Wie funktioniert die Blockchain?

Was ist eine Blockchain?

Stell dir ein Kassenbuch vor, in dem jede einzelne Transaktion aufgeschrieben wird, wer wem wie viel geschickt hat. Jetzt stell dir vor, dass dieses Kassenbuch nicht in einem Bankgebäude liegt, sondern gleichzeitig auf tausenden Computern weltweit gespeichert ist. Jeder kann eine Kopie haben. Niemand kann nachträglich etwas ändern.

Genau das ist die Blockchain: ein dezentrales, digitales Kassenbuch. Das Wort «Blockchain» bedeutet wörtlich «Blockkette», denn die Transaktionen werden in Blöcken zusammengefasst, die wie Glieder einer Kette miteinander verbunden sind.

Die drei wichtigsten Eigenschaften der Blockchain sind:

• Dezentral: Keine zentrale Stelle kontrolliert die Daten. Tausende unabhängige Computer (Nodes) speichern identische Kopien.
• Unveränderlich: Einmal bestätigte Transaktionen können nicht mehr gelöscht oder verändert werden.
• Transparent: Jede Transaktion ist öffentlich einsehbar, jeder kann die gesamte Geschichte seit dem ersten Block (dem «Genesis Block» von 2009) nachverfolgen.

Blöcke und Ketten

Ein Block ist wie eine Seite im Kassenbuch. Er enthält eine Sammlung von Transaktionen, die in einem bestimmten Zeitraum stattgefunden haben. Aber ein Block ist mehr als nur eine Liste von Überweisungen. Er enthält mehrere wichtige Bestandteile:

• Transaktionen: Typischerweise zwischen 1'000 und 3'000 Transaktionen pro Block (Durchschnittswerte, vgl. mempool.space).
• Hash: Ein einzigartiger digitaler Fingerabdruck des Blocks, eine lange Zeichenkette, die den gesamten Inhalt des Blocks zusammenfasst.
• Vorgänger-Hash: Der Hash des vorherigen Blocks. Das ist das Kettenglied, das die Blöcke miteinander verbindet.
• Nonce: Eine Zahl, die Miner durch Ausprobieren finden müssen (mehr dazu gleich).
• Timestamp: Der Zeitstempel, wann der Block erstellt wurde.

Stell dir das wie eine Reihe von versiegelten Umschlägen vor: Jeder Umschlag enthält eine Beschreibung des vorherigen Umschlags. Wenn jemand einen alten Umschlag öffnet und den Inhalt verändert, passt die Beschreibung im nächsten Umschlag nicht mehr, die Fälschung wird sofort erkannt.

Wie entsteht ein neuer Block?

Neue Blöcke werden durch Mining (Schürfen) erstellt. Miner sind spezialisierte Computer, die um das Recht konkurrieren, den nächsten Block zur Blockchain hinzuzufügen.

Der Prozess funktioniert so:

1. Nutzer senden Transaktionen ins Bitcoin-Netzwerk.
2. Miner sammeln diese Transaktionen und fassen sie zu einem Kandidaten-Block zusammen.
3. Sie versuchen, eine spezielle Rechenaufgabe zu lösen: das sogenannte Proof of Work. Dabei suchen sie eine Nonce, die dafür sorgt, dass der Hash des Blocks bestimmte Kriterien erfüllt (z.B. mit einer bestimmten Anzahl Nullen beginnt).
4. Der erste Miner, der die Lösung findet, darf den Block an die Kette anhängen und erhält dafür die Block-Belohnung (aktuell 3.125 BTC) plus die Transaktionsgebühren.

Das Bitcoin-Protokoll ist so konzipiert, dass etwa alle 10 Minuten ein neuer Block entsteht. Wenn mehr Miner dazukommen und die Rechenleistung steigt, wird die Aufgabe automatisch schwieriger, und umgekehrt. Diese Difficulty Adjustment findet alle 2'016 Blöcke statt (etwa alle zwei Wochen) und sorgt dafür, dass der 10-Minuten-Takt stabil bleibt.

Alle 210'000 Blöcke halbiert sich die Block-Belohnung, ein Ereignis das als Halving bekannt ist. Diese vorhersagbare Geldpolitik ist eine wesentliche Eigenschaft des Bitcoin-Protokolls.

Was sind Nodes?

Nodes (Knotenpunkte) sind Computer, die eine vollständige Kopie der Bitcoin-Blockchain speichern und alle Regeln des Netzwerks überprüfen. Sie sind ein zentraler Bestandteil der Netzwerksicherheit.

Ein Full Node prüft jede einzelne Transaktion und jeden Block unabhängig:

• Werden die Konsensregeln eingehalten?
• Gibt der Absender wirklich nur Bitcoin aus, die ihm gehören?
• Werden keine Bitcoin doppelt ausgegeben (Double Spending)?
• Hält sich der Block an die maximale Grösse und alle Formatregeln?
• Ist die Block-Belohnung korrekt?

Wenn ein Block gegen eine dieser Regeln verstösst, lehnt der Node ihn ab, egal wer ihn erstellt hat. Das ist echte Dezentralisierung: Nicht die Miner bestimmen die Regeln, sondern die Nodes.

Das Besondere: Jeder kann einen Full Node betreiben. Du brauchst dafür nur einen normalen Computer mit genügend Speicherplatz (aktuell rund 700 GB für die gesamte Blockchain) und eine Internetverbindung. Damit überprüfst du selbst, ob alles mit rechten Dingen zugeht, du musst niemandem vertrauen.

Warum ist die Blockchain sicher?

Die Sicherheit der Bitcoin-Blockchain basiert auf mehreren Säulen, die zusammen ein sehr sicheres System bilden:

Dezentralisierung: Die Blockchain ist auf tausenden Nodes weltweit verteilt. Es gibt keinen einzelnen Server, den man angreifen könnte. Um die Blockchain zu manipulieren, müsste man gleichzeitig tausende unabhängige Computer übernehmen.

Kryptographische Hashes: Jeder Block ist durch seinen Hash identifiziert, eine Art digitaler Fingerabdruck. Die kleinste Änderung am Inhalt erzeugt einen komplett anderen Hash. Es ist praktisch unmöglich, einen Block so zu verändern, dass der gleiche Hash herauskommt.

Verkettung: Da jeder Block den Hash seines Vorgängers enthält, müsste ein Angreifer nicht nur einen Block fälschen, sondern alle nachfolgenden Blöcke ebenfalls, und das schneller, als das gesamte restliche Netzwerk neue Blöcke produziert.

Die 51%-Attacke: Theoretisch könnte jemand die Blockchain manipulieren, wenn er mehr als die Hälfte der gesamten Rechenleistung des Netzwerks kontrolliert. Das ist die sogenannte 51%-Attacke. In der Praxis ist das bei Bitcoin nahezu unmöglich: Das Netzwerk verbraucht mehr Energie als viele Länder (gemäss Cambridge Bitcoin Electricity Consumption Index). Die Kosten für eine solche Attacke wären astronomisch, und der Angreifer würde das Netzwerk zerstören, das seinen eigenen Investitionen Wert gibt.

Quellen

• Satoshi Nakamoto, Bitcoin Whitepaper (2008)
• Bitcoin Wiki, Block Structure
• Bitcoin Wiki, Protocol Documentation
• Andreas M. Antonopoulos, «Mastering Bitcoin» (O'Reilly), Kapitel 9: The Blockchain