Die wichtigsten Punkte
- Ein Block ist lediglich ein Stapel von Transaktionen plus ein Fingerabdruck des Blocks davor, und genau das erzeugt die Kette.
- Hashing macht Manipulationen erkennbar: Ändert man ein einziges Byte, passt kein nachfolgender Fingerabdruck mehr.
- Der Konsens entscheidet, welche Version der Historie alle akzeptieren; bei Proof of Work ist diese Entscheidung an reale, von Minern aufgewendete Energie gebunden.
- Sicherheit ist ökonomisch, nicht magisch. Das Umschreiben der Historie ist im Prinzip möglich, wird aber bewusst teuer gemacht.
Die meisten Erklärungen zur Blockchain beginnen mit einer Metapher und kehren nie wieder davon zurück. Die Kette aus Blöcken, das digitale Register, die vertrauenslose Maschine. Nichts davon sagt Ihnen, was tatsächlich geschieht, wenn eine Transaktion ausgeführt wird. Dieser Beitrag arbeitet die Mechanik der Reihe nach durch: was ein Block enthält, was ein Hash leistet, wie sich das Netzwerk auf eine einzige Historie einigt und warum eine Änderung dieser Historie teuer und nicht etwa unmöglich ist.
Ein Block ist ein Stapel mit einem Rückverweis
Eine Blockchain zeichnet Transaktionen nicht einzeln auf. Sie fasst sie zu Blöcken zusammen, und jeder Block wird als Einheit veröffentlicht. In einem typischen Block finden Sie eine Menge von Transaktionen, einen Zeitstempel, etwas Protokoll-Buchführung und ein Feld, das wichtiger ist als alle übrigen: einen Verweis auf den Block, der davor kam.
Dieser Rückverweis ist keine laufende Nummer. Er ist ein kryptografischer Hash des Headers des vorherigen Blocks. Da der Hash vom gesamten Inhalt dieses früheren Blocks abhängt, dient der Verweis zugleich als Fingerabdruck. Ändert sich irgendetwas im früheren Block, ändert sich der Fingerabdruck, und die Verknüpfung passt nicht mehr.
Verkettet man diese Verweise miteinander, entsteht eine Struktur, in der sich jeder Block implizit auf die gesamte vorangegangene Historie festlegt. Das ist die eigentliche Bedeutung des Wortes Kette an dieser Stelle. Es ist keine Metapher über Kettenglieder. Es ist eine konkrete Datenstruktur, in der jedes Element eine überprüfbare Zusammenfassung von allem Vorherigen trägt.
Hashing: der Teil, der Manipulationen sichtbar macht
Eine kryptografische Hashfunktion nimmt eine Eingabe beliebiger Größe entgegen und erzeugt eine Ausgabe fester Länge. Drei Eigenschaften machen sie hier nützlich. Dieselbe Eingabe erzeugt immer dieselbe Ausgabe. Eine winzige Änderung an der Eingabe erzeugt eine völlig andere Ausgabe, ohne jede Ähnlichkeit mit dem Original. Und von einer Ausgabe rückwärts eine Eingabe zu finden, die sie erzeugt, ist rechnerisch nicht praktikabel.
Zusammengenommen ergeben diese Eigenschaften ein Siegel, an dem jede Manipulation erkennbar wird. Sie können keinen Hash so fälschen, dass er zu veränderten Daten passt, und Sie können Daten nicht so leise verändern, dass ihr Hash gleich bleibt. Wer eine Kopie der Kette besitzt, kann die Hashes selbst neu berechnen und sofort sehen, ob die ihm übergebene Historie in sich stimmig ist.
Die meisten Ketten nutzen zusätzlich einen Hash-Baum, oft Merkle-Baum genannt, um die Transaktionen innerhalb eines Blocks zusammenzufassen. Transaktionen werden paarweise gehasht, dann werden diese Hashes wiederum paarweise gehasht, immer weiter, bis ein einziger Wurzel-Hash übrig bleibt. Dieser Wurzel-Hash steht im Block-Header. Der praktische Nutzen besteht darin, dass ein leichtgewichtiger Client nachweisen kann, dass eine bestimmte Transaktion in einem Block enthalten ist, ohne den ganzen Block herunterzuladen, und genau das macht mobile Wallets überhaupt praktikabel. Mehr zur Begrifflichkeit finden Sie in unserem Glossar.
Konsens: die Entscheidung, welche Historie zählt
Hashing sagt Ihnen, ob eine Kette in sich stimmig ist. Es sagt Ihnen nicht, welche von zwei stimmigen Ketten die echte ist. Das ist das Konsensproblem, und es ist die schwierigere Hälfte.
Bei Proof of Work wird das Recht, den nächsten Block zu veröffentlichen, dadurch erworben, dass man einen Hash unterhalb eines Zielwerts findet. Da Hash-Ausgaben faktisch unvorhersehbar sind, besteht der einzige Weg darin, eine enorme Zahl von Kandidaten auszuprobieren. Genau dieses Ausprobieren leistet Mining-Hardware, und es verbraucht Strom. Findet ein Miner eine gültige Lösung, verbreitet er den Block, und alle anderen können ihn sofort überprüfen, indem sie den Hash ein einziges Mal berechnen.
Diese Asymmetrie ist der Kern des Entwurfs: teuer in der Erzeugung, trivial in der Prüfung. Nodes folgen dann einer einfachen Regel. Existieren zwei gültige Ketten, übernimm diejenige mit der größten angesammelten Arbeit. Da angesammelte Arbeit realer aufgewendeter Energie entspricht, sagt die Regel im Kern: Glaube der Historie, deren Aufbau am teuersten war.
Die Difficulty passt sich im Zeitverlauf an, sodass Blöcke ungefähr in einem angestrebten Intervall eintreffen, unabhängig davon, wie viel Hardware auf das Netzwerk gerichtet ist. Kommen mehr Miner hinzu, steigt die Difficulty in der Regel, und jede einzelne Maschine verdient einen kleineren Anteil. Deshalb tragen Hashrate und Difficulty Informationen für alle, die dem Netzwerk folgen und nicht nur dem Kurs, und deshalb veröffentlichen wir sie auf dem Mining-Dashboard.
Proof of Stake erreicht dasselbe Ziel auf anderem Weg, indem es die Rechte zur Blockerzeugung an Kapital knüpft, das dem Protokoll zugesagt wurde, statt an Energie, die außerhalb davon aufgewendet wird. Keiner der beiden Ansätze ist unter allen Bedingungen strikt besser, und die Abwägungen lohnen es, jeweils für sich verstanden zu werden. Wir vergleichen sie in Proof of Work versus Proof of Stake.
Warum das Umschreiben der Historie Geld kostet
Angenommen, jemand möchte eine Zahlung tilgen, die er vor mehreren Blöcken geleistet hat. Er müsste einen Ersatzblock erzeugen, der die Zahlung nicht enthält, wodurch sich der Hash dieses Blocks ändert, wodurch jede nachfolgende Verknüpfung bricht. Also müsste er auch jeden folgenden Block neu aufbauen. Unterdessen verlängert das ehrliche Netzwerk weiter die echte Kette.
Um zu gewinnen, muss der Angreifer schneller bauen als alle anderen zusammen, und zwar lange genug, um sie zu überholen. Auf einer gut etablierten Proof-of-Work-Kette bedeutet das, die Mehrheit der Hardware zu beschaffen und zu betreiben, den Strom dafür zu bezahlen und hinzunehmen, dass ein Erfolg wahrscheinlich den Wert genau des Vermögenswerts beschädigen würde, den man angreift. Die Verteidigung besteht nicht darin, dass der Angriff verboten wäre. Sie besteht darin, dass der Angriff ein schlechtes Geschäft ist.
Daraus folgt etwas Wichtiges, das Werbematerial gerne überspringt: Sicherheit skaliert mit den Kosten eines Angriffs. Eine kleine Kette mit bescheidener Hashrate lässt sich spürbar leichter reorganisieren als eine große. Alle Blockchains als gleichermaßen unveränderlich zu behandeln, ist ein Fehler.
Was Blockchains nicht garantieren
Eine Blockchain garantiert, dass aufgezeichnete Daten nicht unbemerkt verändert wurden und dass sich die Teilnehmer über die Reihenfolge einig sind. Sie garantiert nicht, dass die Daten wahr waren, als sie geschrieben wurden. Trägt jemand ein, dass ein Schiffscontainer eine bestimmte Ladung enthält, bewahrt die Kette diese Behauptung getreu auf, auch dann, wenn die Behauptung falsch war. Das ist das Orakelproblem, und es begrenzt viele der Lieferketten-Anwendungsfälle, für die begeistert geworben wird.
Ebenso wenig macht eine Blockchain Software korrekt. On-Chain betriebener Code kann Fehler enthalten, und dieselbe Unveränderlichkeit, die das Register schützt, kann diese Fehler dauerhaft machen. Das ist ein eigenes Thema, und ein wichtiges.
Das Netzwerk lesen statt der Erzählung
Sind die Mechanismen einmal klar, beginnen einige beobachtbare Größen etwas zu bedeuten. Blockintervall und Difficulty beschreiben, wie umkämpft die Blockerzeugung ist. Die Hashrate beschreibt, wie viel Hardware gebunden ist. Die Mempool-Tiefe beschreibt Überlastung und damit den Gebührendruck. Keine dieser Größen sagt den Kurs voraus, und wer etwas anderes behauptet, verspricht zu viel. Aber sie beschreiben den Zustand des Systems auf eine Weise, wie Schlagzeilen es üblicherweise nicht tun.
Wenn Sie tiefer einsteigen möchten: Unser Lernbereich arbeitet die umgebenden Konzepte durch, und die Methodik-Seite erläutert, woher unsere Daten stammen und was wir nicht zu wissen behaupten. Nichts davon ist Anlageberatung; es ist eine Darstellung davon, wie die Mechanik funktioniert.
Häufig gestellte Fragen
Was hindert jemanden tatsächlich daran, eine alte Transaktion zu ändern?
Nichts hindert ihn daran, seine eigene Kopie zu ändern. Was die Verbreitung der Änderung verhindert, ist, dass jeder andere Teilnehmer sie überprüfen kann. Jeder Block enthält einen Hash des vorherigen Blocks; das Ändern einer alten Transaktion verändert also den Hash dieses Blocks, was die im nächsten Block gehaltene Verknüpfung ungültig macht, und so weiter bis zur Spitze der Kette. Damit die Änderung Bestand hat, müsste ein Angreifer die Arbeit für jeden Block nach dem geänderten neu leisten, und zwar schneller, als das ehrliche Netzwerk die Kette verlängert, und anschließend andere davon überzeugen, seine Version zu übernehmen. Das ist ein Kostenproblem und kein Kryptografieproblem, und die Kosten sind genau der Punkt.
Ist eine Blockchain dasselbe wie eine Datenbank?
Sie hat eine Datenbank in sich, aber der interessante Teil sind die Regeln darüber, wer schreiben darf und wie Meinungsverschiedenheiten beigelegt werden. Eine gewöhnliche Datenbank hat einen Administrator, der entscheidet, was wahr ist. Eine öffentliche Blockchain ersetzt diesen Administrator durch ein Protokoll, sodass Teilnehmer, die einander nicht vertrauen, sich dennoch auf eine einzige Historie einigen können. Das ist eine echte Fähigkeit, aber sie kostet Durchsatz, Speicher und Energie. Wenn Sie ohnehin einen vertrauenswürdigen Administrator haben, ist eine normale Datenbank technisch meist die bessere Wahl.
Warum spricht man von Bestätigungen, statt davon, dass eine Transaktion endgültig ist?
Weil die Abwicklung auf einer Proof-of-Work-Kette wahrscheinlichkeitsbasiert und nicht sofort abgeschlossen ist. Wenn Ihre Transaktion zum ersten Mal in einem Block erscheint, besteht eine kleine Chance, dass sich ein konkurrierender Block durchsetzt und Ihre Transaktion in den Pool der ausstehenden Transaktionen zurückkehrt. Jeder weitere darauf aufgebaute Block macht eine Umkehrung exponentiell teurer, sodass die Transaktion zunehmend schwerer rückgängig zu machen ist. Auf mehr Bestätigungen zu warten heißt schlicht, sich für eine geringere Umkehrwahrscheinlichkeit zu entscheiden. Wie viele genug sind, hängt vom Wert ab, der auf dem Spiel steht, und von der Sicherheit der betreffenden Kette.
Exploring blockchain, crypto, and DeFi innovation. Ex-fintech analyst turned journalist, spotlighting real-world use cases of blockchain. Writer at Cryptocurrency Miners.
