Eine Blockchain ist eine verteilte, dezentrale Datenstruktur, welche Transaktionen transparent, chronologisch und unveränderbar in einem Netzwerk speichert. Blockchain-Systeme verwenden kryptographische Mechanismen zur netzwerkweiten Verifikation des Systemstatus. Anhand verschiedener Gestaltungsparameter lassen sich unterschiedliche Blockchain-Systeme implementieren, welche jeweils verschiedene, strukturbedingte Eigenschaften aufweisen.
Blockchain
Eine Blockchain ist eine verteilte, dezentrale Datenstruktur, die Transaktionen transparent, chronologisch und unveränderbar in einem Netzwerk speichert [Schlatt et al. 2016]. Sie kann als chronologisch geordnete Kette von Blöcken angesehen werden, in der jeder Block Informationen über valide Netzwerkaktivität seit dem Hinzufügen des vorherigen Blocks enthält [Bogart und Rice 2015]. Die einzelnen Blöcke sind jeweils mittels kryptographischer Hashes miteinander verbunden [Walport 2015], wodurch eine im Nachhinein unveränderliche Datenstruktur entsteht. Abbildung 1 zeigt beispielhaft die schematische Struktur einer Bitcoin-Blockchain, in der neben Transaktionen innerhalb des Netzwerks in jedem Block ein sogenannter Block-Header enthalten ist [Antonopoulos 2014]. Der Block-Header enthält unter anderem eine Referenz zum vorherigen Block in der Blockchain, einen Zeitstempel, eine beliebige Zeichenfolge (Nonce), sowie die Wurzel eines Merkle-Baumes, der eine Datenstruktur darstellt, die alle in dem Block enthaltenen Transaktionen über Hashes effizient zusammenfasst [Antonopoulos 2014].
Abb. 1: Struktur einer Bitcoin-Blockchain (in Anlehnung an [Tschorsch und Scheuermann 2015])
Blockchain-Systeme
Die Blockchain und das zugehörige Peer-to-Peer-Netzwerk können als Blockchain-System bezeichnet werden. Solche Systeme verwenden Kryptographie und Peer-to-Peer-Prinzipien statt einer zentralen Autorität, um per Konsens eine netzwerkweite Verifikation über den Status des Systems zu erreichen [Glaser und Bezzenberger 2015].
Die generelle Transaktionsverarbeitung eines Blockchain-Systems soll am Beispiel des Bitcoin-Systems verdeutlicht werden (Transfer von Bitcoins). Hierbei sendet zunächst ein Netzknoten eine mit einer digitalen Signatur kombinierte Nachricht inklusive Transaktionsdetails an das gesamte Netzwerk [Franco 2015]. Netzknoten, die die Nachricht erreicht, prüfen dann unter anderem auf Doppelverwendung der Bitcoins und verbreiten dann die Transaktion sowie das Evaluationsergebnis weiter im Netzwerk [Franco 2015]. Um den Konsens, sprich den gemeinsamen Status der aktuellen Blockchain, zu koordinieren, verwenden die Netzknoten einen sogenannten Proof-of-Work-Mechanismus [Zohar 2015]. Generell soll das Proof-of-Work (PoW) die übermäßige bzw. missbräuchliche Verwendung eines Dienstes verhindern. Das Erbringen eines PoW erfordert einen gewissen Aufwand, eine Art Benutzungsentgelt [Franco 2015]; im Falle von Bitcoin muss dabei ein rechenintensives Problem gelöst werden [Bonneau et al. 2015]. Dabei muss ein Hash-Wert solange verändert werden, bis er mit einem bestimmten Muster übereinstimmt [Franco 2015].
Gestaltungsparameter
Blockchain-Systeme lassen sich hinsichtlich mehrerer Gestaltungsparameter unterscheiden. Zunächst sind Blockchain-Systeme dahingehend einzuordnen, ob sie privat oder öffentlich sind [Peters und Panayi 2015]. Hierbei ist ausschlaggebend, durch wen sich die Systeme verwenden lassen, das heißt, wer Zugriff auf die Daten hat bzw. neue Dateninputs (bspw. Transaktionen) vorschlagen darf [Peters und Panayi 2015]. Ist diese Verwendung jedermann gestattet, handelt es sich um ein öffentliches System. Ist sie jedoch auf eine spezifische Benutzergruppe – bspw. eine Organisation oder ein Konsortium – beschränkt, ist das Blockchain-System als privat anzusehen [Peters und Panayi 2015].
Eine weitere mögliche Differenzierung unterschiedlicher Systeme besteht darin, ob zur Teilnahme am Verwaltungsprozess der Blockchain eine Genehmigung erforderlich ist [Walport 2015]. Im Bitcoin-System ist dieser Prozess grundsätzlich jedermann genehmigungsfrei gestattet [Walport 2015]. Sind die Netzknoten, die eine entsprechende Validierung durchführen, jedoch durch ein Konsortium oder eine zentrale Autorität vorher ausgewählt, so handelt es sich um ein genehmigungsbasiertes Blockchain-System [Peters und Panayi 2015].
Schließlich können Systeme darin unterschieden werden, auf welche Weise ein Konsens über den Systemstatus erreicht wird. Neben dem im Bitcoin-Blockchain-System verwendeten Proof-of-Work existiert eine Vielzahl an Konsensmethoden. Ein alternativer Ansatz ist die Verwendung eines Proof-of-Stake. Die Grundidee ist hierbei, dass die Blockchain vornehmlich durch solche Netzknoten aktualisiert wird, die einen großen Anteil an der Währung oder anderen Werten in der Blockchain hält, wodurch ein Anreiz für eine korrekte Aufrechterhaltung des Systems entsteht [Narayanan et al. 2016]. Weitere Alternativen bestehen in der Verwendung eines Proof-of-Activity [Bentov et al. 2014], eines Proof-of-Publication [Tschorsch und Scheuermann 2015 oder eines Proof-of-Storage [Narayanan et al. 2016].
Potenziale
Aufgrund der disruptiven Eigenschaften von Blockchain-Systemen, wie der Verwaltung durch Netzknoten anstatt einer zentralen Autorität sowie der Unveränderbarkeit der Transaktionshistorie, wird der Technologie großes ökonomisches Potenzial zugesprochen [Fridgen et al. 2017]. Dieses Potenzial ist insbesondere auf die Transaktionsverarbeitung und -verifikation in vergleichsweise hoher Geschwindigkeit sowie die Transaktions- und Infrastrukturkostenreduktion durch Umgehung von intermediären Diensten zurückzuführen [Schweizer et al. 2017].
Literatur
Antonopoulos, Andreas M.: Mastering Bitcoin: Unlocking Digital Cryptocurrencies. Sebastopol, CA, O´Reilly Media:2015.
Bentov, Iddo, Lee, Charles, Mizrahi, Alex and Rosenfeld, Meni: Proof of Activity: Extending Bitcoin’s Proof of Work via Proof of Stake. ACM SIGMETRICS Performance Evaluation Review, 42, 3, 34–37, 2015.
Bogart, Spencer; Rice, Kerry: The Blockchain Report: Welcome to the Internet of Value: 2015. Abgerufen am 02.06.2016, von http://www.the-blockchain.com/docs/The%20Blockchain%20Report%20-%20Needham%20(Huge%20report).pdf.
Bonneau, Joseph, Miller, Andrew, Clark, Jeremy, Narayanan, Arvind, Kroll, Joshua A. and Felten, Edward W.: SoK: Research Perspectives and Challenges for Bitcoin and Cryptocurrencies. IEEE Symposium on Security and Privacy, May 17-21, San Jose, CA: 2015.
Franco, Pedro: Understanding Bitcoin: Cryptography, Engineering, and Economics. Chichester, Wiley: 2015.
Fridgen, Gilbert, Radszuwill, Sven, Schweizer, André und Urbach, Nils: Entwicklung Disruptiver Innovationen mit Blockchain: Der Weg zum richtigen Anwendungsfall. In: Wirtschaftsinformatik & Management: 2017.
Glaser, Florian and Bezzenberger, Luis: Beyond Cryptocurrencies – A Taxonomy Of Decentralized Consensus Systems. Proceedings of the 23rd European Conference on Information Systems (ECIS 2015), May 26-29, Münster, Germany: 2015.
Narayanan, Arvind, Bonneau, Joseph, Felten, Edward W., Miller, Andrew and Goldfeder, Steven: Bitcoin and Cryptocurrency Technologies: 2015. Abgerufen am 02.06.2016, von https://d28rh4a8wq0iu5.cloudfront.net/bitcointech/readings/princeton_bitcoin_book.pdf.
Peters, Gareth W. and Panayi, Efstathios: Understanding Modern Banking Ledgers through Blockchain Technologies: Future of Transaction Processing and Smart Contracts on the Internet of Money, in: Tasca, Paolo; Aste, Tomaso; Pelizzon, Loriana; Perony, Nicolas: Banking Beyond Banks and Money: A Guide to Banking Services in the Twenty-First Century. Cham, Springer International Publishing: 2015.
Schlatt, Vincent, Schweizer, André, Urbach, Nils und Fridgen, Gilbert: Blockchain: Grundlagen, Anwendungen und Potenziale. Projektgruppe Wirtschaftsinformatik des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Informationstechnik, 2016
Schweizer, André, Schlatt, Vincent, Urbach, Nils und Fridgen, Gilbert: Unchaining Social Businesses – Blockchain as the Basic Technology of a Crowdlending Platform. In: 38th International Conference on Information Systems (ICIS), Seoul, South Korea, Dezember 2017
Tschorsch, Florian and Scheuermann, Björn: Bitcoin and Beyond: A Technical Survey on Decentralized Digital Currencies: 2015. Abgerufen am 03.06.2016, von https://eprint.iacr.org/2015/464.pdf.
Walport, Mark: Distributed Ledger Technology: beyond block chain: 2015. Abgerufen am 03.06.2016, von https://www.gov.uk/government/uploads/system/uploads/attachment_data/file/492972/gs-16-1-distributed-ledger-technology.pdf
Zohar, Aviv: Bitcoin: Under the Hood. Communications of the ACM, 58, 9, 104–113, 2015.
