Blockchain-basierte Smart Contracts

Abstract.

Blockchain, die Kerntechnologie von Bitcoin, hat in letzter Zeit umfangreiche Aufmerksamkeit erhalten. Blockchain dient als öffentliches Hauptbuch „public ledger“, wodurch die in ihr gespeicherten Transaktionen fast unmöglich zu manipulieren sind. Die Technologie besitzt die Schlüsseleigenschaften Dezentralisierung, Persistenz, Pseudonymität und Transparenz. Durch diese Eigenschaften kann die Technologie in vielen verschiedenen Bereichen angewendet werden. In diesem Paper werden zunächst die Grundlagen hinter der Technologie aufgeführt, woraufhin der Fokus auf ein spezielles Anwendungsgebiet von Blockchains gelegt wird: Smart Contracts. Bei Smart Contracts handelt es sich um Computerprogramme, welche festgelegte Vertragsbedingungen validieren und ausführen. Das dahinterliegende Funktionsprinzip wird in diesem Paper näher beschrieben und ein Beispiel dazu erläutert. Darüber hinaus werden Smart Contracts im Hinblick auf Prozessunterstützung betrachtet und diesbezüglich ein konkreter Anwendungsfall vorgestellt. Die Vor- und Nachteile von Smart Contracts werden im Anschluss diskutiert. Das Paper endet mit einer Zusammenfassung.

Keyw or ds: Blockchain, Smart Contracts, Prozessunterstützung.

1 Motivation

Das Interesse für eine kryptographische Verkettung von Einträgen bestand schon seit den 90er Jahren bei mehreren verschiedenen Personen, darunter auch bei dem Informatiker Nick Szabo [1]. Nick Szabo entwickelte seine eigene Version einer digitalen Währung, welche „Bit Gold“ genannt wurde. Allerdings wurde das Konzept der Blockchain-Technologie erstmals im Jahr 2008 von Satosho Nakamoto umgesetzt, indem er die erste und auch bekannteste Kryptowährung Bitcoin eingeführt und in seinem White Paper „Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System“ beschrieben hat. Wer oder auch wie viele hinter dem Pseudonym Satosho Nakamoto stecken ist bis heute nicht bekannt [1]. Satosho Nakamoto erkannte das Problem, dass vor allem der Handel im Internet ein gewisses Maß an Vertrauen benötigt, welches jedoch nicht jederzeit vollständig gegeben ist. Händler misstrauen den Kunden und verlangen dadurch mehr private Informationen von ihnen, als eigentlich notwendig [2]. Zusätzlich wird eine gewisse Betrugsbereitschaft der Kunden vom Handel akzeptiert. Die Intention von Satosho Nakamoto war daher ein Konzept zu entwickeln, welches kein Vertrauen mehr zwischen den Parteien verlangt und einen Handel dennoch ermöglicht.

Die Blockchain-Technologie erfüllt die Ansprüche dieses Konzepts, da alle Informationen dezentral gespeichert werden und dadurch eine Transparenz für jeden Teilnehmer gegeben ist. Zudem erfolgt die Abwicklung direkt zwischen Sender und Empfänger, ohne eine dritte Partei zu benötigen (siehe auch Kapitel 2.1).

Seit der Veröffentlichung des Papers und der ersten Schöpfung eines Bitcoins im Jahr 2009 hat die Blockchain-Technologie eine Menge Aufmerksamkeit erhalten. Dadurch sind auch immer mehr Blockchains entstanden. Die Entwicklung der Blockchain-Technologie kann in drei unterschiedliche Phasen eingeteilt werden [3].

- Phase 1 Kryptowährungen: In der ersten Phase lag der Fokus hauptsächlich auf den Kryptowährungen. Es wurden Anwendungen im Bereich der Finanzdienstleistung erprobt und auch weitere Kryptowährungen entwickelt.
- Phase 2 Smart Contracts: In der nächsten Phase wurde der Bereich der Finanzdienstleistung um den Wirtschaftsbereich erweitert. Hierfür wurden die sogenannten Smart Contracts eingeführt (siehe auch Kapitel 3).
- Phase 3 Dezentrale autonome Organisationseinheiten: In der bisher letzten Phase sollen, sogar über die Wirtschaft hinaus, in allen Lebensbereichen mit eigenen Gesetzen und einem hohen Automatisierungsgrad Blockchain- Anwendungen eingesetzt werden können.

Die Blockchain-Technologie entwickelt sich immer weiter, und es werden immer wieder neue Anwendungsfelder und Umsetzungsmöglichkeiten entdeckt.

In dieser Arbeit werden die Grundlagen über die Blockchain-Technologie (Kapitel 2.1) und Smart Contracts (Kapitel 3.1) genauer beschrieben. Außerdem werden zusätzlich noch verschiedene Anwendungsfälle vorgestellt. Zum einen wird erläutert, wie die Blockchain-Technologie allgemein eingesetzt werden kann (Kapitel 2.2) und zum anderen wird ein Anwendungsfall konkret anhand von Smart Contracts vorgestellt (Kapitel 3.2). Zusätzlich wir in Kapitel 4 erklärt, wie Smart Contracts Prozesse unterstützen können. Zuletzt werden noch die Vor- und Nachteile von Smart Contracts in Kapitel 5 erläutert und mit einer Zusammenfassung in Kapitel 6 abgeschlossen.

2 Die Blockchain-Technologie

Die Blockchain-Technologie wurde als Plattform zur Einführung von Kryptowährungen entwickelt [4]. Bei Kryptowährungen, handelt es sich um virtuelle Zahlungsmittel, welche auf Verschlüsselungstechnik (Kryptografie) basieren. Die bekannteste Kryptowährung stellt Bitcoin dar. Solche virtuelle Währungen sind „privates“ Geld, welches von keinem Staat legitimiert oder garantiert wird [5]. Beispielsweise gibt es keine Bitcoin-Scheine oder Münzen, vielmehr besteht die Währung Bitcoin aus einer Reihe von Datensätzen, welche einzelnen Transaktionen entsprechen. Neben Kryptowährungen kann die Blockchain-Technologie noch für weitere Bereiche angewendet werden. Um ein allgemeines Verständnis für die Thematik herzustellen, werden im folgenden Kapitel die wesentlichen Grundlagen der Blockchain-Technologie beschrieben. Darüber hinaus werden unterschiedliche Bereiche vorgestellt, in denen die Blockchain-Technologie Anwendung findet.

2.1 Grundlagen

Condos et al. (2016) definieren eine Blockchain als ein elektronisches Register für digitale Datensätze, Ereignisse oder Transaktionen, die durch die Teilnehmer eines dezentralen Rechnernetzes verwaltet werden [6]. Zunächst wird eine Transaktion, wie z.B. die Überweisung einer Kryptowährung von einem Sender erzeugt und digital signiert. Diese Transaktion wird an die Blockchain gesendet und an die beteiligten Knoten verteilt. Die Knoten des Netzwerks überprüfen die Gültigkeit der Transaktion und fügen diese chronologisch der Blockchain hinzu.

Der grundsätzliche Aufbau eines Blocks besteht aus mehreren Transaktionen, welche im Transaktionsteil des Blocks gespeichert sind. Die Transaktionen werden mit einer sogenannten Hashfunktion zuerst einzeln und dann paarweise so lange verschlüsselt („gehasht“), bis ein einzelner Hashwert verbleibt. Dieser Hashwert wird im Blockheader gespeichert und auch als „Merkle Root“ des aus den Transaktionen bestehenden „Merkle Trees“ bezeichnet [4]. Die Hashfunktion ist ein kryptographischer Algorithmus, indem eine zufällige Zeichenfolge erstellt wird. Beispielweise wird für Bitcoin der Algorithmus SHA-256 verwendet [7]. Neben dem Hashwert des eigenen Blocks enthält der jeweilige Block auch den Hashwert des vorherigen Blocks [4]. Dadurch entsteht eine lineare Verkettung der Blöcke zu einer Blockchain (siehe Abbildung 1). Die Relevanz der Mehrheit der Teilnehmer ist beim Fortschreiben der Blockchain entscheidend. Erweiterungen sind erst möglich, wenn mindestens 51% der Teilnehmer von der Richtigkeit der aufzunehmenden Erweiterung überzeugt sind [8].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Vereinfachte Bitcoin-Blockchain [9]

Die entstandene Blockchain wird als sogenannten Distributed Ledger dezentral gespeichert. Das bedeutet, dass die Transaktionen nicht auf einem einzelnen Server abgelegt sind, sondern auf vielen verschiedenen Computern, den sogenannten Nodes. Dieses Konzept gewährleistet, dass die Transaktionen fälschungssicher sind. Um eine Blockchain zu fälschen, müsste jeder einzelne Node angepasst werden, was einen vielfach höheren Aufwand verlangt, als einen Eingriff auf einer zentralen Stelle [10]. Bei Änderungen werden bestehende Dateien nicht umgeschrieben, sondern die neuen bzw. aktualisierten Informationen kommen in Form von neuen Blöcken hinzu. Das Volumen der Blockchain wächst somit bei jeder Transaktion [10].

Für die Persistenz werden die Ketten über eine Vielzahl von Knoten verteilt, das heißt alle Knoten haben dasselbe Basiswissen. Entstehen in einzelnen Knoten nun neue Blöcke als Ergänzung der bestehenden Blockchain, so besteht in der gesamten Blockchain ein Konsens über die Änderungen. Da die Kette als Kopie auf den Rechnern der Netzwerkteilnehmer gespeichert wird, muss dafür aber auch zunehmend Speicherplatz auf diesen für die Blockchain zur Verfügung gestellt werden.

Zudem können abgespeicherte Daten bei einem dezentralen Netz nicht so einfach durch äußere Einflüsse zerstört werden. Beispielsweise würde im Falle eines Brandes eine zentrale Datenbank beschädigt werden und es könnte niemand mehr auf die Daten zugreifen. In einer Blockchain allerdings, wären die Daten noch auf den anderen Nodes vorhanden. Außerdem bedeutet das auch, dass die Blockchain ein neutrales System darstellt, welches keinen zentralen Verantwortlichen hat; jeder Teilnehmer hat die gleichen Rechte. Dadurch wird in der Blockchain auch eine Transparenz gewährleistet. Jeder Teilnehmer hat vollen Zugriff auf die Blockchain und kann alle abgespeicherten Informationen einsehen.

Lediglich die Teilnehmer der Blockchain sind dabei unbekannt. Sie agieren nur mit einem Pseudonym, indem sie sich einen Account (oder auch Wallet) in der Blockchain erstellen. Dieser Account kann ausschließlich über eine Adresse (öffentlicher Schlüssel) aufgerufen werden. Wer hinter diesem Account steckt, wird dabei nicht bekannt, da beim Erstellen keine persönlichen Informationen abgefragt werden. Neben der Adresse kann außerdem auch gesehen werden, wie viel Kryptowährungen der Teilnehmer hat und welche Transaktionen er bisher ausgeführt hat [11].

Das Konzept der Blockchain kommt in einem Peer-to-Peer-Netzwerk zum Einsatz. Das bedeutet, dass die Transaktionen direkt zwischen Sendern und Empfängern, also Peer-to-Peer, abgewickelt werden, ohne dass ein zentraler Intermediär (z.B. eine Bank) benötigt wird. Um die Konsistenz und die Integrität der gesendeten Informationen zu gewährleisten gibt es sogenannte Konsensmechanismen, welche die Blöcke der Transaktionen validieren [12]. Der Konsensmechanismus hat die grundlegende Aufgabe das Hinzufügen von Blöcken so aufwändig zu machen, dass jeweils nur ein Block hinzugefügt werden kann und die gesendetes Informationen richtig sind. Der jeweilige Teilnehmer erhält nach erfolgreichem Hinzufügen eines Blockes eine Belohnung z.B. in Form von Bitcoins. Dieser Prozess einen Block hinzuzufügen wird auch Mining genannt und der Teilnehmer ist der Miner.

Der bekannteste Ansatz hierbei nennt sich „Proof-of-Work“ (PoW). Hierbei muss der jeweilige Teilnehmer ein kryptografisches Rätsel lösen, um einen Block hinzufügen zu können. Dieser Ansatz wird unter anderem auch bei der Kryptowährung Bitcoin angewendet. Sobald das Rätsel gelöst wurde, wird der Block zur Blockchain hinzufügt und dem Miner wird die Belohnung gutgeschrieben. Ein großer Nachteil hierbei ist, dass sehr viel Rechenleistung benötigt wird.

Ein anderer Ansatz heißt „Proof of Stake“ (PoS). Ob ein Block hinzugefügt werden kann, hängt hierbei von dem Besitz an Kryptowährungen ab. Die eigentliche Auswahl wird hier zufällig getroffen. Die Chance eines Teilnehmers ausgewählt zu werden und mit seinem Block zur Blockchain hinzugefügt zu werden, steigt jedoch mit der Anzahl an seinem Guthaben an Kryptowährungen. Ebenfalls erhält hier der jeweilige Miner eine Belohnung. Dieser Ansatz soll bei der Ethereum Blockchain eingeführt werden.

Eine Kombination aus diesen beiden Ansätzen ist „Proof of Activity“ (PoA). Außerdem gibt es auch noch den „Proof of Importance“-Ansatz (PoI), welcher an PoS anknüpft und den „Proof of Elapsed Time“-Ansatz (PoET), der mit einer eigenen Laufzeitumgebung den jeweiligen Miner auswählt [12].

Die hier vorgestellten Konzepte gelten für öffentliche Blockchains, welche die verbreitetste Art von Blockchains darstellen. Beispiele davon sind Bitcoin oder Ethereum. Allerdings gibt es auch noch weitere Arten: private Blockchains und Konsortiums Blockchains [13]. Eine private Blockchain ermöglicht nur bestimmten Personen Zugriff auf die Blockchain. Zusätzlich können Lese- und Schreiberechte an die Teilnehmer verteilt werden. Die Teilnehmer sind hierbei nicht anonym, sondern bekannt. Das Protokoll der Blockchain ist nicht öffentlich.

Bei der sogenannten Konsortiums Blockchain können die Teilnehmer ebenfalls gezielt ausgewählt werden und es kann entschieden werden, wer Transaktionen ausführen darf und wer lediglich Lesezugriff auf die Informationen besitzt. Allerdings kann hierbei das Protokoll der Blockchain im Gegensatz zu privaten Blockchains veröffentlich werden [13].

2.2 Anwendungsbereiche

Wie bereits erwähnt wird eine Erweiterung der Anwendungsbereiche der Blockchain- Technologie laufend diskutiert und umgesetzt. Kryptowährungen stellen die erste und häufigste Anwendung der Blockchain-Technologie dar [14]. Kryptowährungen ermöglichen Geschäfte in Sekunden abzuschließen. Außerdem gibt es bei internationalen Geschäften keine zusätzlichen Kosten und Aufwand, um Währungen umzurechnen. Neben der bekannten Kryptowährung Bitcoin, gibt es auch noch weitere, wie zum Beispiel Ripple, Litecoin, Altcoin, und die in der Ethereum- Blockchain verwendete Kryptowährung Ether.

Die Sicherstellung von Nachvollziehbarkeit und Transparenz ohne Einschaltung einer zentralen Instanz stellt neben Kryptowährungen auch in anderen Anwendungsgebieten eine wichtige Anforderung dar. Besonders intensiv wird die Anwendung der Blockchain-Technologie derzeit im Banken-Sektor diskutiert [15]. Hier soll die Blockchain beispielsweise für die Abrechnung und Übertragung von Wertpapieren eingesetzt werden. Eine Beschleunigung der Prozesse, sowie eine Kostenreduzierung, sollen durch die Eliminierung der Zentralstelle bei der Dokumentation der Transaktionen herbeigeführt werden.

Ebenfalls kann die Blockchain in Versorgungketten (~ Supply Chains) eingesetzt werden. Die Konsumenten hätten dadurch, dass jeder Schritt in der Versorgungskette durch die Blockchain aufgezeichnet wird, Kenntnis hinsichtlich des Herkunftsortes ihrer Waren. Dadurch, dass einige Käufer wissen möchten, welche Zutaten in bestimmten Produkten enthalten sind und wo sie herstammen, ist vor allem der Nahrungsmittelbereich für diese Technologie interessant [16].

Auch das Internet der Dinge („IoT“), also die Anbindung von Gegenständen an das Internet, stellt ein zukunftsträchtiges Anwendungsfeld für Blockchains dar. Für die Kommunikation einer hohen Zahl an verbundenen Geräten stellen die derzeit eingesetzten zentralisierten und cloudbasierten IoT-Plattformen einen Kapazitätsengpass dar [10]. Zusätzlich kann sich ein lokaler Fehler eines Gerätes auf das gesamte Netzwerk auswirken und damit die darin verbundenen Geräte beeinträchtigen. Durch die enorme Datenmenge, welche von den vernetzten Geräten gesammelt werden, geht zudem ein Sicherheitsrisiko für Nutzer, Unternehmen und auch Regierungen einher. Aufgrund des dezentralen Aufbaus der Blockchain, bei der keine zentrale Instanz zur Überwachung der Korrektheit der Daten nötig sind und kein zwangläufiges Vertrauen zwischen den Teilnehmern herrschen muss, könnten diese Probleme aktueller Ansätze eliminiert werden. Die verbundenen Geräte könnten durch den Einsatz der Blockchain Geräte direkt miteinander kommunizieren und über Smart Contracts miteinander interagieren.

Die Untersuchung der Anwendungsbereiche, welche von der neuen Technologie am ehesten profitieren können, zeigt, dass jeweils unterschiedliche Eigenschaften der Blockchain für ein Anwendungsfeld relevant sind. Während beispielsweise für den Bereich Supply Chain die Irreversibilität¹ wesentlich ist, stellen für Anwendungen aus dem Bereich des Internets der Dinge vor allem die mit Smart Contracts verbundenen Automatisierungspotenziale Nutzen dar. Auf das Thema Smart Contracts wird im folgenden Kapitel näher eingegangen.

3 Smart Contracts

Durch Smart Contracts, sogenannte intelligente Verträge, wird ermöglicht, dass zuvor vertraglich vereinbarte Handlungen autonom initiiert werden, ohne dass eine dritte Partei erforderlich wird. Zum Beispiel können vereinbarte Zahlungen von Geldbeträgen selbsttätig veranlasst werden [8]. Die genaue Funktionsweise wird in folgendem Kapitel beschrieben. Außerdem wird ein Anwendungsfall vorgestellt, wie ein Smart Contract in der Praxis angewendet werden kann.

3.1 Funktionsprinzip

Smart Contracts sind Computerprogramme, die selbständig Entscheidungen treffen, wenn bestimmte Konditionen erfüllt werden [17]. Im Allgemeinen basieren Smart Contracts, wie normale Verträge, auf einer Wenn-Dann-Funktion. WENN ein bestimmter Fall eintritt, DANN wird eine Aktion ausgeführt. Ein einfach gehaltenes Beispiel eines Vertrages ist z.B. der Geldautomat: Wenn man seine Bankkarte einführt, die eingegebene Geheimzahl korrekt ist und wenn das Guthaben/der Dispo auf dem Konto ausreicht, dann wird der gewählte Betrag ausgezahlt. So eine Funktion wird als Programm-Code bei einem Smart Contract in einer Blockchain gespeichert. Der Unterschied zu normalen Verträgen ist, dass sich ein Smart Contract eigenständig steuern, überwachen und ausführen kann. Dabei überprüft er in einer Laufzeitumgebung die Vertragsbedingungen und leitet weitere Aktionen ein, bis alle Bedingungen erfüllt sind.

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¹ D.h, dass Transaktionen in der Blockchain nachträglich nicht manipuliert oder gar gelöscht werden können.