Blockchain-Technologie und Smart Bonds. Chancen und Risiken bei der Neugestaltung des Kapitalmarktes

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Zielsetzung der Arbeit
1.2 Methodische Vorgehensweise
1.3 Kritischer Literaturüberblick

2 Blockchain Technologie
2.1 Grundlage: Bitcoin-Blockchain
2.2 Blockchain-Datenstruktur
2.3 Skalierbarkeit
2.4 Konsensfindung und Validierung
2.5 Private und öffentliche Blockchains
2.6 Smart Contracts
2.7 Colored Coins
2.8 Sidechains

3 Smart Bonds
3.1 Potenzial der Blockchain-Technologie im Kapitalmarkt
3.2 Entwicklungsstand im Kapitalmarkt
3.3 Darstellung und Struktur
3.4 Handel ohne Intermediäre
3.5 Post-Trade

4 Vorschlag für ein Blockchain-Design
4.1 Permissioned Blockchain
4.2 Smart Contracts
4.3 Security Token
4.4 Proof-of-Stake
4.5 Technische Realisierungsmöglichkeiten

5 Zusammenfassung

6 Fazit

Literaturverzeichnis

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek:

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Impressum:

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Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Interesse an der Blockchain im zeitlichen Verlauf

Abbildung 2: Struktur der Literaturrecherche

Abbildung 3: Kritischer Literaturüberblick I/II

Abbildung 4: Kritischer Literaturüberblick II/II

Abbildung 5: Ablauf einer Bitcoin-Transaktion

Abbildung 6: Bildung einer Blockchain

Abbildung 7: Vergleich zentrale, dezentrale und verteilte Netzwerke

Abbildung 8: Merkle Tree

Abbildung 9: Ablauf eines Smart Contracts

Abbildung 10: Handel, Clearing und Settlement

Abbildung 11: Gartner Hype Cycle 2019: Blockchain

Abbildung 12: Struktur einer herkömmlichen Anleihe

Abbildung 13: Struktur einer Anleihe mit Blockchain-Technologie

Abbildung 14: Struktur einer Anleihe mit Blockchain-Technologie in Ether

Abbildung 15: Ablauf eines Atomic Cross-Chain-Swap

Abbildung 16: Smart Bonds Modell

Abbildung 17: Security Token

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Die Unterschiede einer öffentlichen und privaten Blockchain

Tabelle 2: Kostensenkung durch Anwendung der Blockchain

Tabelle 3: Gegenüberstellung der Schwachstellen und Verbesserungspotenziale des Nachhandelssegments

Tabelle 4: Traditioneller Anleihenmarkt im Vergleich zur Blockchain-Plattform

Tabelle 5: Lese- und Schreibrechte der permissioned Blockchain

Abkürzungsverzeichnis

AML Anti Money Laundering

BaFin Bundesanstalt für Finanzdienstleistungsaufsicht

CCP Central Counterparty

CSD Central Security Depository

DLT Distributed-Ledger-Technology

DTCC Depository Trust and Clearing Corporation

DvP Delivery-versus-Payment

GB Gigabyte

HTCL Hash Timelock Contracts

kB Kilobyte

KYC Know your Customer

Nonce Number used only once

P2P Peer-to-Peer

PoS Proof-of-Stake

PoW Proof-of-Work

SPV Simple Payment Verification

tps transactions per second

UTXO Unspent Transaction Outputs Cache

1 Einleitung

Die Infrastruktur der heutigen internationalen Kapitalmärkte besteht aus einem komplexen Netzwerk, das von internen Systemen und externen Dienstleistern gestützt wird.¹ Der Kapitalmarkthandel involviert eine Vielzahl an Akteuren, die fortlaufend Daten abgleichen und dabei verschiedene Validierungsprozesse wiederholen. Im Rahmen dessen entstehen hohe Kosten, lange Abwicklungszeiten und operationelle Risiken.²

Der Blockchain-Technologie wird das Potenzial zugeschrieben, diese Nachteile des derzeitigen Kapitalmarktes zu beseitigen. Ein frühes Experimentierfeld in diese Richtung ist der Bereich der digitalen Wertpapiere, die durch den Einsatz der Blockchain-Technologie keinen Finanzintermediär benötigen.

Im August 2018 platzierte die Weltbank zusammen mit der Commonwealth Bank of Australia erfolgreich einen „Smart Bond“. Es ist die weltweit erste Anleihe, die über ihren gesamten Lebenszyklus mit Hilfe der Blockchain-Technologie erstellt, zugewiesen, übertragen und verwaltet wird.³ In diesem Modell sind keine Intermediäre erforderlich, da der Informations- und Geldfluss automatisch durch die Blockchain gesteuert wird. Die Erstellung von Smart Bonds erfordert gut durchdachte Designentscheidungen für eine für den Anleihenmarkt geeignete Blockchain-Plattform.

1.1 Zielsetzung der Arbeit

Ziel dieser Arbeit ist es, die Konzeption einer Anleihe mit Blockchain-Technologie zu untersuchen, sowie zum akademischen Verständnis der Technologie und ihrer Anwendungsbereiche beizutragen. Darüber hinaus wird das Potenzial der Blockchain-Technologie anhand eines Smart Bonds bei der Neugestaltung der Infrastruktur des Kapitalmarktes untersucht. Des Weiteren werden Vorschläge für ein mögliches Blockchain-Design getroffen, welches den heutigen Kapitalmarkt weitestgehend ersetzt.

Das zu untersuchende Potenzial der Technologie wird in folgender These vereinfacht dargestellt: Eine Blockchain-Plattform ermöglicht einen vollständig digitalen Anleihenmarkt und bietet somit eine Alternative zur heutigen Kapitalmarktinfrastruktur.

Zusammenfassend, zielt diese Arbeit auf folgende Themen ab:

- Bereitstellung einer Analyse der Blockchain-Technologie auf dem aktuellen Entwicklungsstand.
- Auseinandersetzung mit den Möglichkeiten der Nutzung von Blockchain-Innovationen für Wertpapiere insbesondere Anleihen.
- Beschreibung der Funktionsweise von Smart Bonds und die Konzeption einer Anleihe mit Blockchain-Technologie.
- Vorschläge für die Architektur einer Blockchain-Plattform, die für Smart Bonds geeignet ist und Finanzintermediäre ersetzt.

1.2 Methodische Vorgehensweise

In Kapitel 2 werden zunächst die Voraussetzung zur Konzeption von Smart Bonds erläutert. Im Rahmen dessen erfolgt eine grundlegende technische und konzeptionelle Erklärung der Blockchain auf Basis des Bitcoins. Zudem werden für Smart Bonds relevante Blockchain-Erweiterungen detailliert beschrieben.

Auf dieser Grundlage werden im Kapitel 3 die Potenziale der Blockchain-Technologien im Kapitalmarkt diskutiert. Anschließend wird der aktuelle Entwicklungsstand der Technologie im Kapitalmarkt näher untersucht. Es wird vorgestellt wie eine Anleihe in der Blockchain dargestellt wird, wie ein Handel ohne Intermediär erfolgt und was die Auswirkungen auf das Nachhandelssegment sind.

Im darauffolgenden Kapitel 4 werden geeignete Blockchain-Architekturen für Smart Bonds vorgeschlagen. Die vorangegangenen Kapitel bilden die Grundlage für diese Entscheidungen.

Das Kapitel 5 fasst alle Kapitel der Arbeit zusammen.

Abschließend wird mit dem Kapitel 6 ein Fazit gezogen und ein Ausblick beschrieben.

1.3 Kritischer Literaturüberblick

Als im Jahr 2008 die Finanzkrise tobte, veröffentlichte eine Person oder Gruppe unter dem Pseudonym Satoshi Nakamoto das Whitepaper „Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System“. In diesem Paper wurde die Schaffung eines Peer-to-Peer-Systems für elektronisches Geld vorgeschlagen, das auf einer virtuellen Währung namens Bitcoin basiert.⁴

Abbildung 1: Interesse an der Blockchain im zeitlichen Verlauf

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Google Trends. Blockchain Suchbegriff 01.01.17 bis 03.10.19. URL: https://trends.google.de/trends/explore?date=2017-01-01%202019-10-03&geo=DE&q=Blockchain, abgerufen am: 21.09.2019.

Die Blockchain-Technologie hat insbesondere durch den Bitcoin und anderer Kryptowährungen in der näheren Vergangenheit einen regelrechten Hype erfahren. Jedoch ermöglicht die Blockchain, als Technologie hinter Bitcoin, weitaus mehr als nur eine virtuelle Währung und wird somit als der eigentliche innovative Durchbruch erachtet.⁵ Der Blockchain wird ein so enormes Potenzial zugeschrieben, dass sie vom Massachusetts Institute of Technology als ebenso revolutionäre Technologie wie das Internet eingestuft wurde.⁶

Bislang gibt es trotz des fortgeschrittenen Alters der Technologie, dem hohen Bekanntheitsgrades und dem zugeschriebenen Potenzial vergleichsweise wenig wissenschaftliche Beiträge.⁷ Es hat sich ebenfalls noch keine einheitliche Definition für die Blockchain-Technologie durchgesetzt.⁸ Im Finanzumfeld wurde die Blockchain bereits, hinsichtlich technischer⁹ und rechtlicher¹⁰ Aspekte untersucht. Trotzdem gibt es nur wenige ausführliche Untersuchungen über Anwendungen der Blockchain-Technologie in der Finanzbranche.¹¹

All dies führte zu der Notwendigkeit einer strukturierten Literaturrecherche, um bestehende wissenschaftliche Erkenntnisse und Potenzialbeschreibungen aus der Literatur zu verbinden. Die Literaturrecherche basiert auf der in Abbildung 2 visualisierten Struktur.

Abbildung 2: Struktur der Literaturrecherche

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Eigene Darstellung.

Die Literaturrecherche führte zu einer umfangreichen Datengrundlage, die durch den Titel und das Abstract der jeweiligen Literatur eingegrenzt wurde. Die für diese Arbeit relevanten Titel wurden anschließend nach den Kapiteln der Thesis sortiert. Von der relevanten Literatur sind mehrere Titel von besonderer Bedeutung und in den Abbildungen 3 und 4 aufgeführt.

Abbildung 3: Kritischer Literaturüberblick I/II

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Eigene Darstellung.

Für das zweite Kapitel innerhalb dieser Arbeit sind vier Titel von zentraler Bedeutung. Mit „Understanding Bitcoin: Cryptography, Engineering and Economics“ bietet der Autor Pedro Franco eine Beschreibung der Blockchain-Technologie auf Grundlage des Bitcoins. Das Buch deckt ein breites Themenspektrum ab, von der Basistechnologie bis hin zu fortgeschrittenen kryptographischen Konzepten. All dies schafft der Autor sehr anschaulich und verständlich zu erklären.

Die Paper der Autoren des Fraunhofer-Instituts erweitern das Grundlagenwissen durch Blockchain-Applikationen. Schlatt et al. kritisieren, dass die Blockchain-Technologie in Publikationen zu den Anwendungsbereichen nur selten umfangreich untersucht wird.¹² Das ist zwar richtig, aber die Autoren in dem vom Fraunhofer-Institut veröffentlichten Artikel gehen selbst eher beispielhaft auf die Anwendungsbereiche der Blockchain ein. Statt sich auf einen ausgesuchten Sektor zu konzentrieren, werden neben verschiedenen Branchen, auch öffentliche und juristische Sektoren, sowie das Internet der Dinge thematisiert. So werden die Grundlagen der Blockchain zwar ausführlich und detailliert behandelt, jedoch erfährt der Leser nur oberflächliches Wissen über ihre Anwendungsgebiete.

Besonders hervorzuheben ist bei den Fraunhofer-Werken der Autor Gilbert Fridgen. Er ist Professor für Wirtschaftsinformatik und Nachhaltiges IT-Management an der Universität Bayreuth, sowie stellvertretender Leiter der Projektgruppe Wirtschaftsinformatik des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Informationstechnik. Professor Fridgen publiziert nach dem Ranking betriebswirtschaftlicher Zeitschriften JOURQUAL 3 regelmäßig Beiträge der Kategorie A.¹³

Das dritte Kapitel dieser Arbeit stützt sich auf eine Vielzahl von Quellen, die sich mit der Anwendung der Blockchain im Kapitalmarkt befassen. Die verwendeten Quellen können nach ihrem Fokus oder nach dem Herausgeber klassifiziert werden. Neben Journals, die sich in der Regel sehr detailliert auf einen bestimmten Anwendungsbereich der Blockchain beziehen, bieten Beiträge von Banken, Zentralverwahrern, Aufsichtsbehörden und Unternehmensberatungen einen umfassenden Überblick. Unternehmensberatungen neigen hierbei dazu, eine Utopie zu beschreiben und sollten daher in den Hintergrund rücken.¹⁴

Abbildung 4: Kritischer Literaturüberblick II/II

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Eigene Darstellung.

Die Paper von Cohen et al. konzentrieren sich auf die möglichen Strukturen und Darstellungen eines Smart Bonds auf der Blockchain. Die Themen Handel und Post-Trade werden in beiden Beiträgen jedoch nur oberflächlich angesprochen.

Für ihre Beiträge verwenden die Autoren eine Fallstudie, in der das FinTech Nivaura für Luxdeco, einen Online-Händler für Luxusmöbel, Anleihen nach englischem Recht auf Basis der Blockchain platzierte. Die Emission wurde in einer "regulatory sandbox" unter der Aufsicht der britischen Financial Conduct Authority durchgeführt, die es Unternehmen ermöglicht, innovative Produkte, Dienstleistungen und Geschäftsmodelle auf dem realen Markt mit echten Verbrauchern zu testen.¹⁵ Dies verleiht beiden Papern einen hohen Praxisbezug, der durch Grafiken gut visualisiert wird. Die Autoren konzentrieren sich auf rechtliche und wirtschaftliche Aspekte, dabei setzen sie technischen Wissen über die Blockchain voraus.

2 Blockchain Technologie

2.1 Grundlage: Bitcoin-Blockchain

Die grundsätzliche Funktionsweise der heutigen Blockchain-Technologie basiert auf der Kryptowährung Bitcoin, wie im White Paper „Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System“ beschrieben. Darin wird ein webbasiertes Zahlungsverkehrssystem skizziert, das den direkten Transfer digitaler Vermögenswerte zwischen Sender und Empfänger ermöglicht. Durch die Verwendung von kryptographischen Komponenten und eines Peer-to-Peer-Netzwerkes (P2P-Netzwerk) besteht keine Notwendigkeit eines Finanzintermediärs.¹⁶ Die Kryptowährung Bitcoin fungiert dabei als Rechnungseinheit und die Blockchain dient als dezentrales Register, das vergangene Transaktionen bei allen Teilnehmern des Netzwerkes, sogenannten Knoten, abspeichert.¹⁷

Bitcoin basiert auf zwei kryptographischen Schemata: Public-Key-Kryptographie bzw. digitale Signaturen und kryptographische Hashfunktionen. Erstere ermöglicht den Austausch genauer Zahlungsanweisungen zwischen den Parteien einer Transaktion, und letztere wird verwendet, um Transaktionsdetails in der Blockchain aufzuzeichnen.¹⁸

Die Funktionsweise und der Ablauf einer Bitcoin-Transaktion soll an einem Beispiel verdeutlicht und anschließend in Abbildung 5 visualisiert werden. Hierfür wird angenommen, dass Alice Bitcoins an Bob transferieren möchte. Im Bitcoin-Netzwerk existieren keine Kontonummern, stattdessen verwenden Benutzer zur Erzeugung und Signierung einer Transaktion private Schlüssel.¹⁹ Für diesen Zweck benutzt Alice, als Erzeugerin des privaten Schlüssels, eine Wallet-Software. Solch eine Software bietet jedem Nutzer Zugang zum Bitcoin-Netzwerk und ermöglicht die Verwaltung von Bitcoin-Adressen, sowie die Transaktion von Bitcoins.²⁰ Ein wichtiges Detail ist, dass die Netzwerkknoten weder die Identität von Alice noch von Bob kennen, da die Benutzer nur durch ihre Adressen identifiziert werden. Das Bitcoin-Netzwerk erlaubt seinen Nutzern Pseudonymität. Somit benötigt Alice für ihre Transaktion keinerlei persönlichen Daten von Bob, sondern lediglich seine Bitcoin-Adresse.²¹

Abbildung 5: Ablauf einer Bitcoin-Transaktion

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an: V. Brühl (2017): Bitcoins, Blockchain und Distributed Ledgers, in: Wirtschaftsdienst, 97. Jg., H. 2, S. 135–142, S. 136.

Alice erzeugt für die Transaktion über einen Signierungsalgorithmus zunächst eine verschlüsselte Signatur, als kryptographisches Ergebnis aus privatem Schlüssel und der Transaktionsnachricht. Anschließend wird die signierte Transaktion zusammen mit dem öffentlichen Schlüssel an Bob versendet. Mithilfe des öffentlichen Schlüssels können Empfänger bzw. Bob und das gesamte Netzwerk, die Signatur und Legitimität der Transaktion verifizieren. Bei Erhalt der signierten Transaktion überprüft Bob anhand des Verifizierungsalgorithmus die digitale Signatur von Alice. Hierbei validiert Bob, ob die digitale Signatur tatsächlich vom Sender bzw. Alice erzeugt wurde. Denn die digitale Signatur kann nur vom Inhaber des privaten Schlüssels mit dem entsprechenden öffentlichen Schlüssel initiiert worden sein.²²

Im Bitcoin-Netzwerk werden Transaktionen alle zehn Minuten zu Transaktionsblöcken zusammengefasst und an alle Netzwerkknoten verteilt. Anschließend werden diese Transaktionsblöcke in einer Kette von Blöcken protokolliert - die Blockchain. Abgesehen von einer kompletten Kopie aller Transaktionen speichern die Netzwerkknoten eine zusätzliche Datenbank namens „Unspent Transaction Outputs Cache“ (UTXO). Das UTXO erfasst für jede Bitcoin-Adresse die verfügbaren Mittel und wird im Zuge neuer Transaktionen entsprechend aktualisiert.²³

Die Transaktionsverarbeitung im Bitcoin-Netzwerk bedarf keine zentrale Autorität. Stattdessen werden Transaktionen durch Netzwerkknoten verifiziert.²⁴ Es gibt zwei Arten von Knoten, Mining-Knoten und passive Knoten. Transaktionsabwickler bilden mit der Wallet-Software einen passiven Netzknoten.²⁵ Die für die Transaktionsverarbeitung zuständigen Mining-Knoten, auch als Miner bezeichnet, bilden ein großes und vernetztes P2P-Netzwerk, das alle Bitcoin-Transfers autorisiert. Für die Aufnahme von Transaktionen in die Blockchain fassen Miner unbestätigte Transaktionen in einem Block zusammen. Neben den unbestätigten Transaktionen enthält der neue Block zusätzlich einen sogenannten Block-Header als Referenz zu dem vorherigen Block. An diesem Punkt entsteht ein potenzielles Sicherheitsproblem, welches als „Double-Spending-Problematik“ bezeichnet wird. Ein Double-Spending liegt vor, wenn ein Benutzer versucht, dieselben Geldmittel bzw. Bitcoins doppelt auszugeben. Doppelausgaben in einem zentralen System zu verhindern ist relativ einfach, da Transaktionen in einer zentralen Datenbank erfasst werden und zukünftige Ausgaben zunächst gegen diese Datenbank abgeglichen werden. Das Bitcoin-Netzwerk als dezentrales Register ohne zentrale Instanz bedarf einem anderen Überprüfungsmechanismus. Doppelausgaben verhindert das Bitcoin-Netzwerk durch das Proof-of-Work (PoW) Schema. Ein Intermediär, der die Transaktion normalerweise auf Double-Spending überprüft ist obsolet.²⁶

Damit ein neuer Block in die bestehende Blockchain integriert werden kann, bedarf es die Lösung eines kryptografischen Rätsels. Diese Lösung ist abhängig von dem Hash des Block-Header, als Referenz zum vorherigen Block, den Zielvorgaben des Hash-Rätsels, den beinhaltenden Transaktionen in Form der gehashten Merkle-Root, dem Zeitstempel und einer zu findenden Nonce (number used only once).²⁷ Zur Lösung dieses mathematischen Problems werden solange zufällig gewählte Zeichenketten iteriert, bis diese den gesamten Zielvorgaben für einen neu aufzunehmenden Block entsprechen. Bei der Iteration von Zeichenfolgen handelt es sich um einen rechenintensiven Prozess, der als Mining bezeichnet wird. Das Mining erfolgt nach dem Netzwerk eigenem Konsensalgorithmus, dem PoW. Wenn ein Miner eine gültige Zeichenkette berechnet hat, wird der neue Block als neues Glied in die Kette eingefügt. Dieses neue Element wird zum letzten gültigen Block, für dessen Berechnung der Miner in Form von neu geschaffenen Bitcoins entlohnt wird. Anschließend wird der neu erstellte Block einschließlich der darin befindlichen Transaktionen an alle Netzwerkknoten weitergeleitet, somit verfügen alle Teilnehmer der Blockchain über die gleichen Informationen.²⁸

Für jeden neu entstehenden Block zur Erweiterung der bestehenden Blockchain, muss das gesamte Netzwerk erneut ein Konsens über die Änderung finden. Dafür wird durch den PoW Konsensalgorithmus ein kryptografisches Rätsel während des rechenintensiven Mining-Prozesses gelöst.²⁹ Jeder Miner arbeitet individuell an der Lösung dieses Rätsels, dabei kann es vorkommen, dass verschiedene Mining-Knoten beinahe gleichzeitig das Rätsel für einen neuen Block lösen. Hierdurch entstehen kurzeitig mehrere Versionen einer im Netzwerk gültigen Blockchain, dies wird als Ast oder Gabelung bezeichnet. Die Regel der längsten Kette löst diesen Konflikt und stellt sicher, dass das Netzwerk schließlich zu einer einzigen Blockchain konvergiert. Hierfür arbeiten Miner so lange auf Grundlage ihrer separaten Blockchain weiter, bis die Lösung eines anderen, neuen Blockes zu einer aktuelleren Version der Blockchain führt. Das Netzwerk einigt sich dann auf den längsten Ast der Blockchain. Diese „längste“ Version wird vom gesamten Netzwerk übernommen und bildet die Basis für zukünftige Blöcke. Transaktionen, die zwar verarbeitet wurden, aber nicht länger Teil der aktuellen Blockchain sind, werden wieder in den Pool mit unbestätigten Transaktionen zurückgeführt. Solche unbestätigten Transaktionen werden für den nächsten gültigen Block berücksichtigt. Somit entsteht erneut eine Sicherheitslücke in Form des Double-Spending.³⁰

Um die Sicherheit für die Aufzeichnung von Transaktionen zu erhöhen, wird der PoW-Hash des letzten abgebauten Blocks immer als Input in den nächsten Block aufgenommen. Hierdurch entsteht die Verkettung zur Blockchain, die mit jedem Block schrittweise wächst. Auf diese Weise muss ein potenzieller Angreifer, der versucht, den Inhalt eines bestimmten Blocks zu verändern, nicht nur den PoW dieses Blocks neu berechnen, sondern auch alle Hashwerte für alle nachfolgenden Blöcke in der Kette neu berechnen, da alle nachfolgenden Hashes vom vorherigen abhängen. Des Weiteren werden im Bitcoin-Netzwerk fortlaufend Blöcke zur Blockchain hinzufügt, somit müsste der Angreifer nicht nur alle bisherigen PoWs neu berechnen, sondern auch mit dem Tempo der aktuellen Blockerstellung Schritt halten und diese sogar übertreffen. Ein Angreifer müsste mehr als 51% der Rechenkapazität des gesamten Netzwerks kontrollieren, um die Blockchain und darin befindliche Blöcke bzw. Transaktionen zu verändern.³¹

Im Folgenden sind die verschiedenen Schritte zur Bildung einer Blockchain zusammengefasst und in Abbildung 6 visualisiert:³²

1. Transaktionsdefinition: Der Sender erzeugt für eine Transaktion zunächst eine verschlüsselte Signatur, als kryptographisches Ergebnis aus privatem Schlüssel, öffentlichen Schlüssel und der Transaktionsnachricht.
2. Transaktionsauthentifizierung: Die Netzwerkknoten validieren die Transaktionsnachrichten, indem sie die digitale Signatur entschlüsseln. Diese Daten werden vorübergehend gehalten, bis sie zum Erstellen eines neuen Blocks verwendet werden.
3. Blockerstellung: Während des Mining-Prozesses werden Transaktionen in einem Block zusammengefasst und zur Überprüfung an das gesamte Netzwerk gesendet.
4. Blockvalidierung: Der während des Mining-Prozess neu entstandene Block wird durch den Konsensalgorithmus im Netzwerk validiert.
5. Blockverkettung: Wenn alle Transaktionen validiert sind, wird der neue Block an die Blockchain angehängt und die Information an das gesamte Netzwerk verteilt.

Abbildung 6: Bildung einer Blockchain

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an: P. Frøystad, J. Holm (2015): Blockchain: Powering the Internet of Value, in: EVRY Financial Services, S. 10.

2.2 Blockchain-Datenstruktur

Die Blockchain ist eine Variante der Distributed-Ledger-Technology (DLT), die dazu dient Transaktionen korrekt auszuführen und aufzuzeichnen. Als DLT wird ein verteiltes Kontoführungssystem in Form einer dezentralen Datenbank bezeichnet.³³

Abbildung 7: Vergleich zentrale, dezentrale und verteilte Netzwerke

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an: P. Baran (1964): On Distributed Communications: I. Introduction to Distributed Communications Networks, in: The RAND Corporation, RM-3420-PR.

Wie in Abbildung 7 dargestellt, verwendet die Blockchain kein rein zentrales oder begrenztes dezentrales Netzwerk. Stattdessen wird das Ledger innerhalb der Blockchain dezentral über das P2P-Netzwerk auf alle Netzwerkknoten verteilt. Die Struktur der Blockchain ermöglicht es den Netzwerkteilnehmern, direkt miteinander zu interagieren, ohne dass ein Vermittler erforderlich ist.

Die im Netzwerk befindlichen Knoten besitzen alle eine identische Kopie des verteilten Ledgers und somit eine Speicherung aller verwalteten Transaktionen. Änderungen an dem Ledger erfolgen nach einem vordefinierten Konsensalgorithmus und werden über das dezentrale Netzwerk weitergegeben. Diese redundante Datenhaltung garantiert eine manipulationssichere Datenstruktur.³⁴

Ein Vorteil des Einsatzes von Blockchain-Technologien gegenüber anderen Arten von Datenbankstrukturen zeigt sich bei der Verwaltung handelbarer Assets.

Die Blockchain-Technologie erlaubt direkte Werttransaktionen zwischen Individuen, die sich nicht vertrauen müssen, über eine manipulationssichere Datenstruktur.³⁵ Blockchains werden mit einem UTXO-Modell konzipiert, wodurch jede neue Transaktionseingabe eine Referenz auf die Ausgabe einer anderen Transaktion erfordert.³⁶ Das bedeutet, dass das in einer Transaktion referenzierte Vermögen durch die Blockchain bis zu ihrer Gründung rückverfolgbar ist. Solch eine Möglichkeit ist insbesondere in der Finanzbranche wünschenswert.

Allerdings führt die hochverteile P2P-Struktur der Blockchain zu zeitlichen Verzögerungen, wodurch ein Transfer auf der Bitcoin-Blockchain zehn Minuten dauert. Der Aspekt der Verzögerung kann durch eine Teil-Zentralisierung reduziert werden. Hierfür wird das P2P-Netzwerk gegen eine geringere Anzahl von Servern ersetzt.³⁷ Beispielsweise reduziert das globale Finanztransaktionssystem Ripple durch ausgewählte Validierungsknoten die gesamte Transaktionsabwicklung auf wenige Sekunden.³⁸ Ein weniger stark verteiltes Ledger erfordert jedoch ein größeres Vertrauen in das Netzwerk, da es als weniger zensurresistent gilt.³⁹

2.3 Skalierbarkeit

Blockchain-Netzwerke beruhen auf dem Konzept einer verteilten Datenhaltung mit Speicherung und Replikation aller verwalteten Transaktionen im P2P-Netzwerk. Hierdurch wird der gesamte Datenbestand auf allen beteiligten Knoten repliziert. Der replizierte Datenbestand wächst kontinuierlich mit der Lebensdauer einer Blockchain und führt schließlich zu einer kritischen Skalierbarkeit.⁴⁰

Bei dem aktuellen Stand der Blockchain-Technologie können die folgenden vier Kategorien zu möglichen Engpässen in einem Blockchain-Netzwerk führen:⁴¹

- CPU-Rechenleistung: Die erforderliche Rechenleistung, die ein Netzwerkknoten benötigt, um eine bestimmte Anzahl von Transaktionen pro Sekunde zu verarbeiten.
- RAM-Speicherverbrauch: Die erforderliche Menge an RAM, die ein Knoten benötigt, um eine bestimmte Anzahl von Transaktionen pro Sekunde zu verarbeiten.
- Netzwerkbandbreite: Die erforderliche Bandbreite für einen Knoten, um die Verbreitung von Daten zu ermöglichen.
- Festplattenspeicherkapazität: Der erforderliche Festplattenspeicher zum Speichern der Blockchain.

Die heutige Bitcoin-Blockchain benötigt zehn Minuten, um Transaktionen zu bestätigen und erreicht dabei einen maximalen Durchsatz von 7 Transaktionen/Sekunde. Im Vergleich dazu bestätigt ein Zahlungsabwickler wie der Kreditkartenanbieter Visa eine Transaktion innerhalb von Sekunden und verarbeitet durchschnittlich 2000 Transaktionen pro Sekunde (tps).⁴² Bitcoin-Transaktionen nehmen durchschnittlich 0,5 kB Speicherplatz ein, somit würde die Speicherauslastung bei hohen Transaktionsraten schnell steigen. Beispielsweise erzeugt eine Rate, wie bei dem Zahlungsabwickler VISA, von 2.000 tps etwa 1 MB an Daten bzw. 30 TB an Daten pro Jahr. Darüber hinaus kommt es mit der erhöhten Auslastung zu einer Erhöhung der Anzahl der nicht verbrauchten Transaktionsausgaben, wodurch der RAM-Speicherbedarf für den UTXO steigt. Letztlich führt dies dazu, dass der UTXO nicht in den RAM-Speicher des Knoten passt. Hinsichtlich der Kategorien CPU-Rechenleistung und Netzwerkbandbreite bieten heutige Technologien ausreichend Möglichkeiten eine hohe Anzahl an Transaktionen zu verarbeiten. Somit entstehen die Engpässe für die Skalierbarkeit einer Blockchain durch den RAM-Speicher und den Festplattenspeicher.⁴³ Beispielsweise, beanspruchte die Bitcoin-Blockchain Anfang 2015 auf jedem beteiligten Netzwerkknoten noch etwa 28 GB freien Speicherplatz. Im Januar 2019, nur vier Jahre später, umfasst der Datenbestand bereits mehr als den siebenfachen Speicherbedarf mit fast 200 GB.⁴⁴

Die beschriebene Skalierungsherausforderung führte zu alternativen Typen von Netzwerkknoten. Die bisher beschriebenen Knoten werden als Full Nodes bezeichnet, da es sich um Knoten handelt, die alle netzwerkbedingten Funktionen ausführen, z.B. die Speicherung der gesamten Blockchain und die Überprüfung aller Blöcke und Transaktionen. Simple Payment Verification (SPV)-Knoten sind eine kompakte Art von Knoten, die anstelle der gesamten Blockchain, lediglich die Block-Header speichern. Um die Existenz einer Transaktion im Block zu bestätigen lädt ein SPV den Merkle-Tree bzw. die Merkle-Root herunter. Der Merkle-Tree bindet die Transaktion an den dazugehörigen Block-Header.⁴⁵

Wie in Abbildung 8 dargestellt, entsteht der Merkle-Tree durch verschlüsseln, dem sog. „hashen“, von allen Transaktionen innerhalb eines Blocks. Dabei werden die Transaktionen in dem Block solange paarweise gehasht bis ein einziger Hashwert verbleibt.⁴⁶ Der dabei entstandene Hashwert wird als Merkle Root bezeichnet und ist im Block-Header gespeichert, dieser wird vom SPV-Knoten verwendet.⁴⁷

[...]

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¹ Vgl. o.V. (2016): Embracing Disruption. Tapping the Potential of Distributed Ledgers to improve the Post-Trade Landscape, in: Depository Trust and Clearing Corporation, S. 2.

² Vgl. Schütte, J. et al. (2017): Blockchain und Smart Contracts – Technologien, Forschungsfragen und Anwendungen, in: Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung, S. 28.

³ Vgl. Klopfer, A.: World Bank Prices First Global Blockchain Bond, Raising A$110 Million, https://​www.worldbank.org​/​en/​news/​press-​release/​2018/​08/​23/​world-​bank-​prices-​first-​global-​blockchain-​bond-​raising-​a110-​million (12.4.2019).

⁴ Vgl. Nakamoto, S. (2008): Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System.

⁵ Vgl. Glaser, F., Bezzenberger, L. (Hrsg.) (2015): Beyond Cryptocurrencies - A Taxonomy of Decentralized Consensus Systems. Proceedings of the 23rd European Conference on Information Systems, ECIS 2015, Münster, Germany, May 26-29, S. 13.

⁶ Vgl. Shrier, D., Sharma, D., Pentland, A. (2016): Blockchain & Financial Services: The Fifth Horizon of Networked Innovation, in: Massachusetts Institute of Technology, S. 5.

⁷ Vgl. Chiu, J., Koeppl, T. V. (2019): Blockchain-Based Settlement for Asset Trading, in: The Review of Financial Studies, 32. Jg., H. 5, S. 1716–1753, S. 5.

⁸ Vgl. Schlatt, V. et al. (2016): Blockchain: Grundlagen, Anwendungen und Potenziale, in: Projektgruppe Wirtschaftsinformatik des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Informationstechnik FIT, S. 5–7.

⁹ Vgl. Croman, K. et al. (2016): On Scaling Decentralized Blockchains, in: J. Clark et al. (Hrsg.): Financial cryptography and data security. FC 2016 international workshops, BITCOIN, VOTING, and WAHC, Christ Church, Barbados, February 26, 2016 : revised selected papers, Berlin, S. 106–125.

¹⁰ Vgl. Kiviat, T. I. (2015): Beyond Bitcoin: Issues in Regulating Blockchain Transactions, in: Duke Law Journal, H. 65, S. 569–608.

¹¹ Vgl. Schlatt, V. et al. (2016): Blockchain: Grundlagen, Anwendungen und Potenziale, in: Projektgruppe Wirtschaftsinformatik des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Informationstechnik FIT, S. 5.

¹² Vgl. Schlatt, V. et al. (2016): Blockchain: Grundlagen, Anwendungen und Potenziale, in: Projektgruppe Wirtschaftsinformatik des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Informationstechnik FIT, S. 5.

¹³ Vgl. Sekretariat NIM: Prof. Dr. Gilbert Fridgen, https://​www.nim.uni-bayreuth.de​/​de/​team/​gilbert-​fridgen/​index.php (2.11.2019).

¹⁴ Vgl. van de Velde, J. et al. (2016): Blockchain in Capital Markets. The Prize and the Journey, in: Euroclear mit Oliver Wymann Joint Report, S. 9.

¹⁵ Vgl. Cohen, R. et al. (2018): Automation and blockchain in securities issuances, in: Butterworths Journal of International Banking and Financial Law, S. 144–150.

¹⁶ Vgl. Nakamoto, S. (2008): Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System.

¹⁷ Vgl. Anton, B., Matthew, C. (2014): Bitcoin: Technical Background and Data Analysis, in: Finance and Economics Discussion Series, S. 5.

¹⁸ Vgl. Anton, B., Matthew, C. (2014): Bitcoin: Technical Background and Data Analysis, in: Finance and Economics Discussion Series, S. 7.

¹⁹ Vgl. Antonopoulos, A. M. (2015): Mastering Bitcoin, Sebastopol, CA, S. 61.

²⁰ Vgl. Brühl, V. (2017): Bitcoins, Blockchain und Distributed Ledgers, in: Wirtschaftsdienst, 97. Jg., H. 2, S. 135–142, S. 136.

²¹ Vgl. Franco, P. (2015): Understanding Bitcoin. Cryptography, Engineering and Economics, Chichester, West Sussex, S. 14.

²² Vgl. Brühl, V. (2017): Bitcoins, Blockchain und Distributed Ledgers, in: Wirtschaftsdienst, 97. Jg., H. 2, S. 135–142, S. 136.

²³ Vgl. Franco, P. (2015): Understanding Bitcoin. Cryptography, Engineering and Economics, Chichester, West Sussex, S. 15.

²⁴ Vgl. Zohar, A. (2015): Bitcoin: Under the Hood, in: Communications of the ACM, 58. Jg., H. 9, S. 104–113, S. 106.

²⁵ Vgl. Franco, P. (2015): Understanding Bitcoin. Cryptography, Engineering and Economics, Chichester, West Sussex, S. 111.

²⁶ Vgl. Zohar, A. (2015): Bitcoin: Under the Hood, in: Communications of the ACM, 58. Jg., H. 9, S. 104–113, S. 106 f.

²⁷ Vgl. Antonopoulos, A. M. (2015): Mastering Bitcoin, Sebastopol, CA, S. 164 f.

²⁸ Vgl. Schütte, J. et al. (2017): Blockchain. Technologien, Forschungsfragen und Anwendungen, in: Fraunhofer, S. 6 f.

²⁹ Vgl. Schütte, J. et al. (2017): Blockchain. Technologien, Forschungsfragen und Anwendungen, in: Fraunhofer, S. 6 f.

³⁰ Vgl. Zohar, A. (2015): Bitcoin: Under the Hood, in: Communications of the ACM, 58. Jg., H. 9, S. 104–113, S. 107 f.

³¹ Vgl. Franco, P. (2015): Understanding Bitcoin. Cryptography, Engineering and Economics, Chichester, West Sussex, S. 113.

³² Vgl. Frøystad, P., Holm, J. (2015): Blockchain: Powering the Internet of Value, in: EVRY Financial Services, S. 11.

³³ Vgl. Brühl, V. (2017): Banking 4.0 - strategische Herausforderungen im digitalen Zeitalter, in: Kreditwesen, H. 4, S. 177–181, S. 180.

³⁴ Vgl. Franco, P. (2015): Understanding Bitcoin. Cryptography, Engineering and Economics, Chichester, West Sussex, S. 15.

³⁵ Vgl. Schlatt, V. et al. (2016): Blockchain: Grundlagen, Anwendungen und Potenziale, in: Projektgruppe Wirtschaftsinformatik des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Informationstechnik FIT, S. 40.

³⁶ Vgl. Franco, P. (2015): Understanding Bitcoin. Cryptography, Engineering and Economics, Chichester, West Sussex, S. 15.

³⁷ Vgl. Schütte, J. et al. (2017): Blockchain und Smart Contracts – Technologien, Forschungsfragen und Anwendungen, in: Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung, S. 15 f.

³⁸ Vgl. Schlatt, V. et al. (2016): Blockchain: Grundlagen, Anwendungen und Potenziale, in: Projektgruppe Wirtschaftsinformatik des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Informationstechnik FIT, S. 27.

³⁹ Vgl. Walport, M. (2015): Distributed Ledger Technology: beyond block chain, in: Government Office for Science, S. 18.

⁴⁰ Vgl. Schütte, J. et al. (2017): Blockchain. Technologien, Forschungsfragen und Anwendungen, in: Fraunhofer, S. 10.

⁴¹ Vgl. Franco, P. (2015): Understanding Bitcoin. Cryptography, Engineering and Economics, Chichester, West Sussex, S. 121.

⁴² Vgl. Croman, K. et al. (2016): On Scaling Decentralized Blockchains, in: J. Clark et al. (Hrsg.): Financial cryptography and data security. FC 2016 international workshops, BITCOIN, VOTING, and WAHC, Christ Church, Barbados, February 26, 2016 : revised selected papers, Berlin, S. 106–125, S. 106.

⁴³ Vgl. Franco, P. (2015): Understanding Bitcoin. Cryptography, Engineering and Economics, Chichester, West Sussex, S. 120 f.

⁴⁴ Vgl. Blockchain: Blockchain Size, https://​www.blockchain.com​/​de/​charts/​blocks-​size​?​timespan=​all&​showDataPoints=​true (16.6.2019).

⁴⁵ Vgl. Franco, P. (2015): Understanding Bitcoin. Cryptography, Engineering and Economics, Chichester, West Sussex, S. 139 f.

⁴⁶ Vgl. Brühl, V. (2017): Bitcoins, Blockchain und Distributed Ledgers, in: Wirtschaftsdienst, 97. Jg., H. 2, S. 135–142, S. 137.

⁴⁷ Vgl. Franco, P. (2015): Understanding Bitcoin. Cryptography, Engineering and Economics, Chichester, West Sussex, S. 119.