Blockchain: Wie funktioniert die Technologie und wie verändert sie die Zukunft?

Die Blockchain-Technologie ist ein verteiltes Datenbankmanagementsystem, das erstmals 2009 als Basis für die Kryptowährung Bitcoin bekannt wurde. Mit den Jahren zeigte sich jedoch, dass es noch weitere Möglichkeiten gibt, in denen eine sogenannte Blockkette Anwendung finden kann. Doch was ist die Blockchain-Technologie genau, wie funktioniert sie und welche Vor- und Nachteile gibt es? Auf dieser Seite erfahren Sie alles zur Definition und Funktionsweise der Blockchain – einfach erklärt.

Eine Blockchain ist eine Aneinanderreihung von Datensätzen (sog. Blöcke oder Knoten), in denen zahlreiche Informationen gespeichert werden. Sie beginnt mit einem Ursprungsblock und wird um immer neue Datenblöcke in chronologischer Reihenfolge erweitert. Aufgrund dessen spricht man von einer Blockkette (engl. Blockchain).

Anders als Datenbanken bei Sparkassen oder Banken wird die Blockchain dezentral über ein großes Netzwerk von Computern verwaltet. Die auf der Blockchain gespeicherten Daten sowie deren Auswirkungen auf Vertragspartner können von sämtlichen Teilnehmerinnen und Teilnehmern anonymisiert eingesehen werden. Eine klare Lesbarkeit der Daten durch andere Teilnehmende wird unterbunden, indem die Namen der Vertragspartner verschlüsselt und anonymisiert abgespeichert werden. Das funktioniert über einen individuellen und einzigartigen Code (Hashwert). Eine Entschlüsselung ist dann nur noch für den Sender und den Empfänger der Transaktion möglich. Der Grad der Vertraulichkeit kann so flexibel gestaltet werden.

Als dezentrale Datenbank wird Blockchain vor allem in Zusammenhang mit Kryptowährungen genutzt. Doch Kryptowährung ist nicht der einzige Bereich, in denen die Blockchain-Technologie Anwendung findet. Die Technologie wird zum Beispiel auch im Gesundheitswesen, Lebensmittelhandel oder Logistikbereich genutzt.

Oftmals wird eine Blockchain mit der sogenannten Distributed-Ledger-Technologie (dt. verteiltes Hauptbuch) gleichgesetzt. Denn im Prinzip kann man sich die Blockkette wie ein schriftliches Kassenbuch oder eben Hauptbuch vorstellen, in dem alle Transaktionen von Tag Eins an niedergeschrieben werden. Dieses Kassenbuch beziehungsweise die Blockchain gibt es allerdings nicht nur einmal. Alle Teilnehmenden, die mindestens eine Transaktion durchgeführt haben, besitzen eine exakte Kopie des Hauptbuches – deswegen Distributed Ledger. Das gilt auch bei der Blockchain. Neue Blöcke werden in jeder Kopie der Blockchain ergänzt. Mit physischen Hauptbüchern wäre das System nicht umsetzbar, über ein digitales Netzwerk jedoch schon.

Die Technologie der öffentlichen Blockchain, auf Englisch Public Blockchain, wird von vielen Kryptowährungen genutzt. Jede Person, die einen Computer mit ausreichend Rechenleistung und eine stabile Internetverbindung hat, kann an einer Blockchain teilnehmen. Dadurch wird sie öffentlich. Alle Blöcke sind gleichwertig und jede Teilnehmerin und jeder Teilnehmer hat die gleichen Rechte. Die Berechtigungen beziehen sich auf das Lesen der Informationen in den Datenblöcken, das Ausführen und Bestätigen von Transaktionen und die Sicherung der Datenintegrität. Einfach gesagt: das Sicherstellen, dass keine Manipulationen vorgenommen werden.

Eine private Blockchain ist eine zentralisierte Datenbank, die von einer Instanz oder zumindest von einer begrenzten Anzahl an Teilnehmerinnen und Teilnehmern verwaltet wird. So können die einzelnen Knoten unterschiedliche Rechte bekommen und auch nur von bestimmten, dazu eingeladenen Personen gelesen werden.

Die hybride Blockchain kombiniert die Funktionen einer privaten und öffentlichen Blockchain. Daten eines Unternehmens können beispielsweise über ein öffentliches Netzwerk verbreitet werden, bestimmte Teile allerdings auf einen kleinen Kreis an Teilnehmerinnen und Teilnehmern beschränkt sein. Auf diese Weise können Unternehmen den Zugriff auf einzelne Daten in der Blockchain kontrollieren, während die übrigen Daten der Öffentlichkeit zugänglich gemacht werden.

Bei der Konsortium Blockchain bestimmt nicht eine einzelne Person oder ein Unternehmen darüber, wer Transaktionen vornehmen oder auf Daten zugreifen darf. Stattdessen teilt sich eine Gruppe von Unternehmen beziehungsweise repräsentativen Personen die Entscheidungsgewalt. Dabei gilt auch bei der Konsortium Blockchain, dass einige Teile öffentlich und andere privat zugänglich gemacht werden können.

Eine Blockchain funktioniert im Prinzip als eine Art Kette, die immer länger wird. Jede Transaktion, zum Beispiel das Investieren in Bitcoin, wird in einem eigenen Kettenglied gespeichert, das in chronologischer Reihenfolge mit der Bitcoin-Blockchain verknüpft wird. So kann jede einzelne Transaktion mit der Kryptowährung nachverfolgt werden. Die in den Blöcken gespeicherten Daten sind verschlüsselt und mit einem einzigartigen Code, dem Hashwert, versehen. Dadurch bietet die Technologie ein hohes Maß an Anonymität und Transparenz.

Die Verschlüsselung trägt zur Sicherheit der Blockchain bei. Namen, Beträge oder andere Daten können nicht so einfach ausgetauscht werden, um die Blockkette zu manipulieren. Darüber hinaus  bringt die Blockchain ganz besondere Eigenschaften mit, die sie nahezu vollständig manipulationssicher machen: 

• Jeder neue Block enthält sowohl die Daten der neuen Transaktion, als auch eine Kopie der gesamten Blockchain bis zu diesem Zeitpunkt. 
• Zusätzlich muss jede Transaktion von einer Mehrzahl der Teilnehmenden bestätigt werden.

Ein Beispiel: Der Genesis-Block, also der allererste Block in einer Blockchain, enthält die Informationen zur ersten Transaktion zum Beispiel mit Bitcoin. Bei der zweiten Transaktion entsteht ein neuer Block, der die Daten zu Transaktion 1 und Transaktion 2 enthält. Der nächste Block speichert alle Informationen von Transaktion 1, 2 und 3. Und so setzen sich die Blöcke in der Blockchain fort. Das heißt: Möchte jemand eine Transaktion in der Blockchain manipulieren oder einen gefälschten Block irgendwo dazwischen schieben, muss dies nicht nur in einem Block passieren, sondern in allen – oder zumindest in so vielen, dass es bei einer Nachverfolgung nicht mehr auffallen würde. Wo die Grenze liegt, bei der eine Manipulation unentdeckt bleibt, kann nicht pauschal festgelegt werden.

Hinzu kommt, dass auf jedem Rechner, der mit dem Netzwerk der Blockchain verbunden ist, eine Kopie der gesamten Blockkette gespeichert ist. Eine Manipulation ist dadurch äußerst kompliziert und daher fast unmöglich. Zudem wird bei einer Veränderung oder einer neuen Transaktion die Zustimmung vieler Teilnehmerinnen und Teilnehmer benötigt. Je nach Blockchain unterscheidet sich das Verfahren der Bestätigung. Bei der Währung Bitcoin können diejenigen mit der größten Rechenleistung entscheiden.

Die Blockchain-Technologie ist zwar sehr sicher, dennoch ist das Investieren in Kryptowährungen wie Bitcoin mit hohen Risiken in Form von Kursschwankungen verbunden – vor allem dann, wenn Sie auf einzelne Währungen setzen.

Bei der Proof-of-Work-Methode (PoW), die zum Beispiel bei Bitcoin verwendet wird, lösen im Netzwerk verbundene Computer komplexe Rechenoperationen. Das geschieht über ein Trial-and-Error-Verfahren. Dabei suchen Computer die Lösung durch vielfaches ausprobieren. Ist eine Lösung gefunden, wird diese geprüft und verifiziert. Wer die Lösung als Erster entdeckt, erhält den Block und kann ihn an die Blockchain anhängen. Das Lösen der komplexen Rechenaufgaben erfordert jedoch viel Zeit und Rechenleistung. Damit ist es verhältnismäßig kostenintensiv. Bei der Bitcoin-Blockchain beträgt die aktuelle Validierungsdauer einer einzigen Transaktion circa eine Stunde. Hierbei wird ungefähr so viel Strom verbraucht wie in einem deutschen Einfamilienhaus in einem ganzen Monat. Aus diesem Grund wurde die Proof-of-Stake-Methode (PoS) entwickelt.

Die Proof-of-Stake-Methode ähnelt einem Wahlsystem und ist ein Konsensmechanismus auf der Blockchain. Durch diesen Konsensmechanismus ist die Validierung von Blöcken nicht an die Rechenleistung, sondern an den Anteil an Coins (den „Stake“) gebunden. Sogenannte „Staker“ stellen Kryptowährungen als Sicherheiten zur Verfügung, um Transaktionen zu validieren. Münzbesitzer mit eingesetzten Kryptowährungen werden dann zu „Validatoren“. Die „Validatoren“ werden dann nach dem Zufallsprinzip ausgewählt, um den Block zu validieren. Sobald die Richtigkeit einer Transaktion und der zu Grunde liegenden Informationen sichergestellt ist, belohnt die Blockchain die „Validatoren“ mit Kryptowährungen. Dieser Prozess benötigt etwa 99,00 % weniger Energie als der Proof-of-Work-Mechanismus.

Ein Hashwert wird durch eine sogenannte Hashfunktion berechnet. Diese reduziert große Datenmengen auf eine kleinere Zeichenfolge mit fester Länge. So können jegliche Daten, wie zum Beispiel Passwörter, komprimiert dargestellt werden. Gespeichert werden jedoch lediglich die Hashwerte und nicht die Passwörter selbst.

Um die Daten wieder entschlüsseln zu können, muss das ursprüngliche Passwort verwendet werden. Anschließend wird die Datenmenge mit derselben Hashfunktion berechnet und mit dem gespeicherten Hashwert verglichen. Stimmen die Hashwerte überein, gilt der Benutzer als authentifiziert.

2009 legte der anonyme Entwickler des Bitcoins, der unter dem Pseudonym Satoshi Nakamoto bekannt ist, den Grundstein für die Blockchain als verteiltes Datenbankmanagementsystem. Nakamoto veröffentlichte damals den Genesis-Block der Bitcoin-Blockchain. Die neue Technologie hatte das Ziel, einen Zahlungsverkehr ohne dritte Instanzen zu ermöglichen. Das heißt, es sollten keine Banken oder andere Finanzinstitute an einer Transaktion beteiligt sein. Dadurch wollte Satoshi Nakamoto mehr Anonymität schaffen und die Regulierung durch Zentralbanken sowie das Mitverdienen von Zwischenhändlern und Intermediären umgehen.

Der Hauptgrund, weshalb die Blockchain in immer mehr Branchen Aufmerksamkeit erlangt und Anwendung findet ist jedoch vielmehr die Verschlüsselung und die Manipulationssicherheit. Denn sensible Daten können sicher digital gespeichert und jederzeit abgerufen, aber nicht verändert werden. Zudem werden keine Intermediäre benötigt, die das Vertrauen zwischen beiden Vertragspartnern herstellen, indem sie die Transaktion überwachen und dokumentieren. Die Blockchain-Technologie übernimmt diesen Part automatisch. Dadurch werden die Informationen auch nur zwischen den Parteien ausgetauscht, die einen Vertrag miteinander geschlossen haben. 

Massentauglich ist die Blockchain-Technologie jedoch noch nicht. Für die Verifikation einzelner Transaktionen ist derzeit noch eine sehr hohe Rechenleistung notwendig, die nicht nur lange dauert, sondern auch viel Strom verbraucht. Der Aufwand ist je nach Blockchain unterschiedlich.

Theoretisch kann die Blockchain-Technologie überall eingesetzt werden, wo sensible Daten weitergegeben werden oder die Kontrolle beziehungsweise Nachvollziehbarkeit der Daten wichtig ist. Vor allem Behörden und Großunternehmen wie Microsoft, Walmart und die Allianz interessieren sich derzeit für die Blockchain. Konkrete Einsatzgebiete sind zum Beispiel die Bereiche Energie, Logistik und Finanzen. Doch was ist in diesen Gebieten der Vorteil der Blockchain-Technologie?

Laut Lebensmittelverband und Handelsexperten könnte eine Blockchain beispielsweise die Problematik der gefälschten Ware lösen. Dazu zählen neben gefälschten Autoteilen und Konsumgütern allgemein auch unechte Arzneimittel. Mit der Blockchain könnte die gesamte Lieferkette global und für alle Beteiligten nachvollziehbar gemacht werden, wodurch Fälschungen direkt entlarvt werden könnten. Genauso könnte die Lieferkette von Lebensmitteln nachvollzogen werden, wodurch zum Beispiel die Nachhaltigkeit der Produkte oder die Haltung der Tiere für den Einzelhandel und letztendlich auch für jede Endverbraucherin und jeden Endverbraucher sichtbar wird.

Neben Kryptowährungen hat die Blockchain bereits bei sogenannte Smart Contracts Anwendung gefunden. Diese Programme automatisieren die Erfüllung von Verträgen auf Basis der Blockchain-Technologie.

Beispiel: Sie möchten ein Ticket für ein Musical kaufen und schließen mit dem Veranstalter einen Smart Contract ab. In diesem „schlauen Vertrag“ ist festgelegt, dass die Tickets an Sie versendet werden, sobald das Geld dafür auf einem bestimmten Konto eingegangen ist. Dadurch wird eine Ticketbörse als Intermediär überflüssig, denn beide Parteien können sich sicher sein, dass der Vertrag ordnungsgemäß erfüllt wird. Die Idee und Umsetzung der Smart Contracts kommt vom Erfinder des Open-Source-Blockchain-Systems Ethereum, Vitalik Buterin. Die Währung des Systems ist Ether, eine weitere Kryptowährung wie Bitcoin & Co. Massentauglich ist jedoch auch diese Idee noch nicht. Denn Sonderwünsche, wie zum Beispiel ein Rollstuhlplatz im Musicalsaal oder Allergiker-Bettwäsche im Hotel, können bisher noch nicht so einfach über Smart Contracts abgewickelt werden. Zudem ist nicht sicher, ob das Verfahren allgemein akzeptiert wird.