Kryptowährungen basieren vielfach auf einer Blockchain, also einer Kette von Datensätzen, die kryptografisch miteinander verknüpft sind. Diese Blockchain ist die Basis für die dezentrale Datenhaltung, auf die es bei den virtuellen Währungen ankommt.
Durch ihre Konstruktion ist eine zentrale Überwachungsinstanz wie bei herkömmlichem Geld überflüssig, denn in der Datenkette werden von vornherein Regeln definiert und Abläufe dokumentiert. Das schafft Rechtssicherheit und macht Hackerangriffe aussichtslos: Sie würden die Blockchain beschädigen, jeder Teilnehmer könnte das sofort erkennen. Davon abgesehen sind die kryptografischen Verfahren nach dem heutigen Stand der Technik praktisch nicht zu knacken.
Warum ist eine Blockchain manipulationssicher?
Die Blockchain basiert darauf, dass Datensätze mithilfe eines sogenannten Hash-Wertes verknüpft werden. Mit diesem kryptografischen Wert erfolgt die Protokollierung aller Abläufe verteilt über das Netz aller Teilnehmer. Wenn einer dieser Hash-Werte gehackt würde, gäbe es einen Bruch in der Kette der Datensätze, der vorherige Transaktionen beschädigen und das Fortführen der Blockchain vereiteln würde. Jeder Block wird schließlich seinem Vorgänger zugeordnet und gehört nun zur Geschichte der betreffenden Blockchain, die nicht einfach geändert werden kann. Die komplette Blockchain ist rückzuverfolgen, aber nicht änderbar. Gerade die nachträgliche Manipulation ist praktisch ausgeschlossen.
Varianten der Verknüpfung in Blockchains
Es gibt verschiedene Algorithmen, mit denen die Datensätze zu einer Kette verknüpft werden, die bekanntesten sind Proof of Work (kurz PoW, Nachweis der Arbeit) und Proof of Stake (PoS, Nachweis des Anteils). Beim Proof of Work weist ein Miner nach, dass er eine bestimmte Rechenaufgabe gelöst hat, das Ergebnis lässt sich nachprüfen. Beim Proof of Stake erzeugt ein Blockchain-Netzwerk den sogenannten Konsensus darüber, welcher Teilnehmer die Berechtigung zum Erzeugen des nächsten Blocks erhält. Für das Verfahren kommt eine gewichtete Zufallsauswahl zum Einsatz, wobei sich das Gewicht der Teilnehmer aus ihrem Vermögen oder auch ihrer Teilnahmedauer ergibt. Es gibt noch mehr solcher Algorithmen, die komplexe kryptografische Verfahren einsetzen. Sie ermöglichen nicht nur das Schürfen neuer virtueller Coins, sondern auch die Transaktionen mit ihnen. Bei der Bitcoin-Blockchain, die den PoW-Algorithmus nutzt, funktioniert das so: Wer mit Bitcoins ein Produkt bezahlen will, erhält über seine Wallet (elektronische Geldbörse) Zugang zur Blockchain, wobei er anonym bleibt. Er autorisiert sich mithilfe der Public Key Kryptografie. Diese veranlasst, dass die Blockchain die nötige Menge an Bitcoins seiner Wallet entnimmt und sie in der Wallet des Verkäufers platziert. Dabei läuft in der Blockchain ein bestimmter Vorgang ab: Die Rechner im Netz überprüfen nun, ob der Käufer die Bitcoins besitzt, weil sie aufgrund einer früheren Transaktion in seiner Wallet gelandet sind. Gleichzeitig wird der Verkäufer überprüft: Besitzt er das zu verkaufende Produkt? Sollten diese Anfragen positiv bestätigt werden, findet die Transaktion - Kauf mit Bitcoins - statt. Aus vielen solcher Transaktionen entsteht wiederum ein neuer Block, der an die Kette gehängt wird. Bei der Transaktion erhält der Block einen Hash-Wert für die Verknüpfung mit dem vorhergehenden Block.
Entstehung neuer Blöcke
Generierte Hash-Werte schickt die Blockchain durch den sogenannten Merkel-Baum (Hash-Baum, merkle tree). Es handelt sich hierbei um eine kryptografische Datenstruktur, die als Baum (Verästelung und Verzweigung von einem Stamm aus) dargestellt werden kann. Der Merkel-Baum ist die Erweiterung einer Hash-Liste, er stellt die Integrität der entsprechenden Daten sicher. Auf diese Weise entstehen in der Blockchain stets neue Blöcke aus einer Zahl von Transaktionen und zugeordneten Hash-Werten. Natürlich finden bei lebhaftem Datenverkehr auch zeitgleiche (parallele) Transaktionen statt. Diese könnten sich theoretisch widersprechen, doch der Widerspruch wird aufgelöst, indem die Blockchain einem der Blöcke den Vorrang einräumt und widersprüchliche Transaktionen entfernt. Die komplette Blockchain ist in sich widerspruchsfrei.
Datensicherheit durch die Blockchainverwaltung
Ein Block nimmt sehr viele Transaktionen auf, bei einer Größe von einem Megabyte können es 1.400 sein. Dieser Block hat einen Header mit einem Hash-Wert, der einmalig ist und sicherstellt, dass Transaktionen nicht doppelt ablaufen können. Das ähnelt dem “Verbrauch” von TANs beim Online-Banking. Ein Käufer kann also seine Bitcoins nicht doppelt ausgeben, ein Verkäufer das Produkt nicht doppelt veräußern.
Überprüfung der Rechenarbeit in der Blockchain
Bei einem Proof of Work Algorithmus, wie er beispielsweise beim Bitcoin angewendet wird, müssen Miner für das Schürfen neuer Bitcoins mathematische Aufgaben lösen, was viel Rechenleistung und nebenher bemerkt auch viel Strom kostet. Diesen Aufwand betreiben die Miner wegen der Entlohnung in Bitcoins, derzeit (April 2018) ist das Geschäft aufgrund des Bitcoin-Preises sehr profitabel. Nun geht es darum, die Lösung der Aufgabe zu überprüfen. Diese Aufgabe übernehmen die übrigen Rechner des Netzwerkes. Für die Aufgabe wurde - typisch für die Kryptografie - eine mathematische Einbahnfunktion gewählt. Diese erleichtert das umkehrte (rückwärtsgerichtete) Überprüfen der Lösung. Erst wenn sich diese als richtig erweist, werden auch Transaktionen bestätigt, Coins geschürft und Blöcke angehängt. Die Lösung eines Miners erhält zudem beim Anhängen an die Blockchain einen Zeitstempel. Der Block erhält einen eigenen Hash-Wert und denjenigen des vorangegangenen Blocks. Wer die Kette manipulieren wollte, müsste alle vorangegangenen Werte ändern, was nicht möglich erscheint. Daher ist die Blockchain manipulationssicher.