Computer in der Blockchain spielen Ping-Pong um anzubandeln

Wenn Menschen tratschen, dann werden vertrauliche Informationen im Schneeballsystem verteilt und auf Korrektheit überprüft. Die Kommunikation in der Blockchain funktioniert ähnlich. Ähnlich wie sich bei YouTube-Videos viral verbreiten, funktioniert das auch bei Computern. Denn der Blockchain-Algorithmus sorgt dafür.

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Die Blockchain ist nirgends zentral gespeichert. Sie ist auf den einzelnen Computern im Netzwerk verteilt und verfügbar. Das verhindert Manipulationen durch Hacker und die Verfälschung von Daten. Es erfordert aber auch, dass die jeweils letzte Version der Blockchain zumindest zeitnah bei allen aktiven Netzwerkteilnehmern ankommt. Denn nur so kann die Gesamthistorie der Transaktionsdaten allen zur Verfügung stehen. Dazu müssen die teilnehmenden Computer in einem rein verteilten Peer-to-Peer-System sich miteinander verständigen. Denn es gibt keine zentrale Instanz, die für die Verteilung der Informationen und Daten sorgt.

Damit das funktioniert, ist es erforderlich, dass Knoten im Peer-to-Peer-System Daten an einige andere Knoten weitergeben, die dann ebenso verfahren und so weiter – bis schließlich alle aktiven Knoten mit dem letzten Stand versorgt sind. Das kann dauern, da die Verteilung Zeit braucht und nicht immer alle Computer am Netz hängen.

Wie bei einer zusammengehörenden Gruppe von Menschen gibt es in einem aus Computern bestehenden Peer-to-Peer-System unterschiedliche Arten der Kommunikation. In der Blockchain sind es folgende:

  • Gemeinsames “Schnattern” ohne besonderen Inhalt hält den Kontakt untereinander aufrecht. Die Computer erkennen dadurch, wer von ihren engeren “Gesprächspartnern” gerade im Netz aktiv ist.
  • Der Austausch von neuen Informationen, die schließlich allgemein verfügbar gemacht werden sollen, stellt den Kern der inhaltlichen Datenübermittlung dar. Dadurch wird die laufende Erweiterung der Blockchain sichergestellt.
  • Die Vorstellung von neuen Peers im Kreis der Netzwerkteilnehmer. So können neue Systempartner Teilnehmer des Systems werden.

Eine Kommunikation ohne zentrale Verteilungsinstanz muss klug konzipiert sein

Bei Computern gibt es technische Ausfälle. Ebenso können Computer verschiedene Dinge erledigen und sind daher nicht jederzeit für eine einzelne konkrete Blockchain erreichbar. In der Praxis großer Miner schürfen diese verschiedene Kryptowährungen und arbeiten damit je nach Marktlage auf verschiedenen Blockchains. Nachdem nicht jeder Computer immer erreichbar ist und Technik auch gelegentlich versagt, kann es geschehen, dass Daten ihre Zieladresse nicht erreichen. Informationen können auch mehrfach eingehen, wenn ein Knoten beispielsweise von mehreren anderen Knoten dieselben Informationen bekommt. Es kann auch nicht garantiert werden, dass Daten exakt in der Reihenfolge ihres Versands eintreffen. Wie auch in der realen Welt nicht jeder Mensch mit jedem anderen spricht, ist es in der Blockchain ebenso. Jeder Computer verfügt über eine Liste der Peers, mit denen er kommuniziert. Diese verfügen jeweils über eine eindeutige Internetadresse. Damit ist klar, wohin die “Post” zu versenden ist.

Aufgrund der Architektur der Blockchain lassen sich diese potenziellen Probleme jedoch eindeutig und sicher lösen. Das System ist damit wesentlich weniger störungsanfällig als zentral organisierte Systeme. Die Übermittlung von Nachrichten erfolgt in der Blockchain über kryptographische Hashwerte. Dadurch sind die Knoten jederzeit in der Lage, Duplikate schnell und eindeutig zu erkennen und zu ignorieren. Die Blockchain Datenstruktur ist darüber hinaus so aufgebaut, dass die Blöcke wie eine Kette aneinandergereiht sind. Dadurch ist die chronologische Sortierung der Blöcke sichergestellt. Die Block-Header  der einzelnen Blöcke enthalten ebenso wie die Transaktionsdaten Zeitstempel, womit die am System teilnehmenden Knoten jederzeit in der Lage sind, anhand dieses chronologischen Kriteriums zu sortieren.

Wie halten Computer ihre Verbindungen aufrecht, wie stoßen neue Teilnehmer zum Club?

Wir haben bereits gehört, dass kein Computer mit allen anderen Computern verbunden ist. Das wäre nur in einem zentral verwalteten System der Fall. Genau das soll aber vermieden werden und ist eine der zentralen Stärken der Blockchain-Technologie. Jeder Computer überprüft also laufend, ob seine konkreten “Gesprächsparter”, die er auf seiner Liste der mit ihm verbundenen Peers führt, noch verfügbar sind. Das geschieht, indem er ein sogenanntes “Ping” an diese aussendet. Erfolgt eine Antwort in Form eines “Pong”, dann ist klar, dass der Gesprächspartner noch verfügbar ist. Diese Form der laufenden Kommunikation ermöglicht die Aktualisierung der “Freundesliste”, wie man bei Facebook sagen würde. Antwortet ein Peer wiederholt nicht auf “Ping”, dann wird er schließlich aus der Liste der Kontakte eliminiert. Dieses Ping-Pong-Spiel stellt sozusagen den “sozialen Kitt” dar, der das System zusammenhält.

Nachdem immer wieder Mitglieder aus dem Verein (also der Blockchain) ausscheiden, müssen auch neue Kandidaten beitreten können. Den Aufnahmeantrag stellt ein Beitrittskandidat, indem er mehreren Knoten des Systems eine Anforderungsanfrage übermittelt. Diese fügen den neuen Knoten zu ihrer Kontaktliste hinzu und antworten, indem sie dies bestätigen. Auch wenn schließlich wieder einzelne Knoten aus dem System ausscheiden, ist auf diese Art und Weise sichergestellt, dass das Gesamtsystem bestehen bleibt, da jeder Computer mit mehreren anderen verbunden bleibt. Jedes neue Systemmitglied erhält eine komplette Kopie der aktuellen Blockchain-Datenstruktur und damit der gesamten Transaktionshistorie der Blockchain. Dadurch wird er zu einem vollwertigen Mitglied und kann in der Folge seine Aufgaben erfüllen.

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Neue Informationen werden von den Netzwerkknoten unmittelbar nach ihrem Eintreffen an seine Verteilerliste weiter verteilt. Dadurch erhält schließlich jeder Teilnehmer alle neuen Informationen. War ein Knoten vorübergehend getrennt, so findet er in seinem Posteingang alle Transaktionsdaten und Blöcke, die er in der Zwischenzeit verpasst hat. Damit ist auch er wieder auf dem letzten Stand.

Zuckerbrot und Peitsche sorgen für die korrekte Validierung von Daten

Der Konsensmechanismus der Blockchain sorgt dafür, dass die Integrität der Blockchain jederzeit sichergestellt ist. Als Belohnung dafür erhalten die “Polizisten” der Blockchain – im Fall von Bitcoin also die sogenannten “Miner” –  Vergütungen in Form von neu geschürften Coins. Nachdem die Prüfer im Wettbewerb gegeneinander antreten, ist Effizienz und Qualität sichergestellt. Denn der Wettbewerb ist sowohl ein Geschwindigkeitswettbewerb als auch ein Qualitätswettbewerb. Und die Verlierer im Geschwindigkeitswettbewerb sind sodann die Schiedsrichter im Qualitätswettbewerb. Vergütet wird nur leistungsabhängig, es gibt keine “Fixgehälter”. Wer zuerst seine Aufgabe erfolgreich erledigt, wird belohnt. Dieses Prinzip ist in unterschiedlichen Blockchains und durch verschiedene Geschäftsmodelle zwar teilweise modifiziert, gilt aber im Großen und Ganzen. Findet nun ein Systemteilnehmer heraus, dass ein anderer falsch validiert hat, so wird diesem die Belohnung wieder entzogen und der “Aufdecker” erhält an seiner Stelle die Belohnung. Die gegenseitige Kontrolle ist damit sichergestellt. Jeder ist damit grundsätzlich angehalten, nicht nur effizient, sondern auch korrekt zu handeln. Denn Effizienz kann auch zu Lasten der Qualität gehen und selbst Betrug ist möglich.

Zuckerbrot und Peitsche, Wettbewerb und Gruppenzwang sorgen also für gute Arbeitsergebnisse. Dies gilt aber nur solange, solange nicht eine Mehrheit der Teilnehmer beschließt, die Regeln zu unterlaufen. Im Bereich der Blockchain spricht man in diesem Zusammenhang von einem sogenannten “51%-Angriff”. Man spricht davon, wenn eine Mehrheit von mehr als 50% im Rahmen des Konsensmechanismus zusammenwirken würden, um falsch zu validieren und damit die Blockchain zu maniupulieren. Das Prinzip der Mehrheit (also mehr als 50%) ist eine vereinfachende Darstellung eines komplexen technologischen Themas. Nach Meinung von Experten könnten es wahrscheinlich auch weniger als 50% sein, die die Blockchain manipulieren können. Betrachtet man ökonomische Konzentrationstendenzen unter den Minern, dann besteht diese Gefahr nicht nur theoretisch. Man nimmt an, dass sehr große Miner praktisch zu einer Quasi-Zentralisierung einzelner Blockchains führen könnten. Aktuell liegen wahrscheinlich rund 80% der Bitcoin-Miningkapazitäten in China.

Wettbewerb ist das Leitprinzip der Blockchain

Der Geschwindigkeitswettbewerb unter den Knoten erfolgt beim sogenannten Proof-of-Work- Konsensmechanismus über die Lösung des Hashpuzzles . Dies ist je nach Schwierigkeitsgrad unterschiedlich aufwendig und nur durch Versuch und Irrtum lösbar. Sobald ein Knoten einen neuen Block einreicht, ist der Geschwindigkeitswettbewerb vorerst beendet. Es startet der Qualitätswettbewerb. Dabei wird die Korrektheit des eingereichten Blocks geprüft. Wie bereits erwähnt, sind die Verlierer des Geschwindigkeitswettbewerbs die Schiedsrichter im Qualitätswettbewerb. Jeder Knoten muss bei Erhalt eines neuen Blocks diesen überprüfen. Ist der Block gültig, erhält der einreichende Knoten die Vergütung und ein neuer Geschwindigkeitswettbewerb beginnt. Wird der eingereichte Block verworfen, dann wird der alte Geschwindigkeitswettbewerb wieder mit sämtlichen darin enthaltenen Transaktionen wieder aufgenommen.

Bei Einlangen eines neuen Blocks wissen alle anderen Knoten, dass sie den Geschwindigkeitswettbewerb verloren haben und nun am Qualitätswettbewerb teilnehmen müssen. Sie können nur noch etwas gewinnen, wenn sie den Qualitätswettbewerb gewinnen und den alten Block als “ungültig” entlarven. Indem sich jeder Knoten im Wettbewerb also zu einem bestimmten Zeitpunkt entweder im Status eines Geschwindigkeitswettbewerbs oder im Status des Qualitätswettbewerbs befindet, kommt dem Arbeitstakt eine besondere Bedeutung zu. Der Blockchainalgorithmus ist darauf ausgelegt, dass sich sämtliche Knoten im selben Arbeitstakt befinden. Der identische Takt gewährleistet letztlich, dass alle Blöcke dieselbe Transaktionsdatenhistorie führen. Der Arbeitstakt kann aber nicht regeln, ob sich ein Knoten gerade im Geschwindigkeitswettbewerb oder im Qualitätswettbewerb befindet. Denn das hängt vom Einlangen neuer Blöcke im Posteingang der Knoten ab.

Der Gewinner des Wettbewerbs erhält also eine Belohnung, genannt “block-reward”. Bei der Bitcoin-Blockchain werden etwa alle vier Jahre 210.000 Blöcke verarbeitet. Die erste Transaktion in einem Block heißt Coinbase. Die Belohnung für den ersten Block der Bitcoin-Blockchain war 50 Bitcoin, sie halbiert sich seither alle 210.000 Blöcke. Dieser Vorgang heißt “halving”. Derzeit beträgt sie 12,5 Bitcoin. Nähere Informationen dazu entnehmen Sie bitte www.bitinfocharts.com/bitcoin. Die Zahlen verändern sich laufend. Aktuell beträgt der Zeitabstand zwischen neuen Blöcken rund acht Minuten. Die durchschnittliche Blockgröße liegt bei etwa 660.000 KByte. Die gesamte Größe der Bitcoin Blockchain lag Mitte Juni 2018 bei etwa 200 GByte. Der Transaktionswert einer Bitcointransaktion liegt im Median bei rund 390,– US Dollar, im Durchschnitt aber bei rund 55.000,– US Dollar. Demgegenüber liegt die Transaktionsgebühr im Median bei 0,23 US Dollar, im Durchschnitt hingegen bei 0,74 US Dollar. Dies zeigt, dass die Kosten einer Einzeltransaktion volumensabhängig stark degressiv verlaufen.   

Wie funktioniert das Transaktionsverarbeitung durch einen Knoten nun konkret?

Neu einlangende Transaktionsdaten werden von einem Knoten ausgewählt. Die Priorität der um ihre Validierung konkurrierenden Transaktionsdaten hängt von der Höhe der Transaktionsgebühr ab, die der Absender vorsieht. Je höher diese Gebühr, umso attraktiver ist deren Validierung. Gültige Transaktionsdaten werden sodann in einem Hashbaum zusammengefasst. Neu einlangende Blöcke werden im Rahmen des Qualitätswettbewerbs mit höchster Priorität verarbeitet. Sobald ein Block fertiggestellt ist, wird er unverzüglich an die anderen Knoten weitergeleitet. Fällt die Validierung durch einen Knoten positiv aus, wird der Block sodann in sein Exemplar der Blockchain-Datenstruktur eingetragen, ungültige Blöcke werden verworfen. Die in einem gültigen Block enthaltenen Transaktionsdaten werden sodann aus dem Posteingang gelöscht. Stellt sich ein bereits eingetragener Block nachträglich als ungültig heraus, wird dieser Block und alle seine Nachfolger in der Blockchain-Datenstruktur als ungültig markiert. Eine physische Löschung erfolgt nicht. Dadurch bleibt eine vollständige Dokumentation mit jederzeitiger Nachvollziehbarkeit erhalten. Gedanklich entspricht dies aber der Entfernung aus der Blockchain-Datenstruktur. Die in den als ungültig markierten Blöcken enthaltenen Transaktionsdaten wandern für eine neuerliche Verarbeitung wieder zurück in den Posteingang. Indem inkorrektes Verhalten bei der Validierung durch den Entzug von Belohnungen mit Sicherheit pönalisiert wird, stellt der mit diesem Verhalten verbundene Aufwand ein “stranded investment” dar. Eine simple ökonomische Logik stellt also die Funktionsfähigkeit der Blockchain sicher. Und dennoch geht keine einzige Transaktion verloren. Bestechend!

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