So funktioniert eine Blockchain: Ausführliche Erklärung für Anfänger

Die Blockchain-Technologie, die 2008 erstmals von einer Einzelperson oder Gruppe unter dem Pseudonym Satoshi Nakamoto vorgestellt wurde, ist zu einer der bahnbrechendsten Innovationen des 21. Jahrhunderts geworden. Ursprünglich als zugrundeliegende Technologie für Bitcoin konzipiert, hat sich die Blockchain inzwischen zu einer Anwendung entwickelt, die weit über Kryptowährungen hinausgeht.

Was ist eine Blockchain?

Eine Blockchain ist ein digitales Transaktionsbuch, das dupliziert und über ein ganzes Netzwerk von Computersystemen verteilt wird. Jeder Block in der Kette enthält mehrere Transaktionen, und jedes Mal, wenn eine neue Transaktion in der Blockchain auftritt, wird ein Datensatz dieser Transaktion zum Buch jedes Teilnehmers hinzugefügt.

 Diese dezentrale Datenbank, die von mehreren Teilnehmern verwaltet wird, wird als Distributed Ledger Technology (DLT) bezeichnet. Blockchain ist eine Art DLT, bei der Transaktionen mit einer unveränderlichen kryptografischen Signatur, einem sogenannten Hash, aufgezeichnet werden.

Schlüsselkomponenten einer Blockchain

Eine Blockchain besteht aus mehreren Schlüsselkomponenten, die zusammenarbeiten, um ihre Funktionalität zu ermöglichen:

  1. Blöcke

Ein Block ist die grundlegende Einheit einer Blockchain. Lassen Sie uns seine Komponenten aufschlüsseln:

  • Daten : Dies ist der Kerninhalt des Blocks. Eine Kryptowährungs-Blockchain enthält normalerweise Details zu Transaktionen wie Absender, Empfänger und überwiesenen Betrag. In anderen Anwendungen könnten es beliebige Daten sein – Krankenakten, Wahlinformationen oder Details zur Lieferkette.
  • Hash : Dies ist eine eindeutige Kennung für den Block, die oft als digitaler Fingerabdruck bezeichnet wird. Er wird erstellt, indem der Inhalt des Blocks durch eine kryptografische Hash-Funktion geleitet wird. Jede noch so kleine Änderung des Blockinhalts führt zu einem völlig anderen Hash. Diese Eigenschaft ist entscheidend für die Aufrechterhaltung der Integrität der Blockchain.
  • Hash des vorherigen Blocks : Dadurch wird die „Kette“ in der Blockchain erstellt. Durch die Einbeziehung des Hashs des vorherigen Blocks ist jeder Block mit seinem Vorgänger bis zurück zum ersten Block (bekannt als Genesis-Block) verknüpft. Diese Verkettung macht es äußerst schwierig, frühere Blöcke zu manipulieren, da jede Änderung alle nachfolgenden Blöcke ungültig machen würde.
  1. Knoten

Knoten sind die einzelnen Computer oder Geräte, die am Blockchain-Netzwerk teilnehmen. Sie spielen mehrere wichtige Rollen:

  • Speichern der Blockchain : Jeder Knoten verwaltet eine vollständige Kopie der Blockchain, wodurch Redundanz gewährleistet und einzelne Fehlerpunkte verhindert werden.
  • Validieren neuer Blöcke : Wenn ein neuer Block erstellt wird, überprüfen die Knoten seine Gültigkeit, bevor sie ihn zu ihrer Kopie der Blockchain hinzufügen.
  • Weiterleiten von Transaktionen : Knoten senden neue Transaktionen an andere Knoten und stellen so sicher, dass sich Informationen schnell im gesamten Netzwerk verbreiten.
  • Aufrechterhaltung des Konsenses : Knoten arbeiten zusammen, um sich auf den aktuellen Status der Blockchain zu einigen und so Unstimmigkeiten und Angriffe zu verhindern.
  1. Konsensmechanismen

 Konsensmechanismen sind Protokolle, die sicherstellen, dass sich alle Knoten im Netzwerk darüber einig sind, welche Blöcke zur Kette hinzugefügt werden sollen. Sie sind entscheidend für die Aufrechterhaltung der Integrität und Sicherheit der Blockchain. Sehen wir uns einige gängige Konsensmechanismen an:

  • Proof of Work (PoW) : PoW wird von Bitcoin und Dogecoin verwendet und erfordert, dass Knoten (in diesem Zusammenhang Miner genannt) komplexe mathematische Rätsel lösen, um neue Blöcke zu validieren. Dieser Prozess ist energieintensiv, aber sehr sicher.
  • Proof of Stake (PoS) : Bei PoS werden Validierer ausgewählt, die neue Blöcke erstellen, basierend auf der Menge an Kryptowährung, die sie als Sicherheit „einsetzen“. Dies ist energieeffizienter als PoW und wird von Netzwerken wie Cardano und Ethereum 2.0 verwendet.
  • Delegated Proof of Stake (DPoS) : Dies ist eine Variante von PoS, bei der Token-Inhaber für „Delegierte“ stimmen, die für die Validierung von Transaktionen und die Pflege der Blockchain verantwortlich sind. Netzwerke wie EOS und Tron verwenden dies. 

So funktioniert eine Blockchain: Schritt für Schritt

Hier ist eine Schritt-für-Schritt-Erklärung, wie eine Blockchain funktioniert:

  1. Transaktionsinitiierung

Benutzer, die Kryptowährungen senden oder Daten in der Blockchain aufzeichnen möchten, initiieren eine Transaktion. Diese Transaktion wird mit dem privaten Schlüssel des Absenders digital signiert, um den Besitz nachzuweisen und Manipulationen zu verhindern.

  1. Transaktionsüberprüfung

Die initiierte Transaktion wird an das Netzwerk der Knoten gesendet. Diese Knoten überprüfen dann die Transaktion, indem sie prüfen, ob der Absender über ausreichende Mittel (im Falle einer Kryptowährung) oder das Recht zur Durchführung der Transaktion verfügt und ob die Transaktion den Regeln des Netzwerks entspricht.

  1. Blockerstellung

Verifizierte Transaktionen werden zu einem Block zusammengefasst. Der Knoten, der den Block erstellt, fügt außerdem eine Coinbase-Transaktion hinzu und berechnet den Hash des Blocks.

Die Coinbase-Transaktion markiert den Beginn jedes Blocks, verteilt die Blocksubvention, derzeit 6,25 BTC pro Block, und zieht die Gesamtgebühren aller im Block enthaltenen Transaktionen ein.

  1. Blockvalidierung

Der neu erstellte Block muss validiert werden, bevor er zur Blockchain hinzugefügt werden kann. In einem PoW-System konkurrieren dabei Knoten darum, ein komplexes mathematisches Rätsel zu lösen. Der erste, der es löst, darf den Block zu seiner Kette hinzufügen und ihn an das Netzwerk senden. PoS-Systeme wählen einen Validierer basierend auf ihrem Einsatz aus, um den neuen Block zu erstellen und zu validieren.

  1. Blockaddition

Sobald ein Block validiert ist, überprüfen andere Knoten seine Richtigkeit, fügen ihn ihrer Kopie der Blockchain hinzu und senden ihre Akzeptanz. Dadurch entsteht eine Akzeptanzkaskade im gesamten Netzwerk. 

  1. Transaktionsabschluss

Da der Block nun Teil der Blockchain ist, gelten die darin enthaltenen Transaktionen als bestätigt. Abhängig von der Blockchain müssen Benutzer möglicherweise warten, bis nach diesem Block noch mehrere weitere Blöcke hinzugefügt werden, um zusätzliche Sicherheit zu gewährleisten, bevor sie die Transaktion als vollständig abgeschlossen betrachten.

Hauptmerkmale der Blockchain-Technologie

Die Blockchain-Technologie verfügt über mehrere Schlüsselfunktionen, die sie sicher, transparent und zuverlässig machen:

Dezentralisierung

In traditionellen zentralisierten Systemen – wie Banken oder Regierungen – kontrolliert eine einzige Autorität das System. Blockchain verteilt diese Kontrolle auf das gesamte Netzwerk. Dies hat mehrere Vorteile:

  • Kein einzelner Ausfallpunkt
  • Widerstand gegen Zensur oder Shutdown
  • Reduzierter Bedarf an Vermittlern

Transparenz

In öffentlichen Blockchains kann jeder den gesamten Transaktionsverlauf einsehen. Während die Identitäten hinter den Transaktionen in der Regel pseudonym sind, ist der Fluss von Vermögenswerten oder Informationen vollständig sichtbar. Dieses Maß an Transparenz kann das Vertrauen in das System erhöhen, eine öffentliche Prüfung ermöglichen und Betrug und Korruption in verschiedenen Branchen reduzieren. 

Unveränderlichkeit

Sobald Daten in der Blockchain aufgezeichnet sind, wird es schwierig, sie zu ändern oder zu löschen. Dies liegt daran, dass das Ändern eines Blocks das Ändern aller nachfolgenden Blöcke erfordern würde und der Großteil des Netzwerks die geänderte Kette ebenfalls akzeptieren müsste. Diese Unveränderlichkeit gewährleistet die Integrität historischer Aufzeichnungen und erstellt einen überprüfbaren Prüfpfad. 

Sicherheit

Die Sicherheit der Blockchain beruht auf ihrer dezentralen Architektur und ihren kryptografischen Prinzipien. Public-Key-Kryptografie ist eine grundlegende Komponente, bei der Paare aus öffentlichen und privaten Schlüsseln für sichere Transaktionen verwendet werden. Öffentliche Schlüssel verschlüsseln Daten, während private Schlüssel sie entschlüsseln und so eine sichere Kommunikation gewährleisten.

Ein weiteres wichtiges Element sind Hash-Funktionen , die eine Einweg-Verschlüsselung ermöglichen, die aus Eingabedaten variabler Größe eine Ausgabe mit fester Größe (Hash) erzeugt. Dadurch wird die Datenintegrität sichergestellt, sodass es für Angreifer schwierig ist, die Daten unbemerkt zu manipulieren. 

Digitale Signaturen , die Transaktionen mit privaten Schlüsseln signieren, stellen Authentizität und Eigentum sicher und können von anderen mit dem entsprechenden öffentlichen Schlüssel überprüft werden. Die Verschlüsselung schützt Daten während der Übertragung und im Ruhezustand mithilfe fortschrittlicher Algorithmen und gewährleistet Vertraulichkeit und Geheimhaltung. 

Konsensmechanismen wie Proof of Work oder Proof of Stake ermöglichen eine dezentrale Einigung über den Zustand der Blockchain und verhindern, dass eine einzelne Entität das Netzwerk manipuliert. Das unveränderliche Hauptbuch stellt sicher, dass Transaktionen in einem manipulationssicheren und nur anfügbaren Hauptbuch aufgezeichnet werden, wodurch die Integrität und Dauerhaftigkeit der Daten gewahrt bleibt.


Die Kombination dieser kryptografischen Prinzipien und der Dezentralisierung macht die Blockchain-Technologie zu einer sicheren und zuverlässigen Grundlage für verschiedene Anwendungen. Zufälligkeit und Unvorhersehbarkeit sind ebenfalls von wesentlicher Bedeutung, ebenso wie die Verwendung von Zufallszahlen und unvorhersehbaren Daten, um Angriffe zu verhindern und die Sicherheit kryptografischer Algorithmen zu gewährleisten.

Anwendungen der Blockchain-Technologie

Die Blockchain-Technologie bietet über Kryptowährungen hinaus zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten, darunter:

  • Lieferkettenmanagement

Blockchain kann eine transparente, unveränderliche Aufzeichnung des Weges eines Produkts durch die Lieferkette erstellen. Dies kann dazu beitragen, die Echtheit zu überprüfen und Fälschungen vorzubeugen. Darüber hinaus können Kontaminationsquellen in Lebensmittelversorgungsketten aufgespürt und eine ethische Beschaffung von Materialien sichergestellt werden.
 

  • Gesundheitsakten

Blockchain könnte ein sicheres, interoperables System für elektronische Gesundheitsakten bieten. Patienten könnten den Zugriff auf ihre Gesundheitsdaten kontrollieren, Aufzeichnungen könnten problemlos zwischen Gesundheitsdienstleistern übertragen werden und die Unveränderlichkeit würde unbefugte Änderungen der Krankengeschichte verhindern. 
 

  • Wahlsysteme

Blockchain-basiertes Wählen könnte die Transparenz erhöhen und Wahlbetrug reduzieren. Jede Stimme könnte als Transaktion in der Blockchain aufgezeichnet werden und ihre Unveränderlichkeit würde Manipulationen der Stimmen verhindern. Der öffentliche Charakter der Blockchain ermöglicht zudem eine einfache Überprüfung.
 

  • Intelligente Verträge

Dabei handelt es sich um selbstausführende Verträge, deren Bedingungen direkt in Code geschrieben sind. Sie können Vereinbarungen automatisch und ohne Zwischenhändler durchsetzen und könnten Bereiche wie Immobilientransaktionen, die Bearbeitung von Versicherungsansprüchen und automatisierte Lieferkettenabläufe revolutionieren. 

  • Geistiges Eigentumsrecht

Blockchain kann dabei helfen, geistiges Eigentum zu schützen und zu verwalten. Es kann eine unveränderliche Aufzeichnung darüber erstellen, wann eine Idee erstmals dokumentiert wurde. Entwickler können auch Nutzungsrechte für digitale Inhalte verwalten und verfolgen und Lizenzgebührenzahlungen durch Smart Contracts automatisieren.

Herausforderungen für die Blockchain-Technologie

Hier sind einige der Herausforderungen, vor denen die Blockchain-Technologie heute steht:

Skalierbarkeitsprobleme

Viele Blockchain-Netzwerke, insbesondere solche, die PoW verwenden, können nur eine begrenzte Anzahl von Transaktionen pro Sekunde verarbeiten. Dies stellt ein erhebliches Hindernis für die flächendeckende Einführung von Anwendungen mit hohem Volumen dar.

Energieverbrauch

PoW-Systeme wie Bitcoin verbrauchen enorme Mengen an Energie. Während effizientere Konsensmechanismen wie PoS dieses Problem lindern, bleibt der Energieverbrauch ein Problem. 

Regulatorische Unsicherheiten

Da es sich bei Blockchain um eine relativ neue Technologie handelt, operiert sie in vielen Rechtsräumen in einer regulatorischen Grauzone. Diese Unsicherheit kann die Einführung und Investitionen behindern.

Integration mit vorhandenen Systemen

Die Implementierung einer Blockchain erfordert erhebliche Änderungen an bestehenden Geschäftsprozessen und der IT-Infrastruktur, was kostspielig und komplex sein kann.

 Datenschutzbedenken bei öffentlichen Blockchains

Während Transaktionen auf öffentlichen Blockchains pseudonym sind, können fortgeschrittene Analysetechniken Transaktionen manchmal mit realen Identitäten verknüpfen. Dies hat zur Entwicklung datenschutzorientierter Kryptowährungen und Zero-Knowledge-Beweisen geführt.

Fazit

Die Zukunft der Blockchain wird wahrscheinlich eine verbesserte Interoperabilität zwischen verschiedenen Blockchain-Netzwerken mit sich bringen. Diese benutzerfreundlicheren Schnittstellen verbergen die zugrunde liegende Komplexität und möglicherweise die Integration mit anderen aufkommenden Technologien wie künstlicher Intelligenz und dem Internet der Dinge.

Wie bei jeder transformativen Technologie kann die Blockchain ihre volle Wirkung nur durch kontinuierliche Forschung, Entwicklung und praktische Anwendung in unterschiedlichsten Sektoren entfalten.