fügte 2008 eine Methode hinzu, mit der sich Fremde ohne zentrale Instanz auf das Hauptbuch einigen können.

Konsensmechanismen wie Proof of Work und Proof of Stake machen diese Einigung möglich. Ethereums Wechsel zu Proof of Stake 2022 senkte seinen Energieverbrauch um etwa 99,95 Prozent.

Deshalb kommt die nützlichste Antwort auf die Frage, wie Blockchain funktioniert, mit einer Einschränkung: Sie hält Einträge konsistent und schwer veränderbar und sagt nichts darüber aus, ob diese Einträge – oder die Token, die sie beschreiben – vertrauenswürdig sind.