Wie funktioniert Bitcoin – Teil 2:

Um das Funktionsprinzip von Kryptowährungen zu verstehen, ist es notwendig, die dahinter liegende Technologie genauer zu analysieren. In diesem Artikel wollen wir die Bitcoin Blockchain genauer beleuchten.

Die sequenzielle Verkettung der Bitcoin Blockchain 

Werden Bitcoin-Transaktionen in einem Block zusammengefasst, dann gelten diese als bestätigt. Transaktionen, die noch nicht in einem vollständigen Block zusammengefasst wurden, gelten als unbestätigt. Jede Node kann Transaktionen in einem Block zusammenfassen und diesen an andere Nodes senden. Dies ist als ein Vorschlag zu betrachten, welcher Block der nächste richtige Block in der Verkettung ist. Wie kann aber das Nodes-Netzwerk erkennen, welcher der richtige nächste Block ist?

Um an die Blockchain angekoppelt zu werden, muss der Block die Antwort auf eine komplexes mathematisches Problem beinhalten. Dieses mathematische Puzzle wird über eine kryptographische Hash-Funktion aufgestellt. Der einzige Weg das mathematische Problem zu lösen ist, indem man über zufälliges Raten versucht die Zahl zu finden, die zusammen mit dem Inhalt des vorherigen Blocks und eingegeben in die Hash-Funktion zum Ergebnis eine Zahl hat, die in einem bestimmten Zahlenbereich liegt. Es kann für einen normalen Computer sehr lange dauern, diese Zahl zu finden. Da im Falle von Bitcoin jedoch viele Computer an das Netzwerk angeschlossen sind, kann die Lösung des mathematischen Puzzles im Durchnitt alle 10 Minuten gefunden werden. Diejenige Node, die das Problem als erste gelöst hat, hat auch das Recht, den nächsten Block an die Kette anzuhängen.

Was wenn zwei Nodes gleichzeitig eine Lösung finden und dementsprechend gleichzeitig den nächsten fertigen Block an andere Nodes senden? In diesem Fall wird jede Node des Netzwerks auf dem Block weiter aufbauen, den sie zuerst erhalten hat. In einem Blockchain-System ist jede Node dazu angehalten, auf der längsten Kette aufzubauen. Sollte es also Unklarheit darüber geben, welcher der nächste Block ist, wird sobald der nächste Block gelöst wurde, jede Node die längere Kette erkennen und als die einzige Option übernehmen.

Unklarheit über das Ende der Blockchain

Da das Problem sehr selten auftreten wird, das Blocks gleichzeitig gelöst werden, ist es so gut wie ausgeschlossen, dass nacheinander wieder und wieder Blocks gleichzeitig gelöst werden und so parallele Ketten verursachen. So wird sich die Blockchain immer wieder schnell stabilisieren und sich die Nodes auf eine Kette einigen.

Die Unstimmigkeit darüber, welcher Block das Ende der Blockchain repräsentiert, eröffnet wiederum das Potential für Betrug. Wenn eine Transaktion übermittelt, in einem Block aufgenommen und an den kürzeren Teil der Kette angehängt wurde, und der nächste Block ist gelöst, dann werden die Transaktionen der verendeten Kette zu unbestätigten Transaktionen, indem sie rückwirkend als unbestätigt deklariert werden.

Wie kann ein Betrüger daraus Kapital schlagen und eine so genannte Double-Spending-Attacke starten? Angenommen Sandra sendet Bitcoins an Bernd und dieser verschifft sofort nach Eingang in seinem Wallet die Ware an Sandra. Gleichzeitig führt Sandra aber eine zweite Transaktion durch, die auf den gleichen Inputs basiert, und plaziert sendet diese an eine anddere Node im Netzwerk. Die Empfänger-Wallet der betrügerischen Transaktion gehört natürlich ihr. Da Nodes immer die längste Kette adaptieren und die in ihr beinhalteten Transaktionen als bestätigt betrachten, könnte es sein, dass Sandra die nächsten entscheidenden Blocks löst, die die längere Kette bestimmen. Sandra könnte so erreichen, dass die Transaktion an Bernd als unbestätigt deklariert und somit rückabgewickelt wird. In diesem Fall stände Bernd ohne Bitcoins und Ware da.

Double-Spending-Attacke

Wie verhindert das System diese Art des Betrugs? Jeder Block beinhaltet eine Referenz auf den vorherigen Block und diese Referenz ist Teil des mathematischen Puzzles, das gelöst werden muss, um den nächsten Block vorschlagen und anhängen zu dürfen. Damit wird es sehr schwierig eine Serie von Blocks an die Kette anzuhängen, da das mathematische Puzzle eine große Anzahl an Lösungsversuchen benötigt. Sandra stände in Konkurrenz zum gesamten Netzwerk bei der Lösung des mathematischen Problems, um den nächsten Block anzuhängen.

Selbst wenn sie direkt nach der ersten Transaktion den nächsten Block lösen könnte, dann wäre es jedoch sehr unwahrscheinlich, dass sie den 2,3 oder mehr Blocks lösen kann. Könnte Sandra aber nicht einen „Super-Computer“ benutzen, der es mit dem gesamten Netzwerk aufnehmen kann? Die Antwort lautet ja, wenn das Netzwerk klein ist und nicht viele Nodes existieren. Umso größer das Netzwerk, desto unwahrscheinlicher wird es, dass selbst mit sehr hohen Computer-Kapazitäten mehrer Blöcke in Folge gelöst werden können. Im Falle von Bitcoins wird momentan eine Double-Spending-Attacke als nicht möglich angesehen, da das Netzwerk sehr groß geworden ist.

Um Erfolg zu haben, müsste Sandra mit 50 Prozent der Computing Power des Bitcoin-Netzwerks aufwarten, um eine 50-Prozent-Chance zu haben, dass sie den nächsten Block vor anderen Nodes löst. Spinnt man das Rad weiter, dann hat sie eine 25-Prozent-Chance, wenn sie zwei Blöcke infolge lösen möchte. Umso mehr Blocks Sandra lösen möchte, desto geringer wird die Wahrscheinlichkeit, dass sie dies erreichen wird. Deshalb werden Transaktionen mit der Zeit sicher. Das heißt also, dass Blocks, die weiter zurück in der Blockchain gelöst wurden, sicherer sind, als der jüngste Block in der Blockchain. Da etwa jede 10 Minuten ein Block bei Bitcoin gelöst wird, gilt die Regel, dass man etwa eine Stunde oder 5 bis 6 Blocks warten sollte, bis man mit hoher Wahrscheinlichkeit sagen kann, dass Transaktionen irreversibel sind.

Blockchain Transaktionssicherheit

Die Nodes sorgen für die Sicherheit des Netzwerks, indem sie ihre Computer-Kapazitäten zur Lösung des mathematischen Puzzles zur Verfügung stellen. Dafür bekommen sie im Gegenzug eine Belohnung. Für jeden gelösten Block in der Blockchain wird eine Belohnung ausgeschüttet. Die Belohnungen werden mit der Zeit angepasst und sinken solange, bis 2140 keine mehr ausgeschüttet werden. Momentan bekommen die Nodes, die einen Block lösen, eine Belohnung von 12,5 Bitcoins. Diese Aktivität der Nodes wird Mining (Abbau, Bergbau, Förderung) genannt.

Man kann sich leicht vorstellen, dass die Anreize bei einem Bitcoin Kurs von aktuell 4000 US-Dollar vorhanden sind, damit private Personen und Institutionen dieses als Geschäft betreiben und so die ausreichende Computing Power für ein sicheres Netzwerk bereitstellen. Da es sehr lange für einen typischen Computer dauert, im Durchschnitt ungefähr ein Jahr, bis ein Block gelöst werden kann, vereinen sich viele Nodes in einer Gruppe und teilen die erwirtschafteten Bitcoin unter sich auf. Diese Gruppen werden Mining Pools genannt. Manche dieser Pools sind sehr groß geworden und repräsentieren 20 Prozent der gesamten Computing Power im Bitcoin-Netzwerk.

Da wir davon ausgehen können, dass der Fortschritt für immer schnellere Computer sorgt und die Anzahl an Nodes im Bitcoin-Netzwerk in Zukunft steigt, ist im Blockchain-System implementiert, dass der Schwierigkeitsgrad des mathematischen Puzzles immer weiter angehoben wird, um auf der Zeitschiene von 10 Minuten einen Block an die Blockchain anzuhängen bzw. zu lösen. Da die Blockbelohnung alle vier Jahre halbiert wird und der Schwierigkeitsgrad steigt, wurde als Anreiz für die Miner eine Transaktionsgebühr implementiert. Die Benutzer von Bitcoin können an ihre Transaktion eine Transaktionsgebühr heften, um die Anreize für das Minen hoch zu halten und somit die Netzwerksicherheit zu gewährleisten.

Hier gilt die Regel, umso höher die vom Benutzer gewählte Transaktionsgebühr, desto schneller eine bestätigte Transaktion. Durch die Höhe der Gebühr wird bei den Nodes die Prioritätenrangfolge bestimmt. Die Transaktionsnachrichten mit hohen Gebührenzuschlag werden aus ökonomischen Gründen bevorzugt in die Blocks aufgenommen. Der Benutzer kann bei jeder seiner Transaktionen entscheiden, ob er günstig oder schnell Bitcoins transferieren möchte. Insgesamt sind die Transaktionsgebühren auf einem sehr niedrigen Niveau, wenn man sie mit denen der Geschäftsbanken vergleicht.

Zusammenfassung der Blockchain-Technologie

Vorteile

– Jeder Benutzer hat die volle Kontrolle über seine Werte und hat keine Limitierung durch eine dritte Partei zu befürchten

– Das Kosten-Leistungsverhältnis ist sehr gut, da man für sehr niedrige Transaktionsgebühren Bitcoins in jede Ecke der Welt versenden kann. So werden auch Micopayments möglich

– Werte können in wenigen Minuten transferiert und verrechnet werden

– durch das offene Ledger-System ist ein hoher Grad an Transparenz gewährleistet

– die Blockchain Technologie kann relativ einfach auf andere wirtschaftliche und gesellschaftliche Bereiche übertragen werden, in denen Informationen oder Werte transferiert werden

Nachteile

– Transaktionen können anonym getätigt werden, dass erhöht zwar die Privatsphäre, öffnet Kriminellen jedoch Tor und Tür, da Identitäten nicht zurückverfolgt werden können

– Immernoch gibt es keine großen Auswahl an Shops und Anbietern von Waren und Dienstleistungen, die Bitcoins akzeptieren

– der Kurs des Bitcoins zum US-Dollar oder Euro ist sehr schwankungsfreudig bzw. volatil, dass macht Kalkulationen und Geschäfte auf Basis von Bitcoins schwierig

– Die Blockchain-Technologie entwickelt sich sehr schnell weiter und die Entwicklungen bleiben relativ unvorhersagbar, z.B. in Puncto Regulierung durch staatliche Behörden

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