Wie gelingt eine sichere Datenübertragung innerhalb der Produktionskette? Der Einsatz hybrider Blockchain in der Fahrzeugindustrie

Inhaltsverzeichnis

Abstrakt

Abstract

Abbildungsverzeichnis

Abkurzungsverzeichnis

1. Einleitung
1.1 Motivation
1.2 Begriffsabgrenzung
1.3 Forschungsfrage

2. Grundlagen derBlockchain Technologie
2.1 Distributed LedgerTechnology
2.2 Hash Funktion
2.3 DigitaleSignaturen
2.4 Oberblick Blockchain anhand des Beispiels Bitcoin
2.4.1 FunktionsweisederBitcoin-Blockchain
2.4.1.1 Akteur Node
2.4.1.2 Akteur Miner
2.4.1.3 AkteurTransakteur
2.4.2 Konsensverfahren
2.4.3 Chancen und Risiken
2.5 Alternativen fur die Nutzung der Blockchain Technologie
2.5.1 Konsensverfahren
2.5.2 Smart Contracts
2.5.3 Implementationen
2.6 Anwendung der Blockchain

3 Related Work

4 Systembeschreibung von EinerAutofirma
4.1. Software und Fahrzeugdatenfile Bedatung
4.2. Update des Fahrzeugdatenfiles uber die Werkstatt
4.3. Update des Fahrzeugdatenfiles uber OTA

5 Darstellung des Einsatzes der Blockchain Technologie
5.1 Prozessablauf fur die erfolgreiche Uberprufung einer FDF

6 Technische Umsetzung des Konzepts
6.1 Funktionalitaten der Nodes
6.2 HyperledgerFabric
6.2.1 Chain Codes
6.2.2 Rollen
6.2.3 Transaktionfluss

7 Fazit
7.1 Zusammenfassung
7.2 Future Work

Literaturverzeichnis

Anhänge

Abstrakt

Seit der Erfindung von Bitcoin als digitale Wahrung im Jahr 2008 von Satoshi Nakamoto hat sich die zugrunde liegende Blockchain-Technologie zu einem hoch interessanten Thema entwickelt. Die Blockchain-Technologie verspricht manipulationssichere Daten zu tragen, da die Liste der Datensatze standig wachst und kryptographisch verbunden ist. Blockchain Datenbanksysteme findet mit dem Ansatz des distributed ledgers in einem Peer-to-Peer Netzwerk mit Hilfe von einem Konsensverfahren und Smart Contracts hohen Anklang fur die Finanzindustrie, jedoch auch fur andere geeignete Anwendungsfalle.

Die vorliegende Bachelorarbeit gibt einen Uberblick uber das bekannteste Blockchain Beispiel Bitcoin und stellt die Funktionsweise und Auswirkungen der Blockchain Technologie fur die Fahrzeugbedatung bei einerr Autofirma auf. Dabei werden zunachst die essentiellen, technischen Grundlagen der Kryptografie und Dezentralisierung unter anderem am Beispiel der fuhrenden Kryptowahrung Bitcoin untersucht. Anschlieftend wird der aktuelle Stand der Fahrzeugbedatung von der Autofirma betrachtet und eine Gegenuberstellung mit dem Ansatz der von mir entwickelten Blockchain Technologie evaluiert, urn das System manipulationssicherer, transparenter und zukunftsorientierter zu machen, urn zusatzlich externen Auditoren wie z.B. Polizei, Zoll Oder Versicherung die Zugriffsmbglichkeit zu geben, die Unveranderbarkeit und Transparenz des Fahrzeugdatenfiles zu gewahrleisten. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse werden fur die Fahrzeugbedatung von einer Autofirma Truck & Bus mit dem Einsatz der Blockchain Technologie angewandt und durch eine Implementierung des distributed ledgers mit der Plattform Hyperledger Fabric auf dem Kubernetes Cluster technisch entwickelt.

Diese Bachelorarbeit soil das Grundkonzept fur weitere Blockchain-Projekte bei Einer Autofirma & Bus dienen, urn abschlieftend den gesamten Software-Supply-Chain Lifecycle abzudecken. Eine passende Kernthese zum Vorhaben der Notarisierung einer Fahrzeugdatenfile lautet wie folgt:

,,If the FDF hash is distributiviely stored across the workshop grid, security, transparency and availability will increase throughout the workshop blockchain network.”

Stichworter: Blockchain, Distributed Ledger Technology, Bitcoin, Ethereum, Fahrzeugbedatung, Block Header, Digitale Signatures Distributed Consensus, Hash Pointer, Hash Tree, Mining, Peer-to-Peer Network, Proof-of-Work, Proof-of-Stake, SHA, UNECE, ISO, Proof-of-Authority, Hyperledger Fabric, Corda, Kubernetes

Abstract

Since Satoshi Nakamoto invented Bitcoin as a digital currency in 2008, the underlying blockchain technology has become a highly interesting topic. The blockchain technology promises to carry tamper-proof data, as the list of data records is constantly growing and cryptographically linked. Using the distributed ledger approach in a peer- to-peer network, Blockchain database systems are very popular for the financial industry, but also for other suitable applications, with the help of a consensus procedure and smart contracts.

This bachelor thesis provides an overview of the best-known blockchain example Bitcoin and presents the functionality and effects of blockchain technology for vehicle data at A car company & Bus. First, the essential technical basics of cryptography and decentralization are examined using the example of the leading crypto currency Bitcoin. Subsequently, the current status of the vehicle data of A car company & Bus is examined and a comparison with the approach of the blockchain technology developed by me is evaluated in order to make the system more tamper-proof, transparent and future-oriented, in order to additionally give external auditors such as police, customs or insurance the possibility of access to guarantee the unchangeability and transparency of the vehicle data file. The knowledge gained will be applied to the vehicle data of A car company & Bus using blockchain technology and technically developed by implementing the distributed ledger with the Hyperledger Fabric platform on the Kubernetes cluster.

This bachelor thesis is intended to serve as the basic concept for further blockchain projects at A car company & Bus in order to cover the entire software supply chain lifecycle. A suitable core thesis for the project of notarizing a vehicle data file is as follows:

"If the FDF hash is distributiviely stored across the workshop grid, security, transparency and availability will increase throughout the workshop blockchain network."

Keywords: Blockchain, Distributed Ledger Technology, Bitcoin, Ethereum, Vehicle Data, Block Header, Digital Signatures, Distributed Consensus, Hash Pointer, Hash Tree, Mining, Peer-to-Peer Network, Proof-of-Work, Proof-of-Stake, SHA, UNECE, ISO, Proof-of-Authority, Hyperledger Fabric, Corda, Kubernetes

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Eigene Darstellung der Hash Funktion

Abbildung 2: Basiskonzept einer Blockchain

Abbildung 3: Mining Pools (Stand: 25.04.2019)

Abbildung 4: Devisenkurs Bitcoin /€ Februar 2014 bis Ende April 2019

Abbildung 5: Block Reward Geschichte

Abbildung 6: Proof-of-Work Blockchain

Abbildung 7: Bitcoin Difficulty

Abbildung 8: Dauerfur die Erzeugung eines neuen Blocks

Abbildung 9: Darstellung eines Tangles

Abbildung 10: Plattformen fur unterschiedliche Blockchain Typen

Abbildung 11: Gartners Erwartungskurve fur neue Technologien

Abbildung 12: Eigene Darstellung derSoftwarebedatung

Abbildung 13: Eigene Darstellung fur das FDF Update uber eine Werkstatt

Abbildung 14: Eigene Darstellung fur das FDF Update uber OTA

Abbildung 15: Benbtigt man Blockchain?

Abbildung 16: Eigene Darstellung der Blockchain Infrastruktur

Abbildung 17: Eigene Darstellung Applikation Architektur

Abbildung 18: Auszug der Chaincode

Abbildung 19: Auszug der Config

Abbildung 20: Eigene Darstellung des Hyperledger Fabric Transaktionenflusses

Abbildung 21:Web Frontend des AFtec Nodes

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1. Einleitung

1.1 Motivation

Nachdem ein starker Markthype uber Kryptowahrungen seit 2017 existierte, verflachte dieser seit Mitte des Jahres 2018 stetig. Trotz sinkendem Markthype gibt es einen Anstieg auf 2.131 verschiedene Kryptowahrungen (Stand 25.04.2019). Nachdem im Jahr 2009 Bitcoin veroffentlicht wurde, gab es eine Bewertungsexplosion der Anleger von Null bei der Veroffentlichung auf rund 86 Milliarden US-Dollarim Jahr 2019 (Stand 25.04.2019).¹ Doch nicht nur das prominenteste Beispiel Bitcoin stieg extrem an, die restlichen Kryptowahrungen hatten ebenfalls einen Anstieg mit einer gesamten Marktkapitalisierung von 158 Milliarden US-Dollar (Stand 25.04.2019).² Jedoch schmalern Kommentare das Bild der Kryptowahrungen von Gegnern wie Robert Shiller, ein mit dem Nobelpreis ausgezeichneter Okonom & Co, das Vertrauen und den Glauben in eine langfristige Option neben den herkbmmlichen Wahrungen. Shiller behauptet: ,,l tend to think of bitcoin as an experiment. It is an interesting experiment, but it’s not a permanent feature of our lives.”³ Nach Abwagung beider Seiten wird man sich einig, dass die von Bitcoin genutzte Technologie Blockchain nicht nur das Potential hat, bei Transaktionen hbhere Transparenz, niedrigere Kosten und hbhere Sicherheit bei Transaktionen zu gewahrleisten, sondern ebenfalls diese Vorteile auf andere Anwendungsfalle wie Software-Supply-Chain Management bei der Fahrzeugbedatung bei Einer Autofirma anzuwenden. Die Idee, Distributed Ledger Technologie bei der Fahrzeugbedatung der Fuhrwerke anzuwenden und damit eine hbhere Datensicherheit, Transparenz und Datenintegritat zu gewahrleisten, ist hingegen noch nicht erforscht. Deshalb wird in dieser Bachelorarbeit untersucht, inwiefern es sinnvoll ist, die Blockchain Technologie fur die Notarisierung der Fahrzeugbedatung einzusetzen.

1.2 Begriffsabgrenzung

In der bffentlichen Diskussion urn die Blockchain-Technologie werden die Begriffe Blockchain und Distributed Ledger Technology DLT mehrfach ahnlich beschrieben. Jedoch ist die DLT der Uberbegriff der gesamten Technologien fur eine Datenbank, die auf mehrere Standorte Oder Teilnehmer dezentral verteilt ist. Blockchain ist hingegen u.a. lediglich eine bestimmte Art von distributed ledger, die Anwendung in Bereichen wie der Kryptowahrung Oder Supply-Chain Management findet.

1.3 Forschungsfrage

Wahrenddessen der mediale Hype urn Bitcoin abflacht, wird weiterhin von gehobenen Medien das enorme Potential von Blockchain, der Technologie von Bitcoin, berichtet. Dabei wird ebenfalls anhand von unterschiedlichen Beispielen dargestellt, in welchen Bereichen diese Technologie Anwendung finden kann. Haufig jedoch ist die Darstellung uber die Anwendung der Blockchain Technologie in den Unternehmen sehr oberflachlich, da viele Unternehmen sich damit beschaftigen, jedoch keine detaillierten Lbsungsprozesse ausgearbeitet werden, die einen Vorteil fur die bestehende Systeme bieten wurde. Das liegt daran, dass die Blockchain Technologie sehr komplex ist und selbst Blockchain Interessierte innerhalb von Unternehmen diese Technologie nur zum Teil verstehen. Demzufolge wird das Potential nicht erkannt und das Interesse mindert sich. Im Rahmen meiner vorliegenden Bachelorarbeit will ich jedoch detaillierteraufdie Blockchain Technologie eingehen und aufzeigen, inwieweit die Blockchain Technologie eine Verbesserung der Sicherheit gegenuber den bestehenden Sicherheitsmechanismen von Einer Autofirma aufweist und .Third Parties' sicherstellen lasst, dass die Softwaredatei im Fahrzeug nicht manipuliert wurde. Hierbei wird insbesondere die Prozesskette von der Generierung einer Fahrzeugdatenfile bis hin zum Update dieser Datei uber eine interne Vertragswerkstatte Oder ,OTA‘ betrachtet. Die Bachelorarbeit soil zum einen das Anwendungspotential der Blockchain Technologie fur die Datennotarisierung mit der Plattform Hyperledger Fabric aufzeigen und zum anderen zukunftigen Supply-Chain Projekten von Einer Autofirma als Grundkonzept dienen. Der beschreibende Ansatz von Proof-of-Authority (PoA) in einer hybriden Blockchain wird bis heute in der Art und Weise nicht (bzw. nicht bekannt) praktiziert und kann fur die Zukunft ein bedeutender Wegweiser fur die Automobilbranche sein. Speziell fur die neue weltweit geltende ISO 21434 Norm, welche die Verifizierung von nicht manipulierten Softwaredatenbestanden der neu gebauten Fahrzeuge aufweisen muss. Die Wirtschaftskommission UNECE mit der Arbeitsgruppe WP.29 beschaftigt sich mit diesem Thema, damit dieses voraussichtlich ab September 2024 in Kraft treten wird. Die Organisation UNECE befasst sich mit vorgegebenen Fahrzeugvorschriften, die von alien Automobilherstellern strengstens eingehalten werden mussen.

2. Grundlagen der Blockchain Technologie

2.1 DistributedLedgerTechnology

Ubersetzt man distributed ledger auf deutsch, so stellt sich heraus, dass DL das deutsche Pendant zu einem dezentralen Kassenbuch ist. Die Besonderheit gegenuber einem klassischen Kassenbuch liegt darin, dass es nicht von einer zentralen Einheit (wie z.B. PayPal) verwaltet wird, sondern von einem verteilten Netzwerk, das Transaktionen verifiziert und einen Intermediar mittels Kryptographie uberflussig macht. Ihre bisher groftte Verbreitung hat die DLT als distributed Ledger fur Transaktionen der virtuellen Wahrung Bitcoin erfahren. Wie in Kapitel 1.1 beschrieben, untersucht die Bachelorarbeit den Anwendungsfall der Fahrzeugbedatung mit dem Einsatz eines distributed ledger Systems. Die Anwendung der DLT bei der Fahrzeugbedatung unterscheidet sich in vielen Eigenschaften von der Anwendung als distributed ledger fur Bitcoin. Die public Bitcoin Blockchain ist ein permissionless System, an dem sich jeder beteiligen und Transaktionen verifizieren kann. Ein System fur Eine Autofirma wird hingegen permissioned und nicht fur alle Personen zuganglich sein. Lediglich autorisierte Teilnehmer, wie bereits existierende Vertragswerkstatten, interne Mitarbeiter und bffentlichen Institutionen (z.B. Versicherung, Polizei, Zoll) wird der Zugriff auf die implementierte hybride Blockchain zu gewahrleisten, dass die Transaktionen sicher in die Blockchain gespeichert sind und Manipulationen der Software im Fahrzeug festzustellen ist.⁴ Es gibt verschiedene Blockchain Typen, wobei die drei bekanntesten private (permissioned), hybrid Oder public (permissionless) sind.4 Permissionless Blockchain-Protokolle, die auf Proof-of-Work (PoW)- Konsensalgorithmen basieren, sind Open Source und fur jeden Teilnehmer frei zuganglich. Jeder kann teilnehmen, ohne eine Erlaubnis zu benotigen. Jede Person kann die permissionless Blockchain lesen, darauf schreiben, dem Netzwerk beitreten, Transaktionen durchfuhren Oder bei dem Konsensprozess teilnehmen. Ein Konsensprozess bestimmt, welche Blbcke in die Kette aufgenommen werden durfen und den aktuellen Zustand der Blockchain widerspiegelt. Als Ersatz fur zentralisierte Instanzen werden public Blockchains durch die Kryptobkonomie dezentral gesichert. Public Blockchains sind dezentralisiert, d.h. niemand hat die Kontrolle uber das Netzwerk und stellt sicher, dass die Daten nicht geandert werden kbnnen, sobald sie in der Blockchain validiert wurden. Jede Person kann deshalb uberall eine bffentliche Blockchain verwenden, urn Transaktionen und Daten einzugeben, solange sie mit dem Netzwerk verbunden sind. Die private Blockchain hingegen legt die Schreibrechte zentral fest. Leserechte kbnnen offentlich Oder beliebig eingeschrankt sein.⁵

In der Blockchain gespeicherte Transaktionen sind transparent, aber pseudonym.⁶ Bekannte Beispiele dafur sind Bitcoin⁷ und Ethereum⁸. Die Vorteile der genannten Beispiele sind Unabhangigkeit von Zentralinstanzen, Dezentralitat und Pseudonymitat. Nachteile jedoch sind die schwere Skalierbarkeit, die lange Bestatigungszeit bei Transaktionen und einen hohen Energieverbrauch durch das Proof-of-Work Verfahren.

Private Blockchains bieten ein hohes Ansehen bei Anwendungsfallen, bei denen es insbesondere urn Skalierbarkeit und staatliche Einhaltung von Datenschutz- bestimmungen und anderen regulatorischen Fragen geht.

Permissioned Blockchain hingegen hat die Moglichkeit, Gruppen und Teilnehmer im Vorfeld zu bestimmen, damit diese Transaktionen dezentral validieren kbnnen.^{9 10} Der grofte Vorteil dabei ist die Senkung der enormen Stromkosten gegenuber public Blockchains. Jedoch fallt der Begriff Dezentralitat zum Teil weg, da eine zentrale Instanz die Teilnehmer vorselektiert. Permissioned Blockchain limitieren die Anzahl der der berechtigten schreibenden, sowie lesenden Teilnehmer. Eine zentrale Instanz wahlt vorab die berechtigten Teilnehmer anhand eines Regel-Protokolls aus und gibt den Teilnehmern die Funktion, Operationen auf der Blockchain auszufuhren. Die bekanntesten Beispiele hierfur sind Corda und Hyperledger Fabric (beschrieben in Kapitel 2.5.3).¹¹

Eine hybride Lbsung ist eine Zusammensetzung aus den Vorteilen der Dezentralitat von bffentlichen Blockchains und den vorselektierten und vertrauensvollen Akteuren der privaten Blockchain, welche den Transaktionsfluss sicher gewahrleisten.¹²

Ein hybrides System ist ein System, das Identitaten der Benutzer durch ein Verfahren auf die Whitelist (oder Blacklist) setzt, urn am Konsensverfahren teilnehmen zu kbnnen.¹³

2.2 Hash Funktion

Um einen besseren Einblick fur das Hashen von Transaktionen zu bekommen, wird in diesem Kapitel die Funktionsweise eines Hashes beschrieben. Eine Hash Funktion ist eine mathematische Funktion, die zwei Eigenschaften aufweist. Der Eingabewert, der eine beliebig grofte Zeichenkette ist und der Ausgabewert, der eine fest definierte Grofte (bei SHA256, 256 Bit) hat. Der Eingabewert kann eine beliebige Nachricht sein und der Ausgabewert ist immerein Hash. Der Hash kann jedoch nicht auf die Nachricht zuruckgewiesen werden und bei Anderung eines Zeichens in der Nachricht verandert sich bei der Hash-Generierung ein vollkommen unterschiedlicher Ausgabewert. In der folgenden Abbildung ist eine Demonstration einer Hash Funktion aufgezeigt

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Eigene Darstellung derHash Funktion

Um die Hash Funktion jedoch kryptographisch nutzen zu kbnnen, mussen drei weitere Aspekte eingehalten werden. Die Einwegfunktion ist der originale Inhalt der Nachricht und kann nicht reproduziert werden. In dem oben genannten Beispiel (Abbildung 1) darf es nicht moglich sein, aus dem Hashwert „527d60cd4715db174ad56cda34ab2dce“ den Ursprungstext „Nachricht von Absender" zu rekonstruieren. Mit dem Begriff Kollisionssicherheit beschreibt man die Sicherheit, dass zwei unterschiedliche Nachrichten nicht den gleichen Hash bilden. Demzufolge wurden bei einer Kollision zwei unterschiedliche Eingabewerte zum gleichen Ausgabewert fuhren. Wenn eine Kollision diese Voraussetzung nicht erfullt, spricht man von einer kollisionssicheren kryptographischen Hashfunktion. Dieses Szenario ist jedoch nie zu 100% ausschlieftbar, deshalb bleibt ein Restrisiko bestehen. Der dritte Aspekt einer Hash Funktion ist die Schnelligkeit. Das Verfahren zur Berechnung des Hashwertes erfolgt innerhalb von Nanosekunden.

2.3 Digitale Signaturen

Eine weitere wichtige Funktion sind die digitalen Signaturen. Die digitale Signatur (das Pendant zur handschriftlichen Unterschrift) ist ein weiteres kryptographisches Werkzeug, das zum Versenden von Nachrichten innerhalb des Netzwerks benbtigt wird. Die digitale Signatur berechnet den Hashwert des Absenders Nachricht, der mit seinem private key verschlusselt wird und anschlieftend die Nachricht zusammen mit dem verschlusselten Hashwert an den Empfanger sendet.¹⁴ Der Empfanger wiederum erstellt ebenfalls einen Hashwert der erhaltenen Nachricht (mithilfe derselben Hashfunktion) und zusatzlich entschlusselt der Empfanger den erhaltenen Hashwert mit dem public key und vergleicht beide Werte miteinander. Bei Ubereinstimmung beider Werte kann garantiert werden, dass die Nachricht wahrend der Ubertragung von keiner anderen Instanz verandert wurde. Digitale Signaturen authentifizieren also eine Nachricht zwischen Sender und Empfanger auf eine Weise, die den Empfanger und alle Benutzer der Blockchain verifizieren lasst, dass die Nachricht tatsachlich vom erwarteten Sender stammt und dass sie nicht manipuliert wurde. Gleichzeitig kann der Sender nicht abstreiten, dass dieser die Nachricht verschickt hat, weil sie mit seiner Signatur versehen ist.z¹⁵

2.4 Uberblick Blockchain anhand des Beispiels Bitcoin

Die folgenden Kapitel werden uber die Grundlagen der Blockchain mit dem bekannten Anwendungsfall Bitcoin und dessen Funktionsweise handeln. Da die Blockchain trotz bereits zehnjahrigem Bestehen eine neue Technologie ist, hat sich bisher noch keine einheitliche Definition durchgesetzt. Die Blockchain ist ein sogenanntes .distributed ledger' - eine Datenbank¹⁶, die (finanzielle) Transaktionen beinhaltet und dezentral uber alle Computer lauft, welche die jeweilige Blockchain Software installiert haben. Die Motivation, die Software am eigenen Computer laufen zu lassen - ein Prozess, der bei Bitcoin .mining' heiftt - ist eine finanzielle Belohnung verteilt auf alle teilnehmenden .Miner'. Der Begriff des Miners und dessen Aufgaben werden in den anschlieftenden Kapiteln naher beschrieben. Alle durchgefuhrten Transaktionen werden von einem teilnehmenden Knoten, wie z.B. Computer, Prozessor im Netzwerk der Blockchain Software verrichtet und werden wegen Datenintegritat anschlieftend an alle anderen Knoten weitergegeben. Bei bestimmten zeitlichen Intervallen (circa zehn Minuten im Fall von Bitcoin¹⁷ ) wird eine Teilmenge von alien schwebenden Transaktionen zusammengefasst und in einem neuen Block linear und chronologisch in einen Hash umgewandelt.¹⁸ Im Falle, dass nicht alle Transaktionen in einen neuen Block passen, bevorzugen Miner Transaktionen mit hbheren Transaktionsgebuhren. Die nicht in den Block umgewandelten Transaktionen werden dann im kommenden Block gesammelt. So stellt die Blockchain sicher, dass keine Transaktionen verloren gehen. Der neue Block ist circa ein Megabyte graft und beinhaltet einen eindeutigen Header, derdurch seinen Block-Header-Hash identifiziert wird.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2:Basiskonzept einer Blockchain¹⁹

Der Header ist ein 80 Byte langer String und besteht aus der 4 Byte langen Bitcoin- Versionsnummer, dem 32 Byte langen Blockhash, der 32 Byte langen Merkel Root, dem 4 Byte langen Zeitstempel des Blocks, dem 4 Byte langen Schwierigkeitsziel fur den Block und dem 4 Byte langen Nonce (Number only used once), das von den Minern verwendet wird. Als Teil des Minings wird der Block Header von Minern wiederholend gehasht, indem der Nonce-Wert geandert wird. Durch diese Aufgabe versuchen die Miner, einen Arbeitsnachweis (Proof-of-Work) zu erbringen, der den Minern hilft, fur ihre Beitrage zur Aufrechterhaltung des Blockhain Systems beizutragen. Die daraus resultierende Liste wird in derAbbildung 2 dargestellt.

2.4.1 Funktionsweise der Bitcoin-Blockchain

Blockchain war ursprunglich eine Bezeichnung fur die Art und Weise, wie Daten strukturiert und gespeichert werden.²⁰ 2008 verlieh das von Nakamoto erstellte White Paper mit dem Titel «Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System » dem Begriff Blockchain eine neue Bedeutung.²¹ Die erste Kryptowahrung mit Blockchain als zugrundeliegende Technologie war Bitcoin.²²

Das Ziel von Bitcoin war das Kreieren eines elektronischen Peers-to-Peer Zahlungssystems, das direkte Onlinezahlungen ohne den Einbezug von Intermediare ermbglichen sollte.²³ Drittparteien wie zum Beispiel Banken Oder PayPal mussen fur die Datenintegritat gewahrleisten Oder Transaktionen bestatigen und durchfuhren.²⁴ So stellt beispielsweise eine Bank als Intermediar sicher, dass eine Person nicht mehr Geld beziehen Oder uberweisen kann, als sich auf dem Konto befindet. Fallen diese Intermediare jedoch weg, wurde eine Transaktion auf dem Vertrauen in die andere Partei basieren. Die Blockchain ist eine technische Lbsung fur das Problem, indem die Validierung der Transaktionen uberein dezentralisiertes Netzwerk, basierend auf dem Proof-of-Work Konsensalgorithmus bei Bitcoin, stattfindet.²⁵ Die Blockchain Technologie bezieht sich auf zwei kryptographische Elemente: Digitale Signaturen und Hash Funktionen. Digitale Signaturen versprechen die vertrauenswurdige Transaktion von Informationen und Hash Funktionen strukturieren die Transaktion. Seit 2009 hat sich die digitale Wahrung Bitcoin zur weitverbreitetsten Anwendung der Blockchain Technologie entwickelt.²⁶ Jedoch ist der Anwendungsfall von Blockchain nicht nur bei Bitcoin mbglich, sondern kann andere Bereiche wie Supply-Chain Oder Notarisierung von Daten revolutionieren. Im Folgenden sollen die technischen Grundlagen der Blockchain-Technologie erarbeitet werden, urn darauf aufbauend in Abschnitt 4 die Chancen und Risiken der DLT fur den Anwendungsfall von Einer Autofirma besser beurteilen zu kbnnen. Wegen ihres Charakters als Technologietrager der Blockchain und dessen Dokumentation, soil die Funktionsweise von distributed ledgern am Beispiel der Kryptowahrung Bitcoin vorgestellt werden, urn ableitend den Anwendungsfall bei EinerAutofirma darstellen zu kbnnen.

Wenn man Zeitungsnachrichten, neue Blockeintrage in Internet-Communities liest Oder sich uber die neuesten Ausgaben der Technik-Newsletter informiert, stbftt man gezwungenermaften auf den Begriff Bitcoin. Bitcoin ist im Generellen ein digitales Geld, das durch die Technologie der Blockchain betrieben wird. Laut der von Nakamoto im Jahr 2008 gegrundete Wahrung ist Bitcoin eine ,peer-to-peer‘ Verbindung von elektronischem Geld, das erlaubt, dass man Zahlungen online direkt von einer Person zur Anderen sendet, ohne eine dritte Instanz, wie PayPal Oder eine Bank, zu benbtigen.²⁷ Blockchain ist eine dezentrale organisierte Datenbank, die von mehreren Personen weltweit betrieben wird.

Die dezentrale Datenbank der Bitcoins wird von den teilnehmenden Minern des Netzwerks anhand des zugehbrigen Protokolls verwaltet und von Nutzern benutzt, um Bitcoin-Transaktionen zu tatigen. Man gehbrt als Person, die eine Transaktion tatigt Oder versendet, dem Netzwerk an und kann deshalb nachverfolgen, welcher Wert von Bitcoins von welcher Person zur Anderen gesendet wurde. Die Personen, welche die Transaktionen tatigen, bleiben jedoch pseudonym und kbnnen nicht nachverfolgt werden. Fur die Registrierung zum Tatigen von Transaktionen werden keine privaten Parameter benbtigt. Der Absender Oder Empfanger wird zusatzlich mit der getatigten Transaktion als Hash offentlich im Netzwerk dargestellt.

Die so genannten Miner betreiben und sichern das Bitcoin-Netzwerk, indem sie mehrere Transaktionen, die in einem Zeitraum getatigt wurden, zusammenfassen und validieren. Miner erstellen einen Block, der durch das L5sen eines mathematischen Ratsels generiert wird und fugt die zusammengefassten Transaktionen in den Block ein. Neue Transaktionen werden in einem neuen Block dokumentiert und dieser wird an das Ende der Kette angehangt. Mit jedem neuen Block aktualisiert sich die Kette aufjedem Knoten im Blockchain-Netz. Damit verfugtjederTeilnehmerdes Netzwerks uber die gleichen Informationen und Voraussetzungen, um am System teilzunehmen und neue Informationen fur jeden offentlich darzustellen.²⁸ Um das System zu kompromittieren, muss man einen sogenannten 51 Prozent Angriff starten. Es muss dabei der Angreifer mehr als 50 Prozent der Miner stellen, um manipulative Blbcke in das System schleusen zu kbnnen, um dadurch Transaktionen zu falschen Oder selbst die Rewards fur das Mining zu bekommen. Wurden sich also die funf graven Mining Pools (BTC.com, Antpool, F2Pool, SlushPool, BTC.Top) zusammenschlieften, kbnnten diese das gesamte Bitcoin Netzwerk verfalschen. Ein Mining-Pool ist eine Einheit, die einen Knoten furTransaktionsverarbeitungen verwaltet und betreibt. In der Praxis reichen in der Regel mehrere Hashing-Farmen ihren Proof-of-Work in den Pool ein, der dann den Block-Header an die Farmen zuruckschickt, die dann beginnen, Nonce Werte fur die vorgegebene Schwierigkeit zu errechnen.²⁹ Dies ist ein kontinuierlicher, automatisierter Prozess. Eine weitere Moglichkeit der 51% Attacke ware es, wenn ein Angreifer mehr als 50 Prozent der bestehenden Hashrate generiert, um die aktuellen Akteure beeinflussen zu kbnnen. Beide Szenarien sind als unwahrscheinlich darzustellen, da die unterschiedlichen Mining-Pools untereinander konkurrieren und die Bitcoin-Blockchain aufrechterhalten wollen. Sofern jedoch ein Angriff stattfinden wurde, musste ein externer Angreifer eine enorme Hashrate unbemerkt aufbringen. Das ist jedoch kaum realisierbar, da die Strompreise bei einem Angriff immens nach oben steigen wurden und fur jede Uberwachungsinstanz wie z.B. FBI einsehbar ware-

2.4.1.1 AkteurNode

Um das Bitcoin Blockchain Netzwerk betreiben zu kbnnen, mussen verschiedene Akteure unterschiedliche Aufgaben ubernehmen. Nachdem Nakamoto im Jahr 2009 das Konzept des Bitcoins verbffentlicht hat und den notwendigen Genesis Block (erster Block in der Blockchain) geschurft hat, konnten Teilnehmer sich im Bitcoin Netzwerk beteiligen.³⁰ Es gibt drei verschiedene Arten von Akteuren: Den Node, Miner und Transakteur. Nodes sind Knotenpunkte innerhalb eines dezentralen organisierten Peer-to-Peer-Netzwerks. Es wird bei einem Node unterschieden zwischen einem Full und einem Lightweight Node. Ein Full Node kann ein Computer sein, der neu ankommende Transaktionen per Protokoll-Regeln uberpruft und die vollstandige Kopie der Blockchain gespeichert hat. Ein Full Node stellt sicher, dass die Protokoll-Regeln des Netzwerks eingehalten werden. Dies umfasst, dass jeder geminte Block nur eine festgelegte Anzahl an Bitcoins erzeugen kann. Zusatzlich beinhaltet es die Prufung auf ein korrektes Datenformat, den Konsens der Wahrheit, die Richtigkeit der Hashes und die korrekten Signaturen der beteiligten Parteien. Ebenfalls legt es die H5he der Belohnung in Bitcoin fest, die der Miner fur das Erstellen eines Blocks bekommt. Im Laufe der Jahre haben sich die Anzahl der Full Nodes stark verandert. Zu Beginn der Bitcoin Zeit konnten einzelne Personen mit ihrem privaten Rechner Miner und Full Node zugleich sein. Inzwischen jedoch betreibt man grbfttenteils entweder Mining Oder einen Full Node. Bei den unten aufgefuhrten Mining Pools (siehe Abbildung 3) existieren hunderttausende Mining Prozessoren, jedoch meist nur wenige Full Nodes fur den jeweiligen Pool. Urn ein Full Node betreiben zu kbnnen, benbtigt man einen Computer (z.B. Raspberry Pi3), der die meiste Zeit uber online ist, damit er die oben beschriebenen Aufgaben erfullen kann. Der Computer soil ebenfalls uber genugend Speicherplatz verfugen (z.B. 512GB, da die Grbfte der Bitcoin Blockchain 214GB (Stand 25.04.2019) groft ist und weiterwachst).³¹ Zusatzlich benbtigt ein Full Node den Download einer Software wiezB. Bitcoin Core, Bitcore, Bitcoin Unlimited. Die Software beninhaltet das Bitcoin-Protokoll. Zusatzlich muss man beim Generieren eines Full Nodes die aktuelle Bitcoin Blockchain von 214GB einmalig downloaden. Urn diese hohe Speicherkapazitat nicht downloaden zu mussen, gibt es auch sogenannte Lightweight Nodes. Lightweight Nodes sind wie ein Full Node auch ein Computer mit einer gewissen, jedoch niedrigeren Speicherkapazitat. Jedoch werden bei den Lightweight Nodes lediglich der Block-Header heruntergeladen, der fur die Durchfuhrung der Operation benbtigt wird. Ein Lightweight Node muss dabei immer eine Verbindung zu einem Full Node haben, der dem Lightweight Node die Transaktionen und Informationen sendet. Anschlieftend ubernimmt der Lightweight Node die Verifizierung der Echtheit einzelner Transaktionen innerhalb eines Hash- Blockes der Blockchain. Der Vorteil der Lightweight Nodes liegt darin, dass diese nicht eine gesamte Kopie der 204GB groften Blockhain herunterladen und speichern mussen, sondern nur den elementaren Teil seiner Operationen. Aktuell existieren weltweit 9.426 Nodes im Bitcoin Netzwerk (Stand: 25.04.2019).³²

2.4.1.2 AkteurMiner

In den Anfangen von Bitcoin war es durchaus ublich, dass einzelne Personen an ihrem privaten Rechner ihre Rechnerkapazitat zur Verfugung gestellt haben, urn Mining zu betreiben. Jedoch hat sich wahrend der letzten zehn Jahren viel geandert bezuglich der Hardware, den Zusammenschluss von Minern und den idealen Standort zum Mining. Urn das Mining zu betreiben, gibt es geographische Vorteile in gewissen Landern. Zum effizienten Mining benbtigt man viele Prozessoren mit extrem hohem Stromverbrauch, urn die komplexe mathematische Aufgabe der Berechnung des Nonce-Wertes effektiv zu Ibsen. In Deutschland beispielsweise kostet im Jahr 2019 eine kWh 29,42 Cent (Stromvergleich, 2019), wohingegen in Island eine kWh lediglich 10,5 Cent³³ kostet. Durch den hohen Unterschied des Strompreises pro kWh lohnt es sich nicht, in Deutschland als Miner tatig zu sein. Neben Island als geographisch sinnvoller Ort fur Miner (durch ihre landschaftliche Extremsituation kann Island sehr kostengunstig Strom generieren) ist ebenfalls China sehr popular fur das Minen der Blocke. Einzelne Personen Oder sogenannte Mining Pools betreiben heutzutage grofte Rechenzentren, um Bitcoins zu minen. Durch den Zusammenschluss von effektiven ASIC Bitcoin Miner kann man nun die mathematischen Aufgaben durch Hash Power moglichst schnell Ibsen. Das gesamte Bitcoin-Netzwerk vom Betreiben der Prozessoren bis hin zum Kuhlen der Gerate kann auf einen Stromverbrauch von derzeit mindestens 2,55 Gigawatt und in Zukunft auf potenziell 7,67 Gigawatt geschatzt werden, was es vergleichbar macht mit Landern wie Irland (3,1 Gigawatt)³⁴ und Osterreich (8,2 Gigawatt).³⁵ Diese Zahl entspricht 0,5 Prozent des weltweiten Stromverbrauchs. Fur den Prozess des Minings wurden spezielle Prozessoren entwickelt, die mbglichst effizient und schnell die mathematischen Ratsel Ibsen konnen. Ein sogenannter AntMiner S9 Hydro kann auf dem Markt mit circa 654 € erworben werden und leistet bis zu 18 Th/s.³⁶ Neben der Effizienzsteigerung der Prozessoren haben sich auch im Laufe der Jahre die Miner zu sogenannten Mining Pools zusammengeschlossen, um zusammen eine hohere Anzahl von Rechenaufgaben zu losen, mehr Blocke zu generieren und folglich Rewards zu erhalten. Heutzutage macht es keinen Sinn mehr, als Einzelperson Mining zu betreiben, da die groften Mining Pool (siehe Abbildung 3) eine extrem hohe Rechenleistung darstellen, sodass man als Einzelperson keine Chancen im stark umkampfen Mining-Wettbewerb hat.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Mining Pools(Stand:25.04.2019)³⁷

In Abbildung 3 kann man sehen, dass die funf groftten Mining-Pools BTC.com, F2Pool, AntPool und SlushPool, BTC.Top mehr als die Halfte der gesamten Rechenkapazitat darstellen. Neben dem Ausuben eigener Server Farmen kann man auch Cloud-Mining betreiben. Dafur mietet man von einem Unternehmen die benbtigte Software und Hardware gegen eine finanzielle Gegenleistung in einer Cloud an und die geschurften Bitcoins werden prozentual direkt auf der eigenen Digital Wallet, das vorher eingerichtet wurde, gutgeschrieben. Ein Anbietervon Cloud-Mining ist beispielsweise Genesis-Mining.³⁸ Dabei ist allerdings zu beachten, dass es bei jedem der Anbieter unterschiedlich gehandhabt wird, wie Rechenleistung gekauft werden kann. Zudem sollten Interessenten bedenken, dass hinter allzu verlockenden Niedrig-Preisen Oder Angeboten schwarzen Schafe stecken kbnnten. Der Hauptanreizpunkt, Miner zu sein ist die finanzielle Entschadigung von Bitcoins. Als Belohnung fur das Errechnen der komplexen mathematischen Rechenaufgaben, Bereitstellung von Rechenleistung und Erzeugung neuer Blbcke erhalten die Miner die in den Protokoll-Regeln Belohnung von derzeit 12,5 Bitcoin.³⁹ Diese Anzahl an Bitcoins kann der Miner in seinem Portfolio weiterhin behalten mit der Hoffnung, dass der Wert des Bitcoins steigt und somit das Bitcoin Netzwerk unterstutzt. Als zweite Alternative fungiert der Umtausch des Bitcoins in eine handelsubliche Wahrung wie z.B. Dollar Oder Euro. (Stand 25.05.2019; 1 Bitcoin = 4.859,95 €; siehe Abbildung 4). Neben dem Errechnen des Blocks bekommt ein Miner zusatzlich auch den Betrag, welcher der Transakteur pro Transaktion zahlt. Die Transaktionsgebuhr ist derzeit freiwillig und wird auf circa 1 € pro Transaktion geschatzt. Als Sender kann man auch einen hbheren Betrag pro Transaktion zahlen, was den Vorteil hat, dass die Transaktion mit einer hbheren Wahrscheinlichkeit von den Minern in den Block aufgenommen wird. Mit sinkender Block-Belohnung wird die Transaktionsgebuhr eine immer hbhere Bedeutung bekommen, da wie in Abbildung 5 einsehbar der Reward pro Erstellung eines neuen Blocks signifikant sinkt. Die Transaktionsgebuhr wird deshalb ein zukunftig zusatzlicher Anreiz fur die Miner sein, weiterhin ihre Rechenleistung fur das Bitcoin-Netzwerk zurVerfugung zu stellen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Devisenkurs Bitcoin / € Februar 2014 bis Ende April 2019⁴⁰

In dem aufgefuhrten Diagramm (Abbildung 4) kann man sehen, dass Ende 2017 das Maximum von Bitcoin in Hbhevon 16.892,33 €⁴¹ am 17.12.2017 erreicht wurde. Dieser hohe Wert erregte hohe Aufmerksamkeit in der gesamten Finanzwelt, steigerte das Interesse fur private Investoren, Spekulationen und politischen Auftrage zur Uberprufung, ob das System um Bitcoin zukunftige Perspektiven bietet. Jedoch haben Skeptiker Bedenken bezuglich des sinnvollen Nutzens der Kryptowahrung Bitcoin, ob man die hohen Schwankungen eindammen kann.⁴² Seit dem Dezember 2017 sank der Preis kontinuierlich und blieb in den letzten Monaten konstant im Bereich zwischen 3.000 und 3.500 €. Seit Februar 2019 gelang es dem Devisenkurs, wieder den Kurs zu steigern. Der Erfinder von Bitcoin folgte nicht der Philosophie einer zentralisierten Wirtschaft, dass die Wahrung von einer Zentralbank zu einem Kurs ausgegeben wird, der dem Wachstum der Menge der getauschten Waren entsprechen soil, so dass diese Waren zu stabilen Preisen gehandelt werden kbnnen. Die monetare Basis wird von einer Zentralbank (z.B. EZB) kontrolliert und je nach Wirtschaftslage angepasst, woraus Inflation entstehen kann Nakamoto beschloss deshalb, ein dezentrales Wahrungssystem ohne zentrale Behbrde, welche die monetare Basis regelt, zu kreieren. Die Wahrung wird deshalb durch die Nodes eines Peer-to-Peer-Netzwerks gebildet. Der Bitcoin-Generationsalgorithmus definiert im Voraus, wie und zu welchem Kurs die Wahrung erstellt wird und dass die Anzahl der Bitcoins auf eine Gesamtzahl von 21 Millionen Bitcoins begrenzt sind.⁴³ Nakamoto stellt damit sicher, dass Bitcoin ebenso wie Gold ein endliches Gut ist und vor Inflation geschutzt ist.

Die Gesamtzahl von 21 Millionen Bitcoins sind jedoch nicht bei der Veroffentlichung verfugbar, sondern werden pro geminten Block eine gewissen Anzahl an neuen Bitcoins als Reward fur den Miner ausgegeben. 2009 erhielten Bitcoin-Miner einen Block Reward in H5he von 50 Bitcoins je geminten Block. Alle 210.000 Blocks halbiert sich dieser Block Reward, bis dieser den Wert null erreicht. Insgesamt wird es 64 Halbierungen fur Block Rewards geben. Seit Beginn der Kryptowahrung wurde die Belohnung ungefahr alle vier Jahre halbiert, sodass man seit dem 09.07.2016 noch 12,5 Bitcoins je Block erhalt (siehe Abbildung 5). Laut einer geschatzten Prognose von Bitcoin.com wird der letzte Satoshi im Jahre 2140 gemint werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5:Block Reward Geschichte⁴⁴

Von diesem Tag an werden die Miner keine Rewards fur das L5sen der mathematischen Aufgaben erhalten. In der Folge wurde die alleinige Abhangigkeit von Transaktionsgebuhren das Mining finanziell tragbar machen. Deshalb sind Transaktionsgebuhren langfristig die einzige Moglichkeit, wie Bitcoin-Nutzer sicherstellen konnen, dass Miner das Losen der mathematischen Aufgaben fortsetzen, da der alleinige Block Reward nicht mehr genugt.⁴⁵

2.4.1.3 AkteurTransakteur

Nachdem die Akteure fur den Betrieb des Bitcoin-Netzwerks beschrieben wurden, werden nun die Akteure, die Bitcoin Transaktionen tatigen, beleuchtet. Um Bitcoin Transaktionen durchfuhren zu kbnnen, benbtigt man eine Bitcoin-Wallet. Eine Bitcoin Wallet kann als App (z.B. BTC.com, Coin. Space) heruntergeladen Oder im Webbrowser (z.B. BTC.com, BitGo) gebffnet werden. Anschlieftend wird das Konto erstellt und man kann Bitcoins von einem Anbieter wie z.B. CoinBase kaufen. Um eine Transaktion durchzufuhren, benbtigt man lediglich die Adresse des Empfangers (z.B. 15Ee3gaLizh7YwFPebVaWxiV4T5UFBfLNm), die mit Hilfe kryptografischer Verfahren erzeugt werden. Anschlieftend erzeugt der private key mit einem Signierungsalgorithmus eine Signatur der Daten, die dann verschlusselt zusammen mit dem public key uber das Bitcoin-Netzwerk an den Empfanger versendet werden. Mit dem public key des Senders kann der Empfanger die Transaktion verifizieren, ob der Sender tatsachlich die Bitcoins an den Empfanger gesendet hat und dieser selbst berechtigter Inhaber dieser Bitcoins ist. Die Signatur ist vom Inhaber des private keys erzeugt worden, der zum gesendeten public key passt.⁴⁶ Parallel wird die Transaktion im Bitcoin Netzwerk offen dargestellt und von den Minern verifiziert. Wahrend der Verifizierung bezeichnet man die Transaktion als schwebende Transaktion. Nachdem die Transaktion verifiziert, in den Block gespeichert, der Block erstellt und an die Blockchain angeheftet wurde, erhalt der Empfanger der Transaktion den eingegeben Bitcoin Wert. In der Bitcoin Wallet kann dieser nun die gesendete bzw. empfangene Transaktion einsehen. Eine Bitcoin Wallet dient vorrangig zum Senden und Empfangen von Bitcoins. Die Wallet generiert ein Schlusselpaar, bestehend aus dem public und private key. Der bffentliche Schlussel (engl.: public key) wird in eine bffentliche Adresse umgewandelt - die fur jeden einsehbare "Kontonummer". Der private Schlussel (engl.: private key) wird nicht dem Netzwerk bereitgestellt. Er ist die digitale Unterschrift, mit derjede Transaktion zu signieren ist.⁴⁷

Fur die Uberweisung der Bitcoins benbtigt der Transakteur neben der Adresse des Empfangers und die Nachrichtensignatur, die den Adressbesitzer bestatigt, ausreichend Guthaben fur das Versenden des gewunschten Betrags. Optional kann der Transakteur seine Bitcoin Walltet mit einem Passwort verschlusseln und die Adressen in sein Adressbuch speichern.

Informationen wie Adresse, Geburtsdatum, Familienname, Nummer der Karte sind nicht relevant fur das Versenden von Bitcoins. Es benbtigt hierbei keinen Mittels-Mann fur das Abwickeln der Transaktionen (z.B. Banken, PayPal). Samtliche offentlich im Bitcoin Netzwerk dargestellten Informationen, wie z.B. Adresse des Empfangers Oder Absenders werden per Hash dargestellt und sind deshalb pseudonym. Es ist nicht mbglich, durch diesen Hash den Absender Oder Empfanger einzusehen.

2.4.2 Konsensverfahren

Neu generierte Transaktionen werden von den Nodes verifiziert und die Transaktionen werden von den Minern innerhalb einerzehn minutigen Zeitspanne zusammengefasst und in einen Block gespeichert. Der neu entstandene Block wird uber das Hashingverfahren SHA256 im Falle von Bitcoin gehasht und muss die vorgegebene kryptographische Schwierigkeit Ibsen. Dazu gibt es mehrere Mbglichkeiten, wie man diese Aufgabe lost. Die von Bitcoin eingesetzte Hash-Funktion SHA-256 setzt sich aus der sogenannten Merkle-Damgard-Transformation und einer Kompressionsfunktion zusammen.⁴⁸

Fur das Lbsen der mathematischen Aufgabe dienen folgende Graven als Input: Der Previous Hash (256 Bit) ist ein Referenzwert des vorherigen Blocks fur den momentanen Block. Der Hash Pointer referenziert dabei auf den vorherigen Block- Hash. Der Merkle Root Hash ist die oberste Ebene des Merkle Baums (siehe Anhang 1). Dieser Root Hash ist ein notwendiger Bestandteil, urn die Blockchain fortzufuhren. Kleinste Anderungen in der Hash-Historie andern dabei den Wert des Root-Hash. Der Merkle Baum ist ein binares Konstrukt mit Hash-Points. Dabei werden die einzelnen Transaktionen derAbsender solange paarweise zu einem neuen Hash gebundelt, bis dieser voll ist und am Ende einen Merkle Root Hash ergibt (siehe Anhang 1).

Die letzte Inputgro^e ist die Nonce. Die Nonce ist eine beliebige Zeichenkette, die nur ein einziges Mai in dem jeweiligen Kontext verwendet wird und durch einen eindeutigen Zeitstempel belegt ist. Die Nonce spielt einen entscheidenden Faktor beim Mining. Fasst man die beiden Komponenten Previous-Hash und Merkle Root zusammen und erweitert diese mit der variablen Komponente Nonce, wird durch das Hashen dieser drei Werte der Miner mittels SHA256 Verfahren ein Hash resultieren, der die vorgegebene Schwierigkeit (siehe Abbildung 7) einhalt. Die genannten Inputgroften werden in dem unten gezeigten Bild illustriert.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6:Proof-of-Work Blockchain⁴⁹

Output muss laut Bitcoin-Protokoll ein neuer Hash sein, bei dem die ersten Bits mit x Nullen belegt sind. Dieser neue Hash ist nur zu finden, indem die Miner-Rechner so lange den Hash errechnen und immer wieder die Nonce austauschen, bis die Aufgabe gelost ist.⁵⁰ Dieses ausgesprochen rechenintensive Konsensverfahren wird "Proof-of- Work" (PoW) genannt. Der Proof-of-Work Mechanismus ist eine Form eines aufwandigen Brute-Force-Mechanismus, urn im Netzwerk einen Konsens zu erzielen und sich gemeinsam auf eine identische Version der Blockchain zu einigen.⁵¹ Es ist deshalb so rechenintensiv, da alle weltweit agierenden Miner im Bitcoin-Netzwerk im Wettbewerb stehen, als Erster den nachsten Hash fur den Block zu errechnen. Nachdem der Hash errechnet wurde, bekommt lediglich der schnellste Miner den vorgeschriebenen Reward. Alle anderen fokussieren sich anschlieftend auf die Berechnung des nachsten Blocks. Die Miner versuchen dabei, durch Ausfuhrung von Rechenoperationen ein Ergebnis zu finden, damit ein Block als legitim angesehen werden kann. Dafur muss der Block einen Hash-Wert haben, der niedriger als das eingestellte Ziel von 6.379.265.451.411 (Stand 25.04.2019) ist.⁵² Die Difficulty wird alle 2016 Blbcke geandert, basierend auf der Zeit, die benbtigt wurde, urn die vorherigen 2016 Blbcke zu entdecken. Basierend auf die benbtigte Zeit der Berechnung wird mit der unten aufgefuhrten Formel ein neuer Schwierigkeitsgrad berechnet.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der Begriff target ist eine 256-Bit-Zahl und difficulty_1_target kann verschiedene Werte annehmen. Es ist eine Hash-Funktion, bei der die ersten 32 Bit gleich 0 sind, wahrend alle folgenden Bits 1 sind. Mit der Annahme, dass das Auffinden von 2016 Blbcken ziemlich genau 2 Wochen dauert, betragt die Generierung eines neuen Blocks circa zehn Minuten. Wenn die vorherigen 2016 Blbcke in einem langeren Zeitraum als zwei Wochen gefunden wurden, wird die Difficulty des Minings der Kryptowahrung verringert und sofern sie in einen kurzeren Zeitraum generiert wurden, wird diese erhbht. Je mehr / weniger Zeit damit verbracht wurde, die vorhergehenden 2016 Blbcke zu finden, desto schwieriger wird es, sie zu senken / anzuheben. Abbildung 7 zeigt die Anhebung / Verringerung der Bitcoin Difficulty in einem zwei Wochen Rhythmus.

Die rote Linie zeigt die Difficulty auf, wie sie sich in den letzten neun Monaten verandert hat. Hierbei ist zu sehen, dass die Difficulty tendenziell gestiegen ist. Die grune Linie beschreibt die geschatzte folgende Difficulty und die blaue Linie verdeutlicht die durchschnittliche Blockerstellungszeit von 2016 Blocken.

Bitcoin Hash Rate vs Difficulty (2 Months)

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Abbildung 7:Bitcoin Difficulty⁵³

Nachdem der neue Hash des Blocks errechnet wurde (z.B. 000000000000000000 13ceb75a6cc1b4aa91244a070ea090c36ac869d4d99bf3), wird dieser im Bitcoin- Netzwerk offentlich dargestellt. Zeitgleich uberprufen die an der Blockchain beteiligten Komponenten, ob der neu erzeugte Block gultig und valide ist. Diese Prozedur bewegt sich im Millisekunden Bereich. Der neu errechnete Block wird im Bitcoin-Netzwerk freigegeben und jeder kann in Sekundenbruchteilen den Block in dessen Portfolio speichern.

Durchschnittlich zehn Minuten dauert es, dass das Mining Netzwerk einen neuen Block erzeugt. Hierbei hat Hudson im Jahr 2015 eine sehr interessante Studie veroffentlicht, die in der unten angezeigten Abbildung die Wahrscheinlichkeit fur die Erzeugung eines neuen Blocks ohne Anderung der Hash Rate aufzeigt.⁵⁴

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 8:Dauer fur die Erzeugung eines neuen Blocks⁵⁵

Die blaue Wahrscheinlichkeitslinie zeigt die abnehmende Wahrscheinlichkeit, einen Block zu einem bestimmten Zeitpunkt zu finden. Die rote Linie beschreibt die kumulative Wahrscheinlichkeit. Die kumulative Wahrscheinlichkeit gibt an, wie hoch die Wahrscheinlichkeit ist, dass zu einem bestimmten Zeitpunkt bereits ein neuer Block erzeugt wurde. Im Laufe der Zeit wird es demnach immer wahrscheinlicher, dass bereits ein Block gefunden wurde. Die Blockfindungszeit des Bitcoin Netzwerks dauert mit einer kumulierten Wahrscheinlichkeit von mehr als 63% durchschnittlich zehn Minuten.

Im Jahr 2015 wurden laut Hudson jedoch 50% der Blbcke innerhalb von 415 Sekunden (knapp sieben Minuten) gefunden. Urn den Durschnitt von zehn Minuten pro Blockerzeugung aufzuzeigen, dienen zum Gleichgewicht die Blbcke, die in mehr als zehn Minuten erstellt wurden. Die Wahrscheinlichkeit dazu betragt 37%. In einer zwblftagigen statistischen Beobachtung von Hudson im Jahr 2015 wurden funf Blbcke gefunden, deren Erzeugung mehr als eine Stunde gedauert hat. Wenn man den gesamten Zeitraum von Bitcoin ab 2009 betrachtet, stellt man fest, dass die langste Blockerzeugung in der Geschichte 72 Minuten dauerte.⁵⁶

2.4.3 Chancen und Risiken

Der Begriff Blockchain gilt momentan als einer der Begriffe fur die zukunftigen Technologien. Jedoch verbirgt sich neben den Vorteilen auch einige Risiken, die zusammen mit den Chancen in diesem Kapitel beschrieben werden. Zuerst jedoch wird naher auf die Chancen eingegangen. Einer der grbftten Vorteile der Blockchain besteht darin, die Moglichkeit des direkten Transferierens von Mitteln (z.B. Bitcoins) zwischen verschiedenen unabhangigen Parteien. Die Transaktionsabwicklung dauert lediglich eine kurze Zeit und benotigt keine Intermediare wie Banken, Treuhandleroder Bezahldienste wie PayPal. Durch das Verteilen der Blockchain auf die unterschiedlichen Nodes ist der dezentrale Ansatz einer der wichtigsten Punkte von Blockchain. Man nehme an, eine zentrale Instanz wird gehackt und kann so jede einzelne Transaktion zwischen zwei Parteien abgreifen Oder verandern. Diese Macht eines Hackers will man durch Blockchain minimieren, indem man aufjedem Full Node die Kopie der Blockchain gespeichert hat. Sollte also ein Angreifer eine Transaktion falschen wollen, musste dieser 51% des gesamten Netzwerks kontrollieren, urn die Transaktionen in die Blockchain verandert zu speichern. Am 05.01.2019 wurde die Kryptowahrung Ethereum Classic mit einer 51% Attacke gehackt und 60% der Minerleistung kontrolliert, wodurch eine langere Blockkette entstand, die ihnen die Moglichkeit gab, die Ausgaben zu verdoppeln. Durch diesen Vorfall war die Bitcoin- Community besorgt, dass es ebenfalls mbglich ware, deren Netzwerk zu hacken. Jedoch ist die 18. groftte Kryptowahrung Ethereum Classic von der Grbftendimension kaum vergleichbar mit der graven Kryptowahrung Bitcoin, deshalb ist es kaum vorstellbar, dass ein ahnlicher Angriff auf das Bitcoin-Netzwerk durchgefuhrt werden kann. Andert man nur einen einzigen Wert in der Blockchain, wurden alle aneinandergehefteten Blbcke sich ebenfalls andern und eine Manipulation ware gewahrleistet. Bei diesem Fall wurde der manipulierte Node aus dem Netzwerk (z.B. Bitcoin-Netzwerk) entfernt werden. Die Transparenz und die Datenintegritat fuhren daher zur hohen Sicherheit der Daten. Jeder Mensch mit einem Internetzugriff kann mit dem eigenen Smartphone Bitcoins bezahlen und braucht dafur nicht den Weg in die nachstliegende Bank zu machen. Ebenfalls benbtigt der Transfer von Bitcoins nur wenige Minuten, bis der Empfanger diese erhalt. Speziell bei Auslandsuberweisungen von z.B. Chile nach Deutschland benbtigt es bei einem normalen Banktransfer uber mehrere unterschiedlichen Banken ein bis zwei Wochen mit weit hbheren Transfergebuhren, bis der Empfanger das Geld auf seinem Konto einsehen kann. Die Transaktionen sind des Weiteren mit hbheren Gebuhren und Wechselkurs Kosten verbunden, als das Senden von Bitcoins. Es ist mbglich, schnell, jederzeit und an jedem Ort der Welt Bitcoins durch Algorithmen und Kryptographie zu versenden Oder zu empfangen.^{57 58} Daruber hinaus wird die Effizienz gesteigert, da der Datenabgleich innerhalb eines distributed ledger Systems automatisiert wird und nicht unbedingt eine manuelle Genehmigung durch die Geschafts- und Zentralbanken erfordert.⁵⁹ Aufterdem kann man je nach Dringlichkeit die Transaktionskosten selbst bestimmen, da die Chance zur Bestatigung der Transaktion mit einer hbheren Transaktionsgebuhr hbher ist. Zusatzlich hat man als Handler weniger Risiken, personenbezogene Daten abzuspeichern. Dies gilt auch fur den Transakteur, da dessen persbnliche Informationen nicht an einer Uberweisung gebunden sind und man so pseudonym den Bitcoin Wert zu dem gewunschten Empfanger versenden kann. Weil Bitcoin Transaktionen sicher, unumkehrbar und die Daten pseudonymisiert sind, muss ein Handler im Falle eines Verlustes der Daten durch Betrug Oder eines Hackangriffes keine rechtlichen Schritte gegen sich erwarten. Ein weiterer Vorteil ist die Kontrolle der eigenen Transaktionen. Handler kbnnen in dem Bitcoin Netzwerk keine versteckten und unbemerkten Gebuhren erzwingen. Neben der Kontrolle der eigenen Transaktionen bietet die Blockchain Gesellschaft ein hohes Maft an Transparenz und Neutralist.⁶⁰

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