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Fachbegriffe einfach erklärt: Bitcoin, Blockchain und Smart Contracts

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01.06.2017

Fachbegriffe einfach erklärt: Bitcoin, Blockchain und Smart Contracts

Im November 2008 wurde unter dem Pseudonym “Satoshi Nakamoto” ein wegweisender Fachartikel der Informatik-Geschichte veröffentlicht: „Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System“ (vgl. [1]). In seinem Artikel publizierte Nakamoto – bis heute ist unklar, wer genau hinter dem Pseudonym steckt – auf neun übersichtlichen Seiten die konzeptionellen Grundlagen der Bitcoin-Währung. Das revolutionäre Versprechen: Jederzeit transparente, nicht fälschbare Transaktionen von virtuellen Geldeinheiten, Bitcoin genannt, in einem völlig dezentralen Peer-to-Peer-Netzwerk ohne jegliche Steuerung durch eine zentrale Instanz wie einen Staat oder eine Bank. Oder wie es Tyler Winklevoss, bekannter Internet-Investor, formuliert: „Wir haben uns entschieden unser Geld und unseren Glauben in ein mathematisches System anzulegen, welche frei von Politik und menschlichen Versagens ist.“ Seitdem wurde und wird die Blockchain-Technologie in immer mehr Bereichen zur Anwendung gebracht.

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Abbildung 1: Bitcoin-Preisentwicklung (Screenshot www.coinmarketcap.com).

Was sind Bitcoins?

Bitcoins sind, wie im Grunde alle Währungen heute, „Fiatgeld“ (Lateinisch: „fiat lux“; „es werde Licht“). Das heißt (vgl. [2]; Seite 79): Sie haben keinerlei Fundamentalwert oder angeknüpfte Zahlungsversprechen. Ihre Preisentwicklung basiert allein auf der kollektiven Erwartung der Nutzer, dass erworbene Bitcoins zukünftig auch wieder einen Abnehmer finden, also veräußert werden können. Sieht man sich die Preisentwicklung bzw. Marktkapitalisierung von Bitcoins in den letzten Monaten an (vgl. Abbildung 1), wird klar, dass besagte Erwartungshaltung durchaus belastbar ist. Der Preis eines Bitcoins schwankt zuletzt um 2000€. Die Marktkapitalisierung beträgt um die 35 Milliarden Euro.

Ein Bitcoin ist eine Münze. Nur eben nicht eine in einer Münzprägerei erzeugte Metallmünze, sondern eine durch komplexe mathematische Verfahren erzeugte digitale Münze. Die Anzahl an mathematisch erzeugbaren Münzen ist dabei - bedingt durch die zum Einsatz kommenden mathematischen Verfahren - auf 21 Millionen Stück begrenzt. Diese künstliche Verknappung, die es so auch bei anderen Währungen gibt, soll die Wertstabilität verbessern. Zu letzterem trägt auch bei, dass es zunehmend schwieriger wird neue digitale Münzen zu erzeugen. Pro Stunde werden derzeit 75 Bitcoins erzeugt. Die letzten der 21 Millionen Bitcoins werden frühestens in 2140 geschöpft.

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Abbildung 2: Das Bitcoin-System (angelehnt an [2], Seite 49).

Wie in jedem Währungssystem müssen auch im Bitcoin-System drei Bedingungen zwingend erfüllt sein, damit Transaktionen stattfinden können (vgl. [2]; Seite 40):

  1. TRANSAKTIONSFÄHIGKEIT: Bitcoins müssen problemlos zwischen einem Sender und einem Empfänger ausgetauscht bzw. überwiesen werden können.
  2. TRANSAKTIONSLEGITIMITÄT: Jeder Empfänger von Bitcoins muss sicher sein, dass empfangene digitale Münzen wirklich vom angegebenen Sender stammen.
  3. TRANSAKTIONSKONSENS: Sich widersprechende Überweisungen müssen zwingend vermieden werden. Das Problem: Ein Bitcoin als digitale Münze ist kopierbar und vervielfältigbar. Nicht möglich sein darf aber die doppelte Verwendung derselben Münze, z. B. im Rahmen zweier Käufe. Das heißt: Zu jedem Zeitpunkt muss eindeutig klar sein, welche Bitcoin-Überweisungen gültig sind bzw. wem genau jedes einzelne Bitcoin aktuell gerade gehört.

Die Technologie-Komponenten, über die alle drei Bedingungen erfüllt werden können, bilden das „Bitcoin-System“. Abbildung 2 zeigt den Aufbau dieses Systems.

TRANSAKTIONSFÄHIGKEIT – durch Peer-to-Peer-Kommunikation

Fundament des Bitcoin-Systems ist das dezentrale Peer-to-Peer-„Bitcoin-Netzwerk“. Peer-to-Peer bedeutet: Alle Teilnehmer des Netzwerks sind völlig gleichberechtigt. Es gibt keinerlei zentrale, koordinierende Instanz. Damit die Kommunikation innerhalb des Netzwerks zwischen den gleichberechtigten Teilnehmern nicht im völligen Chaos endet, definiert das „Bitcoin-Protokoll“ verbindliche Regeln, wie das Netzwerk zu benutzen ist.

Netzwerk und Protokoll zusammen erlauben dann Überweisungen von Bitcoins. Bei jeder Transaktion, ähnlich wie im Online-Banking, gibt es einen Sender und einen Empfänger. Diese nutzen wiederum digitale Geldbörsen (Englisch: “wallets”), um Überweisungen abzuwickeln. Jeder Netzwerkteilnehmer besitzt (mindestens) eine digitale Geldbörse.

TRANSAKTIONSLEGITIMITÄT – durch asymmetrische Kryptografie

Damit von der Rechtmäßigkeit einer Bitcoin-Transaktion ausgegangen werden kann, muss sichergestellt werden, dass jede Überweisung durch den tatsächlichen Eigentümer der digitalen Münzen initiiert wurde. Um diese Transaktionslegitimität sicherzustellen, werden Verfahren der asymmetrische Kryptographie eingesetzt.


Video: Einführung in die Verschlüsselung.

Ansatzpunkt sind die digitalen Geldbörsen. Jede digitale Geldbörse im Bitcoin-Netzwerks (und damit automatisch jeder Teilnehmer des Bitcoin-Netzwerks) besitzt zwei Schlüssel:

  • Einen privaten Schlüssel, den nur der Besitzer kennt. Dies ist ein geheimer Code, der benötigt wird, um die eigene digitale Geldbörse zu öffnen. Denke einfach an einen Zahlencode, der einen Safe öffnet.
  • Einen öffentlichen Schlüssel, der prinzipiell für jedes andere Mitglied des Bitcoin-Netzwerks sichtbar ist. Er entspricht am ehesten einer Empfangsadresse für Bitcoins bzw. einer Kontonummer.

Privater und öffentlicher Schlüssel werden immer gleichzeitig als Paar erzeugt (z. B. über www.bitaddress.org) und passen auch nur als Paar zusammen (vgl. Abbildung 3).

Abbildung 3: Beispiel eines mit bitaddress.org erzeugten Schlüsselpaares


Solange der private Schlüssel geheim ist, kann das Schlüsselpaar weder gefälscht noch erraten werden. Allein aus der Kenntnis des öffentlichen Schlüssels kann der private Schlüssel also nicht hergeleitet werden. Das bedeutet: Die Kombination aus privatem und öffentlichem Schlüssel authentifiziert digitale Geldbörsen im Bitcoin-Netzwerks eindeutig und ist somit einer digitalen und prüfbaren Unterschrift bzw. Signatur vergleichbar. Und genau das hilft jetzt die Legitimität von Bitcoin-Transaktionen sicherzustellen.


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Abbildung 4: Verschlüsselung und Entschlüsselung von Bitcoin-Überweisungen.

Der Ablauf (vgl. Abbildung 4): Jede Überweisung wird vom Sender digital unterschrieben, also mit dem privaten Schlüssel der eigenen digitalen Geldbörse verschlüsselt. Der Empfänger der Transaktion prüft dann die digitale Unterschrift. Dazu entschlüsselt der Empfänger die erhaltene Überweisung mit dem öffentlichen Schlüssel der digitalen Geldbörse des Senders. Klappt das, ist die Transaktionslegitimität gegeben.

TRANSAKTIONSKONSENS – durch die Blockchain

Bleibt schließlich noch die Verhinderung widersprüchlicher Transaktionen. Wie bereits erwähnt ist ein Bitcoin als digitale Münze - wie letztlich jedes digitales Gut - kopierbar und vervielfältigbar. Deswegen muss sichergestellt sein, dass zu jeder digitalen Münze immer ein Konsens dazu existiert, wem diese aktuell gehört. Dazu müssen alle jemals durchgeführten Transaktionen von jedem einzelnen Bitcoin lückenlos dokumentiert werden - vom Moment der Erzeugung bis hin zum aktuellen Besitzstand. Das Instrument dazu ist die „Bitcoin-Blockchain“, eine Datenbank, in der alle Transaktionen aller Bitcoins lückenlos gespeichert werden und die daher zu jedem Zeitpunkt den aktuell gültigen Besitzstand aller digitalen Bitcoin-Münzen widerspiegelt.

Wie funktioniert die Blockchain genau?

Die Bitcoin-Blockchain ist keine konventionelle Datenbank, die von einer einzelnen Person oder einem einzelnen Unternehmen wie z. B. einer Bank zentral gepflegt wird, sondern eine dezentrale Datenbank. Das bedeutet (wiederum vereinfacht gesprochen): Die gesamte Bitcoin-Blockchain bzw. auch mehr oder weniger große Teile von dieser sind redundant auf den Rechnern von vielen verschiedenen Teilnehmern des Bitcoin-Netzwerks gespeichert. Der große Vorteil: Die Abhängigkeit von einer zentralen Instanz entfällt. Alle besitzen die Datenbank.

Gleichzeitig handelt man sich dadurch aber ein neues Problem ein: Die Sicherstellung der Datenbank-Korrektheit respektive die Durchsetzung eines Transaktionskonsens. Denn die Frage “Welche Transaktionen sind gültig?” ist in einer dezentralen Datenbank knifflig zu beantworten. Schließlich müssen zugleich immer viele verschiedene Kopien der Bitcoin-Blockchain (bzw. Teile von dieser) korrekt und aktuell gehalten werden.

Die Lösung hier sind sogenannte “Blocks”, die von einzelnen Teilnehmern des Bitcoin-Netzwerks erzeugt werden. Ein Block ist eine Hülle für eine Menge an Bitcoin-Transaktionen. Enthält ein Block eine bestimmte Menge an Überweisungen, wird er als neues Teilstück einer beliebigen Kopie der Bitcoin-Blockchain hinzugefügt. Durch Synchronisationsnachrichten werden dann automatisch und sofort auch alle anderen Kopien der Bitcoin-Blockchain dazu veranlasst, das neue Teilstück zu ergänzen. Bestätigen genügend andere Kopien, dass sie den neuen Block integriert haben, sind ab diesem Moment alle in diesem enthaltenen Überweisungen gültig.

Da jedes neue Teilstück der Bitcoin-Blockchain automatisch auch eine Referenz auf das unmittelbar zuvor hinzugefügte Teilstück enthält (vgl. Abbildung 5), entsteht so eine virtuelle Kette von Blocks (Englisch: „blockchain“), die lückenlos ALLE gültigen Bitcoin-Transaktionen enthält und die der Blockchain-Technologie ihren Namen gibt. Jede Referenz wird dabei individuell auf Basis der in einem Block enthaltenen Transaktionen berechnet. Dadurch kann die Bitcoin-Blockchain nur sehr schwer gefälscht oder manipuliert werden. Fälschungen oder Manipulationen würden nicht nur die Anpassung eines einzelnen Teilstücks und seiner Referenz erfordern, sondern die gleichzeitige Anpassung aller Blocks und aller Referenzen, also die Anpassung der GESAMTEN Blockchain. Dies mag theoretisch denkbar sein, ist praktisch jedoch nahezu unmöglich.

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Abbildung 5: Funktionsprinzip der Blockchain.

Wichtig: Fast immer werden mehrere Blocks parallel von Mitgliedern des Bitcoin-Netzwerks erzeugt. Das Problem: Werden zwei oder mehr Teilstücke gleichzeitig fertig, können diese jedoch nicht gleichzeitig der Bitcoin-Blockchain hinzugefügt werden. Zu einem bestimmten Zeitpunkt kann immer nur ein Teilstück ergänzt werden, damit nur die in diesem enthaltenen Bitcoin-Transaktionen in die Bitcoin-Blockchain gelangen und offiziell gültig sind. Wie wird dann der Wettbewerb zwischen Blocks entschieden? Gewinner und damit neuer Teil der Bitcoin-Blockchain ist immer derjenige Block, dessen Ersteller die Lösung für ein komplexes mathematisch zu lösendes Rätsel liefert. Dies entzerrt den Wettbewerb. Wurde ein neues Stück der Blockchain hinzugefügt, wird gleichzeitig ein neues Rätsel ausgeschrieben. Alle Transaktionen, die in nicht zum Zuge gekommenen Blocks enthalten sind, bleiben ungültig und müssen jetzt ihr Glück auf ein neues versuchen, d. h. über andere Teilstücke Gültigkeit erlangen. Damit die Ersteller von Blocks sich diesem intensiven Wettbewerb dauerhaft stellen wird das erfolgreiche Hinzufügen von Teilstücken zur Blockchain belohnt - mit Gratis-Bitcoins. Für weitere Details sei auf das sehr lesenswerte Buch von Berentsen und Schär (vgl. [2]) verwiesen.


Video: Wer es genauer wissen will - “blockchain under the hood”.


Eine Blockchain - und es kann prinzipiell beliebig viele verteilte, voneinander unabhängige Datenbanken geben - kann jedoch nicht nur zur dezentralen Abbildung von Transaktionen virtueller Geldeinheiten verwendet werden. Auf Basis des Blockchain-Mechanismus können auch weitere spannende Anwendungsmöglichkeiten umgesetzt werden. Besonders interessant sind dabei die sogenannten “Smart Contracts”.

Smart Contracts - Intelligente, dezentrale Verträge

Einfach gesprochen ist ein Smart Contract eine Wenn-Dann-Bedingung. Konkret: Sobald ein Ereignis mit direktem Bezug zu einem Vertrag eingetreten ist (z. B. die Zahlung eines vereinbarten Geldbetrages), wird als Reaktion automatisch eine Aktion ausgelöst (z. B. die Übertragung von Besitzrechten). Dieses Prinzip selbsttätiger Reaktionen auf vordefinierte Ereignisse ist jedoch weder neu noch Blockchain-spezifisch. Man denke an einen Snackautomaten, der nach einem Münzeinwurf automatisch einen Schokoriegel ausgibt.

Neu ist jedoch die Idee, Smart Contracts und die mit diesen verknüpften Transaktionen in einer Blockchain abzubilden. Dazu IBMs CEO Ginni Rometty: „Ich spreche nicht über Bitcoin oder andere Cyberwährungen, aber über die [zugrundeliegende] Technologie, die Vertrauen und Effizienz beim Tausch jeglicher Art mit sich bringt. Das wird eine tiefgreifende Änderung in der Funktionsweise der Welt haben. […] Die Blockchain wird das für Transaktionen sein, was das Internet für Informationen tat.“

Konkret: Wenn Verträge in digitaler und damit maschineninterpretierbarer Form vorliegen, können nicht nur virtuelle Geldeinheiten, sondern auch digitale Vermögenswerte (z. B. von digitalen Inhalten) und Besitzrechte an Sachgütern Gegenstand von Smart Contracts sein. Besitzer einer virtuellen Geldeinheit, eines digitalen Vermögenswertes oder eines Sachguts ist dann immer derjenige, der sich gegenüber der Blockchain als rechtmäßiger Eigentümer ausweisen kann, z. B. über eine im Vertrag respektive in der Blockchain hinterlegte kryptografische Signatur oder einen digitalen Fingerabdruck.

Ein Beispiel ist die individuelle, feingranulare Buchung von Streaming-Angeboten, z. B. von einzelnen Filmen oder Sportveranstaltungen. Sobald die in einem Kaufvertrag vereinbarte Summe auf dem Konto des Anbieters eingetroffen ist, wird das digitale Gut für den neuen Eigentümer freigeschaltet. Im umgekehrten Fall gilt, dass, sofern bei einem Gut die Zahlung ausbleibt, der Besitzer sein Gut nicht benutzen kann.

Der Vorteil der Smart Contracts: Wie bei jeder Anwendung der Blockchain-Technologie erfolgt sämtliche Kommunikation direkt zwischen den Kommunikations- bzw. Vertragspartnern, also ohne die Einbeziehung oder Vermittlung von Dritten wie z. B. Banken, Rechtsanwälten oder Notaren. Und dies trotzdem fälschungssicher. Gleichwohl bleiben noch rechtliche und juristische Fragestellungen zu klären. Gesetzliche Grundlagen für Blockchain-basierte Smart Contracts existieren bislang nicht.


Video (englisch): Introduction to smart contracts on a blockchain.

Schließlich: Die Bitcoin-Blockchain bietet bislang keine Unterstützung von Smart Contracts. In den aktuell verwendeten Bitcoin-Protokollen ist eine entsprechende Unterstützung nicht implementiert. Andere Kryptowährungen, wie z. B. Ethereum, sind hier jedoch in die Bresche gesprungen und bieten entsprechende Unterstützung.

Warum ist das alles revolutionär?

Berentsen und Schär schreiben (vgl. [2], Seite 2): „In zentralisierten Systemen wird eine Instanz exklusiv mit Registerführungsrechten ausgestattet. Durch diese Rechte hat eine solche Instanz die Fähigkeit das Register zu manipulieren und Vermögensansprüche beliebig zu verändern.” Immer wenn eine zentrale Datenbank existiert, über die der Zustand von Besitzständen dokumentiert wird, gelangt der Betreiber dieser Datenbank in eine Machtposition. Diese Machtposition ist problematisch. Denn sie schmälert das Ur-Vertrauen in die Korrektheit der zentralen Datenbank. Wer traut schon “den da oben”.

Berentsen und Schär schreiben weiter (vgl. [2], Seite 2): „Besteht die Möglichkeit, dass die zentrale Instanz auf irgendeine Weise korrumpierbar oder Ausfällen und Angriffen durch Dritte ausgesetzt ist, wird dies zu erheblichen Problemen führen und die Glaubwürdigkeit des Systems untergraben.“ Anders gesagt: Mögliche Manipulationen durch den Betreiber der zentralen Datenbanken sind nur eine Seite der Medaille. Die andere Seite ist die prinzipielle Angreifbarkeit einer zentralen Datenbank durch externer Angreifer. Wie oft wird heute über Hackerangriffe auf Banken und versuchte Manipulationen berichtet.

Um den unausweichlichen Vertrauenskrisen entgegenzuwirken, scheuen die Betreiber zentraler Datenbanken daher oft keine Kosten und Mühen, das Vertrauen in zentrale Datenbanken zu erhöhen. Das Spektrum an Maßnahmen ist groß: Seriosität, Sorgfalt bei der Datenpflege, der Einsatz neuester Sicherheitstechnologien, kulante Regelungen im Falle von Betrügereien. Trotzdem ist es in vielen Fällen das “Friss-oder-Stirb”-Prinzip, dass den Betreibern zentraler Datenbanken in die Hände spielt. Denke an Banken: Damit wir alle am Zahlungsverkehr teilnehmen können, müssen wir Kunde einer Bank sein.

Dazu kommt: Die genannten Kosten und Mühen lassen sich die Betreiber zentraler Datenbanken oft direkt von den Nutzern der zentralen Datenbanken wieder erstatten, beispielsweise in Form von Transaktionsgebühren.

Zusammengefasst: Starke Machtpositionen mit der latenten Gefahr von Manipulationen, geringes Ur-Vertrauen, die Gefahr von Angriffen durch Dritte sowie Transaktionsgebühren kennzeichnen die Nutzung prinzipiell aller zentraler Datenbanken.

Die Blockchain-Technologie löst diese Probleme. Ausgeprägte Machtpositionen existieren in einer dezentralen Blockchain nicht. Absolute Transparenz und die gemeinschaftlich bestätigte Korrektheit von Transaktionen sorgen für Vertrauen. Angriffe durch Dritte sind denkbar, praktisch aber ausgeschlossen. Transaktionsgebühren sind gering. Verloren gegangene Unabhängigkeit wird zurückerobert.

Quellen

[1] S. Nakamoto: “Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System”, 2008.

[2] A. Berentsen, F. Schär: „Bitcoin, Blockchain und Kryptoassets: Eine umfassende Einführung“, Universität Basel, 2017.