Wie funktionieren Kryptowährungen? Die Blockchain-Technologie als Grundlage für das Bitcoin-System

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Definition

3 Entstehung

4 Distributed Ledger Technologie

5 Blockchain
5.1 Funktionsweise am Beispiel Bitcoin
5.2 Kryptographie
5.3 Transaktionen
5.4 Proof of Work
5.4.1 Der Block
5.5 Proof of Stake - eine Alternative

6 Literaturverzeichnis

1 Einleitung

Ziel dieser Arbeit ist es, die Funktionsweise einer Kryptowährung und dessen technologischen Komponenten zu erläutern. Diese Arbeit soll dem Leser die Grundlagen der Blockchain-Technologie einfach verständlich, auf Basis des Bitcoin-Systems, vermitteln. Hierfür wurde unter anderem Expertenwissen zusammengefasst, verknüpft und zusammengetragen. Schwerpunkt liegt somit auf der Funktionsweise des Bitcoin-Systems, welche durchweg als Beispiel genutzt wird. Grundlegend kann man die Funktionsweise des Bitcoins als eine chronische Aneinanderreihung von Transaktionen, welche über kryptographische Hashes miteinander verbunden sind, bezeichnen. Darüber hinaus ist das Bitcoin-Netzwerk dezentral überall auf der Welt verteilt, der Konsens-Algorithmus Proof-of-Work sorgt hierbei für Einstimmigkeit im Netzwerk.

2 Definition

Grundlegend setzt sich der Begriff Kryptowährung aus Kryptographie und Währung zusammen. Die Hauptmerkmale einer Kryptowährung, auch digitale oder virtuelle Währung genannt, ist ihre Dezentralität und Fälschungssicherheit(vgl. Schiller 12.08.2019).

Kryptowährungen sind an echte Währungen geknüpft, wie zum Beispiel dem Euro oder US-Dollar, welches von den Staaten und Zentralbanken kontrolliert wird. Grundsätzlich sind Kryptowährungen, wie der Bitcoin, keine gesetzlich anerkannte Alternativ-Währung. Basierend auf der Blockchain-Technologie und ihrem dezentralen Charakter, sind Kryptowährungen besonders fälschungssicher und nicht manipulierbar(vgl. Hönig 2020, 35).

3 Entstehung

Die erste öffentliche Kryptowährung der Welt ist Bitcoin. Konzipiert und vorgestellt wurde diese erstmals Ende 2008 in einem Whitepaper unter dem Alias Satoshi Nakamoto. Seine Absicht war es einen digitalen und sicheren Geldtransfer auf der Grundlage eines Peer-to-Peer Netzwerkes zu ermöglichen - ganz ohne Finanzinstitute. Eine dritte Partei als Kontrolleinheit sollte damit überflüssig werden. Zusätzlich sollte durch die Dezentralität eine zentrale Kontrollinstanz, wie zum Beispiel Zentralbanken und Staaten, verhindert werden(vgl. Satoshi Nakamoto 01.11.2008).

Viele weitere Konkurrenzprodukte, sogenannte Altcoins (Alternative Bitcoins), folgten seit der Veröffentlichung von Bitcoin: beispielsweise Ethereum, Litecoin und Ripple.

4 Distributed Ledger Technologie

Die meisten Kryptowährungen basieren auf der Blockchain-Technologie. Bevor auf diese eingegangen wird, muss das Fundament, die Distributed Ledger Technologie, näher erläutert werden:

Die Distributed Ledger Technology (DLT) ist eine Art Datenbank, die im Gengensatz zu Datenbanken, wie die meisten Unternehmen sie verwenden, dezentral ist und keine zentralen Datenspeicher- oder Verwaltungsfunktionalitäten besitzt. Jeder Teilnehmer im, auf Deutsch, verteilten Hauptbuch kann auf alle Datensätze zugreifen. Zudem bietet die Technologie jedem Nutzer eine überprüfbare Einsicht der Historie aller Informationen. Für den Konsens sorgen die Knoten, welche jede Transaktion oder Information verarbeiten und verifizieren. Erzeugt wird eine Aufzeichnung, welche die Wahrhaftigkeit garantiert(vgl. Schiller 21.07.2018). Die Knoten, auch Nodes genannt, sind verteilte Verbindungspunkte und bilden somit das Netzwerk.

Durch das immer bekannter werden von Blockchain-Applikationen wie Bitcoin, wurden die Begriffe Distributed Leger und Blockchain irrtümlicherweise häufig gleichgesetzt und falsch verwendet. Jedoch gibt es einige Unterschiede zwischen einem Distributed Ledger und einer Blockchain - hier gilt es klar zu differenzieren(vgl. Schiller 21.07.2018). Die Blockchain ist nur eine bestimmte Art der DLT.

5 Blockchain

Grundlegend werden bei der Blockchain-Technologie beispielsweise Transaktionen in Blöcken zusammengefasst und chronologisch an bereits verifizierten Blöcken angehängt. Auf Grund der Chronologie spricht man von einer Kette, auf Englisch Chain - kombiniert somit Blockchain.

Eine einheitliche Definition für den Begriff Blockchain gibt es nicht, jedoch kann man sagen, dass eine Blockchain von Nutzern eines verteilten Rechennetzwerks verwaltet wird und im Grunde ein digitales Register für Informationen ist. Hierbei wird deutlich, dass die Blockchain als Datenstruktur klar von dem dazugehörigem Verwaltungssystem unterschieden werden muss und deshalb nicht mit dem Distributed Ledger gleichzusetzen ist. Dennoch ist die DLT für den größten Sicherheitsfaktor verantwortlich, die Dezentralität und den Konsens. So sind alle Transaktionen in der Blockchain transparent für jeden einzusehen. Dies macht eine Manipulation der Daten fast unmöglich. Man müsste mehr als die Hälfte der insgesamt agierenden Nodes kontrollieren beziehungsweise über die Hälfte der Teilnehmer müssten dasselbe Ziel verfolgen, um die Berechnung des alten Blocks zu manipulieren(vgl. Hönig 2020, 119). „Um dies erneut zu visualisieren, müsste man sich tausende Blätter Papier vorstellen, welche aneinandergeklebt sind. Diese müsste man wieder aufwendig voneinander trennen. Außerdem müsste auf jeder Seite eine Gleichung berechnet werden, auf der jedes Ergebnis notwendiger Bestandteil der darauffolgenden Gleichung wäre. Zusätzlich müsste man die Seiten wieder zusammenkleben“(Hönig 2020, 113).

5.1 Funktionsweise am Beispiel Bitcoin

Im Folgenden wird die Funktionsweise der Blockchain-Technologie nun durchweg am Beispiel des Bitcoin-Systems näher erläutert:

Die dezentrale Systemarchitektur beruht im Bitcoin-System auf dem Peer-to-Peer Prinzip. Die Systemarchitektur besitzt keine zentrale Autorität. Steuerung und Kontrolle kennt das Netzwerk nicht. Für die Teilnahme ist lediglich eine mit dem Bitcoin-Protokoll kompatible Software oder die Nutzung eines Onlinedienstleisters nötig. Schöpfung, Validierung und Verifizierung geschieht dezentral und digital über das globale Netzwerk verteilt(vgl. Sixt 2017, 31). Das chronologische Register ist also ohne intermediär dezentral bei allen verwaltenden Teilnehmern beziehungsweise Nodes des Netzwerks gespeichert. Sichere Transaktionen und die dezentrale Verwaltung sind nur mit kryptographischen Algorithmen, eine spezifische Art der Verschlüsselung, möglich.

5.2 Kryptographie

Bestandteil der Blockchain-Technologie ist die Kryptographie. Ziel ist es im Grunde Informationen derart zu verändern, also kryptographisch zu verschlüsseln, dass sie nicht mehr nachvollziehbar sind und somit nicht von unerwünschten Dritten gelesen werden können. Würden lediglich die Transaktionen zusammengefasst werden, so könnte jeder jederzeit Transaktionen beliebig zu seinem Vorteil nutzen(vgl. Schiller 07.02.2018). Dabei setzt das Bitcoin-System auf zwei fundamentale Konzepte: bestehend aus der Public-Key-Kryptographie und der kryptographischen Hashfunktion.

Ein Hash stellt eine Einwegfunktion dar, sie ist also deterministisch. Eine Hashfunktion ist ein Algorithmus, welche alle digitalen Informationen in eine fixe Zeichenfolge umwandelt. Der daraus resultierende Hashwert wird auf Grund dieser Eigenschaft auch digitaler Fingerabdruck genannt. Jede Veränderung der Eingangsdaten führt zu einem stark veränderten Hashwert. Das heißt, nur dieselben Eingangsdaten ergeben denselben Hashwert(vgl. Hönig 2020, 113). Vereinfacht ausgedrückt lassen sich folgende Eigenschaften feststellen: Ausgehend von dem Hashwert kann der ursprüngliche Dateninput nicht bestimmt werden und es ist auch nicht möglich zwei Dateninputs zu finden, welche denselben Hashwert ergeben.

Möchte man nun eine neue Bitcoin-Adresse anlegen, so generiert der Bitcoin-Client ein Schlüsselpaar, bestehend aus einem öffentlichen Schlüssel und einem privaten Schlüssel. Der öffentliche Schlüssel, auch Bitcoin-Adresse genannt, wird zufällig generiert und besteht aus einer Reihenfolge an Zahlen und Buchstaben. Dasselbe trifft auch für den privaten Schlüssel zu - mit dem Unterschied, dass dieser geheim gehalten wird und den Besitzernachweis darstellt(vgl. Sixt 2017, 37–38). Dieses Schlüsselpaarmodell wird asymmetrische Kryptographie genannt. Das Gegenteil (symmetrisch) würde bedeuten, dass Sender und Empfänger bei einer Transaktion keinen gemeinsamen geheimen Schlüssel haben - sprich sie arbeiten nur mit einem einzigen Schlüssel, der für die Ver- und Entschlüsselung genutzt wird. Die Gefahr besteht hierbei, dass der Schlüssel von einer unerwünschten dritten Partei abgefangen werden kann und somit die Sicherheit (der Inhalt der Transaktion) gefährdet ist. Anders ist das bei der asymmetrischen Variante: Der Absender verschlüsselt die Information mit seinem privaten Schlüssel und sendet diese an das Netzwerk. Nun erhält der Empfänger die signierte Nachricht und kann die Information mit dem öffentlichen Schlüssel des Absenders prüfen. Durch diesen Prozess wird eine unbemerkte Manipulation verhindert, so ist die Integrität und Authentizität des Senders garantiert(vgl. Schlatt, V., Schweizer, A., Urbach, N., Fridgen, G. 2016).

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Abbildung1

Bei Kryptowährungen werden beide Konzepte miteinander kombiniert. Die Informationen der Transaktion werden vorerst gehasht, dann von dem Absender signiert und an das Netzwerk geschickt. Die Signatur des Absenders ist nur dann valide, wenn der Hash des Netzwerks mit dem Hash, der mit dem öffentlichen Schlüssel entschlüsselten Nachricht des Absenders übereinstimmt.

Nun wissen Sie, dass Bitcoin-Transaktionen durch digitale Signaturen gesichert zwischen Bitcoin-Adressen transferiert werden und jedes dieser chronologisch über die Blockchain von jedem Teilnehmer im Netzwerk ersichtlich ist.

5.3 Transaktionen

Vorab muss klargestellt werden, dass es im Grunde keine Bitcoins gibt. Umgangssprachlich wird zwar behauptet, man besäße Bitcoins, jedoch kann man auf kein physisches Objekt oder keine Datei verweisen und sagen: das ist ein Bitcoin. Wie bereits erläutert stellt die Blockchain eine unveränderbare und chronologische Datenbank dar. Jede Transaktion, die jemals ausgeführt wurde, wird auf der Blockchain gespeichert. Somit gibt es Aufzeichnungen über Transaktionen zwischen Adressen, dessen Guthaben sich entweder erhöht oder verringert haben. So lässt sich das Saldo einer Bitcoin-Adresse ausrechnen, denn Informationen auf der Adresse selbst werden keine gespeichert(vgl. btc-echo.de 2020).

Vereinfacht ausgedrückt kann man sich einen öffentlichen Schlüssel (auch Bitcoin-Adresse) wie ein transparentes Postfach vorstellen. Jeder weiß was sich darin befindet, doch nur die Person mit dem privaten Schlüssel kann das Postfach öffnen und den Inhalt verändern. Die Funktionsweise einer Bitcoin-Transaktion ist Anhand eines Beispiels gut zu veranschaulichen:

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