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Blockchain

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Eine Blockchain[1][2][3] (auch Block Chain[4][5], englisch für Blockkette) ist eine kontinuierlich erweiterbare Liste von Datensätzen, genannt "Blöcke", welche mittels kryptographischer Verfahren miteinander verkettet sind.[1][6] Jeder Block enthält dabei typischerweise einen kryptographisch sicheren Hash des vorhergehenden Blocks,[6] einen Zeitstempel und Transaktionsdaten.[7]

Der Begriff Blockchain wird synonym für ein Konzept genutzt, mit dem ein Buchführungssystem dezentral geführt werden kann und dennoch ein Konsens über den richtigen Zustand der Buchführung erzielt wird, auch wenn viele Teilnehmer an der Buchführung beteiligt sind. Dabei gibt es Konzepte, die das Vertrauen in eine zentrale Instanz erfordern, aber auch solche, die vollständig ohne das Vertrauen in einen Mittelsmann auskommen. Worüber in dem Buchführungssystem Buch geführt wird, ist für den Begriff der Blockchain unerheblich. Es können Werte einer Währung, Immobiliengrundbücher, Wikipedia-Einträge, Kunstgegenstände oder Verträge sein.

Entscheidend ist, dass spätere Transaktionen auf früheren Transaktionen aufbauen und diese als richtig bestätigen, indem sie die Kenntnis der früheren Transaktionen beweisen. Damit wird es unmöglich gemacht, Existenz oder Inhalt der früheren Transaktionen zu manipulieren oder zu tilgen, ohne gleichzeitig alle späteren Transaktionen ebenfalls zu zerstören, die die früheren bestätigt haben. Andere Teilnehmer der dezentralen Buchführung die noch Kenntnis der späteren Transaktionen haben, würden die manipulierte Kopie der Blockchain ganz einfach daran erkennen, dass sie viel kürzer ist als die eigene oder Inkonsistenzen in den Beweisen aufweist.

Das Verfahren ist die technische Basis für sogenannte Kryptowährungen, kann aber ggf. darüber hinaus in verteilten Systemen zur Verbesserung bzw. Vereinfachung der Transaktionssicherheit im Vergleich zu zentralen Systemen beitragen.

Die Funktionsweise ähnelt dem Journal der Buchführung. Es wird daher auch als „Internet der Werte“ (Internet of value) bezeichnet. Eine Blockchain ermöglicht es, dass in einem dezentralen Netzwerk eine Einigkeit zwischen den Knoten erzielt werden kann. (Siehe auch: Byzantinischer Fehler.)

Die älteste noch in Betrieb befindliche Blockchain ist die der Kryptowährung Bitcoin.

Geschichte

Erste Grundlagen zur kryptografisch abgesicherten Verkettung einzelner Blöcke wurden 1991 von Stuart Haber & W. Scott Stornetta, 1996 von Ross J. Anderson und 1998 von Bruce Schneier & John Kelsey beschrieben.[8] Parallel dazu arbeitete 1998 auch Nick Szabo an einem Mechanismus für eine dezentralisierte digitale Währung, die er „Bit Gold“ nannte.[9] Im Jahr 2000 entwickelte Stefan Konst eine allgemeine Theorie zu kryptografisch abgesicherten Verkettungen und leitete daraus verschiedene Lösungen zur Umsetzung ab.[8][10]

Das Konzept der Blockchain als verteiltes Datenbankmanagementsystem wurde erstmals 2008 von Satoshi Nakamoto im White Paper zu Bitcoin beschrieben.[11] Im Jahr darauf veröffentlichte er die erste Implementierung der Bitcoin-Software und startete dadurch die erste öffentlich verteilte Blockchain.

Eigenschaften

Neue Blöcke werden über ein Konsensverfahren geschaffen und anschließend an die Blockchain angehängt.[12] Das populärste Konsensverfahren ist hierbei die Proof-of-Work-Methode, es bestehen jedoch zahlreiche andere Formen, Konsens herzustellen (Proof-of-Stake, Proof-of-Burn, Proof-of-Activity). Durch die aufeinander aufbauende Speicherung von Daten in einer Blockchain können diese nicht nachträglich geändert werden, ohne die Integrität des Gesamtsystems zu beschädigen. Hierdurch wird die Manipulation von Daten erheblich erschwert. Der dezentrale Konsensmechanismus ersetzt die Notwendigkeit einer vertrauenswürdigen dritten Instanz zur Integritätsbestätigung von Transaktionen.[13]

Anwendungsbeispiel Bitcoin

Siehe auch: Bitcoin: Blockchain
Vereinfachte Bitcoin-Blockchain

Bei Bitcoin besteht eine Blockchain aus einer Reihe von Datenblöcken, in denen jeweils eine oder mehrere Transaktionen zusammengefasst und mit einer Prüfsumme versehen sind, d. h., sie werden jeweils paarweise zu einem Hash-Baum zusammengefasst. Die Wurzel des Baumes (auch Merkle-Root, bzw. Top-Hash genannt) wird dann im zugehörigen Header gespeichert. Der gesamte Header wird dann ebenfalls gehasht und im nachfolgenden Header abgespeichert. So wird sichergestellt, dass keine Transaktion verändert werden kann, ohne den zugehörigen Header und alle nachfolgenden Blöcke ebenfalls zu ändern.[14]

Die Blockchain von Bitcoin ist die älteste Blockchain. Sie startete im Januar 2009, hatte Anfang September 2017 eine Größe von ca. 131 GB[15] und lag im Mai 2016 auf ca. 6700 Knoten[16] redundant und öffentlich zugriffsbereit vor.

Anwendungsbeispiel Auditing

Beim Auditing geht es darum, sicherheitskritische Operationen von Softwareprozessen aufzuzeichnen. Dies betrifft insbesondere den Zugriff auf und die Veränderung von vertraulichen oder kritischen Informationen. Das Auditing eignet sich hierbei deshalb für eine Blockchain, da es relativ geringe Datenmengen produziert und gleichzeitig hohe Sicherheitsanforderungen aufweist.

Eine Blockchain kann hierbei das Audit-Log (auch als Audit-Trail bezeichnet) vor Veränderung schützen. Zudem sollten die einzelnen Einträge mit einer digitalen Signatur versehen werden, um die Echtheit zu gewährleisten. Ein dezentraler Konsensmechanismus, wie bei Bitcoin, wird nicht zwingend benötigt. Eine dezentrale Speicherung der Blockchain stellt jedoch eine relativ sichere Verwahrung des Audit-Trails sicher.

Da einerseits vertrauliche Informationen gespeichert werden und andererseits kein Element der Blockchain gelöscht werden kann, ohne die Blockchain ungültig zu machen, kommt zudem eine Verschlüsselung der einzelnen Einträge zum Einsatz. Anstatt die Einträge aus der Blockchain zu löschen, kann dann der kryptographische Schlüssel gelöscht werden um die Daten dauerhaft unlesbar zu machen.

Da die Implementierung von Blockchains und einer passenden kryptographischen Infrastruktur derzeit (Stand Mai 2017), mangels einfach zu verwendender Implementierungen, sehr aufwändig und teuer ist, empfiehlt sich der Einsatz nur für besonders schützenswerte Informationen.

Einsatzbeispiele sind das Auditing bei Systemen für medizinische Informationen (z. B. Elektronische Gesundheitsakte), Verträgen und Geldtransaktionen mit hohem finanziellen Wert, militärischen Geheimnissen, der Gesetzgebung und der elektronischen Stimmabgabe, dem Sicherheitsmanagement kritischer Anlagen, oder Daten von Großunternehmen, welche unter den Sarbanes-Oxley Act oder ähnlichen Richtlinien fallen.

Siehe auch

Literatur

  • Stuart Haber, W. Scott Stornetta: How to Time-Stamp a Digital Document. In: Advances in Cryptology – Crypto ’90. Lecture Notes in Computer Science v. 537. Springer-Verlag, Berlin 1991, ISBN 978-3-540-38424-3, S. 437–455.
  • Ross J. Anderson: The Eternity Service. In: Pragocrypt. 1996
  • Bruce Schneier, John Kelsey: Cryptographic Support for Secure Logs on Untrusted Machines. In: The Seventh USENIX Security Symposium Proceedings. USENIX Press, Januar 1998, S. 53–62.

Weblinks

Wiktionary: Blockchain – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Artikel

Blogs

Podcasts

Vorträge

Implementierungen

Weiteres

Einzelnachweise

  1. ↑ 1,0 1,1 Economist Staff: Blockchains: The great chain of being sure about things. In: The Economist. 2015-10-31. Abgerufen am 18. Juni 2016. „The technology behind bitcoin lets people who do not know or trust each other build a dependable ledger. This has implications far beyond the crypto currency.“
  2. ↑ Morris, David Z.: Leaderless, Blockchain-Based Venture Capital Fund Raises $100 Million, And Counting. In: Fortune, 15. Mai 2016. Abgerufen am 23. Mai 2016. 
  3. ↑ Popper, Nathan: A Venture Fund With Plenty of Virtual Capital, but No Capitalist. In: New York Times, 21. Mai 2016. Abgerufen am 23. Mai 2016. 
  4. ↑ Jerry Brito, Andrea Castillo: Bitcoin: A Primer for Policymakers. Mercatus Center, George Mason University. 2013.
  5. ↑ Trottier, Leo: original-bitcoin (self-published code collection) github. 18. Juni 2016.: „This is a historical repository of Satoshi Nakamoto's original bit coin sourcecode“
  6. ↑ 6,0 6,1 Bitcoin and cryptocurrency technologies: a comprehensive introduction. Princeton: Princeton University Press 2016, ISBN 978-0-691-17169-2
  7. ↑ Jörn Heckmann: Programmierte Verträge als Zukunft der Blockchain. In: com!. Nr. 2/2017, S. 100.
  8. ↑ 8,0 8,1 Stefan Konst: Sichere Log-Dateien auf Grundlage kryptographisch verketteter Einträge. (PDF) 9. August 2000, abgerufen am 15. Oktober 2016.
  9. ↑ Nathaniel Popper: Decoding the Enigma of Satoshi Nakamoto and the Birth of Bitcoin. In: nytimes.com. New York Times, 15. Mai 2015, abgerufen am 29. November 2016 (english).
  10. ↑ IT supplement on blockchain: A brief history of blockchain. In: Chartech magazine. Nr. 210, July/August 2017, S. 5 Referenz auf Beilage, Artikel auf S. 4 der Beilage. Abgerufen am 27. September 2017.
  11. ↑ Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System. bitcoin.org. Oktober 2008. Abgerufen am 14. Mai 2016.
  12. ↑ Bitcoin Developer Guide – Mining. In: Bitcoin Developer Guide. The Bitcoin Foundation, abgerufen am 22. September 2014 (english): „Mining adds new blocks to the block chain, making transaction history hard to modify.“
  13. ↑ Blockchain. In: Jens Fromm, Mike Weber (Hrsg.): ÖFIT-Trendschau: Öffentliche Informationstechnologie in der digitalisierten Gesellschaft. Kompetenzzentrum Öffentliche IT, Berlin 2016, ISBN 978-3-9816025-2-4.
  14. ↑ Bitcoin Developer Guide – Block Chain Overview. In: Bitcoin Developer Guide. The Bitcoin Foundation, abgerufen am 10. November 2016 (english): „A block of one or more new transactions is collected into the transaction data part of a block. Copies of each transaction are hashed, and the hashes are then paired, hashed, paired again, and hashed again until a single hash remains, the merkle root of a merkle tree. The merkle root is stored in the block header. Each block also stores the hash of the previous block’s header, chaining the blocks together. This ensures a transaction cannot be modified without modifying the block that records it and all following blocks.“
  15. ↑ Blockchain Size. In: blockchain.info. 28. September 2017, abgerufen am 28. September 2017 (english).
  16. ↑ Global Bitcoin Nodes Distribution. In: bitnodes.21.co. Abgerufen am 16. Mai 2016 (english).
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