2.1 Überblick: Bitcoin und Blockchain

Im Jahr 2008 hat ein Autor unter dem Pseudonym »Satoshi Nakamoto« ein Whitepaper mit dem Titel Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System veröffentlicht.8 Er beschreibt darin auf neun Seiten die Funktionsweise des digitalen Zahlungsmittels »Bitcoin«.

Zur Teilnahme am Netzwerk kann sich jeder Nutzer eine öffentliche Bitcoin-Adresse generieren und die notwendige Software herunterladen. Anschließend kann ein Nutzer als Netzwerkknoten (»Node«) am Netzwerk teilnehmen, ohne dass eine Registrierung oder ein Log-in notwendig ist. Um Zahlungstransaktionen zu legitimieren, signieren die Nutzer ihre Transaktionen kryptografisch mit einem privaten Schlüssel. Mit einem für jeden verfügbaren öffentlichen Schlüssel lässt sich die Echtheit der Transaktion verifizieren. Da Kryptografie bei zahlreichen Abläufen im Bitcoin-Netzwerk eine bedeutende Rolle einnimmt, wird Bitcoin als »Kryptowährung« bezeichnet.

Die Transaktionen werden im Bitcoin-Netzwerk über das Internet in Form von Nachrichten an alle Nutzer weitergeleitet. Die endgültige, unveränderliche Speicherung der Nachrichten erfolgt in fortlaufend durchnummerierten Datencontainern (»Blöcken«) mit etwa 1 MB Speicherplatz. Um einen Block abspeichern zu können, muss zunächst ein mathematisches Rätsel gelöst werden, für das hohe Rechenleistung erforderlich ist. Nutzer, die sich an der Lösung des Rätsels beteiligen, werden »Miner« genannt. Derjenige Miner, der das Rätsel als Erster löst, darf den Block speichern und erhält für seine Arbeit eine Belohnung in Form von Bitcoins.9 Dieses Verfahren, Rechenleistung für die Lösung des mathematischen Rätsels aufzuwenden und die richtige Lösung als Nachweis zu erbringen, wird als »Proof-of-Work« bezeichnet.

Wenn ein Miner einen Block mit der Nummer »n« generiert, erzeugt er einen digitalen Fingerabdruck der Transaktionen dieses Blocks – den Hash-Wert. Die Blöcke werden fortlaufend durchnummeriert, daher erhält der nächste Block, der von einem anderen Miner generiert wird, dann die Nummer »n+1«. Es wird wieder ein digitaler Fingerabdruck (Hash) des neues Blocks n+1 gebildet. Dieser digitale Fingerabdruck enthält auch den Hash des vorangegangenen Blocks »n« und ist dadurch mit diesem verbunden. Die Blöcke werden also zur Blockchain »aneinander gekettet«, indem ein neuer Block immer auf den vorangehenden Block verweist. Die Abbildung 2.1 verdeutlicht das Grundprinzip der Blockchain:

Die Verkettung von Blöcken über Hash-Werte löste das bei Digitalwährungen bis dahin ungelöste »Double-Spending-Problem«, das mehrfache Ausgeben einer digitalen Währung. Während Werteträger aus der physischen Welt, wie z. B. Gold oder eine Banknote, nicht bzw. nur unter erheblichem Aufwand kopiert werden können, sind digitale Währungen im Grundsatz einfach zu duplizieren und können damit mehrfach ausgegeben werden.10 Über die nicht veränderliche Historie in der Blockchain ist aber jederzeit nachprüfbar, ob die digitale Währung vom Sender bereits ausgegeben wurde. Bitcoins, die bisher nicht ausgegeben wurden, werden als »Unspent Transaction Output (UTXO)« bezeichnet und sind immer genau einer Adresse zugeordnet.

Jeder Nutzer des Bitcoin-Netzwerks hält eine Kopie der Blockchain auf seinem Rechner vor und aktualisiert diese Kopie mit jedem neuen Block. Jeder Nutzer verfügt somit über ein digitales »Kassenbuch« aller gültigen Transaktionen. Da dieses verteilte »Kassenbuch« als redundante Kopie auf allen dezentralen Rechnern des verteilten Netzwerks gespeichert wird, wird diese Form der Datenspeicherung als »Distributed-Ledger-Technologie« (DLT) bezeichnet.

Ein potenzieller Datenmissbrauch, zum Beispiel die nachträgliche Manipulation eines bereits ausgegebenen Bitcoins, wird bei Blockchains schon im Design eliminiert. Wird ein Datensatz in einer Kopie der Blockchain eines Nutzers verändert, stimmen die Hash-Werte dieser Blockchain nicht mehr mit den Hash-Werten der anderen Blockchain-Kopien überein. Die Daten sind somit nicht konsistent und der Betrug offensichtlich, da die Mehrheit der Nutzer die korrekte Kopie der Blockchain vorhält.11

Die Regeln, wie der Austausch der Bitcoins und die kryptografischen Funktionen gestaltet sind, sind im Softwarecode des Bitcoin-Protokolls geregelt. Im Jahr 2009 wurde dazu der notwendige Quellcode öffentlich zugänglich als sogenannte Open-Source-Software veröffentlicht und das Bitcoin-Netzwerk mit dem ersten Block, dem Genesis-Block, gestartet.

Bitcoin besteht somit zusammenfassend aus verschiedenen technischen Komponenten. Da diese in einem Systemverbund zusammenwirken, wird Bitcoin somit auch als »Blockchain-System« bezeichnet.

Zusammenfassend steht hinter dem Blockchain-System Bitcoin

• ein Computer-Netzwerk zahlreicher Knoten (Nodes), mit dem Nutzer über das Internet interagieren (das Bitcoin-Netzwerk),
• eine auf alle Knoten (Nodes) verteilte Datenbank (Distributed-Ledger-Technologie = DLT), in der Transaktionen in einer Datenstruktur von Blöcken zusammengefasst und anschließend zur Blockchain verkettet werden,
• ein Open-Source-Software-Programm, in dem die Funktionen und Regeln für den Austausch von Bitcoin implementiert sind (das Bitcoin-Protokoll),
• ein digitales Zahlungsmittel, dessen Übertragung mit kryptografischen Schlüsseln funktioniert (eine Kryptowährung).

Die Abbildung 2.2 stellt stark vereinfacht die Struktur des Blockchain-Systems Bitcoin dar. Jeder Node hat eine Kopie der Blockchain im verteilten Ledger (DLT) gespeichert. Zudem ist auf jedem Node das Bitcoin-Protokoll als Software installiert. Über Netzwerkverbindungen wird im Rahmen eines Peer-to-Peer-Netzwerks mit anderen Nodes im Netzwerk kommuniziert.

2.2 Bausteine der Bitcoin-Technologie

Blockchain wird in der öffentlichen Wahrnehmung oftmals mit der Kryptowährung Bitcoin gleichgesetzt. Richtig ist, dass das Aneinanderketten von Blöcken zur Blockchain den Durchbruch der Kryptowährung Bitcoin ermöglicht hat. Allerdings beruht Bitcoin auf weitaus mehr technologischen Bausteinen als nur der Blockchain. Die nachfolgenden Kapitel stellen Schritt für Schritt diese technologischen Bausteine dar. Die Erläuterung zahlreicher Bausteine erfolgt am Beispiel von Bitcoin, da es oftmals als »Blaupause« für andere...