Wie funktioniert Bitcoin – Teil 1:

Um das Funktionsprinzip von Kryptowährungen zu verstehen, ist es notwendig, die dahinter liegende Technologie genauer zu analysieren. Die Blockchain-Technologie basiert primär auf zwei kryptografischen Elementen: Hash-Funktionen und digitalen Signaturen. Erstere strukturieren die Transaktionen und Letztere ermöglichen den vertrauenswürdigen Austausch von Informationen zwischen den Handelsparteien. Bitcoin (BTC) ist die weltweit erste und heute mit Abstand am weitesten verbreitete Kryptowährung und wurde Anfang 2009 von einem Entwickler oder Entwicklerteam unter dem Pseudonym Satoshi Nakamoto eingeführt. Im Gegensatz zu konventionellen Währungen, wie Euro oder US-Dollar, wird Bitcoin nicht von einer Zentralbank verwaltet, sondern von einem dezentralem Netzwerk, an dem sich jeder beteiligen kann, der die frei verfügbare Bitcoin Software installiert hat.

Es können maximal 21 Millionen Bitcoins erzeugt werden, was der Währung einen deflationären Charakter verleiht. Bitcoins selbst werden durch Mining erschaffen, wobei ausstehende Transaktionen in Blöcken zusammengefasst und von rechenintensiven Algorithmen auf ihre Richtigkeit überprüft werden. Für das Bereitstellen der Rechenleistung erhält der Miner, der als erstes einen neuen Block erfolgreich verifiziert hat, einen Block Reward in Höhe von derzeit 12,5 BTC. Der Block Reward von anfänglich 50 BTC wird alle vier Jahre halbiert, bis im Jahr 2140 alle Bitcoins erschaffen wurden. Die Algorithmen sind so ausgelegt, dass das Netzwerk pro Block etwa zehn Minuten Rechenzeit benötigt. Ein erfolgreich berechneter Block wird dann an die bestehende Kette von Blöcken anhängt, wodurch die Technologie zu ihrem Namen Blockchain gekommen ist.

Auch wenn es sich bei Bitcoin um eine Kryptowährung handelt, darf Kryptografie nicht mit Verschlüsselung verwechselt werden. Es werden keine Daten verschlüsselt. Verschlüsselung ist lediglich eine mögliche Anwendung von Kryptografie. Die Blockchain-Technologie greift intensiv auf kryptografische Verfahren zurück, die im Folgenden genauer vorgestellt werden. Bitcoins sind rein virtuell und können bis auf die achte Nachkommastelle genau angegeben werden Der kleinstmögliche Wert sind 0,00000001 BTC, was auch 1 Satoshi genannt wird.

Was ist Bitcoin

Genauso wie ein US-Dollar oder andere Fiatwährungen besitzt der Bitcoin keinen intrinsischen Wert. Der Wert beruht einzig und allein auf dem Wert, den die Anwender ihm zuteilen. Dieser zugeteilte Wert lässt sich in Gütern, Dienstleistungen oder in Fiatgeld, wie etwa US-Dollar, Yen oder Euro, ausdrücken. Eine wichtige Eigenschaft des Bitcoins ist, dass er auf der Blockchain-Technologie basiert. Der Oberbegriff zu Blockchain ist Distributed-Ledger-Technologie (DLT). Diese Technologie implementiert einen Ledger, also eine Art Hauptkassenbuch, dass alle Teilnehmer und deren Transaktionen auflistet. Der Ledger ist also eine digitale Datei, die alle Transaktionen aufnimmt und speichert.

Der Bitcoin Ledger

Der Ledger wird nicht zentral gespeichert, so wie es zum Beispiel bei Banken üblich ist, die ihre Daten in einem eigens dafür angelegten und geschützten Datenzentrum ablegen. Bei Bitcoin wird der Ledger auf ein weltweites Netzwerk von privaten Computern verteilt, die zum einen die Daten speichern und zum anderen die Ausführung der Transaktionen übernehmen. Jeder dieser Netzwerkknoten wird Node (Knoten, Knotenpunkt, Verzweigungspunkt) genannt und beinhaltet eine Kopie des gesamten Ledgers.

Wenn Bernd an Sandra 5 Bitcoins überweisen möchte, dann sendet er eine Nachricht an das Netzwerk, dass von seinem Konto 5 Bitcoins an Sandras Konto transferiert werden sollen. Jede Node im Netzwerk wird diese Nachricht empfangen und den gespeicherten Ledger dementsprechend aktualisieren.

Transaktionsnachricht

Der Fakt, dass beim Bitcoin der Ledger über ein Netzwerk verteilt ist, anstatt zentral angelegt, bringt einige Implikationen mit sich:

– Jeder kann meine Bitcoin-Transaktionen und meinen Kontostand einsehen.

– Während wir unserer Bank vertrauen und bei einem Fehler auf Hilfe hoffen können, ist es bei Bitcoin so, dass wenn ein Fehler passiert und ans Netzwerk gesendet wurde, dieser irreversibel ist, also nicht mehr rückabgewickelt werden kann.

– Die Distributed-Ledger-Technologie ist so konzipiert, dass die Teilnehmer kein Vertrauen benötigen, da die Sicherheit des Netzwerks durch spezielle kryptographische Funktionen gewährleistet wird.

Eine mögliche Definition der Blockchain könnte demnach lauten, dass sie eine Software ist, die eine Gruppe von Computern verbindet, um ein sicheres Transaktionsbuch anzulegen und zu verwalten. Um die Bitcoin Blockchain für Transaktionen nutzen zu können, benötigt der Anwender in erster Linie ein Computer-Programm, dass Wallet (elektronische Brieftasche) genannt wird. Dieses Programm benötigen Bitcoin-Nutzer, um digitale Währungen speichern und tauschen zu können. Hierfür wird ein Paar von speziellen Schlüsseln verwendet, welche im Folgenden Key (Schlüssel) genannt werden, nämlich einen privaten Schlüssel bzw. Private Key und einen öffentlichen Schlüssel bzw. Public Key. Der Ausgangspunkt ist der Private Key, der von der Wallet-Software aus einer extrem großen Zahlenmenge zufällig ausgewählt wird. Der Private Key ist mit dem Passwort zu ihrem Online-Bankkonto und den dazugehörigen Transaktions-Pins vergleichbar ist.

Ohne an dieser Stelle zu mathematisch zu werden soll ein Vergleich herangezogen werden, um die Größe des Zahlenraums, aus dem der Private Key geschöpft wird, zu verdeutlichen. Man schätzt, dass die Zahlenmenge, aus der der Private Key ausgewählt wird, in etwa so groß ist, wie das sichtbare Universum Atome hat. Mittels des Private Keys wird über eine mathematische Funktion der Public Key errechnet. Dieses mathematische Verfahren ist mit einer „Einbahnstraße“ vergleichbar, das nur in eine Richtung zu lösen ist. Kennt man also den Private Key, ist es relativ einfach den Public Key herauszubekommen. Umgekehrt ist es jedoch so gut wie unmöglich. Mit dem Public Key wird mittels eines kryptographischen Verfahrens, nämlich einer Hash-Funktion, die Bitcoin-Adresse erstellt, welche mit der Kontonummer eines Bankkontos vergleichbar ist und als eindeutige Zieladresse für Bitcoin-Transaktionen benutzt wird. Die Hash-Funktion ist ebenfalls mit einer mathematischen Einbahnstraße vergleichbar, die nur in eine Richtung gelöst werden kann. Deshalb kann die Bitcoin-Adresse mit der Außenwelt geteilt werden.

In der Regel werden Private und Public Key von der Wallet-Software automatisch generiert, so dass der Benutzer nur seine Bitcoin-Adresse zu sehen bekommt. Das ist dann ein langer String aus Zahlen und Buchstaben, der in einer Wallet auch als QR-Code dargestellt werden kann, um die Verwendung zu erleichtern. Die beiden Schlüssel werden in diesem Fall von dem Wallet-Programm in einer Datei auf dem Computer abgelegt. Es ist jedoch wichtig zu verstehen, dass der Private Key von einem Bitcoin-Benutzer auch eigenständig generiert werden kann. Somit haben Anwender die Möglichkeit den Private Key „offline“ zu erstellen, um maximale Sicherheit zu erreichen.

Wichtig: Der Private Key sollte unbedingt vor unbefugtem Zugriff geschützt sein.

Angenommen Sandra möchte eine Transaktion durchführen und 1 BTC an Bernd senden. Dafür benötigt Sandra die Bitcoin-Adresse von Bernd. Der Einfachheit halber scannt Sandra den QR-Code, der Bernds Bitcoin-Adresse repräsentiert, mit ihrer Smartphone-Kamera ein und drückt auf senden. Damit sendet Sandra eine Nachricht an das Bitcoin-Netzwerk in der Form Sandra sendet an Bernd die Transaktionsmenge von 1  BTC. Die Nachricht unterschreibt sie mit ihrer digitalen Signatur, so dass jeder verifizieren kann, dass die Transaktionsanweisung von ihr stammt und nicht manipuliert wurde. Auch kann Sandra nach dem Signieren der Nachricht nicht mehr abstreiten, dass sie die Verfasserin ist. Digitale Signaturen haben den großen Vorteil, dass Transaktionen eindeutig zugeordnet und somit verifiziert werden können, ohne das kritische Daten preisgegeben werden.

Verifizierung

 Bevor die Transaktion ausgeführt wird, muss das Netzwerk folgende Aspekte überprüfen:

• Ist Sandra der Sender der Transaktion?
• Hat Sandra ausreichend Bitcoins, um die Transaktion ausführen zu können?

Die digitale Signatur garantiert, dass nur der Besitzer des dazugehörigen Private Keys die Nachricht unterschrieben haben kann.

Eine Transaktion aus einem Wallet wird mittels des Private Key automatisch digital signiert, gleichzusetzen mit einer Unterschrift unter ein Dokument, die von den Blockchain-Netzwerkrechnern dazu verwendet wird, die Quelle und die Authentizität der Transaktion zu prüfen. Die digitale Signatur ist ein Zeichenkette bzw. ein verschlüsseltes Ergebnis aus der Aneinanderreihung der Transaktionsnachricht und dem Private Key. Demzufolge ist die digitale Signatur einzigartig und kann nicht mehr für andere Transaktionen benutzt werden. Sollte auch nur ein einziger Buchstabe oder eine einzige Zahl in der Transaktionsnachricht verändert werden, dann wird die digitale Signatur eine komplett andere sein. Damit kann ein bösartiger Angreifer, der die Transaktion manipulieren will, indem er zum Beispiel die überwiesene Bitcoin-Anzahl erhöht, ausgeschlossen werden.

Aus dem Public Key eines Wallets resultiert im Bitcoin-Netzwerk die Empfängeradresse, an die Bitcoins gesendet werden können. So wie die IBAN in vorherrschenden Bankensystem wird der Public Key dafür herangezogen, um Bitcoins an jemanden zu senden. Jede Node beinhaltet eine Kopie des gesamten Bitcoin Ledgers. Woher weiß eine Node, wie hoch genau mein Kontostand ist? Das Blockchain-System hält keine Kontostände nach, sondern es nimmt jede Transaktion auf, die abgesendet wird. Um den Kontostand herauszubekommen, wird jede Transaktion, die in Verbindung mit deinem Wallet gebracht werden kann, nachgehalten.

Blockchain Ledger

Diese ständige Analyse und Verifikation kann nur aufgrund der Verlinkung zu vorherigen Transaktionen bewerkstelligt werden. Wenn Sandra an Bernd 1 Bitcoin senden will, dann muss Sandra eine Transaktionsnachricht generieren, die sich auf vorherige Transaktionen beziehen, die aufsummiert entweder gleich oder größer 1 Bitcoin sind. Diese Verlinkung zu vorherigen Transaktionen auf Sandras Konto nennt man Inputs, denn schließlich braucht Sandra in Summe mindestens 1 Bitcoin an Transaktionen, die ihrem Wallet zugeschrieben wurden und die sie bis dato nicht weiter verwendet hat. Die Nodes im Netzwerk werden prüfen, ob die Inputs aus vorherigen Transaktionen gleich oder größer 1 Bitcoin waren und ob diese nicht vorher ausgegeben wurden. In der Tat werden die Inputs, die für eine Transaktion herangezogen werden, für die Zukunft als unbrauchbar bzw. ungültig deklariert (Outputs). Das alles wird automatisch in Sandras Wallet bzw. von der Software erledigt und nochmals von den Netzwerk-Nodes überprüft. Sandra sieht in ihrem Wallet nur eine einfache Transaktion von 1 Bitcoin an den Public Key von Bernd.

Blockchain Transaktionsstruktur

Wie kann also das System die Inputs als vertrauenswürdig und zuverlässig erkennen? Indem es alle vorherigen Inputs von Wallets prüft, die mit deinem Wallet verbunden sind. Um den Verifikationsprozess zu vereinfachen und zu beschleunigen, wird von dem Nodes eine speziell dafür eingerichtete Aufzeichnung benutzt, die alle nicht verwendeten Transaktionen enthält. Dank dieser Sicherheitsprüfung können erhaltene Bitcoins nicht doppelt ausgegeben werden.

Wenn man Bitcoins besitzt, bedeutet dies, dass im Ledger verzeichnete Transaktionen zu deinem Wallet führen und diese bislang nicht für weitere Transaktionen benutzt worden sind. Eine Bitcoin-Transaktion besteht aus Inputs, die zu Outputs werden. Man kann sich Inputs wie Münzen vorstellen: erst liegen sie in meiner Brieftasche, bis man die Münzen verwendet. Man kann sie nur als Ganzes versenden, was zuviel ist, geht automatisch als Wechselgeld zurück in die eigene Wallet. Stellen Sie sich vor, in Ihrer Wallet ist folgendes Wechselgeld vorhanden: 10 mal 0,1 Bitcoin, 2 mal 0,5 Bitcoin und 1 mal 0,8 Bitcoin. Wenn Sie nun 1 Bitcoin senden wollen – wie setzen Sie die Transaktion zusammen? Sie haben unter anderem folgende Möglichkeiten:

• 10 x 0,1
• 5 x 0,1 + 1 x 0,5
• 2 x 0,5
• 1 x 0,8 + 2 x 0,1

Je nachdem welche Wallet Software Sie benutzen, wird der Betrag, den Sie versenden wollen, anders zusammengefügt. In der Regel versuchen die Wallets den Geflogenheiten beim Bargeldkauf nahe zu kommen, d.h. wenn wir an der Supermarktkasse unsere Waren bezahlen, dann werden wir meistens einen Mix aus Scheinen und Kleingeld wählen. Dieses Muster versuchen auch Wallets beizubehalten.

Wie sicher ist die Bitcoin Blockchain nun aber wirklich?

Jede Person mit einer Internetverbindung kann relativ leicht einen anonymen Zugang zum Bitcoin-Netzwerk erhalten und Bitcoin senden und erhalten. Da ein Bitcoin-Anwender nur seine Bitcoin Adresse preisgeben muss, stellt sich die Frage, wie anonym das Netzwerk wirklich ist? Wenn alle Transaktionen in und aus einem Wallet im Ledger aufgenommen werden und für jeden einsehbar sind, dann ist die Transaktionshistorie für jedes Wallet sehr leicht nachzuvollziehen. Somit kann nicht von einem vollkommen anonymen Netzwerk, zumindest im Falle von Bitcoin, gesprochen werden. In der Kryptoszene spricht man auch von Pseudonym im Zusammenhang mit Bitcoin. Andere Kryptowährungen haben diesem Fakt echte Anonymität entgegengestellt, wie zum Bespiel der Monero und Zcash.

Hier gehts weiter zu: Wie funktioniert Bitcoin – Teil 2

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