Wie funktioniert eine Blockchain?

Eine Blockchain ist ein Ledger von Transaktionen, das Tausende von Computern synchron halten, ohne einander zu vertrauen. Dafür nutzen sie zwei Werkzeuge: kryptografische Hashes, die jede Änderung an der Historie sofort erkennbar machen, und einen Konsensprozess, der entscheidet, wessen Version neuer Transaktionen alle akzeptieren. Das Ergebnis ist eine Datenbank, die niemandem gehört, die aber jeder überprüfen kann – und die niemand unbemerkt umschreiben kann.

Dieser Leitfaden erklärt die Funktionsweise ohne Mathematik. Sie brauchen nur drei Ideen: Hashes, Blöcke und Konsens.

Hashes: Fingerabdrücke, die Manipulation sichtbar machen

Eine Hash-Funktion nimmt eine beliebige Eingabe – ein Wort, eine Datei, ein ganzes Ledger – und erzeugt daraus einen kurzen Fingerabdruck fester Länge. Die Hash-Funktion von Bitcoin, SHA-256, gibt immer 64 hexadezimale Zeichen aus, egal, womit Sie sie füttern.

Zwei Eigenschaften machen Hashes zum Fundament von allem Weiteren:

1. Dieselbe Eingabe ergibt immer denselben Fingerabdruck. Jeder kann ihn neu berechnen und prüfen.
2. Jede Änderung der Eingabe – selbst ein einziges Zeichen – erzeugt einen völlig anderen, unvorhersehbaren Fingerabdruck. Wenn Sie „Alice zahlt Bob 5“ und „Alice zahlt Bob 6“ hashen, erhalten Sie zwei Ergebnisse ohne erkennbaren Zusammenhang.

Entscheidend ist: Vom Fingerabdruck lässt sich nicht auf die Eingabe zurückrechnen, und es lässt sich auch keine Eingabe konstruieren, die einen vorab gewählten Fingerabdruck ergibt. Ein Hash ist eine Festlegung: Veröffentlichen Sie den Fingerabdruck, und Sie sind an genau diese Daten gebunden.

Wenn eine Bank jeden Tag den Hash ihres Ledgers veröffentlichte, könnten Kunden Änderungen erkennen – müssten der Bank aber trotzdem glauben, welches Ledger das echte ist. Blockchains schließen diese Lücke mit den nächsten beiden Ideen.

Blöcke: Transaktionen bündeln und miteinander verketten

Transaktionen im Netzwerk werden nicht einzeln erfasst. Sie werden zu Blöcken gesammelt – Bündeln von typischerweise einigen Hundert bis einigen Tausend Transaktionen –, die in Abständen an das Ledger angehängt werden (bei Bitcoin etwa alle 10 Minuten, bei Ethereum etwa alle 12 Sekunden).

Jeder Block enthält drei Dinge, auf die es hier ankommt:

• Das Bündel von Transaktionen.
• Einen Zeitstempel und einige Verwaltungsdaten.
• Den Hash des vorherigen Blocks.

Dieser letzte Punkt ist die „Kette“ in Blockchain. Block 900.001 enthält den Fingerabdruck von Block 900.000, der den Fingerabdruck von Block 899.999 enthält, und so weiter bis zum allerersten Block im Jahr 2009. Die Historie ist kein Haufen unabhängiger Einträge, sondern eine einzige verknüpfte Abfolge, in der jeder Block für alles bürgt, was vor ihm liegt.

Warum Änderungen an der Historie dadurch auffallen

Angenommen, ein Angreifer will eine Transaktion in einem Block vom letzten Monat verändern. Schon die Änderung eines einzigen Zeichens ändert den Hash dieses Blocks. Doch der nächste Block hat den alten Hash festgehalten – er passt also nicht mehr und müsste ebenfalls neu geschrieben werden, wodurch sich sein Hash ändert, was den darauffolgenden Block bricht. Eine einzige Änderung erzwingt das Neuschreiben jedes nachfolgenden Blocks, und zwar öffentlich, während das ehrliche Netzwerk die echte Kette weiter verlängert.

Eine Blockchain macht Manipulation nicht unmöglich; sie macht Manipulation nicht verbergbar und enorm teuer. Diese Unterscheidung ist die ehrliche Art, ihre Sicherheit zu beschreiben.

Konsens: sich ohne Schiedsrichter einigen

Hashing schützt die bestehende Historie. Das schwierigere Problem ist die Gegenwart: Tausende Computer, kein Vorgesetzter, und alle müssen sich darauf einigen, welcher neue Block als Nächstes kommt. Sonst könnte jemand denselben Coin zweimal ausgeben, indem er verschiedenen Teilen des Netzwerks unterschiedliche Geschichten erzählt – das „Double-Spend“-Problem, an dem die Entwickler digitalen Geldes jahrzehntelang scheiterten.

Blockchains lösen es, indem sie das Recht, einen Block anzuhängen, kostspielig machen, sodass ein Angreifer das Netzwerk nicht billig mit einer falschen Version der Ereignisse fluten kann. Die beiden vorherrschenden Konzepte unterscheiden sich darin, worin die Kosten bestehen.

Proof of Work: Kosten = Strom

Bei Bitcoin konkurrieren Computer, sogenannte Miner, darum, jeden Block anzuhängen. Sie suchen per Brute Force nach einem seltenen Hash – sie berechnen den Fingerabdruck des Blocks billionenfach mit winzigen Abwandlungen neu, bis einer unter einem Zielwert liegt. Ihn zu finden erfordert enorme Rechenleistung; zu prüfen, dass jemand anderes ihn gefunden hat, dauert eine Millisekunde. Der Gewinner verbreitet den Block und erhält neu ausgegebene Coins plus Gebühren.

Die Regel, an die sich alle halten: Die gültige Kette mit der größten gesamten Arbeit gewinnt. Um die letzte Woche umzuschreiben, müsste ein Angreifer die Mining-Arbeit der letzten Woche wiederholen und alle ehrlichen Miner zusammen dauerhaft übertreffen – was bei Bitcoin bedeutet, eine globale Industrie zu überbieten, die echten Strom verbrennt. Noch nie hat jemand auf diese Weise nennenswerte Bitcoin-Historie umgeschrieben.

Proof of Stake: Kosten = riskantes Kapital

Bei Ethereum und den meisten neueren Chains hinterlegen Validatoren eine Einlage in der netzwerkeigenen Währung (32 ETH, um einen Ethereum-Validator zu betreiben). Das Protokoll wählt pseudozufällig aus, wer jeweils einen Block vorschlägt, und die übrigen bestätigen ihn. Wer sich falsch verhält – etwa zwei widersprüchliche Historien signiert –, dem vernichtet das Protokoll einen Teil der Einlage, eine Strafe namens Slashing.

Dieselbe Idee, eine andere Währung der Kosten: Eine Proof-of-Work-Chain anzugreifen verschwendet Strom; eine Proof-of-Stake-Chain anzugreifen verbrennt Ihr eigenes Geld. Proof of Stake verbraucht nur einen winzigen Bruchteil der Energie, weshalb Ethereum 2022 darauf umgestiegen ist – um den Preis eines komplizierteren Protokolls.

Eine Transaktion durch das System verfolgen

Setzen Sie die Teile zusammen, indem Sie eine Zahlung nachverfolgen:

1. Sie signieren. Ihre Wallet erstellt eine Nachricht – „sende 0,1 ETH von meiner Adresse an die von Maria“ – und signiert sie mit Ihrem privaten Schlüssel. Die Signatur beweist, dass der Eigentümer sie autorisiert hat, ohne den Schlüssel preiszugeben.
2. Sie senden sie ins Netzwerk. Die Transaktion geht an das Netzwerk und wartet in einem öffentlichen Wartezimmer (dem Mempool) zusammen mit Tausenden anderen.
3. Ein Block nimmt sie auf. Ein Miner oder Validator packt Ihre Transaktion in einen Kandidatenblock, erhält das Recht zur Veröffentlichung und verbreitet ihn.
4. Alle prüfen. Jeder Node prüft unabhängig jede Transaktion im Block – gültige Signatur? ausreichendes Guthaben? Regeln eingehalten? Ein ungültiger Block wird schlicht abgelehnt, egal, wer ihn erzeugt hat. Das ist die stille Superkraft: Die Prüfung ist günstig und universell, sodass Blockproduzenten keine Autorität haben, sondern nur vorübergehend an der Reihe sind.
5. Die Kette wächst darüber hinaus. Jeder weitere Block begräbt Ihren tiefer. Nach einer Handvoll Blöcken würde das Umschreiben der Historie, um Ihre Transaktion zu entfernen, erfordern, sie alle gegen das gesamte Netzwerk zu wiederholen – weshalb Händler bei größeren Zahlungen auf einige „Bestätigungen“ warten, bevor sie sie als abgewickelt betrachten.

An keiner Stelle hat eine einzelne Partei über die Wahrheit entschieden. Das Ledger ist das, was die Regeln, von allen angewendet, als solches festlegen.

Was Blockchains nicht leisten

Einsteigermaterial preist diese Technologie oft zu sehr an, deshalb zur Einordnung:

• „Unveränderlich“ hat ein Kleingedrucktes. Die tiefe Historie ist praktisch festgeschrieben, doch die letzten Minuten können sich leicht neu ordnen, während das Netzwerk zur Einigung kommt – daher die Bestätigungen.
• Garbage in, garbage out. Die Kette garantiert die Integrität des Ledgers, nicht die Ehrlichkeit dessen, was Menschen hineinschreiben. Eine Betrugstransaktion wird genauso gewissenhaft erfasst wie eine legitime.
• Die Kette kann Ihre Schlüssel nicht schützen. Fast alle Krypto-Verluste entstehen durch gestohlene oder verlorene Schlüssel und Social Engineering, nicht durch einen gebrochenen Konsens.
• Dezentralisierung ist ein Spektrum, kein Kästchen zum Abhaken. Eine Chain, die von Hunderttausenden unabhängigen Nodes validiert wird, und eine, die von einem Dutzend Serverbetreibern validiert wird, sind beide „Blockchains“. Die Sicherheitsgeschichte ist nur so gut, wie die Teilnehmer tatsächlich verteilt sind.