Die klassische Blockchain, Funktion und Nachteile für das IoE

Um die Vorteile der Distributed-Ledger-Technologie von IOTA gegenüber der klassischen Blockchain zu erkennen, müssen wir zuerst verstehen, wie die Blockhain im groben funktioniert und warum die derzeitig bestehenden Nachteile, die Blockchain für das zukünftige IoT disqualifizieren.

 

Welches Problem löst die Blockchain?

Diese Frage lässt sich am besten mit dem Vertrauensproblem der byzantinischen Generäle veranschaulichen. In einer fiktiven Geschichte gibt es einen König in einer Burg, die von 1000 Soldaten verteidigt wird. Diese Burg wird gleichzeitig von fünf Armeen von je 500 Mann angegriffen, jede Armee hat ihr eigenes Lager in dem umliegenden Gelände bezogen und wird von einem eigenen General befehligt. Um sich auf eine Angriffsstrategie zu einigen müssen die Generäle miteinander kommunizieren, allerdings vertrauen sich die Generäle gegenseitig nicht, weil sie den Verdacht haben, dass einige der Generäle Verräter sind. Sollte sich zum Zeitpunkt des Angriffs die Situationen ändern und eine Strategieanpassung nötig sein, muss eine Nachricht per Bote von einem Lager zum anderen geschickt werden, dann könnten die illoyalen Generäle diese Nachricht leicht ändern und falsche Informationen an das nächste Lager weitergeben. Das Senden einer einfachen Nachricht ist auf diesem Weg nicht sicher, da geschriebener Text leicht zu ändern ist. Fehlinformationen könnten dazu führen, dass die Verräter die Schlacht gewinnen, weil die verschiedenen Lager zur falschen Zeit oder gar nicht angreifen.

Heutzutage könnte eine Telefonkonferenz oder ein Nachrichtendienst den Boten ersetzen, aber das Problem besteht nach wie vor. Wie können Sie sicher sein, dass die Botschaft authentisch ist und nicht manipuliert ist? Telefonate oder E-Mails können gefälscht werden, beispielsweise könnten Gesprächspartner am Telefon vorgeben, jemand anderes zu sein und der Inhalt einer E-Mail könnte gelesen, gelöscht und manipuliert werden.

 

Wie löst die Blockchain das Problem der byzantinischen Generäle?

Stark vereinfacht ist die Blockchain wie ein dezentrales Kassenbuch zu betrachten. Sobald zwischen einem Absender und einem Empfänger eine Transaktion stattfindet, wird diese in das Kassenbuch als neue Transaktion eingetragen. Von diesem Kassenbuch befinden sich Tausende Kopien auf Computern rund um den Globus, sobald eine neue Transaktion in eines dieser Kassenbücher eingetragen wird, erscheint diese Transaktion auch in allen anderen Kassenbüchern und wird von den Computern, auf denen die Kassenbücher gespeichert sind, authentifiziert. Eine Transaktion, ist erst dann gültig und unveränderlich im Kassenbuch gespeichert, wenn diese von den sogenannten Minern (Erklärung folgt) als valide bestätigt wurde.

Blockchains sind Datenbanken, die Transaktionsdaten ohne eine zentrale Kontrollinstanz, ohne die Notwendigkeit gegenseitigen Vertrauens und mit vollkommener Transparenz verwalten und das fälschungssicher. Anders ausgedrückt können Sie mit der Blockchain direkt Transaktionen zu einer anderen Person durchführen, ohne dass Sie auf die Hilfe eines Mittelsmanns (Bank, Unternehmen) angewiesen sind. Sie müssen also keiner dritten Partei mehr vertrauen, dass ihre Transaktion auch wirklich durchgeführt wird.

Um es bildlich zu verdeutlichen: Frank drückt Katja Geld in die Hand und dabei sehen einige Hundert Leute zu. Diese Leute bestätigen, dass Frank das Geld wirklich Katja gegeben hat und auch wie hoch der Geldbetrag war. Die Kontrolle über diese Transaktion liegt jetzt in der Hand von vielen und nicht wie bisher in der Hand eines Akteurs, etwa einer Bank. Jedoch nur die Kontrolle über die Transaktion, wer Frank und Katja sind, sieht niemand, denn jeder Transaktionsteilnehmer ist anonym – es sei denn, er möchte erkannt werden.

Auf die Blockchain projiziert drückt nämlich Frank das Geld nicht direkt Katja in die Hand, sondern legt es in Katjas elektronischem Briefkasten, ihrer „Wallet“, ab. Die Adresse dieses Wallet kann man nicht einfach einer Person zuordnen und jeder kann mehrere Wallets unterhalten.

Quelle: btcp.de

 

Die klassische Blockchain besteht im groben aus den Nutzern, den Full-Nodes und den Minern.

Full-Nodes erhalten das Netzwerk aufrecht, es sind Computer, die über einen Client mit dem Blockchain-Netzwerk verbunden sind, sie haben die Aufgabe, Transaktionen zu überprüfen und weiterzuleiten. Jeder Full-Node erhält eine Kopie der gesamten Blockchain, die beim Beitritt zum Netzwerk automatisch heruntergeladen wird.

Da der Gesamtzustand in einer dezentralen Blockchain nicht mehr von zentralen Stellen verwaltet wird, braucht es die Miner, die das für uns erledigen. Damit bleibt das Ganze dezentral. Je mehr Miner es gibt, desto stabiler ist ein Blockchain Netzwerk und desto weniger anfällig ist es für eine 51 % Attacke und somit der Übernahme der Blockchain.

Miner halten also die Blockchain in einem identischen „Gesamtzustand“, sie verifizieren, ob neue Transaktionen dem Protokoll entsprechen und bestätigen diese. Sie sind dafür verantwortlich, dass niemand eine doppelte Ausgabe-Transaktion (Double Spending) tätigt oder gegen andere Regeln des Blockchain Protokolls verstößt. Diese Aktivitäten müssen aufgezeichnet und verwaltet werden, damit sie später von jedem Nutzer nachvollziehbar sind. Dazu werden innerhalb des Netzwerks alle Transaktionen, die zu einem bestimmten Zeitraum stattgefundenen haben in einem Block (eine Art Liste) mit einer festgelegten Größe zusammengefasst. Wenn ein Block seine Kapazitätsgrenze erreicht hat, wird dieser geschlossen und für alle Ewigkeiten an die Blockchain angehängt. Das Bestätigen der Transaktionen erfolgt durch Konsensmechanismen, im Fall von Bitcoin ist es „Proof of Work“, um bei PoW Transaktion zu validieren, lösen Miner ein schweres mathematisches Problem mit Hilfe von Rechenleistung. Dies führt zum Einsatz von enormer Energie. Die Idee hinter PoW ist es, die längste Kette zu erschaffen, die Kette, an der 50% der Miner arbeiten, wird fortgeführt. PoW wird mit der Zeit immer schwieriger, da die Rechenleistung, die zur Lösung eines Blocks benötigt wird, zunimmt. Die Schwierigkeit bleibt bestehen, um eine konstante Blockzeit von etwa 10 Minuten zu gewährleisten.

Für diese Rechenintensive Berechnungen bekommen Miner eine Entlohnung, bestehend aus den erhobenen Transaktionsgebühren und den Blockrewards, die man bekommt, wenn ein gültiger Block gefunden und an die Blockchain angehängt wird. (beim Bitcoin sind es derzeit 12.5 BTC alle 10 Minuten, Stand 2019, ca. alle vier Jahre halbiert sich der Blockreward)

Um die Sicherheit der Blockchain zu gewährleisten, erfolgt die Übertragung in die Blockchain erst nach einer Verschlüsselung des Blocks in Form eines Hashs (Aneinanderreihung von Buchstaben und Zahlen), dieser Hash ist mit der heutigen Computertechnik nicht zu knacken und gilt derzeit als sicher. Der Hash-Wert eines Blocks ist eine Art Signatur, welche den Block als valide identifiziert. Jeder neu gefundene Block nutzt Teile des Hashs aus dem zuvor gefundenen Block. Eine rückwirkende Manipulation, der bereits in einem Block eingetragenen Transaktionen würde durch die Änderung des Hashwerts sofort auffallen und als ungültig zurückgewiesen werden.

 

Vorteile der Blockchain

  • Transparenz: Jeder Nutzer in einem klassischen Blockchain-Netzwerk kann alle Transaktionen nachverfolgen. Es ist ein völlig transparentes System.
  • Sofortige Transaktionen: Blockchain-Transaktionen benötigen viel weniger Zeit als Transaktionen, bei denen eine Art Zwischenhändler erforderlich ist, weil sie sich selbst validieren.
  • Dezentralität: Es gibt keinen zentralen Verantwortlichen über das Netzwerk, alle Teilnehmer sind gleichberechtigt
  • Das Doppelausgabenproblem ist gelöst: Einer der Hauptvorteile der Blockchain-Technologie besteht darin, dass das Doppelausgabenproblem gelöst wird. Erklärung: Da digitales Geld nur eine Computerdatei ist, ist es einfach, durch einfaches Kopieren und Einfügen zu fälschen. Ohne Blockchain verfolgen die Banken das Geld aller auf ihren Konten, sodass niemand "doppelte Ausgaben“ bzw. das gleiche Geld zweimal ausgeben kann. Blockchain löst dieses Problem anders und effizienter als Banken: Es macht alle Transaktionen und Konten öffentlich, sodass es offensichtlich ist, wenn Geld zweimal verwendet wird.
  • Manipulationssicher: Es gibt eigene Validierungs- und Autorisierungsmechanismen quer durch das gesamte Netzwerk. Fälschungssichere mathematische Hash-Verfahren machen die Daten in der Blockchain vertrauenswürdig. Die Integrität ist sichergestellt, da tausende von Nodes jede Blockchain-Transaktion validieren. Es gibt auch nur eine einzige „Quelle der Wahrheit“. Jede unautorisierte Änderung im Netzwerk wird direkt offengelegt, sodass man sich der Richtigkeit absolut sicher sein kann

 

Die Blockchain-Technologie ist eine guter Ansatz, aber…

Die Idee der dezentralen Netzwerke, die Peer-to-Peer-Transaktionen ohne Zwischenhändler ermöglichen, wurde bis heute nicht vollständig umgesetzt, bzw. zu Ende gedacht. Die Umsetzung weist einige Mängel auf.

Beispielsweise hat die Akzeptanz der Bitcoin Blockchain hat in den letzten Jahren ständig zugenommen und die Benutzer wurden in den Boom Zeiten (Hype 2017) mit langsamen Transaktionszeiten und explodierenden Gebühren konfrontiert. Der Kampf um die finanzielle Belohnung für die Validierung von Transaktionen und den Block-Rewards entwickelte sich zu einem Wettrennen um die größte Hash-Power. Diese kann nur mit einer immer größer werdenden Ansammlung von Rechenleistung gesteigert werden. Um Blöcke zu finden müssen mathematisch intensive Berechnungen durchführen, je größer die Hash-Power, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit zum Auffinden bzw. erzeugen eines Blocks. Um wettbewerbsfähig zu bleiben, bzw. eine höhere Chance auf die Block-Rewards zu bekommen, haben sich einige Akteure zu sogenannten Mining-Pools zusammengeschlossen. Diese mächtigen Pools haben sich in China zentralisiert, weil dort der Strompreis für die erforderliche Energie sehr günstig ist.

 

Weitere Nachteile der klassischen Blockchain, am Beispiel Bitcoin.

  • Transaktionskosten (unbeständig und teilweise sehr hoch, in der Boom-phase Ende 2017 über 30$)
  • Hohe Stromkosten für das rechenintensive Mining, in Deutschland werden die Stromkosten (pro BTC) auf knapp 14.000 Dollar geschätzt (pro 1 Cent für 1 kWh muss mit ca. 500$ gerechnet werden), das ist auch der Grund warum viele Miner in Ländern mit sehr niedrigen Stromkosten angesiedelt sind.
  • Länger werdende Transaktionszeiten, mittlerweile dauert eine Transaktion mehrere Minuten (ohne Lightning).
  • Hoher Speicherbedarf, es muss die gesamte Blockchain (210GB, April 2019) speichern, es sein denn man nutzt Light-Clients, aber sie vertrauen einem anderen Client, der die gesamte Blockchain gespeichert hat.
  • Gigantischen Mining-Pools gefährden die Dezentralität (3 Pools haben zusammen über 51% Hash-Power, Dez 2018)
  • Geringer werdender Durchsatz, bei stetig steigender Größe der Blockchain.
  • Unzulänglichkeit der IoT Geräte wie fehlende Bandbreite, Rechenpower, Speicherplatz, usw. können nicht ausgeglichen werden. Dies kann der Tangle über Qubic leisten, nicht aber die Blockchain.

 

Fazit

Die klassische Blockchain ist für das Internet der Dinge aufgrund der aufgezählten Nachteile aktuell vollkommen ungeeignet. Wie das in Zukunft aussieht wird die Zeit zeigen, denn auch hier bleibt die Entwicklung nicht stehen. Die Industrie setzt bereits heute sehr stark auf private, zentralisierte Blockchains, wie beispielsweise Hyperledger. Diese Blockchains werden derzeit überwiegend für interne Arbeitsabläufe eingesetzt und funktionieren ohne einen Coin. Aufgrund der Zentralität werden deutlich schnellere Transaktionszeiten erreicht und aus Sicht der Industrie ist es wichtig, immer die Kontrolle über interne Arbeitsabläufe zu behalten, auch wenn man einem Anbieter (Hyperledger, IBM-Linux) vertrauen muss.