Wie erfolgt Transaction-Processing in der Blockchain?

Der Blockchain-Algorithmus sorgt dafür, dass Transaktionen verlässlich so verarbeitet werden, dass die Integrität der Datenstruktur sichergestellt ist. Obwohl Gauner allgegenwärtig sind und keine zentrale Instanz dagegen ankämpft. Das Konzept ist genial und es geht um sehr viel Geld.

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Die Transaktionshistorie der einzelnen Knoten innerhalb der Blockchain kann sich aufgrund von Übertragungsproblemen, Fehlern und anderen Funktionsstörungen unterscheiden. Denn in der Blockchain gibt es keine zentrale Instanz, die dafür sorgt, dass jederzeit dieselben Daten auf allen Knoten verfügbar sind. Die Datenübertragung erfolgt daher von einzelnen Knoten an wenige andere, die sich in seiner Verteilerliste befinden . Diese schicken Datenpakete dann ihrerseits an andere Knoten weiter und so fort. Damit liegen aber zu ein und demselben Zeitpunkt unterschiedliche Versionen der Blockchain-Datenstruktur  auf verschiedenen Computern vor. Wie nun Konflikte aus diesen unterschiedlichen Versionen behoben werden, stelle ich in der Folge dar.

Es geht also darum, eine korrekte und eindeutige Transaktionsdatenhistorie zu gewährleisten. Alleine die Marktkapitalisierung aller Kryptowährungen hat Ende 2017 rund 1.000 Milliarden US-Dollar betragen und ist seither massiv gefallen. Man kann sich vorstellen, welche gigantische Geldvernichtung stattfinden würde, wenn die Datenintegrität nicht sichergestellt wäre. Denn Kryptowährungen sind nur ein Anwendungsfall der Blockchain. Der Abgleich der Transaktionsdatenhistorie ist aber ein permanent im Fluss befindlicher Prozess, der niemals stoppt, solange die Blockchain sich weiterentwickelt. Es muss sichergestellt sein, dass am Schluss ungeachtet des im Einzelfall konkret angesprochen Knoten immer dasselbe Ergebnis herauskommt, nämlich das jeweils korrekte. Es liegen nämlich zu keinem Zeitpunkt bei allen Systemknoten identische Informationen vor und auch die Arbeitstakte der Knoten überlappen sich. Das stellt eine gewaltige Herausforderung dar.

Eine verteilte Konsensentscheidung aller Netzwerkteilnehmer bringt die Lösung

Zur Lösung dieses Problems kommt ein Abstimmungsmechanismus zur Anwendung, der als verteilte Konsensentscheidung bezeichnet wird. Dieser Konsensmechanismus bildet den Kern des Blockchain-Algorithmus. Es kommt dabei zu einer demokratischen Entscheidung sämtlicher Mitglieder in einem rein verteiltem Peer-to-Peer-System. Die Abstimmung kann aber nicht willkürlich erfolgen. Die Computer benötigen ein Kriterium, anhand dessen sie entscheiden können, welche Daten gültig sind und welche nicht. Als Ergebnis dieser kriterienbasierten Entscheidung resultiert dann die “maßgebliche Blockchain”, die auch “maßgebliche Transaktionshistorie” oder “maßgebliche Kette” genannt wird.

Zwei Kriterien sind entscheidend und kommen gemeinsam zur Anwendung. Es sind dies das “Kriterium der längsten Kette” und das “Kriterium der schwersten Kette”. Führt das Kriterium der längsten Kette zu keiner eindeutigen Entscheidung, so gelangt das Kriterium der schwersten Kette zur Anwendung. Anhand des Proof-of-Work-Mechanismus lässt sich die Logik erläutern.

Das Kriterium der längsten Kette kommt nicht bei jeder Blockchain zur Anwendung

Die “längste Kette” ist bei gleichbleibendem Schwierigkeitsgrad des Hashpuzzles jene Version der Blockchain, in welche die meiste Rechenleistung durch Lösung vieler Hashpuzzles geflossen ist. Gleichbleibende Schwierigkeitsgrade sind in der Praxis selten, üblich sind dynamische Schwierigkeitsgrade. Bei dynamischen Schwierigkeitsgraden kommt nicht das Kriterium der längsten Kette, sondern das der schwersten Kette zur Anwendung. Sehen wir uns aber zunächst an, wie ein “Blockchain-Datenbaum” anhand des Kriteriums der längsten Kette entsteht.

Nach dem Kriterium der längsten Kette ist jene Blockchain die maßgebliche, welche die meisten Blöcke enthält. Nachdem aber verschiedene Knoten an unterschiedlichen Blöcken arbeiten, kann es vorkommen, dass ein Knoten einen neuen Block (AB12) – siehe nachstehende Grafik – an andere Knoten überträgt, während ein anderer Knoten einen anderen neuen Block (DD01) an andere Knoten überträgt. Das Kriterium der längsten Kette führt damit als Entscheidungskriterium zunächst zu keinem eindeutigen Ergebnis, da nach einer gewissen Zeit der Mehrheit der Knoten beide neue Blöcke vorliegen. Diese führen dann vorläufig keine Kette mehr, sondern einen Baum, da sie vorläufig beide Blöcke akzeptieren. Denn anhand des Kriteriums der längsten Kette können sie sich vorerst nicht für einen der beiden Blöcke entscheiden.

Nun könnten einige Knoten versuchen, wiederum einen neuen Block an einen der beiden “Kandidatenblöcke” (AB12 und DD01) anzufügen. Andere Knoten versuchen dasselbe bei dem anderen “Kandidatenblock”. Falls nun die Mehrheit der Knoten plötzlich zwei neue Blöcke (BB11 und CCC1) erhalten, die auf dem ersten Kandidatenblock (AB12) aufsetzen, dann ist die Schlacht zugunsten dieses ersten Kandidatenblocks entschieden, da dieser wiederum zur längsten Kette führt. Allerdings ist noch immer nicht geklärt, welcher der beiden ganz neuen Blöcke nun anzufügen ist. Noch immer existieren zwei Ketten mit derselben Länge. Erst mit Einlangen eines weiteren Blocks (0101), der an einen der beiden verbleibenden Äste (BB11) andockt, ist das Rennen entschieden. Dann existiert nämlich eine “längste Kette” (von 33FF über A397, AB12, BB11 bis zu 0101).

Es zeigt sich aber bereits jetzt, dass die Blockchain-Datenstruktur eher einem Baum als einer Kette ähnelt. Der Stamm des Baumes wird zwar im Laufe der Zeit immer länger, dennoch bleiben Verästelungen bestehen, die irgendwann wieder verschwinden, aber durch neue ersetzt werden. Der erste Block heißt “Wurzel”, der letzte Block eines Astes heißt “Blatt”, der Weg von der Wurzel zum Blatt wird als Pfad bezeichnet. Die Äste des Baumes repräsentieren konkurrierende Versionen der Blockchain-Datenstruktur und damit der Transaktionshistorie. Das folgende Schaubild zeigt den soeben dargestellten Prozess:

Quelle: Drescher, D., Blockchain Grundlagen, S. 189, Abb. 19.6: Schematische Darstellung einer Blockchain-Datenstruktur und der Schwierigkeitsgrade

Das Kriterium der schwersten Kette entscheidet bei dynamischen Schwierigkeitsgraden

Der Schwierigkeitsgrad in der Blockchain wird normalerweise dynamisch bestimmt. Die laufende Erhöhung des Schwierigkeitsgrades ist sinnvoll, weil die Rechenleistung von Computern permanent zunimmt. Wenn aber der Schwierigkeitsgrad für die Verifikation von Blocks steigt, dann muss nicht die längste Kette jene sein, die den meisten Rechenaufwand verursacht hat. Jeder Block-Header enthält eine Angabe über den Schwierigkeitsgrad. Addiert man die Schwierigkeitsgrade sämtlicher Blöcke in einem Pfad, so lässt sich jener Pfad ermitteln, der das höchste “Gewicht” hat. Das Entscheidungskriterium in Blockchains mit dynamischem Schwierigkeitsgrad ist nicht das der längsten Kette (von der Wurzel 33FF zum Blatt 0101) , sondern das der schwersten Kette, also jener Kette, die bisher den höchsten Rechenaufwand (von der Wurzel 33FF bis zum Blatt CCC1) erfordert hat.

Der Pfad von der Wurzel 33FF zum Blatt 0101 bildet im soeben dargestellten Schaubild also die längste Kette, weist aber nur ein Gewicht von 5 auf. Der Pfad von der Wurzel 33FF zum Blatt CCC1 die schwerste Kette mit einem Gewicht von 6. Es zeigt sich also, dass je nach zugrundegelegtem Kriterium unterschiedliche Ergebnisse zustande kommen. Beide Kriterien liefern jedoch je nach Blockchaintypus (statischer oder dynamischer Schwierigkeitsgrad) eindeutige Ergebnisse. Denn bei Blockchains mit gleichbleibendem Schwierigkeitsgrad ist die längste Kette automatisch auch die schwerste.

Nichts geht in der Blockchain verloren

Blöcke, die außerhalb des maßgeblichen Pfades liegen, gehen jedoch nicht verloren. Diese Blöcke nennt man “verwaiste Blöcke”. Sie werden von den Knoten nicht weiter verfolgt. Im gezeigten Schaubild wären das nach dem Kriterium der längsten Kette die Blöcke DD01 und CCC1. Nach dem Kriterium der schwersten Kette sind es hingegen die Blöcke 0101, BB11 und DD01. Die bereits gutgeschriebene Belohnung für den Gewinner des Geschwindigkeitswettbewerbs wird wieder storniert. Nur die Transaktionen der maßgeblichen Transaktionshistorie führen zu gültigen Transaktionen. Transaktionen in verwaisten Blöcken gehen jedoch nicht verloren, sie werden erneut in den Posteingang der Knoten gelegt, um erneut Teil eines neuen Blocks werden zu können.

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Schlussendlich wächst aber der Stamm des Blockchain-Baumes laufend an und besteht dann aus unzweifelhaften Blöcken bzw. Transaktionen. Der Zustand während des Bestandes von Ästen des Baumes heißt “eventual consistency”. Damit wird der Umstand beschrieben, dass die Konsistenz irgendwann schließlich eintreten wird, sobald alle Netzwerkknoten ausreichend “abstimmen” konnten. Eines mag vielleicht erstaunen: Die Entscheidung, welcher Block letztlich in die Blockchain eingetragen wird, erfolgt gänzlich zufällig. Dies führt aber zu keinen negativen Folgen, da die in verwaisten Blöcken verbliebenen Transaktionen ja erneut dem Transaction-Processing zugeführt werden. Eventual Consistency bedeutet, dass die Gewissheit über die Eintragung von Blöcken im Zeitverlauf und mit der Eintragung neuer Blöcke zunimmt. Ein geniales System, das die Robustheit gegenüber Manipulationen sicherstellt!

Die Belohnung für die Peers erfolgt in der Blockchain zumeist durch Kryptowährungen

Die Vergütung für die Aufrechterhaltung des Konsensmechanismus sorgt für die Weiterentwicklung der Blockchain und sorgt gleichzeitig für deren Sicherheit und Integrität. Das ursprüngliche Ziel, die Blockchain frei von einer zentralen Instanz zu halten, funktioniert nur, solange, Peers für ihre Arbeit mit einer validen Währung entlohnt werden. Dies ist zumeist – aber nicht zwingend – eine Kryptowährung. Bei nicht öffentlichen Blockchains beispielsweise könnte die Vergütung auch in klassischen Währungen erfolgen. Wenn die Währung, in der die Vergütung erfolgt, nicht mehr als werthaltig betrachtet würde, dann würde auch die Blockchain ihren Konsensmechanismus verlieren. Denn dann würde niemand mehr dafür einen Aufwand betreiben. Bei Blockchains in rein verteilten Peer-to-Peer-Systemen sollte die Vergütung daher in digitaler Form verfügbar sein, weil sie andernfalls nicht Teil der Blockchain sein kann. Die Währung sollte idealtypisch in allen Ländern als akzeptiertes, wertstabiles und vertrauenswürdiges Zahlungsmittel vorliegen. Staatlicher Zugriff darauf sollte hintangehalten werden.

Es muss festgehalten werden, dass dies natürlich den Idealzustand einer Währung beschreibt, der in dieser reinen Form weder bei klassischen Währungen noch bei digitalen Währungen vorliegt. Dennoch wurde Bitcoin als die erste Anwendung der Blockchain genau für diese Anforderungen konzipiert. Ein Ideal, dem nicht vollständig entsprochen werden kann, das aber dieser Kryptowährung konzeptionell zugrundeliegt. Aber wie ich bereits in früheren Blog-Artikeln dargestellt habe, lassen Kryptowährungen zurzeit den Charakter von echten Währungen vermissen. Das macht sie aber weder wertlos, noch ungeeignet für die Anwendung in der Blockchain. Im Laufe der Zeit wird sich wahrscheinlich der Charakter von „Kryptowährungen“ als „geldähnlicher Rohstoff“ immer stärker verdichten.

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