Zusammenfassung:
Eine Blockchain ist ein digitales Ledger, das Transaktionsdaten über ein verteiltes Netzwerk von Computern sicher aufzeichnet.
Eine Blockchain stellt die Datenintegrität durch ihre Unveränderlichkeit mittels Kryptografie und Konsensmechanismen sicher, weshalb Informationen, sobald sie aufgezeichnet wurden, nicht rückwirkend geändert werden können.
Eine Blockchain bildet das Fundament eines Kryptowährungsnetzwerks wie Bitcoin und Ethereum und trägt maßgeblich zur Förderung von Transparenz, Sicherheit und Vertrauen in der Finanzbranche und zahlreichen anderen Sektoren bei.
Einführung
Die Blockchain bietet eine dezentrale, transparente und sichere Möglichkeit der Datenverwaltung und Transaktionsabwicklung und revolutioniert derzeit ganze Branchen, insbesondere den Finanzsektor. Die Technologie, die ursprünglich als Grundlage für Kryptowährungen wie Bitcoin gedacht war, wird heute in ganz anderen Bereichen wie Lieferketten, Gesundheitswesen, Wahlsystemen und vielem mehr eingesetzt.
Was ist die Blockchain?
Eine Blockchain ist eine spezielle Art von Datenbank. Es handelt sich um ein dezentrales digitales Hauptbuch (Ledger), das von einem verteilten Netzwerk von Computern verwaltet wird. Blockchain-Daten werden in Blöcken organisiert, die chronologisch angeordnet und durch Kryptografie gesichert sind.
Die spezielle Struktur der Blockchain gewährleistet, dass die Daten transparent, sicher und unveränderbar sind. Es ist praktisch unmöglich, die in einem Block gespeicherten Daten zu ändern, nachdem der Block bestätigt und der Blockchain hinzugefügt wurde. Dank des dezentralen Aufbaus ist auch keine zentrale Instanz mehr nötig. So können Blockchain-Transaktionen zwischen Nutzern ganz ohne Intermediäre durchgeführt werden.
Es gibt verschiedene Arten von Blockchains mit unterschiedlichem Grad der Dezentralisierung. Dennoch bezieht sich der Begriff Blockchain in der Regel auf ein dezentrales digitales Ledger, das zur Aufzeichnung von Kryptowährungstransaktionen verwendet wird.
Kurzer Überblick über die Entstehung der Blockchain-Technologie
Das erste Modell einer Blockchain geht auf die frühen 1990er Jahre zurück, als der Informatiker Stuart Haber und der Physiker W. Scott Stornetta kryptografische Techniken in einer Kette von Datenblöcken anwandten, um digitale Dokumente vor Fälschung und Missbrauch zu schützen.
Die Arbeit von Haber und Stornetta inspirierte viele andere Informatiker und Kryptografie-Experten und führte schließlich zur Schaffung der ersten Kryptowährung auf Basis der Blockchain-Technologie: Bitcoin. Seitdem hat die Akzeptanz der Blockchain-Technologie stetig zugenommen. Kryptowährungen werden heute von Menschen auf der ganzen Welt genutzt.
Während die Blockchain-Technologie häufig zur Aufzeichnung von Kryptowährungstransaktionen verwendet wird, eignet sie sich auch für die Aufzeichnung vieler anderer Arten digitaler Daten und eine Vielzahl von Anwendungsfällen.
Die wichtigsten Merkmale und Vorteile der Blockchain
Dezentralisierung: Informationen werden in einem verteilten Netzwerk von Computern (Knoten) und nicht auf einem einzigen zentralen Server gespeichert. Große dezentrale Netzwerke wie Bitcoin sind daher äußerst widerstandsfähig gegen Angriffe.
Transparenz: Die meisten Blockchains sind öffentlich, d. h. alle Teilnehmer haben Zugriff auf dieselbe Datenbank und alle Transaktionen sind für alle Teilnehmer sichtbar.
Unveränderlichkeit: Nachdem Daten zur Blockchain hinzugefügt wurden, können sie nicht mehr ohne die Zustimmung des Netzwerks geändert werden.
Datensicherheit: Kryptografische Techniken und Konsensmechanismen gewährleisten einen wirksamen Schutz vor Datenmanipulationen.
Effizienz: Eine Blockchain kann schnellere und günstigere Transaktionen als bisherige Systeme ermöglichen, da die Notwendigkeit von Intermediären entfällt. Transaktionen werden nahezu in Echtzeit verarbeitet.
Was ist Dezentralisierung in der Blockchain?
Im Zusammenhang mit Blockchain bezieht sich Dezentralisierung auf die Verteilung von Kontrolle und Entscheidungsbefugnissen auf viele Teilnehmer in einem Netzwerk und nicht auf eine einzelne Einheit wie eine Bank, Behörde oder ein Unternehmen.
In einem dezentralen Blockchain-Netzwerk gibt es keine zentrale Stelle oder Intermediäre, die den Daten- oder Transaktionsfluss kontrollieren. Stattdessen werden Transaktionen von einem verteilten Netzwerk von Computern überprüft und aufgezeichnet, die zusammenarbeiten, um die Integrität des Netzwerks aufrechtzuerhalten.
Wie funktioniert eine Blockchain?
Im Kern ist eine Blockchain ein digitales Ledger, das Transaktionen zwischen zwei Parteien geschützt und manipulationssicher aufzeichnet. Die Transaktionsdaten werden von einem weltweit verteilten Netzwerk von Computern (sogenannten Knoten oder Nodes) aufgezeichnet.
Wenn Alice etwas Bitcoin an Bob schickt, wird die Transaktion im Netzwerk verbreitet. Jeder Knoten authentifiziert die Transaktion, indem er digitale Signaturen und andere Transaktionsdaten überprüft. Sobald die Transaktion verifiziert ist, wird sie zusammen mit anderen bereits verifizierten Transaktionen zu einem Block zusammengefasst. Wir können uns jeden Block als eine Seite des digitalen Ledgers vorstellen.
Mithilfe kryptografischer Methoden werden Blöcke miteinander zur Blockchain verkettet. Die Überprüfung von Transaktionen und ihre Aufnahme in die Blockchain erfolgt über einen Konsensmechanismus, d. h. eine Reihe von Regeln, die festlegen, wie sich die Knoten im Netzwerk über den Zustand der Blockchain und die Gültigkeit von Transaktionen einigen.
Zentrale Aspekte einer Blockchain
1. Transaktionsaufzeichnung
Wenn eine Transaktion wie z. B. ein Kryptotransfer initiiert wird, wird sie an ein Netzwerk von Knoten geleitet. Jeder Knoten validiert die Transaktion anhand vordefinierter Regeln.
2. Blockerstellung
Validierte Transaktionen werden zu einem Block zusammengefasst. Jeder Block enthält:
Daten (z. B. Transaktionsdaten)
Einen Zeitstempel
Einen kryptografischen Hash: Eine eindeutige Kennung, die durch das Anwenden einer Hashing-Funktion auf die Blockdaten entsteht.
Den Hash des vorherigen Blocks: Die Blöcke sind miteinander verbunden, indem sie auf den Hash des vorherigen Blocks verweisen.
3. Konsensmechanismus
Um einen Block zur Kette hinzuzufügen, müssen sich die Netzwerkteilnehmer auf dessen Gültigkeit einigen. Dies wird durch einen Konsensalgorithmus wie Proof of Work (PoW) und Proof of Stake (PoS) erreicht. Auf Konsensalgorithmen werden wir weiter unten noch eingehen, doch hier kurz einige wichtige Punkte:
Proof of Work (PoW): Bei PoW setzen Blockvalidatoren Rechenleistung ein, um eine komplexe mathematische Aufgabe zu lösen. PoW wird von Bitcoin verwendet.
Proof of Stake (PoS): Bei PoS hängt die Wahrscheinlichkeit, dass ein Netzwerkteilnehmer als Validator ausgewählt wird, von seinem Stake im Netzwerk ab. PoS wird von neueren Blockchains wie Ethereum eingesetzt.
4. Verkettung
Sobald ein Block validiert ist, wird er der Blockchain hinzugefügt. Jeder Block enthält einen Verweis (Hash) auf den vorherigen Block, wodurch eine vor Manipulation geschützte Kette entsteht. Ein neuer Block kann nur validiert werden, wenn er die Kennung des vorherigen Blocks verwendet.
5. Transparenz
Ein weiteres Merkmal der Blockchain ist ihre Transparenz. Generell kann jeder die Daten einer Blockchain, darunter alle Transaktionsdaten und Blockdaten, auf öffentlichen Websites oder Blockchain-Explorern einsehen.
Zum Beispiel kannst du jede Transaktion überprüfen, die jemals im Bitcoin-Netzwerk aufgezeichnet wurde, einschließlich der Wallet-Adressen von Absender und Empfänger, des Transaktionsbetrags usw. Du kannst auch alle Bitcoin-Blöcke bis zum allerersten Block, dem sogenannten Genesis-Block, zurückverfolgen.
Kryptografische Techniken
Kryptografie ist für die Blockchain von entscheidender Bedeutung, um eine sichere, transparente und fälschungssichere Aufzeichnung von Transaktionen zu gewährleisten. Hashing ist beispielsweise eine wichtige kryptografische Methode, die in Blockchains verwendet wird. Es handelt sich um einen kryptografischen Prozess, bei dem eine Eingabe beliebiger Größe in eine Zeichenfolge fester Größe umgewandelt wird.
Die in Blockchains verwendeten Hash-Funktionen sind im Allgemeinen kollisionsresistent, weshalb die Wahrscheinlichkeit, zwei Datensätze zu finden, die die gleiche Ausgabe erzeugen, astronomisch gering ist. Ein weiteres Merkmal ist der sogenannte Lawineneffekt. Er bezieht sich auf das Phänomen, dass jede geringfügige Änderung der Eingabedaten zu einer drastisch anderen Ausgabe führen würde.
Wir wollen dies anhand von SHA256 veranschaulichen, einer in Bitcoin verwendeten Funktion. Wie du siehst, hat die Änderung der Groß- und Kleinschreibung der Buchstaben zu einer dramatischen Veränderung der Ausgabe geführt. Hash-Funktionen sind außerdem Einwegfunktionen, da es nicht möglich ist, durch Reverse Engineering der Hash-Ausgabe die Eingabedaten herauszufinden.
Jeder Block einer Blockchain enthält den Hash des vorherigen Blocks, wodurch eine robuste Kette von Blöcken entsteht. Jeder, der einen Block ändern möchte, müsste alle nachfolgenden Blöcke ändern, eine Aufgabe, die nicht nur technisch anspruchsvoll, sondern auch ungeheuer teuer ist.
Eine weitere in Blockchains häufig angewandte kryptografische Methode ist die Public-Key-Kryptografie. Sie wird auch als asymmetrische Kryptografie bezeichnet und soll sichere und überprüfbare Transaktionen zwischen Nutzern ermöglichen.
Das funktioniert wie folgt: Jeder Teilnehmer verfügt über ein einzigartiges Schlüsselpaar – einen privaten Schlüssel, den er geheim hält, und einen öffentlichen Schlüssel, der offen geteilt wird. Wenn ein Nutzer eine Transaktion initiiert, signiert er diese mit seinem privaten Schlüssel und erstellt so eine digitale Signatur.
Andere Nutzer im Netzwerk können die Authentizität der Transaktion überprüfen, indem sie den öffentlichen Schlüssel des Absenders auf die digitale Signatur anwenden. Dieser Ansatz gewährleistet sichere Transaktionen, da nur der rechtmäßige Inhaber des privaten Schlüssels eine Transaktion autorisieren kann, jeder jedoch die Signaturen mithilfe des öffentlichen Schlüssels überprüfen kann.
Was ist ein Konsensmechanismus?
Ein Konsensalgorithmus ist ein Mechanismus, der es Nutzern oder Computern ermöglicht, sich in einer verteilten Umgebung zu koordinieren. Es muss sichergestellt werden, dass sich alle Teilnehmer im System auf eine einzelne Wahrheit einigen können, auch wenn einige Teilnehmer ausfallen.
Durch einen Konsensmechanismus wird erreicht, dass alle Knoten im Netzwerk über dieselbe Kopie des Ledgers mit allen Transaktionen verfügen.
Wenn Zehntausende Knoten eine Kopie der Blockchain-Daten speichern, können schnell Probleme wie Dateninkonsistenzen und böswillige Knoten auftreten. Um die Integrität der Blockchain sicherzustellen, gibt es verschiedene Konsensmechanismen, die regeln, wie Netzwerkknoten eine Einigung erzielen. Schauen wir uns die wichtigsten Konsensmechanismen einmal genauer an.
Arten von Konsensmechanismen
Was ist Proof of Work?
Proof of Work (PoW) ist ein Konsensmechanismus, der in vielen Blockchain-Netzwerken verwendet wird, um Transaktionen zu verifizieren und die Integrität der Blockchain aufrechtzuerhalten. Es handelt sich um den ursprünglichen Konsensmechanismus, den Bitcoin verwendet.
Bei PoW konkurrieren Miner um die Lösung eines komplexen mathematischen Problems, um jeweils den nächsten Block zur Blockchain hinzufügen zu dürfen. Bei dem als Mining bekannten Prozess wird der erste Miner, der das Problem löst, mit Kryptowährungen belohnt.
Miner müssen leistungsstarke Computer einsetzen, um die komplexe Rechenaufgabe zu lösen, neue Coins zu erzeugen und das Netzwerk zu sichern. Der Mining-Prozess erfordert erhebliche Mengen an Ressourcen (Rechenleistung und Energie).
Was ist Proof of Stake?
Proof of Stake (PoS) ist ein Konsensmechanismus, der einige der Nachteile von Proof of Work (PoW) beheben soll. In einem PoS-System konkurrieren Miner nicht um die Lösung komplexer mathematischer Probleme, um Transaktionen zu validieren und neue Blöcke zur Blockchain hinzuzufügen, sondern Validatoren werden auf der Grundlage der Menge an Coins ausgewählt, die sie im Netzwerk „staken“.
Der Stake ist der Kryptowährungsbetrag, den ein Validator im Netzwerk gesperrt hat. Der Validator, der einen neuen Block erstellen und Transaktionen validieren darf, wird in der Regel nach dem Zufallsprinzip ausgewählt, wobei die Wahrscheinlichkeit ausgewählt zu werden umso größer ist, je größer der Stake ist. Validatoren werden mit Transaktionsgebühren für die Erstellung neuer Blöcke belohnt und als Anreiz dafür, im besten Interesse des Netzwerks zu handeln. Wer in böser Absicht handelt, riskiert den Verlust seiner gestakten Kryptowährungen.
Andere beliebte Konsensmechanismen
Proof of Work und Proof of Stake sind die gängigsten Konsensalgorithmen, aber es gibt noch weitere. Bei einigen handelt es sich um Mischformen, die Elemente aus beiden Systemen kombinieren, bei anderen um völlig andere Methoden.
Beispielsweise ähnelt der Delegated Proof of Stake (DPoS)-Ansatz dem PoS-Mechanismus, aber anstatt dass alle Validatoren berechtigt sind, neue Blöcke zu erstellen, wählen Tokeninhaber eine kleinere Gruppe von Delegierten, die dies in ihrem Namen tun.
Bei Proof of Authority (PoA) werden die Validatoren anhand ihrer Reputation oder ihrer Identität bestimmt und nicht anhand der Menge an Kryptowährung, die sie staken. Validatoren werden aufgrund ihrer Vertrauenswürdigkeit ausgewählt und können aus dem Netzwerk entfernt werden, wenn sie böswillig handeln.
Was sind die verschiedenen Arten von Blockchain-Netzwerken?
Öffentliche Blockchains
Eine öffentliche Blockchain ist ein dezentrales Netzwerk, das jedem offen steht, der teilnehmen möchte. Diese Netzwerke sind in der Regel quelloffen, transparent und genehmigungsfrei, weshalb jeder auf sie zugreifen und sie nutzen kann. Bitcoin und Ethereum sind Beispiele für öffentliche Blockchains.
Private Blockchains
Eine private Blockchain ist, wie der Name schon sagt, ein Blockchain-Netzwerk, das nicht für die Öffentlichkeit zugänglich ist. Private Blockchains werden in der Regel von einer einzelnen Stelle, beispielsweise einem Unternehmen, betrieben und für interne Zwecke und Anwendungsfälle verwendet.
Private Blockchains sind autorisierte Umgebungen mit festgelegten Regeln, die vorschreiben, wer die Blockchain sehen und in sie schreiben kann. Es handelt sich nicht um dezentrale Systeme, da es eine klare Kontrollhierarchie gibt. Sie können jedoch verteilt werden, indem viele Nodes eine Kopie der Blockchain auf ihren Rechnern verwalten.
Konsortium-Blockchains
Eine Konsortium-Blockchain ist eine Mischung aus öffentlicher und privater Blockchain. In einer Konsortium-Blockchain schließen sich mehrere Organisationen zusammen, um ein Blockchain-Netzwerk zu schaffen, das gemeinsam verwaltet und gesteuert wird. Diese Netzwerke können je nach den Bedürfnissen der Konsortiumsmitglieder entweder offen oder geschlossen sein.
Anstelle eines offenen Systems, in dem jeder Blöcke validieren kann, oder eines geschlossenen Systems, in dem nur eine einzige Stelle Blockersteller benennt, agieren in einer Konsortium-Blockchain eine Handvoll gleich mächtiger Parteien als Validatoren.
Die Regeln des Systems sind flexibel: Die Sichtbarkeit der Blockchain kann auf Validatoren beschränkt, für autorisierte Personen oder für alle sichtbar sein. Wenn die Validatoren einen Konsens erzielen, können Änderungen problemlos umgesetzt werden. Was die Funktionsweise der Blockchain betrifft, so wird das System keine Probleme bekommen, wenn eine bestimmte Mindestanzahl dieser Parteien sich ehrlich verhält.
Wofür wird die Blockchain verwendet?
Obwohl die Blockchain-Technologie noch in den Kinderschuhen steckt, gibt es bereits Anwendungsfälle in vielen verschiedenen Branchen. Zu den häufigsten aktuellen Anwendungen der Blockchain-Technologie gehören:
1. Kryptowährungen
Die Blockchain-Technologie wurde entwickelt, um die Schaffung von Kryptowährungen zu unterstützen, die Blockchain als sicheres und dezentrales Hauptbuch zur Aufzeichnung von Transaktionen nutzen.
Während bei herkömmlichen grenzüberschreitenden Transfers Intermediäre erforderlich sind und hohe Gebühren anfallen, ermöglicht die Blockchain schnellere, günstigere und transparentere internationale Transaktionen. Neben der Verwendung als Wertaufbewahrungsmittel nutzen viele Menschen Bitcoin und andere Kryptowährungen auch für internationale Transfers.
2. Smart Contracts
Smart Contracts sind selbstausführende Verträge, die sich so programmieren lassen, dass sie automatisch ausgeführt werden, wenn bestimmte Bedingungen erfüllt sind. Die Blockchain-Technologie ermöglicht die sichere und dezentrale Erstellung und Ausführung von Smart Contracts.
Zu den beliebtesten Anwendungsfeldern von Smart Contracts gehören dezentrale Anwendungen (dApps) und dezentrale autonome Organisationen (DAOs), die einen Großteil der DeFi-Protokolle ausmachen. DeFi-Plattformen nutzen die Blockchain, um Finanzdienstleistungen wie Kreditvergabe, Kreditaufnahme und Handel ohne traditionelle Finanzdienstleister anzubieten. Dadurch wird der Zugang zu Finanzinstrumenten demokratisiert.
3. Tokenisierung
Physische Vermögenswerte der realen Welt (RWA) wie Immobilien, Aktien oder Kunstgegenstände können tokenisiert werden, d. h. es werden digitale Tokens auf einer Blockchain erstellt, die die physischen Vermögenswerte repräsentieren. Die Tokenisierung kann zu liquideren Märkten und einem besseren Zugang zu Anlagemöglichkeiten beitragen.
4. Digitale Identitäten
Mithilfe der Blockchain können geschützte und manipulationssichere digitale Identitäten erstellt werden, mit denen personenbezogene und andere sensible Daten überprüft werden können. Dies könnte immer wichtiger werden, da immer mehr unserer personenbezogenen Daten und Vermögenswerte online übertragen werden.
5. Abstimmungssysteme
Durch die Bereitstellung eines dezentralen, manipulationssicheren Protokolls aller abgegebenen Stimmen kann mithilfe der Blockchain-Technologie ein sicheres und transparentes Abstimmungssystem geschaffen werden, das die Möglichkeit von Abstimmungsbetrug ausschließt und die Integrität des Abstimmungsprozesses gewährleistet.
6. Lieferkettenmanagement
Mithilfe der Blockchain-Technologie kann ein Ledger aller Transaktionen innerhalb einer Lieferkette erstellt werden. Jede Transaktion kann als Block in der Blockchain erfasst werden, sodass eine unveränderliche und transparente Aufzeichnung des gesamten Lieferkettenprozesses entsteht.
Fazit
Die Blockchain-Technologie bietet eine sichere und transparente Möglichkeit, Transaktionen aufzuzeichnen und Daten zu speichern. Es handelt sich um eine Technologie, die Branchen revolutioniert, indem sie ein neues Maß an Vertrauen und Sicherheit in die digitale Welt bringt.
Ob es um die Ermöglichung von Peer-to-Peer-Transaktionen, die Schaffung neuer Formen von Kryptowerten oder die Erleichterung dezentraler Anwendungen geht – die Blockchain-Technologie eröffnet eine Welt voller Möglichkeiten. Da sich die Technologie weiterentwickelt und eine breitere Akzeptanz findet, können wir davon ausgehen, dass in den kommenden Jahren weitere innovative und transformative Anwendungsfälle entstehen werden.
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