Wie eine Blockchain funktioniert, vom Hash bis zur Bestätigung

Eine Blockchain ist eine Liste, die nur hinten wächst und deren Einträge sich nicht mehr ändern lassen, ohne dass es auffällt. Alles, was sie dafür braucht, sind drei Bausteine: eine Rechenfunktion, die Daten auf eine feste Länge eindampft, eine Regel, die neue Einträge teuer macht, und viele Rechner, die unabhängig voneinander dasselbe prüfen.

Was ein Hash ist und warum er sich nicht zurückrechnen lässt

Ein Hash ist ein Fingerabdruck für Daten. Bitcoin nutzt das Verfahren SHA-256: Egal ob Sie einen Buchstaben oder eine Datei mit 10 Gigabyte hineingeben, heraus kommt immer ein Wert von 256 Bit, geschrieben als 64 Zeichen im Hexadezimalsystem. Zwei Eigenschaften machen ihn nützlich. Erstens ändert schon ein umgestelltes Komma den gesamten Ausgabewert. Zweitens gibt es keinen Rechenweg zurück: Aus dem Fingerabdruck lässt sich der Text nicht wiederherstellen, man kann nur raten und vergleichen.

Der Zahlenraum macht das Raten aussichtslos. 256 Bit bedeuten 2 hoch 256 mögliche Werte, eine Zahl mit 78 Stellen. Genau diese Aussichtslosigkeit ist die Grundlage für den nächsten Schritt. Wie sich ein Hash verhält, wenn Sie einen einzigen Buchstaben ändern, können Sie in der Hash-Demo selbst ausprobieren.

Wie aus Blöcken eine Kette wird

Ein Block besteht aus einem Kopf und den Übertragungen. Der Kopf ist klein: Das Whitepaper von 2008 rechnet mit etwa 80 Byte je Blockkopf und kommt so auf 80 Byte mal 6 mal 24 mal 365, also 4,2 MB im Jahr für alle Köpfe zusammen. Im Kopf stehen unter anderem der Zeitstempel, ein Wurzelwert über alle enthaltenen Übertragungen und, entscheidend, der Hash des vorherigen Blocks.

Dieser Rückverweis ist die Kette. Wer Block 500.000 nachträglich ändert, ändert dessen Hash; damit passt der Rückverweis in Block 500.001 nicht mehr, und alle folgenden Blöcke werden ungültig. Ein Fälscher müsste die gesamte Rechenarbeit ab der geänderten Stelle neu leisten und dabei schneller sein als der Rest des Netzes.

Wie viel in einen Block passt, ist begrenzt. Ursprünglich galt eine Obergrenze von 1.000.000 Byte je Block. Der Vorschlag BIP 141 ersetzte sie 2017 durch ein Gewichtslimit von 4.000.000 Gewichtseinheiten, berechnet als Grundgröße mal 3 plus Gesamtgröße. Wie viele Übertragungen damit in einen Block passen, hängt von deren Größe und Bauart ab. Die oft zitierte Angabe von 7 Übertragungen je Sekunde stammt aus einem Artikel des Bitcoin-Wiki, der den Durchsatz ausdrücklich aus der alten Obergrenze von 1.000.000 Byte je Block ableitet und den Wechsel zu Gewichtseinheiten nicht berücksichtigt. Als grobe Größenordnung wird sie weiter zitiert, als aktueller Messwert taugt sie nicht.

Verteilt wird das Ganze von Knoten. Ein vollwertiger Knoten lädt jeden Block, prüft jede Signatur und jede Regel selbst und gibt nur weiter, was durchkommt. Er fragt dabei niemanden um Erlaubnis und vertraut keinem anderen Rechner. Das Whitepaper beschreibt den Ablauf in 6 Schritten: Übertragungen werden verteilt, jeder Knoten sammelt sie in einem Block, sucht die Rechenlösung, verteilt den Fund, die anderen prüfen ihn, und ihre Zustimmung besteht darin, dass sie auf diesem Block weiterarbeiten. Wer eine andere Regel durchsetzen will, muss die Betreiber dieser Knoten überzeugen.

Warum die Schwierigkeit alle 2.016 Blöcke neu gesetzt wird

Damit ein Block gültig ist, muss sein Hash unter einem Zielwert liegen. Dafür verändern Miner eine Zählnummer im Kopf und probieren, bis es passt. Wie schwer das ist, regelt das Netz selbst: Alle 2.016 Blöcke wird der Zielwert neu berechnet. 2.016 Blöcke im Abstand von 10 Minuten wären genau zwei Wochen; war die letzte Runde schneller, steigt die Schwierigkeit, war sie langsamer, sinkt sie.

Die Schwierigkeit 1 entspricht dem höchstmöglichen Zielwert und ist im Code als 0x1d00ffff festgelegt; die aktuelle Schwierigkeit ist der Quotient aus diesem Ausgangswert und dem geltenden Zielwert. Wie viel Rechenleistung dahintersteht, zeigt eine Zahl aus der Erhebung der Universität Cambridge: Zum Jahresende 2024 lag die abgeleitete Netzleistung bei 796 EH/s, also 796 Trillionen Hashversuchen je Sekunde. Der Zusammenhang zwischen Belohnung und Rechenleistung steht im Text zum Halving.

Wie viele Bestätigungen genügen

Eine Übertragung gilt als bestätigt, sobald sie in einem Block steht. Jeder weitere Block darüber ist eine weitere Bestätigung. Die verbreitete Faustregel von 6 Bestätigungen ist keine Naturkonstante: Das Bitcoin-Wiki erklärt, sie beruhe auf der Annahme, ein Angreifer bringe kaum mehr als 10 Prozent der Rechenleistung auf und ein Restrisiko unter 0,1 Prozent sei hinnehmbar.

Das Whitepaper rechnet diesen Fall in Abschnitt 11 vor, unter zwei klaren Annahmen: Der Angreifer beginnt erst mit dem Versand der Übertragung heimlich an seiner eigenen Kette zu arbeiten, und die ehrlichen Blöcke brauchen im Schnitt die erwartete Zeit. Bei einem Angreifer mit 10 Prozent der Rechenleistung sinkt seine Erfolgswahrscheinlichkeit dann von 20,46 Prozent nach 1 Block über 1,32 Prozent nach 3 Blöcken auf 0,0243 Prozent nach 6 Blöcken. Bei 30 Prozent Rechenleistung liegt sie nach 5 Blöcken noch bei 17,74 Prozent und erst nach 10 Blöcken bei 4,17 Prozent. Für sehr große Beträge empfiehlt das Wiki deshalb 144 Blöcke, also etwa einen Tag.

Die Wartezeit ist zufällig, nicht getaktet. In 10 Minuten wird ein Block mit rund 63 Prozent Wahrscheinlichkeit gefunden, in 30 Minuten mit 95 Prozent, in 60 Minuten mit 99,7 Prozent.

Proof of Work und Proof of Stake nebeneinander

Beide Verfahren lösen dieselbe Aufgabe: Sie bestimmen, wer den nächsten Block schreiben darf, und machen Betrug teuer. Der Unterschied liegt im Einsatz. Bei Proof of Work ist es Strom und Hardware, bei Proof of Stake hinterlegtes Kapital, das bei Fehlverhalten teilweise vernichtet wird. Ethereum hat am 15. September 2022 gewechselt.

Der Umstieg senkte den jährlichen Stromverbrauch um mehr als 99,988 Prozent und den CO2-Ausstoß um rund 99,992 Prozent, auf etwa 870 Tonnen CO2-Äquivalent im Jahr. Diese Zahlen stehen auf den Seiten des Ethereum-Projekts selbst, stammen dort aus einer Erhebung des Crypto Carbon Ratings Institute und werden ausdrücklich als Schätzung auf Grundlage öffentlich zugänglicher Daten bezeichnet, nicht als amtliche Angabe. Wer sie liest, sollte also wissen, dass der Herausgeber in eigener Sache spricht. Welche weiteren Unterschiede zwischen den beiden Netzen bestehen, steht im Vergleich von Ethereum und Bitcoin.

Was Sie an einer Kette selbst nachprüfen können

Vier Punkte lassen sich ohne Fachwissen klären, bevor Sie einer Kette vertrauen. Erstens die Rechenleistung oder der hinterlegte Einsatz: Bei kleinen Netzen reicht mitunter ein Bruchteil der Leistung großer Netze, um über 50 Prozent zu kommen; genau darin liegt die Gefahr eines Mehrheitsangriffs, bei dem der Angreifer den geänderten Block und alle folgenden neu erzeugt und eine längere Kette daneben stellt.

Zweitens die Zahl der unabhängigen Knoten: Je mehr Rechner eine vollständige Kopie halten und jede Regel selbst prüfen, desto schwerer lässt sich eine Änderung durchdrücken. Drittens die Bestätigungen: 1 Bestätigung ist für einen kleinen Betrag oft genug, 6 sind der übliche Kompromiss, 144 gelten bei sehr großen Summen als vorsichtig. Viertens die Frage, wer die Software pflegt und wie Änderungen beschlossen werden.

Was eine Blockchain nicht leistet, gehört zum Bild dazu: Sie prüft keine Inhalte, sondern nur Regeln. Ein falscher Eintrag, der alle Regeln erfüllt, bleibt für immer stehen. Und sie ersetzt keine Verwahrung: Der Schlüssel liegt bei Ihnen oder bei einem Anbieter. Die Grundlagen dazu stehen im Text zu Bitcoin, Fachwörter im Glossar.

Häufige Fragen

Quellen