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Was ist die Blockchain?

Blockchains sind dezentrale Datenstrukturen, die aus einzelnen Blöcken bestehen, die über kryptografische Methoden miteinander verbunden sind. Analog zur Bezeichnung Blockchain ist auch der Terminus „Distributed Ledger Technologies“ (wörtlich: Verteilte-Logbuch-Technologie, kurz DLT) geläufig. In diesen verteilten Datenbanken können Informationen jeglicher Art als Transaktionen fälschungssicher, transparent und unveränderlich dokumentiert werden. In der Praxis kommt die Blockchain etwa als Basis für digitale Zahlungsmittel wie Bitcoin oder als Technologieträger für Smart Contracts zum Einsatz.

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Auf einen
Blick


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Blockchain: eine Definition

Als Blockchain werden in der IT dezentral angelegte Datenbanken bezeichnet, in denen Datentransaktionen eindeutig und fälschungssicher, unveränderbar und transparent nachvollziehbar gespeichert sind. Die Transaktionen werden auf einzelnen Blöcken festgehalten, die kryptografisch miteinander verzahnt sind. Blockchain-Systeme nutzen generell keine zentralen Serverinstanzen, sondern verteilen sich auf alle teilnehmenden Systeme. Durch diesen Aufbau soll eine gleichberechtigte Nutzung aller Beteiligten sichergestellt sein. Kein Unternehmen, Staat oder Behörde hat mehr Berechtigungen als die einzelnen NutzerInnen. Schadhafte Manipulationen sind nur dann denkbar, wenn es einer Partei gelingt, mehr als 50 Prozent aller angeschlossenen Systeme im Verbund zu übernehmen. Transaktionen im Blockchain-Verbund werden intern verifiziert und protokolliert. Auf diese Weise ist eine direkte und sichere Übertragung von Werten ohne Intermediär möglich. Aufgrund dieser Eigenschaften eignen sich Blockchain-Lösungen insbesondere in Szenarien, in denen eine Übertragung von Informationen zweifelsfrei und manipulationssicher gewährleistet werden muss. Zu gängigen Einsatzgebieten zählen Kryptowährungen, Smart Contracts und Systeme zur Lieferkettenverfolgung.

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Wie funktioniert die Blockchain?

Fallbeispiel Bitcoin-Blockchain: Als verteilte Datenbank besteht die Blockchain aus kryptografisch miteinander verbundenen Datenblöcken, die die Informationen der getätigten Transaktionen des Netzwerks beinhalten. Jeder Knoten im Blockchain-Netzwerk kann Transaktionen tätigen sowie einsehen. Auf jedem Block wird wiederum eine gewisse Anzahl Transaktionen zusammengefasst und festgehalten. Gleichzeitig verweist jeder Block über Hashwerte auf den vorausgegangenen Block und dessen Transaktionshistorie. Die Verifizierung der Blöcke erfolgt über Miner. Das sind Blockchain-Knoten, die Rechenleistung zur Verfügung stellen, um über die Brute-Force-Methode vorgegebene Hashwerte für den jeweiligen Block zu berechnen. Diese Verifizierungsmethode trägt den Namen Proof of Work. Sinnbildlich agieren die Miner damit als Buchhalter in der Blockchain, die die Rechtmäßigkeit von Transaktionen im Netzwerk bestätigen. Ist ein neuer Block fertiggestellt, werden die Informationen an alle Knoten im Blockchain-Verbund weitergegeben und auf der jeweils lokalen Kopie der Blockchain gesichert. Eine nachträgliche Manipulation der Daten ist nicht möglich, da selbst minimale Änderungen große Auswirkungen auf die Hashwerte hätten, mit denen die einzelnen Blöcke aufeinander verweisen.

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Wie funktionieren Transaktionen auf der Blockchain?

Um aktiv in einem Blockchain-Netzwerk teilzunehmen, ist eine Client-Software erforderlich, die bei Kryptowährungen wie dem Bitcoin als eine Wallet bezeichnet wird. Die Software nutzt eine asymmetrische Verschlüsselung, die auf einem privaten sowie einem öffentlichen Schlüssel basiert – letzterer dient als Adresse für Transaktionen. Der private Schlüssel ist geheim und kommt zur Signatur von Transaktionen zum Einsatz, um deren Authentizität sicherzustellen. Alternativ zu Software-basierten Wallets können für die Nutzung der Blockchain auch Hardware-Wallets eingesetzt werden. Diese Geräte sind speziell dafür vorgesehen, die privaten Schlüssel von NutzerInnen möglichst sicher zu verwalten. Im Gegensatz zu Software-Wallets auf Smartphones oder PCs besteht hier keine unmittelbare Verbindung zum Internet, womit ein kritischer Angriffsvektor entfällt. Die Geräte signieren Transaktionen lokal und geben die fertig signierte Transaktion beim Anschluss an einen PC zur weiteren Verarbeitung aus. Dadurch verlassen die privaten Schlüssel niemals den sicheren Speicher. Ein Auslesen der sensiblen Daten durch Schadsoftware ist damit ausgeschlossen, wodurch sich Hardware-Wallets in der Theorie selbst auf kompromittierten Systemen sicher einsetzen lassen.

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Wie sicher ist die Blockchain?

Die Blockchain selbst wurde für den manipulationssicheren und transparent nachverfolgbaren Austausch von Informationen konzipiert. Die technologische Basis dafür bilden kryptografische Verfahren, die dank hoher Verschlüsselungsstandards gleichfalls die Sicherheit der Blockchain gewährleisten sollen. Der Einsatz komplexer Verschlüsselungsmethoden garantiert jedoch keinesfalls übergreifende IT-Sicherheit. Wie das Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI) in seinem Blockchain-Ratgeber zu bedenken gibt, können konkrete (insbesondere quantitative) Aussagen zum Sicherheitsniveau für die Vielzahl der Blockchain-Anwendungen nicht getroffen werden. Erst wenn Unternehmen ausreichend Erfahrung mit der Technologie gesammelt haben, kann eine fundierte Einschätzung der Cybersicherheit folgen. Darüber hinaus ist die Blockchain nur bedingt für die Verarbeitung vertraulicher Daten geeignet, da das technologische Konzept in erster Linie die Datentransparenz verfolgt. Verschlüsselte Inhalte, die nicht für das gesamte Blockchain-Netzwerk einsehbar sind, lassen sich nur schwer verifizieren. Hier sind spezielle Zero-Knowledge-Protokolle erforderlich, die in der Praxis komplex in der Umsetzung und sehr ressourcenintensiv sind.

Weitere Herausforderungen bei der IT-Sicherheit sieht das BSI beim Schlüsselmanagement. Müssen etwa die öffentlichen Schlüssel konkret einer Person zugeordnet werden, erfordert das zusätzliche Prozesse zur Identitätsprüfung und Verifizierung. Hierzu eignet sich etwa eine Public-Key-Infrastruktur, die den technisch-organisatorischen Aufwand hierfür übernimmt. Allerdings bedingt ein solches Konzept wieder den Einsatz vertrauenswürdiger Dritter in Form einer Certificate Authority, wodurch ebenso eine zentralisierte Instanz eingebunden wird.

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Welche Vorteile bietet die Blockchain?

Im Vergleich zu klassischen Datenbanken oder Cloud-Architekturen bieten Blockchain-basierte Lösungen eine Reihe von Vorteilen. Zu den wichtigsten Attributen der Technologie zählen:

Verfügbarkeit & Ausfallsicherheit:
Gegenüber zentralisierten Systemen besitzen Blockchain-Lösungen eine Reihe von Vorteilen. Allein der architektonische Aufbau gewährleistet eine hohe Ausfallsicherheit. Während klassische Datenbanken auf zentralen Servern betrieben werden, auf die wiederum Clients zur Abfrage und Bearbeitung der Daten zugreifen, wird die Datenbasis in einem Blockchain-Netzwerk gemeinschaftlich verwaltet. Kommt es zu technischen Ausfällen bei einem Knoten, stehen die Daten immer noch über sämtliche andere Instanzen bereit. Dahingegen verursachen Serverprobleme bei zentralisierten Architekturen meist eine eingeschränkte Verfügbarkeit, je nach Grad der Redundanz.
Sichere Werteübertragung:
Transaktionen in der Blockchain werden technologisch verifiziert und dokumentiert. Somit sind vorgenommene Übertragungen von Werten und Daten für alle beteiligten Instanzen im Netzwerk transparent rückverfolgbar und manipulationssicher festgehalten.
Keine Zwischeninstanzen:
Alle Transaktionen im Netzwerk erfolgen Peer-to-Peer (P2P) ohne vermittelnde Zwischeninstanzen wie Banken, Notare oder Staaten. Durch diesen Verzicht auf vertrauensbildende Intermediäre lassen sich Geschäftsprozesse hochautomatisieren, was zu Zeit- und Kostenersparnissen führt. Großes Potenzial hat die Blockchain-Technologie daher etwa in der Logistik für automatisierte Lieferketten und dergleichen.
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Welche Nachteile hat die Blockchain?

Frei von Nachteilen und problematischen Eigenschaften ist auch die Blockchain nicht, zumal viele Blockchain-Lösungen noch mit Kinderkrankheiten zu kämpfen haben. Die größten Mankos der Blockchain-Technologie betreffen:

Ressourcen-Bedarf:

Speziell das Proof-of-Work-Konzept erfordert immense Rechenkapazitäten und Energie. So lag der durchschnittliche Stromverbrauch von einer einzigen Bitcoin-Transaktion 2020 bei 741 Kilowattstunden. Zum Vergleich: Mit derselben Energiemenge lassen sich knapp 500.000 Visa-Transaktionen vornehmen (Quelle: Statista). Daneben ist auch der kumulative Speicherbedarf verzweigter Blockchain-Datenbanken um ein Vielfaches höher als bei zentralisierten Server-Systemen.

Langsam:

Der hohe technologische Aufwand zur kryptografischen Verifizierung der Transaktionen macht Blockchain-Lösungen vergleichsweise langsam. Zentralisierte Cloud-Architekturen arbeiten schneller und können weitaus mehr Transaktionen im direkten Vergleich tätigen.

Fehlende Praxistauglichkeit:

Auch wenn das hohe Potenzial Blockchain-basierter Lösungen unumstritten ist, steckt die Technologie immer noch in den Kinderschuhen. Es mangelt an Standardisierung und Übersichtlichkeit. So kritisiert etwa das BSI die unübersichtliche Fülle an verfügbaren Lösungen, die die planungssichere Auswahl eines konkreten Produkts schwierig macht. Praxistaugliche Umsetzungen sind nur für wenige Unternehmen und Branchen verfügbar und die Anbindung von Legacy-Systemen gestaltet sich problematisch. Darüber hinaus ist IT-Fachpersonal mit den erforderlichen Blockchain-Kenntnissen Mangelware auf dem umkämpften Arbeitsmarkt.

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Wo wird die Blockchain eingesetzt?

Es gibt zahlreiche Blockchain-basierte Lösungen, die die Eigenschaften der dezentralen Datenverarbeitung nutzen. Am meisten Potenzial entwickeln Blockchain-Lösungen, wenn sie direkt auf den positiven Attributen der Technologie aufbauen. Zu den bekanntesten Einsatzgebieten zählen:

Kryptowährungen

Das prominenteste Beispiel für die Blockchain ist die Kryptowährung Bitcoin, die regelmäßig mit abenteuerlichen Kursschwankungen in den Schlagzeilen landet. Aufgrund der extremen Volatilität sind Bitcoin und die Mehrheit anderer Blockchain-Token für normale Zahlungsgeschäfte ungeeignet. Viel mehr dienen die Kryptowährungen derzeit als spekulatives Investment für risikofreudige Anleger.

Smart Contracts

Abseits von Kryptowährungen kommt die Blockchain aktuell etwa in der Logistik zur automatisierten Verfolgung von Lieferketten und zur Abwicklung von Zoll- und Steuerformalitäten per Smart Contract zum Einsatz. Erste Pilotprojekte internationaler Redereien und Seehäfen laufen bereits seit einigen Jahren. Durch den Einsatz der Blockchain kann die erforderliche Handelsdokumentation transparenter, schneller und kosteneffizienter erfolgen. Dokumente werden dazu elektronisch und automatisiert zwischen den einzelnen Handelspartnern und den zuständigen Zollbehörden übermittelt, validiert und genehmigt.

E-Health

Der digitale Corona-Impfpass setzt ebenfalls auf die Blockchain. Mit der Lösung sollen BürgerInnen die Möglichkeit erhalten, elektronisch ihren Impfstatus zu teilen. Etwa für den Besuch von Veranstaltungen oder für den Check-in am Hotel und Ähnliches. Die Daten zur Impfung sowie personenbezogene Angaben wie Name, Adresse oder Personalausweisnummer landen hier verschlüsselt auf insgesamt fünf Blockchains. Für BürgerInnen ist indessen nur der dazugehörige QR-Code relevant, der zum Abgleichen der Daten dient. Den Code kann man wahlweise ausgedruckt oder in einer Software-basierten Wallet auf dem Smartphone nutzen.

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Blockchain: Das müssen Sie wissen

Blockchains sind dezentral strukturierte Datenbanken, die sich aus kryptografisch miteinander verbundenen Blöcken zusammensetzen. In Blockchain-Datenbanken werden Informationen transparent und manipulationssicher festgehalten, wodurch sich die Technologie speziell zur nachverfolgbaren Übertragung von Werten etwa in Form von Kryptowährungen oder innerhalb von Smart Contracts eignet. Der Vorteil von Blockchain-basierten Lösungen besteht in diesen Einsatzgebieten darin, dass keine beglaubigende Instanz mehr erforderlich ist, die die Transaktion absichert. Der Austausch erfolgt in der Blockchain stattdessen Peer-to-Peer von einer Instanz zur anderen. Im Vergleich zu zentralisierten Datenbanken arbeiten Blockchain-Lösungen allerdings langsamer und benötigen deutlich mehr Ressourcen – bedingt durch den hohen technischen Aufwand für die Verifizierung der Daten.

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