Der Hype geht weiter

Wie Sie die Blockchain-Technologie sinnvoll nutzen

Christoph Meinel, Tatiana Gayvoronskaya

©Shutterstock / phive

Diente die Blockchain-Technologie ursprünglich als Grundlage für das digitale Zahlungssystem Bitcoin, so ist sie heute bereits in zahlreichen Anwendungsbereichen vertreten. Angesichts dieser Omnipräsenz stellen sich besonders große Unternehmen, aber auch Start-ups immer häufiger die Frage, ob und wann man auf den Blockchain-Zug aufspringen sollte. Die Potenziale der Blockchain-Technologie sind für viele Branchen enorm – dennoch erfordert nicht jeder Zweck den Einsatz einer so komplexen Technologie.

Wenn man von dem Hype, der die Blockchain-Technologie umhüllt, einmal absieht, hat man eine zwar noch nicht ausgereifte, aber aufsteigende Technologie vor Augen, die Geschäftsprozesse mit einer richtigen Einsatz und Implementierungsstrategie tatsächlich schlanker und effizienter gestalten kann. Wie bei jeder Innovation geht man dabei Risiken ein, da es an Standards und Interoperabilität zwischen den Systemen noch mangelt. Nüchtern betrachtet besteht die Innovation der Blockchain-Technologie in der erfolgreichen Kombination vorhandener Ansätze wie dezentrale Netzwerke, Kryptografie und Konsensfindungsmodelle.

Durch das innovative Blockchain-Konzept ist ein Werteaustausch in einem dezentralen System möglich. Dabei wird kein Vertrauen zwischen dessen Knoten, den Systemnutzern, vorausgesetzt. Die Intelligenz liegt bei den Systemnutzern und nicht bei einer zentralen Instanz. Die Werte werden unveränderbar und unwiderruflich in die Blockchain-Historie aufgenommen. Diese ist transparent und erlaubt den Nachweis, wann ein Wert bei wem in Besitz war. Dabei ist ein Werteaustausch auch mit komplexen Bedingungen möglich (Smart Contracts). Jedes Unternehmen, das sich seriös für die Einführung der Blockchain-Technologie in eigenem Unternehmen interessiert, sollte sich erst intensiv mit dem Thema befassen, bevor es sich für die Implementierung entscheidet. Das Ziel, das mit dem Einsatz der Technologie erreicht werden soll, muss gleich am Anfang klar definiert werden. Dabei sind auf jeden Fall die Möglichkeiten und Grenzen der Blockchain-Technologie im Auge zu behalten und mit anderen bereits bestehenden Technologien und Lösungen zu vergleichen.

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Einsatzmöglichkeiten

Eine Auseinandersetzung mit den Vorzügen und Schwachpunkten der Blockchain-Technologie gibt Aufschluss über deren sinnvolle Einsatzmöglichkeiten. So macht der transparente Überblick über alle Einträge, also die Nachverfolgbarkeit und deren Fälschungssicherheit, die Blockchain-Technologie besonders attraktiv für die Protokollierung von Daten. Ein gutes Beispiel dafür ist ein Blockchain-basiertes Grundbuch in Schweden (Schweden benutzt jetzt offiziell die Blockchain für Grundbucheintragungen oder The Land Registry in the Blockchain).

Zudem bietet die Blockchain-Technologie den Vorteil, Daten sicher und transparent in einem System zu speichern, sie zu validieren, zu verifizieren und zwischen mehreren Instanzen zu teilen (Abb. 1). Verteilte Datenbanken sind daher ebenfalls beliebte Anwendungsfälle für die Blockchain-Technologie. Durch die Art der Informationsverbreitung in einem Blockchain-System verfügt jeder Nutzer entweder über eine vollständige Kopie oder über eine schlanke Version der Blockchain (Full und Lightweight Nodes), die zudem regelmäßig aktualisiert wird. Die Verteilung der Blockchain auf viele voneinander unabhängige Rechner sichert gegen einen Systemausfall oder Datenverlust ab.

Abb. 1: Projekte mit unterschiedlichen Schwerpunkten

Abb. 1: Projekte mit unterschiedlichen Schwerpunkten

Eine weitere Einsatzmöglichkeit der Blockchain-Technologie ist die State Machine, die alle Vorteile der Blockchain-Technologie nutzt. Der Schwerpunkt liegt hierbei insbesondere auf der Dezentralität in Verbindung mit autonomer Funktionalität. Durch Dezentralität und den kryptografischen Nachweis ist das Vertrauen in Dritte sowie Kommunikationspartner nicht erforderlich.

Vielfältige Herausforderungen

Trotz dieser Vorteile steht die Blockchain-Technologie heute noch vor vielen Herausforderungen. So sind für eine dezentrale IoT-Lösung beispielsweise ein sicherer, dezentraler Datentransfer und eine robuste, skalierbare Form des Gerätemanagements immens wichtig. Einer IBM-Studie zufolge liefert die Blockchain-Technologie eine elegante Lösung dafür. Die Validierung der Informationen in einem solchen IoT-Netzwerk erfordert sehr hohe Rechenleistungen und Speicherkapazitäten der Knoten (Systemnutzer). Diese und weitere Herausforderungen können durch unterschiedliche Konzepte gelöst werden. Einige davon sind folgend aufgelistet:

Standard- und mobile Nutzer: Full und Lightweight Nodes. Grundsätzlich sind in einem Blockchain-basierten System alle Knoten gleichberechtigt und können zugleich Clients und Server sein. Angesichts des enormen Umfangs einiger Blockchains – die Bitcoin-Blockchain ist gegenwärtig ca. 180 GB groß – ist es verständlich, dass nicht jeder Nutzer genügend Ressourcen für das Speichern und Verifizieren bereitstellen kann. Vor allem im mobilen Bereich sollte die Anwendung möglichst schlank sein. Aus diesem Grund lassen Blockchain-basierte Systeme zwei Arten von Nutzern zu:

  • Server oder vollständige Nutzer (Full Node) speichern die komplette Blockchain und sind in deren Verifizierung involviert.
  • Clients oder leichtgewichtige Nutzer (Lightweight Nodes oder Thin Clients) speichern nur einen Teil der Blockchain, nämlich Blockheader und Informationen, die nur ihre Daten – beispielsweise Transaktionen – betreffen. Anhand der im Header enthaltenen Daten, dem Merkle Tree, kann der Nutzer verifizieren, ob die Transaktion in einen Block aufgenommen wurde und wie viele Blöcke diesem bereits folgen. Um Informationen zu erhalten, die nur ihn betreffen, baut der leichtgewichtige Nutzer eine Verbindung zu den vollständigen Nutzern auf. Da die leichtgewichtigen Nutzer keine Blockinhalte (Transaktionen) speichern, müssen sie den vollständigen Nutzern vertrauen, dass die Blöcke und Transaktionen regelkonform erstellt wurden und keine doppelten Ausgaben enthalten. Die Sicherheit des Systems hängt folglich allein von den vollständigen Nutzern ab.

Nutzerberechtigungen: Public und Private Blockchains. Das große Interesse vieler Unternehmen an der Blockchain führt zu zahlreichen Versuchen, die Technologie an eigene Bedürfnisse anzupassen. So wird mittlerweile zwischen der öffentlichen und privaten Blockchain unterschieden.

In einer öffentlichen Blockchain (Public Blockchain) haben alle Nutzer die gleichen Berechtigungen und bilden somit ein dezentrales System. Sie können die ganze Blockchain-Historie sehen, das System nutzen – beispielsweise neue Transaktionen erstellen oder States aktualisieren – sowie an der Blockchain-Fortschreibung (Mining, Minting usw.) teilnehmen.

Sobald Nutzerberechtigungen eingeschränkt werden, spricht man von einer privaten Blockchain (Private Blockchain). Hier ist das Blockchain-System nicht mehr vollständig dezentral und transparent, die Historie ist nur für vordefinierte Nutzer, zum Beispiel im Bereich eines Unternehmens oder über mehrere Unternehmen hinweg, zugänglich. Die Berechtigung, die Blockchain fortzuschreiben und zu nutzen, ist auf eine Gruppe von Nutzern beschränkt.

Neue Werte auf bereits bestehender Blockchain: Colored Coins. Die Colored-Coins-Methode („gefärbte Münzen“), die ursprünglich für das Bitcoin-System entwickelt wurde, ist die einfachste Art, die Blockchain-Technologie zu nutzen. Das Prinzip baut auf einer bereits bestehenden Blockchain auf und fügt zu den bereits vorhandenen Werten – genauer gesagt, zum Unspent Transaction Output (UTXO) – zusätzliche Informationen (Metadaten) hinzu. Die originalen digitalen Münzen, beispielsweise Bitcoins, werden also mit anderen Informationen verknüpft („gefärbt“) und bekommen somit eine andere Semantik. Nach dem Hinzufügen von zusätzlichen Informationen zu den Bitcoins können diese etwa einen neuen Wert repräsentieren: ein Zertifikat, eine Aktie oder einen digitalen Schlüssel für ein Haus oder Auto.

Smart Contracts. Eine Weiterentwicklung der Colored-Coins-Idee hat die Smart-Contracts-Lösung hervorgebracht, die ursprünglich aus dem Ethereum-System stammt. Dabei wird der Einsatz nicht nur auf den Bereich Kryptowährungen begrenzt, sondern die Technologie wird mehr als eine programmierbare dezentrale Vertrauensinfrastruktur genutzt und löst damit zahlreiche Probleme der Colored-Coins-Methode. Während die Skriptsprache des Bitcoin-Systems die Menge der in der Blockchain gespeicherten Metadaten begrenzt, erlaubt Ethereum dagegen beliebig große autonome Applikationen mit zahlreichen Bedingungen, Informationen und Werten und verfügt über eine eigene Programmiersprache. Zudem trennt das Ethereum-System Zustände und Transaktionen voneinander und geht damit weit über das Kryptowährungssystem Bitcoin hinaus, das nur zwischen ausgegeben und nicht ausgegeben unterscheidet. Die Tokens im Ethereum-System können eine Vielzahl von Zuständen annehmen, die durch die in den Smart Contracts hinterlegten Bedingungen autonom und dynamisch aktualisiert werden.

Konsortien und Kooperationen

Noch verhindern fehlende einheitliche Standards eine Interoperabilität zwischen den unterschiedlichen Blockchain-Anwendungen. Aktuell versuchen viele Forscher und Entwickler, eine Balance zwischen Skalierbarkeit und Sicherheit zu gewährleisten. In den vergangenen drei bis vier Jahren sind zahlreiche Konsortien und Kooperationen (Abb. 2) entstanden, die sich mit der Blockchain-Technologie und vor allem mit ihrer Weiterentwicklung und Fragen der Standardisierung beschäftigen. So unterstützt beispielsweise ein Konsortium namens „Chain of Things“ die kollaborative Entwicklung von Open-Source-Standards für die Blockchain-Technologie im IoT-Bereich.

Abb. 2: Start-ups in Kooperation mit großen Unternehmen

Abb. 2: Start-ups in Kooperation mit großen Unternehmen

Aktuell orientieren sich Entwickler insbesondere an Bitcoin-, Ethereum- und Hyperledger-Systemen, die als Grundlage für viele weitere Blockchain-Anwendungen dienen.

Werden ganz neue Blockchain-Systeme entwickelt, kann es durch Änderungen an der bestehenden Technologie durchaus zu Sicherheitslücken kommen, von denen Angreifer Gebrauch machen können. Ausgenutzt werden diese zum Beispiel bei den sogenannten 51-Prozent-Attacken, bei denen ein Miner oder ein Miningpool ein Monopol über die Blockerstellung und somit über die Blockchain-Fortschreibung erlangen kann. Wie sich eine Schwachstelle im Code ausnutzen lässt, zeigt etwa die schwerwiegende Attacke auf die dezentrale autonome Organisation The DAO [1].

Regelmäßig gründen sich neue Start-ups, die Blockchain als Gesamtlösung oder Teil einer Lösung anbieten und dabei entweder eine bestehende Blockchain nutzen – beispielsweise Bitcoin oder Ethereum – oder eine eigene Blockchain entwickeln. Großunternehmen wie IBM, Microsoft, Samsung, SAP und Intel experimentieren längst mit dieser Technologie und starten innovative Projekte. Neben den zahlreichen fertigen und spezialisierten Blockchain-Lösungen, die in diesen Projekten entstehen, werden „Blockchain-as-a-Service“ und „Blockchain-as-a-Platform“ angeboten, um andere Unternehmen beim Entwickeln, Testen und Bereitstellen von Anwendungen zu unterstützen. So entwickelt sich ein stetig wachsendes Ökosystem, das vielversprechende neue Einsatzmöglichkeiten für die Blockchain-Technologie hervorbringen wird.

Geschrieben von
Christoph Meinel
Christoph Meinel
Christoph Meinel (Univ.-Prof., Dr. sc. nat., Dr. rer. nat., 1954) ist wissenschaftlicher Direktor und Geschäftsführer des Hasso-Plattner-Instituts für Softwaresystemtechnik GmbH (HPI). Christoph Meinel ist ordentlicher Professor (C4) für Informatik und hat den Lehrstuhl für Internet-Technologien und Systeme am HPI inne.
Tatiana Gayvoronskaya
Tatiana Gayvoronskaya
Tatiana Gayvoronskaya ist Doktorandin am Lehrstuhl Internet-Technologien und -Systeme unter der Leitung von Prof. Dr. Christoph Meinel am Hasso-Plattner-Institut der Universität Potsdam. Ihre Forschungsthemen sind Blockchain-Technologie und Identitätsmanagement.
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