Technologie, Aufbau und Begrifflichkeiten im Kontext der Blockchain

Als zweiter Teil der Beitragsserie zu den Chancen der Blockchain in der Energiewirtschaft steht im Folgenden die Technologie hinter der Blockchain im Fokus.

 

Übersicht über die Beitragsserie zum Thema Blockchain in der Energiewirtschaft – eine Einführung
1.   Definition, Entstehung und Wertversprechen
2.   Technologie, Aufbau und Begrifflichkeiten im Kontext der Blockchain
3.   Von der Blockchain zur Blockchain-Plattform
4.   Anwendung der Blockchain-Technologie
5.   Ausgewählte Anwendungsfälle
6.   Ausblick: Distributed Energy Data Platform

 

a. Technischer Aufbau

Die Blockchain bezeichnet die Ausprägung einer verteilten Datenbankstruktur („distributed ledger“). Der Kern der Blockchain-Technologie besteht darin, in diskreten Zeitschritten stattgefundene Transaktionen zu sammeln und zu sogenannten Blöcken zusammenzufassen und an vorangehende Blöcke angehängt. Über einen Konsensmechanismus einigen sich die Validatoren im Netzwerk über die Korrektheit der Transaktionen sowie deren Reihenfolge. Die Blockchain-Technologie verbindet so die transparente Abwicklung von Transaktionsprozessen, basisdemokratische Elemente sowie dezentralisierte und verteilte Datenbanksysteme. Um trotz dieser transparenten Eigenschaften ein hohes Maß an Manipulationssicherheit zu erreichen, kommt eine Reihe von Mechanismen zum Einsatz, welche die Sicherheit gewährleisten und im Folgenden näher beleuchtet werden. Abbildung 1 zeigt die wesentlichen Komponenten einer Blockchain nach dem ursprünglichen Konzept wie es im White Paper von Satoshi Nakamoto 2008 veröffentlicht wurde (1).

 

Komponenten der Blockchain

 Abbildung 1: Komponenten der Blockchain

 

Konsens-Mechanismus

Um die Richtigkeit und Echtheit von Transaktionen in den Blöcken zu bestätigen sowie zu verhindern, dass Transaktionen desselben Transaktionsgegenstandes mehrmals stattfinden („double spending“), benötigt jede Blockchain einen sogenannten Konsens-Mechanismus. Dieser bestätigt anhand standardisierter Verfahren (dezentral) die Korrektheit der sich im Block befindlichen Transaktionsverläufe und „kettet“ den bestätigten Block an den vorherigen Block. So entsteht mit der Zeit eine ständig wachsende Kette von Blöcken („Blockchain“). Somit herrscht über die Validität und Reihenfolge von Transaktionen Einigkeit. Manipulationen und Missbrauch können so verhindert werden.

Hash-Funktion

Unter Hashing wird die Umrechnung von Input-Werten variabler Länge in einen Hash fixer Länge bezeichnet. Von einem Hash kann nicht auf den zugrundeliegenden Input rückgeschlossen werden. Diese Funktion findet an mehreren Stellen Anwendung, u. a. aber auch bei dem bislang am weitesten verbreiteten Konsensmechanismus Proof-of-Work, wo sie Teil des zu lösenden kryptographischen Rätsels darstellt.

Kryptographie

Die Blockchain-Technologie bedient sich neben Hashing auch Komponenten der Kryptographie wie z. B. asymmetrischer Verschlüsselung zur Sicherung der Integrität von Daten und Identitäten. Bei public-/private-key-Verschlüsselung werden für die Ver- und Entschlüsselung unterschiedliche Schlüssel benötigt. Damit wird in der Regel sichergestellt, dass nur die an der Transaktion beteiligten Akteure die Informationen entschlüsseln können.

 

b. Ausprägungsarten der Blockchain-Technologien

Die Ausgestaltungsmöglichkeiten einer Blockchain sind vielfältig und betreffen verschiedene Details. So kann eine Blockchain nicht nur allgemein und frei für jeden zugänglich sein, sondern auch alternativ gewisse Restriktionen hinsichtlich ihrer Teilnehmer und Nutzungsart haben. Die Begriffe „public, private“ beschreiben dabei die Möglichkeiten zur Teilnahme am Blockchain-Netzwerk selbst (vgl. Intranet vs. Internet). Mit „permissioned“ bzw. „permissionless“ ist hingegen die Möglichkeiten zur Teilnahme am Konsens-Mechanismus beschrieben. Abbildung 2 zeigt die verschiedenen Ausgestaltungsmöglichkeiten als Überblick.

 Moegliche Auspraegungsvarianten einer Blockchain

Abbildung 2: Mögliche Ausprägungsvarianten einer Blockchain

 

c. Frequently Asked Questions (FAQ)

  • Bitcoin hat einen enormen Energieverbrauch? Woher kommt das und führt das energiewirtschaftliche Anwendungen nicht ad absurdum?
    • Schuld ist der Konsens-Mechanismus Proof-of-Work, welcher bei Bitcoin eingesetzt wird und welcher auf dem Einsatz von Energie zur Absicherung der Blockchain basiert.
    • Der enorme Energieverbrauch von > 600 kWh pro Transaktion (Stand Oktober 2019) bezieht sich nur (!) auf die Bitcoin-Blockchain.
    • …aber es gibt Alternativen (z.B. Proof-of-Stake, Proof-of-Authority), bei welchen der Energieverbrauch im Vergleich zu Proof-of Work gegen 0 geht. Dementsprechend ist der Energieverbrauch kein K.O.-Kriterium für den Einsatz der Blockchain in der Energiewirtschaft.
  • Es wird immer wieder berichtet, dass die Skalierbarkeit eines der größten Probleme der Blockchain darstellt und somit ein flächendeckender Einsatz nicht möglich ist?
    • Die Skalierbarkeit ist aktuell tatsächlich eines der größten Herausforderungen bei der Verwendung der Blockchain – gerade für sehr kleinteilige Anwendungen.
    • Es bestehen allerdings bereits eine Vielzahl technischer Konzepte und Umsetzungen, die das Problem potenziell lösen können.
    • Durch die hohe Dynamik bei der Entwicklung der Technologie ist davon auszugehen, dass das Problem der Skalierbarkeit für eine Vielzahl von Anwendungsfällen in absehbarer Zeit gelöst werden kann.
  • Stimmt es, dass die Geschwindigkeit von Blockchain-Transaktionen deutlich niedriger ist als bei konventionellen Datenbankanwendungen?
    • Aktuell sind die Transaktionsgeschwindigkeiten bei den großen public Blockchains durchaus begrenzt (Bitcoin-Netzwerk: ca. 7 Transaktionen/s, Ethereum-Netzwerk: ca. 20 Transaktionen/s)
    • Je nach Anwendungsfall und Ausgestaltung der Blockchain (public vs. private, Konsensmechanismus) kann die Transaktionsgeschwindigkeit bereits heute deutlich erhöht werden.
    • In Zukunft sind weitere technische Verbesserungen bzw. Technologien in Sicht wie z.B. State Channels, Sharding oder auch alternative Distributed Ledger Technologien
  • Es wird immer behauptet Blockchain macht alles günstiger. Wie kann es sein, dass die Transaktionskosten bei Bitcoin aktuell so hoch sind)
    • Aktuell ist der größte Kostentreiber der Konsens-Mechanismus, da das verwendete Proof-of-Work den massiven Einsatz von Energie und Hardware bedingt.
    • In Zukunft kann durch alternative Konsens-Mechanismen auf energieintensives Mining verzichtet werden. Demnach fallen lediglich noch die Transaktionskosten an
  • Ist die Blockchain denn effizient?
    • Die Blockchain ist per se nicht dafür gedacht sehr komplexe Berechnungen effizient auszuführen. Der Fokus liegt hingegen darauf, hohe Sicherheit zu gewährleisten.

Effizienzverbesserungen (z.B. durch Parallelisierung) werden aber bereits entwickelt

 

 (1) Nakamoto, Satoshi: Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System. Unbekannt: Satoshi Nakamoto, 2008.
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