 Zum einfacheren Verständnis sollten zuerst die folgenden Grundlagen Kapitel gelesen werden: ASCII Elliptic Curve (ECC) Hash Wallet Zahlensysteme Einleitung Die Blockchain Technologie ist ein dezentrales Buchhaltungssystem. Zwischen den Nutzern steht kein Intermediär wie zum Beispiel eine Bank. Im Fachjargon wird ein solches System Peer-to-Peer (P2P) genannt. Die Blockchain wird alleine durch die Software gesteuert und muss von den beteiligten PCs und Handys, den Knoten des Netzwerks, heruntergeladen werden. Jeder Knoten führt Buch über sämtliche Daten, die über das Netzwerk transferiert werden. Im Endeffekt gibt es hunderttausende von Kopien der Buchhaltung. Zwar ist dies eine sehr ineffiziente Speicherung. Jedoch ist die Blockchain dadurch auch das sicherste Medium überhaupt, um hochwertige elektronische Daten zu speichern. Die Blockchain wird für verschiedene Anwendungen benutzt und die meisten haben ihre eigene Währung. Angefangen hat alles mit einem Zahlungssystem - BITCOIN. Überweisungen werden alleine über die Software gesteuert. Bank und Clearinghaus fallen weg (siehe Grafik oben). Zahlungen sind dadurch sehr schnell und günstig. Unter der Bitcoin Blockchain kann man sich also eine Art dezentrale Online Bank ohne Firma, Sitz und Mitarbeiter vorstellen. Jeder elektronische Bankschalter ist mit ungefähr 100 anderen verknüpft. Löst ein Knoten eine Zahlung aus, wird diese Information sogleich an das Netzwerk weitergeleitet. Damit diese elektronischen Bankschalter genug Zeit haben, um ihre Datenbanken zu aktualisieren, werden Transaktionen in Blöcken zusammengefasst. Da es kein Clearinghaus gibt, könnten Betrüger ansonsten noch nicht belastete Bitcoins doppelt ausgegeben. Dies würde zwar von der Software sofort nach der Aktualisierung erkannt und die zweite Zahlung storniert. Jedoch könnte in der Zwischenzeit bereits eine Dienstleistung erfüllt oder eine Ware übertragen worden sein, womit der Dienstleister bzw. Händler geprellt wäre. Es gibt verschiedene Knoten. Je nach Funktion, Speicher, Prozessorleistung und Bandbreite des Computers laden diese die ganze Blockchain (full) oder nur einen Teil davon (light) herunter.
- Kontonummer (Bitcoin Adresse) 160 Bits - Public Key ("IBAN" Nummer) 520 / 264 Bits - Private Key (Passwort) 256 Bits - Signatur (digitale Unterschrift, Hilfspasswort) Vorteil ist, dass sich aus dem Private Key über Verschlüsselungstechnik sowohl Kontonummer wie auch IBAN und Signatur berechnen lassen, jedoch nicht umgekehrt. Nachteil ist, dass falls der Private Key verloren geht, kein Kontozugang mehr besteht und somit auch alle Bitcoins verloren sind. Private Keys müssen sehr sicher aufbewahrt werden. Am besten druckt man sich eine Kopie davon aus und legt sie in einen Safe. Um einen Private Key zu generieren, braucht man keinen Computer oder Internetzugang, sondern lediglich eine Münze (Kopf = 0, Zahl = 1). Nun wird die Münze 256x geworfen und jeweils aufgeschrieben, ob das Resultat Kopf (0) oder Zahl (1) ist. Somit erhält man eine 256 Ziffern lange Zahl, den Private Key (einfacher geht es über bitaddress.org ). Diese binäre Darstellung kann dann in die hexadezimale umgeformt werden. Mehrere Münzwürfe entscheiden also über sämtliche Kontodaten! Der Private Key ist damit nicht etwa besetzt. Würde jemand anderes den gleichen Key wählen, könnte er das Konto leeren. Jedoch gibt es 2^256 (bzw. 10^77) mögliche Kombinationen, was etwa sämtlichen Atomen im sichtbaren Universum entspricht, weshalb die schiere Grösse dafür sorgt, dass es extrem unwahrscheinlich ist, dass zweimal der gleiche Private Key gewählt wird. Public Key Der Public Key entspricht einer Koordinate auf der elliptischen Kurve. Die Koordinaten müssen in eine Zahl umgewandelt werden. Das dekomprimierte Format (Präfix 04) erhält man, indem dem Präfix die x und y Koordinate angehängt wird. Der dekomprimierte Public Key ist 520 Bits (2x256 + 8 für Präfix) lang. Über die Funktion der elliptischen Kurve kann aber y aus x berechnet werden, weshalb die x Koordinate eigentlich überflüssig ist. Der Komprimierte Public Key erhält nur noch die x Koordinate und ein Präfix (02 = positiv, 03 = negativ), da für jedes x sowohl eine positive als auch eine negative y Koordinate möglich ist. Die komprimierte Form ist 264 Bits lang und wurde erst kürzlich bei Bitcoin implementiert, um Speicherplatz einzusparen. Bitcoin Adresse Durch doppeltes anwenden einer Hashfunktion wird aus dem Public Key schliesslich die Bitcoin Adresse erstellt, die eine Länge von 160 Bits aufweist. Da der Public Key in verschiedenen Formaten auftaucht (dekomprimiert und komprimiert) gibt es auch verschiedene Formate für Bitcoin Adressen, was etwas verwirrend ist. Damit die Geldbörse (Wallet) weiss, in welcher Form die Adressen importiert werden sollen, wird dem Private Key ein Suffix 01 angehängt, falls es sich um das komprimierte Format handelt (siehe unten Hex-compressed). Natürlich ergibt sich dadurch auch ein komplett anderer Private Key in Base58Check Format (WIF-compressed). Als totale Verwirrung ist dieser sogar länger als der dekomprimierte, was auf das Suffix zurückzuführen ist!  Signatur Die digitale Unterschrift wird gebraucht, um Transaktionen vornehmen zu können. Der Private Key kann als Ausgangspasswort und die Signatur als Hilfspasswort angesehen werden. Die Signatur beweist, dass jemand den Private Key hat, ohne diesen offen zu legen. Zusammenfassung  Durch ECC-Multiplikation mit dem Private Key erhält man den Public Key und daraus durch doppeltes Hashing die Bitcoin Adresse. Diese wird wie oben beschrieben kompakt in Base58 dargestellt. Damit Tippfehler von Bitcoin Adressen nicht Folgen haben, wird noch eine sogenannte Prüfsumme angehängt. Auf Base58 wird eine Hashfunktion angewendet und die ersten vier Stellen des Hashes an Base58 angehängt. Resultat ist eine kompakte Bitcoin Adresse im Base58Check Format. Hier ein Beispiel der verschiedenen Darstellungsweisen:  Transaktionen Um Kapazitäten zu schonen, werden bei Bitcoin keine Kontostände gespeichert (dies im Unterschied zu RIPPLE und HEAT). Wird in einem Wallet ein Bestand angezeigt, so wurde dieser durch eine App ausserhalb der Blockchain generiert. Erfolgt eine Überweisung, werden so viele frühere Einzahlungen (UTXO) als ausgegeben markiert, bis Betrag und Gebühren gedeckt sind. Ein etwaiger Überschuss wird als Wechselgeld an den Sender zurückbezahlt. Dies lässt sich am besten am Bespiel einer älteren Transaktion zeigen:  Links steht der Input oder die Sender Bitcoin Adresse und rechts der Output oder die Empfänger Bitcoin Adressen. Etwas irritierend steht links, also auf der Inputseite, "3.7057 BTC - Output". Dies hängt mit den Transaktionsgebühren zusammen. Input und Output müssen gleich hoch sein. Der Verweis auf der linken Seite gibt an, wie hoch der zu verteilende Gesamtbetrag ist. Die Differenz zum grünen Output Feld gibt an, wie hoch die Gebühr ist. Die eine Adresse steht sowohl links als auch rechts, da das Wechselgeld an die gleiche Adresse zurückgeschickt wird. Das Wechselgeld wurde in der Zwischenzeit bereits wieder ausgegeben, weshalb der Betrag mit "spent" (ausgegeben) markiert wurde. Da jeder Input einem früheren Output entspricht, können Transaktionen bis zur Entstehung der Bitoins (Genesis, Coinbase) zurückverfolgt werden. Bei der Genesis (Entgelt des ersten Blocks) oder Coinbase Transaktion gibt es nur einen Output, da dabei neue Bitcoins geschaffen werden:  Hier hat gerade jemand die 12.5 BTC + Gebühren in der Lotterie gewonnen. Im Unterschied zu Kreditkarten enthalten Bitcoin Transaktionen keine heiklen Daten, weshalb sie unverschlüsselt über irgendein Netz verschickt werden können. Es ist für eine Regierung daher praktisch unmöglich, Bitcoin abzuschalten. Sicherung der Transaktionsliste Bei Bitcoin ist keine zentrale Bank involviert. Die Transaktionsliste wird dezentral auf vielen unbekannten Servern gespeichert. Zwei Probleme ergeben sich:
Um Manipulationen zu verhindern, könnte die ganze Transaktionsliste einfach mit einem Hash versehen werden. Würde bei irgendeiner Transaktion etwas abgeändert, wäre dies sofort im falschen Hash ersichtlich. Um Light Wallets zu ermöglichen, die keine Transaktionen speichern, sondern diese bei anderen Knoten anfragen, wird jedoch der sogenannte Merkle Tree (Baum) aufgestellt. Für jede einzelne Transaktion wird ein Hash berechnet und danach, wie in der Abbildung dargestellt, pyramidenförmig weitergerechnet, bis zuoberst nur noch die Merkle Root (Wurzel) übrig bleibt.  Block Bisher gab es keinen Anlass, Blöcke aufzustellen. Wieso wird dann von Blockchain gesprochen? Nehmen wir vorerst an, dass derjenige Server, der eine Transaktion als erster geprüft und akzeptiert hat, diese an seine Transaktionsliste anhängt und die Information übers Internet an die anderen Server sendet. Diese aktualisieren dann ebenfalls ihre Listen. Bis die Information übers Internet verbreitet wurde, vergeht eine gewisse Zeit. Es wäre möglich, dass ein Gauner dazwischen die gleiche Transaktion nochmals ausführt (double spending), obwohl sein Konto nun eigentlich leer ist. Geht ein anderer Server seine noch nicht aktualisierte Transaktionsliste durch, geht er fälschlicherweise davon aus, dass noch Geld auf dem Konto ist und gibt die Überweisung frei. Um dies zu vermeiden, werden Blöcke gebildet. Jeder Server kontrolliert erhaltene Transaktionen und fügt sie falls einwandfrei einem Zwischenspeicher (Mempool) zu. Bei Knoten, die sich als Miner betätigen, entspricht der Mempool dem potentiellen Block. Ein Block wird im Durchschnitt alle 10 Minuten generiert. Damit haben die Knoten genügend Zeit, um ihre Version der Blockchain zu aktualisieren. Die anderen Knoten streichen die im neuen Block enthaltenen Transaktionen von ihrem Zwischenspeicher. Der Merkle Tree wird in den Block versetzt. Tatsächlich gibt es jetzt so viele Merkle Trees wie Blöcke. Damit an der Reihenfolge der Blöcke nicht manipuliert werden kann, wird in die Kopfzeile des Blocks auch der Hash des vorherigen Blocks geschrieben.  Blockchain Als Belohnung für die Sicherung der Blockchain dürfen die Miners an einer Lotterie teilhaben. Die Ausgangsdaten für die Lotterie sind aus der unten stehenden Grafik ersichtlich. Das Resultat, der SHA-256 Hash, wird Kopfzeilen-Hash genannt. Ein Kopfzeilen-Hash entspricht sozusagen einem Lotterie-Ticket.  Die Nonce zählt die im Merkle Tree berechneten Hashes. Nach jedem Hash wird die Nonce um 1 erhöht, womit ein neuer Kopfzeilen-Hash berechnet werden kann. Je schneller ein Computer Transaktionen verifiziert und Merkle Tree Hashes produziert, desto öfter kann an der Lotterie teilgenommen werden, desto grösser die Gewinnchance. Deshalb wird von Proof-of-Work gesprochen. Der Gewinner der Lotterie erhält momentan 12.5 Bitcoins Blockentgelt (ca. 7`400 USD) plus die Gebühren der im Block enthaltenen Transaktionen. Diese neu geschaffenen Bitcoins in Form von Blockentgelt werden Coinbase genannt, da sie nicht durch Überweisung von einer anderen Bitcoin Adresse entstanden sind. Alle 4 Jahre wird dieses Entgelt halbiert. Aufgrund der Halbierung wird die Belohnung im Jahr 2140 unter die kleinste Bitcoin Einheit (1 Satoshi) fallen. Danach werden keine neuen Bitcoins mehr geschaffen und der Gewinner der Lotterie erhält einzig die Gebühren. Total werden 21 Mio. entstanden sein. Das Angebot wird jedoch etwas tiefer sein, da einige Nutzer ihren Private Key verlieren und die Bitcoins damit für immer verloren sind. Während des Proof-of-Work Prozesses werden laufend neue verifizierte Transaktionen an den Merkle Tree angehängt. Ein Block ist momentan aber auf 1 Megabyte limitiert. Danach werden keine zusätzlichen Transaktionen mehr zugelassen. Was passiert nun, falls die Kapazitätsgrenze erreicht wird, der ganze Merkle Tree bis zur Merkle Root berechnet wurde, aber noch niemand in der Lotterie gewonnen hat? Dann gibt es noch eine extraNonce, die im Merkle Tree selbst eingebaut ist (in der Coinbase Transaktion). Sobald die extraNonce um 1 erhöht wird, muss der ganze Baum wieder von vorne berechnet werden. Dasselbe geschieht, sobald die Nonce die Zahl 4294967296 erreicht. Dies ist die grösste Zahl, die sich mit 4 Bytes oder 32 Bits darstellen lässt (2^32). Da der Kopfzeilen-Hash auf den Kopfzeilen-Hash des vorherigen Blocks verweist, entsteht eine Kette, die Blockchain.  Hier eine Zusammenfassung der Daten von Block 427254. Die meistens Kennziffern wurden im Text beschrieben.  Gebühren Diese werden bei Bitcoin pro Byte abgerechnet und hängen folglich von der Anzahl Inputs und Outputs der Transaktion ab. Die Gebühr ist nicht zwingend. Jedoch wird sie von den meisten Wallets belastet, damit sichergestellt ist, dass Transaktionen zügig ausgeführt werden. Je höher die gewählte Gebühr, desto schneller werden Transaktionen in Blöcken berücksichtigt. Die durchschnittliche Gebühr pro Transaktion beträgt momentan 30 Cents. Da Bitcoin an seine Kapazitätsgrenze von 1 Megabyte pro Block stösst, wird die minimale Gebühr bei Spitzenbelastung angehoben. Dieser Marktmechanismus wurde nach einer DOS-Attacke eingeführt. In untenstehender Grafik sind zwei Transaktionen ersichtlich, die beide 226 Bytes gross sind. Da die Blockgrösse mit 998 Kilobytes nahe ans Limit von 1 Megabyte kommt, ist die Gebühr in der oberen (später eingefügten) Transaktion 13x höher als in der unteren (60 Cents gegenüber 4.6 Cents). Dies ist mit ein Grund, wieso die Kapazitätsgrenze von 1 Megabyte pro Block nicht erhöht wird. Miners wären damit weniger profitabel.   Die Priorisierung von Transaktionen hängt neben der Gebühr aber auch vom Alter ab, wofür die ersten 50 Kilobytes im Block reserviert sind. Grosse Beträge, die sich schon lange im Zwischenspeicher (Mempool) befinden, werden bevorzugt. Dies gilt umso mehr, je weniger Speicherplatz die Transaktion benötigt. Insgesamt ergibt sich folgende Formel: Priorisierung = (Bitcoin Betrag * Zeit seit Aufgabe der Überweisung) / Transaktionsgrösse Konsensus-Algorithmus Im Schnitt wird die Lotterie alle 10 Minuten gewonnen und damit ein Block generiert. Dabei geht es jedoch immer um Wahrscheinlichkeiten. Es ist möglich, dass per Zufall zwei Server ungefähr gleichzeitig den gesuchten Hash finden. Die beiden Knoten speichern nun zwei verschiedene Blockchains und kommunizieren ihre Version ans Internet. Dies wird Gabelung oder Fork genannt. Welche soll nun weiterverwendet werden? Bei der Bitcoin Blockchain gilt die Regel, dass die längste Kette beibehalten wird. Also heisst es, abzuwarten, bis der nächste Block generiert wird. Es ist sehr unwahrscheinlich, dass diesmal wieder zwei gleichzeitig Erfolg in der Lotterie haben. Die Software des Gewinners wird den neuen Block an ihre Version der Blockchain anhängen und diese ans Internet weitergeben. Da es jetzt nur noch eine längste Blockchain gibt, wird diese auf den anderen Knoten gespeichert. Pech für denjenigen, der in der vorherigen Runde ebenfalls in der Lotterie gewonnen hat; er geht leer aus. Bei kürzeren Block-Intervallen (z.B. bei Ethereum mit 15 Sekunden) hat dieser Effekt Auswirkung auf die Sicherheit einer Blockchain, sofern nicht gegengesteuert wird. Im Schnitt gibt es pro Tag eine Fork mit Länge von 1 Block, all Monat eine mit 2 Blöcken und solche mit 3 Blöcken sind schon sehr selten. Neue Blöcke werden von den anderen Minern akzeptiert, sofern eine Mehrheit (sagen wir 51%) diese als korrekt verifiziert. Doppelte Ausgabe (Double Spending) Je grösser der Anteil eines Miners, desto grösser die Gefahr, dass Bitcoins doppelt ausgegeben werden könnten (double spending), trotz Blöcken. Dies soll an einem extremen Beispiel gezeigt werden. Nehmen wir an, Hans gehört die riesige Mining Farm, die im Bild zu sehen ist. Er sichert damit 49% der Blockchain (49% Hashpower).  Er möchte ein Bild im Gegenwert von 5000 Bitcoins in einer Galerie kaufen und initiiert die Zahlung. In der Blockchain werden die Bitcoins mit der Hash-ID X als "ausgegeben" markiert, die Transaktion dem Block X zugeführt. Hans bedankt sich und macht sich mit dem Bild aus dem Staub. Ein Miner gewinnt in der Lotterie, sendet den Block an die anderen Miner und die Zahlung von Hans wird bestätigt. Die Miner wenden sich nun dem Block X+1 zu, da sie das Rennen um Block X verloren haben und dort nichts mehr zu gewinnen ist. Hans jedoch manipuliert die Transaktion an den Galeristen, indem er als Zieladresse neu seine eigene angibt und arbeitet am Block X weiter, bis er ebenfalls in der Lotterie gewinnt, obwohl der Topf für diesen Block geleert wurde. Sein Ziel ist ja nicht das Blockentgelt, sondern die Manipulation von Transaktionen. Die anderen Knoten werden diesen Block akzeptieren, da er alle Voraussetzungen erfüllt. Nun gibt es 2 Blockchains mit unterschiedlichen Köpfen (Fork). Hans gewinnt in der Lotterie für Block X+1 und fügt diesen der manipulierten Blockchain bei. Diese wird nun als längste Kette vom Netzwerk akzeptiert. Die anderen 51% Miner bemerken bei der Verifizierung der Transaktionen und Blöcke, dass die Bitcoins mit Hash-ID X bereits ausgegeben wurden und stornieren mit Konsensus von 51% die ursprüngliche Zahlung an den Galeristen. Pech nur, dass Hans mit dem Bild schon über alle Berge ist. Der Galerist wurde geprellt. 51% Attacke Wie oben gesehen, kann sich Hans zwar mit dem unbezahlten Bild aus dem Staub machen, da er aber nur 49% Hashpower hatte, konnte er keine doppelte Ausgabe tätigen. Hat Hans aber 51% Hashpower kann er auch die Transaktionen selber zumindest vorübergehende manipulieren. Bitcoin rät, dass für grössere Zahlungen 6 Blöcke oder Bestätigungen abgewartet werden sollte. Nun müsste Hans 6x hintereinander in der Lotterie gewinnen, um Blöcke und Transaktionen zu manipulieren. Auch wenn er 51% der Blockchain kontrolliert, beträgt die Wahrscheinlichkeit dafür bei tiefen 1.7% (0.51^6). Jedoch wird es ihm jedes 59te Mal gelingen (100%/1.7%=58.8). Und sobald er gewinnt, bringt er die manipulierten Blöcke durch, da er mit 51% die Mehrheit und den Konsensus stellt. Statt doppelter Ausgabe könnte Hans überhaupt keine Transaktionen in die Blöcke aufnehmen oder überhaupt keine Verifizierung vornehmen und somit alle Transaktionen zulassen. Beides würde zu Chaos und einem Kursverfall von Bitcoin führen. Eine Aufteilung der Hashpower findet sich hier.  GHash.io hat 2014 knapp 50% Anteil erreicht und einmal 6 Blöcke hintereinander gewonnen. Aufgrund des folgenden Bitcoin Crashs, haben Mitglieder freiwillig den Pool verlassen. Jedoch gibt es Organisationen (Staat, Geheimdienst, Bankenkonsortium etc.), die eventuell nicht gewinnorientiert agieren und ein Interesse daran haben könnten, Bitcoin zu Fall zu bringen. Im April 2013 gab es für ein paar Stunden 2 Ketten. Eine davon war maximal 26 Blöcke länger, womit die meisten Überweisungen bereits ausgelöst waren. Der Grund dafür war ein Software Upgrade. Bei der älteren Version konnte ein Block maximal 1024 Transaktionen enthalten. Diese Restriktion wurde bei der neuen Version aufgegeben. Nun geschah einer der täglichen Forks. Es hiess also abzuwarten, bis Block X+1 über die längste Kette entscheidet. Dieser wurde von einem Knoten generiert, der bereits auf die neue Version umgestellt hatte und daher mehr als 1024 Transaktionen besass. Block X+1 wurde ans Netzwerk kommuniziert, jedoch von vielen Knoten nicht akzeptiert, da sie noch nicht auf die neue Software Version umgestellt hatten. Und so ging es weiter. Block X+2 wurde bestätigt, aber auch teilweise abgelehnt. Spätestens nach einem Fork von 6 Blöcken gingen die Alarmglocken los und die Bitcoin Community rief über Nacht eine Gipfelkonferenz ein. Innerhalb weniger Stunden war der Fehler behoben und der Spuk vorbei. Um auf 100% sicher zu gehen, darf die Coinbase erst nach 100 Blöcken ausgegeben werden. Schliesslich handelt es sich bei der Coinbase nicht um eine Überweisung, weshalb Zeit keine grosse Rolle spielt. Es liegt im Ermessen des Händlers oder Ladenbesitzers, wie viele Block Bestätigungen abgewartet werden soll. Kleine Beträge können akzeptiert werden, ohne überhaupt auf einen Block zu warten. Meistens werden für Käufe von Bitcoins keine Kreditkarten bzw. nur kleine Beträge akzeptiert, da Kreditkartentransaktionen oft rückgängig gemacht werden. Wie anonym ist Bitcoin? Viele Leute glauben, dass Bitcoin anonym sei. Dies hat zu Marktplätzen wie Silk Road geführt, die illegale Güter und Dienstleistungen anbieten (Waffen, Mord etc.). Anonymität ist jedoch ein Mythos. Die ganze Blockchain ist öffentlich; jede Transaktion kann zurückverfolgt werden. Die Namen der Kontoinhaber sind zwar nicht ersichtlich, jedoch laufen die Transaktionen übers Internet und von irgendwo muss man sich einloggen. Zumindest in Zukunft wird es für die NSA ein leichtes sein, Identitäten festzustellen. Etwas anders könnte es aussehen mit alternativen Währungen wie Monero. Quellen und Links: CSBreakdown Mastering Bitcoin CuriousInventor wbn Michael Nielsen Bitcoin Wiki www.imponderablethings.com
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