Die Blockchain Typen im Überblick

von Thomas Joos

14. Juni 2018

Die Blockchain-Technologie ist seit einigen Jahren ein fester Bestandteil der Wirtschaft und der IT. Bei der digitalen Transformation spielt diese Technologie eine wesentliche Rolle. Im Beitrag “Blockchain für Unternehmen sinnvoll einsetzen” geben wir einen Überblick zu den Möglichkeiten und Vorteilen beim Einsatz in Unternehmen.

Die Blockchain-Technologie gilt als die nächste große technologische Errungenschaft nach der Erfindung des Internets. Das ist auch der Grund, warum nahezu alle maßgeblichen IT-Unternehmen, Banken und andere Konzerne stark an der Entwicklung der Blockchain mitwirken.

Doch Blockchains sind nicht alle gleich. Es gibt verschiedene Blockchain-Typen, die jede für sich ihre Existenzberechtigung haben und einen bestimmten Zweck erfüllen. Blockchain-Technologien sind für Unternehmen aller Größenordnungen und Branchen sinnvoll einsetzbar.

Die Blockchain ermöglicht für Unternehmen aller Größenordnungen und Branchen eine deutliche Verbesserung der Prozessabläufe. Da viele Blockchain-Infrastrukturen auf Open Source basieren, ist der Einstieg nicht sehr hoch.

Es ist auch nicht notwendig eine komplette Infrastruktur auf Basis der Blockchain zu implementieren, sondern in vielen Fällen reicht es aus mit einem Projekt zu beginnen, um sich in die Möglichkeiten der Blockchain einzuarbeiten. Viele Unternehmen setzen hier auch auf Cloud-Lösungen, da dadurch weitere Partner einfacher anzubinden sind. Unternehmen wie Amazon, Microsoft, Google, IBM und Oracle bieten auf ihren Cloud-Plattformen bereits verschiedene Funktionen zum Aufbau einer Blockchain an.

Unterschiede zwischen Bitcoin, Blockchain und Distributed Ledger

Bitcoin ist die erste Kryptowährung, die auf Basis einer Blockchain entwickelt wurde. Daher ist Bitcoin mittlerweile ein Synonym für Blockchains. Allerdings ist die Bitcoin-Blockchain mittlerweile nur ein Beispiel von verschiedenen Blockchains. Die Blockchain von Bitcoin ist die technische Grundlage für das Erstellen von Bitcoins über Bitcoin Mining.

Beim Einsatz von Blockchains spielt auch der Begriff Distributed Ledger Technology (DLT) eine wichtige Rolle. DLT bedeutet übersetzt „verteilte Hauptbücher“. Häufig wird die Bezeichnung DLT und Blockchain miteinander vermischt. DLT wird häufig in privaten Blockchains eingesetzt, um mit Blockchain-Technologien Transaktionen zwischen Partnerunternehmen- und Organisationen zu speichern.

Beim Einsatz von DLT werden Kassenbücher im klassischen Sinne nicht zentral von einer Instanz gespeichert, sondern dezentral auf allen Knoten. Dabei muss nicht auf Blockchain gesetzt werden, allerdings ist die Verwendung der Blockchain bei diesem Einsatzgebiet natürlich ideal. In einem auf Blockchain basierten Netzwerk werden die Daten auch dezentral gespeichert. DLT und Blockchains sind ideale Partner, die im Einsatz gut zusammengenutzt werden können. Aus diesem Grund nutzen mittlerweile nahezu alle relevante Distributed Ledgers die Blockchain-Technologie.

Grundsätzlich könnten dezentrale Datenbanken und Kassenbücher auch ohne Blockchain-Technologien umgesetzt werden. Allerdings ist das eher selten der Fall, da erst durch Einsatz der Blockchain eine entsprechende Sicherheit und Transparenz erreicht werden kann.

Die Blockchain Typen im Überblick

Die Blockchainwelt lässt sich grob in drei Gruppen unterteilen:

Öffentliche (public) Blockchain
Private Blockchain
Konsortium oder auch Federated Blockchain

Dazwischen gibt es noch diverse Mischformen wie Public-Permissioned oder Private-Permissioned Blockchains. Auch auf diese gehen wir nachfolgend ein. Einfach ausgedrückt ermöglichen es Public-Permissioned oder Private-Permissioned Blockchains, dass für die verschiedenen Blockchain-Typen festgelegt werden kann, wer die Transaktionen in der Blockchain validieren darf und wer generell Zugriff auf die Daten der Blockchain hat.

Mit diesen unterschiedlichen Techniken ist es möglich innerhalb einer Blockchain mit Berechtigungen zu arbeiten. Die verschiedenen Teilnehmer können unterschiedliche Rollen erhalten und dadurch Daten lesen, schreiben, validieren oder auch nur auf Teilbereiche der Daten zugreifen. Permissioned-Blockchains kommen vor allem in Unternehmen zum Einsatz, da hier gezielt Rechte vergeben können und müssen.

Public Blockchain – Open Source

Diese Art der Blockchain ist öffentlich zugänglich und Open Source. Jeder kann den Quellcode der Blockchain überprüfen und an der Verbesserung mitarbeiten. Das bedeutet, es ist jedem freigestellt sich an dem Netzwerk zu beteiligen. Das gilt für Privatpersonen, Organisationen und auch Unternehmen. Public Blockchain gehört zu den verbreiteten Varianten beim Einsatz der Blockchain. Unternehmen setzen nicht immer auf private Blockchains, sondern versuchen die Vorteile der Public Blockchain für sich nutzbar zu machen und die Nachteile des Datenschutzes mit anderen Technologien zu kompensieren, zum Beispiel mit Off-Chaining. Dabei nutzt eine App die Funktionen der Public Blockchain, speichert “geheime” Daten aber in einem Bereich außerhalb der Public Blockchain.

Es gibt keine zentrale Kontrollstelle oder Server, auf denen die Blockchain betrieben wird. Die Datenbank der Blockchain ist nicht zentralisiert, liegt also nicht auf einem Server oder Cluster. Alle Teilnehmer in einer Blockchain besitzen eine vollständige Kopie der Datenbank einer Blockchain. Computer, auf denen Software zur Teilnahme an der Blockchain installiert ist, werden auch als Nodes (Knoten) in der Blockchain bezeichnet.

Alle Knoten in einer Blockchain bilden das Blockchain-Netzwerk und verfügen über eine vollständige Kopie der Datenbank. Beim Starten der Anwendung wird die lokal gespeicherte Kopie der Blockchain-Datenbank aktualisiert und auch im laufenden Betrieb erfolgt fortlaufend eine Aktualisierung.

Öffentliche Blockchains sind vollständig dezentralisiert und es gibt keine verschiedenen Zugriffsrechte. Dazu kommt die hohe Transparenz, da jeder Knoten alle Daten kennt und die Unveränderlichkeit der Daten. Alle Transaktionen werden Teil der Datenbank und können nicht mehr zurückgenommen werden.

Es gibt auch keinen Verantwortlichen und keine Administratoren in öffentlichen Blockchains. Jeder kann am Lesen, Schreiben und Verifizieren der Blockchain teilnehmen. Eine weitere Eigenschaft dieses Blockchain-Typs ist, dass Blockchains offen und transparent sind. Dadurch kann jede Person innerhalb des Netzwerks einen bestimmten Zeitpunkt in der Aufzeichnung der öffentlichen Blockchain überprüfen.

Die verschiedenen öffentlichen Blockchains sind dadurch sehr vertrauenswürdig. Wenn Änderungen in der Blockchain durchgeführt werden, zum Beispiel beim Erstellen von neuen Transaktionen, muss jeder Knoten zustimmen.

Das erhöht die Sicherheit der Transaktionen, da Fälschungen auf diesem Weg kaum möglich sind. Alle Teilnehmer und deren installierten Programme zum Teilnehmen an der Blockchain kennen alle Daten der Blockchain. Es gibt keinen zentralen Angriffspunkt, der kompromittiert werden kann.

Einige Beispiele für öffentliche Blockchains sind:

Allen Nutzern stehen bei diesem Blockchain-Typ folgende Aktivitäten zur Verfügung:

Coins bzw. Token durch Mining generieren und einen Knoten im Netzwerk betreiben
Transaktionen senden und empfangen
Die Blockchain in einem Blockchain-Explorer überprüfen

Konsensus in öffentlichen Blockhains

Keine Person oder Gruppe ist für die Kontrolle der öffentlichen Blockchain verantwortlich. Daher wird die Entscheidungsfindung und die Verifizierung von Transaktionen durch verschiedene Konsensmechansimen, wie dem Proof-of-Work oder Proof-of-Stake erzielt.

Der Konsensus spielt eine wesentliche Rolle in Blockchains. Der Mechanismus stellt innerhalb der Blockchain sicher, dass alle Transaktionen gültig sind und alle Teilnehmer einer Blockchain Zugang zu allen Daten haben. Nur gültige Transaktionen werden in der Blockchain gespeichert. Die Gültigkeit wird durch den Konsensus bestimmt.

Der Proof-of-Work Algorithmus (PoW) kommt zum Beispiel in der Bitcoin-Blockchain zum Einsatz. Auch Blockchains wie Ethereum setzen auf PoW, nutzen mittlerweile aber auch andere Technologien. PoW arbeitet beim Erstellen eines Konsenses, also dem Bestätigen einer Transaktion in der Blockchain, mit dem Lösen einer Rechenaufgabe. Bei dieser Vorgehensweise ist eine hohe Rechen- und Ressourcenleistung der Knoten notwendig, was Strom- und Hardwarekosten deutlich erhöht.

Der Konsensus Proof-of-Stake (PoS) wird unter anderem in Ethereum 2 eingesetzt. Im Gegensatz zu PoW soll PoS deutlich weniger Strom- und Ressourcenkosten verursachen, die Knoten benötigen keine hohe Leistung. Beim Einsatz von PoS bestimmt nicht die Leistung eines Knotens, wer den Konsensus errechnet, sondern es wird eine Zufallsauswahl in Verbindung mit einer Gewichtung verwendet. Damit bestimmte Knoten in der Blockchain eine Transaktion validieren dürfen, müssen Sie über eine bestimmte Anzahl von Tokens oder Coins verfügen.

Ein weiterer Konsenus-Mechanismus ist „Delegated Proof-of-Stake“. Dabei wählen Knoten einen Delegierten, der Konsensus-Aufgaben erfüllt. Dieser muss nicht die meisten Coins/Tokens besitzen, sondern wird zufällig von Knoten ausgewählt. Neue Mechanismen sind auch „Yet Another Consensus (YAC) und Delegated Byzantine Fault Tolerance (dBft).

Private Blockchain

Die private Blockchain steht nur einer bestimmten Gruppe zur Verfügung. Im Gegensatz zur öffentlichen Blockchain gibt es hier einen oder mehrere Verantwortliche, die sich um die Instandhaltung der Blockchain kümmern. Sie bestimmen zum Beispiel auch wer welche Aktionen ausführen und wer Zugang zu bestimmten Daten auf der Blockchain erhält.

Hier wird der Konsens über die Abstimmung der zentralen Verantwortlichen erzielt, die Nutzern innerhalb des Netzwerks Miningrechte gewähren oder auch entziehen kann. Dadurch ist die private Blockchain zentralisierter aber dennoch kryptographisch gesichert.

Der Aspekt der Zentralisierung macht es allgemein strittig, ob man diese Variante tatsächlich als Blockchain bezeichnen kann, da sie im Widerspruch mit der Grundidee von Bitcoin, die die Blockchain erstmals öffentlich bekannt machte, steht.

Daher werden private Blockchains häufig auch als Distributed Ledgers (verteilte Hauptbücher) bezeichnet, die durch Kryptografie (in diesem Beispiel von Blockchain-Technologien) gesichert werden. Doch technisch betrachtet ist auch die private Variante eine Blockchain und hier werden die gleichen Technologien genutzt, wie bei öffentlichen Blockchains.

Beispiele für Private Blockchains sind:

Diese Art Blockchain eignet sich gut zur Implementierung in Unternehmen. Da diese Wert darauf legen ihre Daten nicht jedem frei zugänglich zu machen, zum Beispiel beim Einsatz der Blockchain in Lieferketten, setzen Unternehmen stark auf private Blockchains.

Es gibt aber immer mehr Ansätze, die es auch ermöglichen sollen private Geschäfte in einer öffentlichen Blockchains zu nutzen.

Dazu kommt der Zero-Knowledge-Ansatz zum Einsatz. Hier bestätigen die öffentlichen Knoten eine Transaktion deren kompletten Inhalt sie nicht kennen. Auch hier kommen hohe Sicherheitsanforderungen zum Tragen. Zero-Knowledge hat komplexe Verfahren als Grundlage, zum Beispiel das Feige-Fiat-Shamir-Protokoll. Einfach ausgedrückt wird dadurch in der Kryptografie sichergestellt, dass ein „Verifizierer“ eines Geheimnis das Geheimnis zwar nicht kennt, aber mit hoher Wahrscheinlichkeit bestätigen kann, dass der Inhalt des Geheimnis richtig ist, das ihm durch den „Beweiser“ angezeigt wird.

Beim Einsatz einer privaten Blockchain profitieren Unternehmen und Organisationen von der Effizienz der Blockchain und behalten dabei die Kontrolle über die Einsicht ihrer internen Unternehmensaktivitäten. Eine öffentliche Blockchain wäre für ein Unternehmen ungeeignet, da die Konkurrenz theoretisch ebenso Einblick in die privaten Geschäfte erhalten könnte. Außerdem kann die Unternehmensführung besser selektieren, welcher Mitarbeiter innerhalb des Netzwerkes die Berechtigung erhält eine konkrete Aufgabe auszuführen.

Konsortium oder Federated Blockchain

Dieser Blockchain-Typ ist eine Erweiterung der private Blockchain. Sie versucht die alleinige Autonomie der private Blockchain zu entfernen. Hier ist also mehr als eine Person oder Unternehmen für das Netzwerk verantwortlich. Im Grunde gibt es hier eine Gruppe von Unternehmen oder repräsentativen Personen, die zusammenarbeiten und Entscheidungen für den besten Nutzen des gesamten Netzwerks treffen. Solche Gruppen werden auch Konsortien oder Föderationen genannt, woher sich auch der Name ableiten lässt.

Die Funktionsweise einer Federated Blockchain lässt sich an folgendem Beispiel erklären. Ein Konsortium besteht aus 20 Finanzinstituten. Diese haben in einem Code festgelegt, dass eine Transaktion, ein Block oder eine Entscheidung innerhalb des Netzwerks nur als wahr angenommen werden darf, wenn mehr als 15 der beteiligten Institute diese bestätigen. Auf diese Weise wird innerhalb eines Konsortiums ein Konsens erzielt.

Das erlaubt eine schnelle Abwicklung von Transaktionen, wie man es von der Blockchain kennt, ohne auf die Entscheidung eines Einzelnen, wie bei der private Blockchain angewiesen zu sein. Durch die Wahl innerhalb des Konsortiums werden zudem Fehlentscheidungen oder betrügerische Aktivitäten von einzelnen Teilnehmern verhindert, da eine definierte Mehrheitsentscheidung vorliegen muss.

Beispiele für Federated Blockchains sind:

Public-Permissioned und Permissionless Blockchains

Public-Permissioned Blockchains sind Blockchains, an denen zwar jeder teilnehmen darf, bei denen aber nur bestimmte Teilnehmer die Transaktionen validieren dürfen. Häufig handelt es sich dabei um Konsortium- oder Federated-Blockchains.

Public-Permissionless Blockchains sind Blockchains im eigentlichen Sinn, zum Beispiel die Blockchain von Bitcoin und Ethereum.

Private-Permissioned und Permissionless Blockchains

Beim Einsatz von Private-Permissioned Blockchains dürfen nur festgelegte Personen auf die Blockchain zugreifen und ebenfalls definierte Teilnehmer dürfen Transaktionen validieren. Hier ist der Teilnehmerkreis übersichtlich. Ein bekanntes Beispiel ist das R3-Konsortium mit seiner Lösung „Corda“. Hier nehmen über 40 Banken teil.

Bei einer Private-Permissionless-Blockchain dürfen nur Berechtigte auf Informationen zugreifen, aber jeder Teilnehmer kann Transaktionen validieren. Diese Blockchains werden weniger in produktiven Einsatzszenarien betrieben und haben eher einen schlechten Ruf.

Im Gegensatz zu öffentlichen Blockchains (Permissionless Blockchains), wie zum Beispiel Ethereum, kann bei privaten Blockchains (Permissioned Blockchain), die wiederum mit Hyperledger Fabric aufgebaut werden können, nicht die Öffentlichkeit auf die Blockchain zugreifen, sondern nur ein bestimmter Kreis an Unternehmen.

Smart Contracts verstehen

Beim Einsatz der privaten und federated Blockchains spielen Smart Contracts eine wichtige Rolle. Smart Contracts sind einer der wichtigsten Einsatzgebiete von Blockchain-Technologien in Unternehmen und Organisationen. Innerhalb einer Blockchain können Smart Contracts entwickelt werden. Smart Contracts (dtsch. intelligente Verträge) sind Verträge, die auf Computerprotokollen basieren und Abläufe im Geschäftsleben rechtssicher automatisieren, auch zwischen Partnerunternehmen.

Smart Contracts bauen auf der Blockchain-Technologie auf und nutzen die Vorteile dieser Technologie. Smart Contracts sind, einfach ausgedrückt, Computerprogramme. Sie kosten weniger Geld und arbeiten effizienter, als manuelle Abläufe im Unternehmen, um Bestellungen auszulösen und den Warenverkehr zu überwachen.

Fazit

Die verschiedenen Blockchain-Typen sind vergleichbar mit der Beziehung zwischen Internet und Intranet. Für Firmen und geschlossene Gruppen, welche die Aktivitäten in ihrem Netzwerk auf eine bestimmte Personengruppe beschränken wollen, sind private oder federated Blockchains unerlässlich. Sie bieten die Effizienz und Transparenz der Blockchain-Technologie in einer geschützten, für außenstehende nicht einsehbaren Umgebung.

Die Public Blockchain hingegen ist eher für die Nutzung von Einzelpersonen gedacht. Sie behalten die Kontrolle über ihre persönlichen Daten und können Transaktionen von diversen Daten oder auch Geldmitteln schnell und kostengünstig abwickeln ohne von einer zentralen Stelle abhängig zu sein.

Im Laufe der Zeit vermischen sich die Szenarien allerdings. Viele Unternehmen setzen bereits auf öffentliche Blockchains, um private Transaktionen zu verifizieren. Dazu kommen Technologien wie Zero-Knowledge-Protokolle zum Einsatz.

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