Sie fragen sich, was es mit den Blöcken einer Blockchain auf sich hat, was sie so besonders macht und wie überhaupt der Konsens in einer Blockchain entsteht? Darum geht es in diesem und den nächsten beiden Beiträgen, mit denen wir unsere Blockchain-Einführung abschließen. Danach wird es konkret um den Einsatz der Blockchain-Technologie im Transport- und Logistiksektor und um weitere Einsatzmöglichkeiten gehen.

Folgende Aspekte der Blockchain-Welt haben Sie in unserer Blockchain-Reihe bereits kennengelernt:

• „Blockchain“ ist nicht gleichbedeutend mit „Krypto-Währung“
• Was ist eine Krypto-Währung und was ist Bitcoin?
• Was sind Smart Contracts?
• Entstehungsgeschichte der Blockchain
• Die „Distributed Ledger Technology“ (DLT) als Basis der Blockchain
• Die drei Arten der Blockchain
• Was ist ein Full Node/Mining Stake Node?

Proof of …: der allgemeine Konsensmechanismus

Jede Blockchain erhält zum Start einen Konsensmechanismus, der regelt, wie im Blockchain-Netzwerk Aktionen bestätigt werden (Konsens). Dieser Mechanismus kümmert sich um Validierung und Generierung neuer Blöcke innerhalb der Blockchain, ohne dafür eine übergeordnete zentrale Instanz zu benötigen. Damit gewährleistet er die Integrität, Authentizität und Verbindlichkeit der Blockchain – und das deutlich zuverlässiger als zentralistische Ansätze: So arbeiten Visa und Mastercard ohne Konsensmechanismus, weil sie ihr Netzwerk und ihre Datenbanken selber kontrollieren und beliebig ändern können. Den Nutzern bleibt nichts anderes übrig, als den Unternehmen zu vertrauen, dass sie keine Transaktionen nachträglich ändern. Obendrein sind solche zentral kontrollierten Strukturen anfälliger für Hackerangriffe.

Der Konsensus oder Konsensmechanismus einer Blockchain wird im Allgemeinen als „Proof of Work“, „Proof of Stake“ etc. bezeichnet und jeweils mit einem eigenen kryptografischen Algorithmus programmiert. Dies schon mal für den Hinterkopf.

Proof of Work: der Arbeitsnachweis

Der Konsensmechanismus „Proof of Work“ (PoW) erfordert kryptografische Rechenarbeit: Die „Miner“ validieren, verifizieren und verketten anhand des Algorithmus neu entstandene Blockchain-Blöcke und die darin enthaltenen Transaktionsdaten. Dieser Prozess nennt sich Mining und nutzt Mining Full Nodes.

Fürs Mining kommen Computer mit spezieller Hochleistungs-Hardware zum Einsatz, mit der die Miner auch Full Nodes betreiben können, in denen der aktuelle Stand der Blockchain gespeichert ist. Im Fall der Bitcoin-Blockchain werden Miner für die erfolgreiche Lösung der Rechenaufgabe und damit für die neu „geminten“ verifizierten Blöcke mit einer festgelegten Anzahl BTC entlohnt – so entstehen neue Coins. Wenn der Tag kommt, an dem der „letzte Coin“ gemint ist, werden die Miner nur noch mit Gebühren, den sogenannten „Fees“, für die Transaktions-Validierung entlohnt werden. Beim Bitcoin wird das voraussichtlich 2140 der Fall sein.

Der PoW von Bitcoin garantiert ein überzeugendes Maß an Sicherheit und ist daher der zurzeit verbreitetste Konsensmechanismus. Einen Nachteil hat er allerdings: Er sorgt für einen hohen Stromverbrauch und damit regelmäßig für negative Presseberichterstattung. Zum Glück setzt die Mining-Industrie auf einen erfreulich nachhaltigen Energiemix mit einem Anteil von rund 76 % erneuerbaren Energiequellen, von denen 39 % komplett „grün“ sind. Zu diesem Ergebnis kommt das Cambridge Centre for Alternative Finance der Universität Cambridge in seiner 2020 veröffentlichten „3rd Global Cryptoasset Benchmarking Study“ nach einer Befragung der 280 größten Krypto-Mining-Unternehmen aus 59 Ländern. Wie viel Energie ein Netzwerk verbraucht, wird übrigens mit der Maßeinheit „Hash Rate“ oder „Hash Power“ ermittelt.

Hashing im Detail

Schauen wir uns am Beispiel Bitcoin genauer an, wie das Hashing funktioniert. Hier kreiert und validiert der kryptografische Algorithmus SHA256 die Blöcke, die beim Mining entstehen. Dazu errechnet er Hash-Werte, deren Aufgabe darin besteht, die enthaltenen Informationen zu sichern. Diese Aufgabe meistert er über eine kryptografische Einbahnstraße: Ist der Hash-Wert einmal errechnet, lässt er sich nicht mehr in die editierbaren Ausgangs-Informationen zurückrechnen. Jede kleinste Modifikation an den enthaltenen Informationen würde darüber hinaus auch den Hash-Wert ändern, was durch die Verkettung der Informationen in der Blockchain sofort auffallen würde.

Weil die Größe von Blockchain-Blöcken limitiert ist, haben Hash-Werte immer die gleiche Datengröße – im Fall des SHA256 zum Beispiel 32 Bit. Wie sie aussehen und wie eine minimale Modifikation der Ursprungsinformationen den Hash-Wert ändert, zeigt das folgende Beispiel:

Originaltext: Blockchain & Supply Chain Management
Hash-Wert: 20ef64a83eb76306f35f3c54c292adbb632faf46bc840732acb078a40929bc80

Geänderter Text: Blockchain and Supply Chain Management
Hash-Wert: bf47dd8e8ceec41cd3c0274d9c3da7dbdf71b0c02186ceb652be81df14165f3c

Probieren Sie es selber aus: https://emn178.github.io/online-tools/sha256.html

Jeder Block der Blockchain enthält die entstandenen Transaktionsdaten, also Infos darüber, wer wann wie viele Coins an wen verschickt hat. Vor jeder Transaktion prüft das System, ob der Versender im Besitz von Coins ist, und speichert im Anschluss aktualisierte Informationen darüber, wer jetzt im Besitz welcher Coin-Menge ist. Alle diese Daten werden in einem Blockchain-Block abgelegt und per SHA256 unabhängig vom Umfang der Informationen in einen exakt 32 Bit großen Hash umgewandelt. Zum Abschluss erhält der Block seinen eigenen Hash-Wert, und die Miner beginnen mit der Validierung des nächsten Blocks.

Damit sich die Blockkette schließt, muss jeder Folgeblock mit dem vorausgehenden Hash-Wert beginnen und dann mit dem Hash-Wert des neuen Blocks ergänzt werden – aus dieser Verbindung ergibt sich der neue Wert, der „Nonce“ genannt wird. Mining ist nichts anderes als die Berechnung des Nonce. Der erste Miner, der den Nonce erfolgreich berechnet, sendet ihn an das Netzwerk, wo andere Miner die Transaktionen validieren und authentifizieren, bevor die Berechnung des nächsten Blocks beginnen kann.

Sie fragen sich jetzt, ob man nicht doch mit etwas Rechenaufwand Transaktionen rückgängig machen oder sein Guthaben verändern kann? Würden Sie das versuchen, würde sich dadurch der Hash-Wert des Blocks, der die betroffenen Transaktionsinformationen enthält, ändern – und damit nicht mehr zum vorausgehenden Block und auch nicht zu allen Folgeblöcken passen. Für eine erfolgreiche Manipulation müssten Sie also sämtliche Folgeblöcke verändern, was kaum möglich ist.

Dieses Prinzip der engen Verkettung macht Blockchains so sicher, weil es Integrität, Authentizität und Verbindlichkeit sicherstellt. Integrität meint dabei die Richtigkeit der Daten und die einwandfreie Funktion des Systems; Authentizität steht für die Echtheit der Daten, ihren nachgewiesenen Ursprung und die Eindeutigkeit und Zuordnungsfähigkeit der abgespeicherten Daten; mit Verbindlichkeit ist die Akzeptanz der vorrangigen Ziele durch alle Blockchain-Teilnehmer gemeint.

Bitcoin-Mining in Zahlen

Einen Hash kann man als Versuch umschreiben, den richtigen Hash-Wert eines Blocks zu berechnen. Für Bitcoin geht man davon aus, dass durchschnittlich alle 10 Minuten ein Block mit etwa 3,1 Exahashes (3.100.000.000.000.000 Hashes) berechnet wird. Für die Berechnungsgeschwindigkeit wird die Einheit Hashes pro Sekunde (H/s) zugrunde gelegt: 1 kH/s sind demnach 1.000 Hashes/Sekunde, 1 MH/s sind 1 Million Hashes pro Sekunde und so fort – bis zu einer Quintillion Hashes/Sekunde.

Wissenschaftler des MIT gehen davon aus, dass die Berechnung eines BTC mit der derzeit optimalen Hardware rund 42.000 kWh Energie benötigt. Und weniger wird das vermutlich nicht, denn der Bitcoin-Schöpfer Satoshi Nakamoto hat seinen Algorithmus so angelegt, dass sich der Schwierigkeitsgrad der Berechnung, die „Bitcoin Difficulty“, alle 2016 Blöcke an die Zahl der aktiven Miner im Netzwerk anpasst – aktuell etwa alle zwei Wochen. Damit soll der Richtwert von durchschnittlich zehn Minuten Zeitaufwand für die Erstellung eines neuen Blocks konstant bleiben.

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