Blockchains werden durch verschiedene Mechanismen gesichert, darunter fortschrittliche kryptografische Techniken und mathematische Verhaltens- und Entscheidungsmodelle. Die Blockchain-Technologie ist die Grundstruktur der meisten Kryptowährungssysteme und verhindert, dass diese Art von digitaler Währung dupliziert oder zerstört wird.

Der Einsatz der Blockchain-Technologie wird auch in anderen Bereichen untersucht, in denen die Unveränderlichkeit und Sicherheit von Daten äußerst wertvoll sind. Zu den Beispielen gehören die Aufzeichnung und Verfolgung von Wohltätigkeitsspenden, medizinische Datenbanken und das Lieferkettenmanagement (Rückverfolgbarkeit).

Allerdings ist Blockchain-Sicherheit alles andere als ein einfaches Thema. Daher ist es wichtig, die grundlegenden Konzepte und Mechanismen zu verstehen, die einen wirksamen Schutz dieser innovativen Systeme gewährleisten.

Die Konzepte der Unveränderlichkeit und des Konsenses

Obwohl es viele Merkmale gibt, die die mit der Blockchain verbundene Sicherheit beeinflussen, sind zwei der wichtigsten die Konzepte des Konsenses und der Unveränderlichkeit. Konsens bezieht sich auf die Fähigkeit von Knoten innerhalb eines verteilten Blockchain-Netzwerks, sich über den wahren Zustand des Netzwerks und die Gültigkeit von Transaktionen zu einigen. Im Allgemeinen hängt der Prozess der Konsensfindung von sogenannten Konsensalgorithmen ab.

Unveränderlichkeit hingegen bezieht sich auf die Fähigkeit von Blockchains, die Änderung bereits bestätigter Transaktionen zu verhindern. Obwohl diese Transaktionen häufig die Übertragung von Kryptowährungen beinhalten, können sie sich auch auf die Aufzeichnung anderer Formen nicht-monetärer digitaler Daten beziehen.

Die Kombination aus Konsens und Unveränderlichkeit bildet den Rahmen für die Datensicherheit in Blockchain-Netzwerken. Obwohl Konsensalgorithmen sicherstellen, dass Systemregeln eingehalten werden und alle Beteiligten sich über den aktuellen Zustand des Netzwerks einig sind, stellt die Unveränderlichkeit die Integrität von Daten und Transaktionsaufzeichnungen sicher, nachdem die Gültigkeit jedes neuen Datenblocks bestätigt wurde.

Die Rolle der Kryptographie bei der Blockchain-Sicherheit

Blockchains stützen sich weitgehend auf Kryptografie, um die Sicherheit ihrer Daten zu gewährleisten. Eine äußerst wichtige kryptografische Funktion in einem solchen Zusammenhang ist das Hashing. Hashing ist ein Prozess, bei dem ein als Hash-Funktion bezeichneter Algorithmus Dateneingaben (beliebiger Größe) empfängt und eine bestimmte Ausgabe zurückgibt, die einen Wert fester Länge enthält.

Egal wie groß die Eingabe ist, die Ausgabe hat immer die gleiche Länge. Wenn sich die Eingabe ändert, wird die Ausgabe völlig anders sein. Wenn sich die Eingabe jedoch nicht ändert, ist der resultierende Hash immer derselbe, unabhängig davon, wie oft Sie die Hash-Funktion ausführen.

In Blockchains werden diese Ausgabewerte, sogenannte Hashes, als eindeutige Kennungen für Datenblöcke verwendet. Der Hash jedes Blocks wird relativ zum Hash des vorherigen Blocks generiert und verbindet die Blöcke miteinander und bildet so eine Kette von Blöcken. Darüber hinaus hängt der Block-Hash von den in diesem Block enthaltenen Daten ab, was bedeutet, dass alle Änderungen an den Daten auch eine Änderung des Block-Hashs erfordern.

Daher wird der Hash jedes Blocks basierend auf den in diesem Block enthaltenen Daten und dem Hash des vorherigen Blocks generiert. Diese Hash-Identifikatoren spielen eine Schlüsselrolle für die Sicherheit und Unveränderlichkeit von Blockchains.

Der Hash wird auch von Konsensalgorithmen zur Validierung von Transaktionen ausgenutzt. Auf der Bitcoin-Blockchain beispielsweise verwendet der Proof of Work (PoW)-Algorithmus, der zum Erreichen eines Konsenses und zum Schürfen neuer Münzen verwendet wird, eine Hash-Funktion namens SHA-256. Wie der Name schon sagt, nimmt SHA-256 eine Dateneingabe entgegen und gibt einen 256-Bit- oder 64-Zeichen-Hash zurück.

Neben der Gewährleistung des Schutzes von Transaktionsaufzeichnungen in Ledgern spielt die Kryptographie auch eine Rolle bei der Sicherheit von Wallets, in denen Kryptowährungseinheiten gespeichert werden. Die gekoppelten öffentlichen und privaten Schlüssel, die es Benutzern jeweils ermöglichen, Zahlungen zu empfangen und zu senden, werden dann durch die Verwendung öffentlicher Schlüssel oder asymmetrischer Kryptographie erstellt. Private Schlüssel ermöglichen die Generierung digitaler Signaturen für Transaktionen, die dabei helfen, den Besitz der gesendeten Münzen zu authentifizieren.

Obwohl diese Einzelheiten den Rahmen dieses Artikels sprengen würden, verhindert die Natur der asymmetrischen Kryptographie, dass jeder andere Inhaber als der private Schlüsselinhaber auf Gelder zugreifen kann, die in einem Kryptowährungs-Wallet gespeichert sind. Dadurch bleiben diese Gelder sicher, bis der Besitzer sie ausgibt (wie z. B solange der Schlüssel nicht weitergegeben oder kompromittiert wird).

Kryptoökonomie

Neben der Kryptographie spielt auch ein relativ neues Konzept namens Kryptoökonomie eine Rolle bei der Aufrechterhaltung der Sicherheit von Blockchain-Netzwerken. Es bezieht sich auf ein Forschungsgebiet namens Spieltheorie, das die Entscheidungsfindung rationaler Akteure in Situationen mit vordefinierten Regeln und Belohnungen mathematisch modelliert. Während die traditionelle Spieltheorie auf viele Fälle anwendbar ist, modelliert und beschreibt die Kryptoökonomie speziell das Verhalten von Knoten in verteilten Blockchain-Systemen.

Zusammenfassend ist Kryptoökonomie das Studium der Ökonomie innerhalb von Blockchain-Protokollen und der möglichen Ergebnisse, die ihr Modell basierend auf dem Verhalten seiner Teilnehmer bringen kann. Sicherheit durch Kryptoökonomie basiert auf der Vorstellung, dass Blockchain-Systeme größere Anreize für Knoten bieten, ehrlich zu handeln, anstatt sich auf böswilliges oder unrechtmäßiges Verhalten einzulassen. Wieder einmal ist der beim Bitcoin-Mining verwendete Proof-of-Work-Konsensalgorithmus ein gutes Beispiel für diese Anreizstruktur.

Als Satoshi Nakamoto das Framework für das Bitcoin-Mining schuf, konzipierte er es bewusst als kostspieligen und ressourcenintensiven Prozess. Aufgrund seiner Komplexität und seines Rechenaufwands ist PoW-Mining mit einem erheblichen Geld- und Zeitaufwand verbunden, unabhängig vom Standort und Standort des Mining-Knotens. Daher schreckt eine solche Struktur böswillige Aktivitäten stark ab und schafft erhebliche Anreize für ehrliche Bergbauaktivitäten. Unehrliche oder ineffiziente Knoten werden schnell aus dem Blockchain-Netzwerk geworfen, während ehrliche und effiziente Miner die Möglichkeit haben, große Blockbelohnungen zu erhalten.

Darüber hinaus schützt dieses Gleichgewicht zwischen Risiken und Nutzen auch vor potenziellen Angriffen, die den Konsens gefährden könnten, indem die Mehrheit der Hash-Raten eines Blockchain-Netzwerks in die Hände einer einzelnen Gruppe oder Entität gelegt wird. Solche Angriffe, sogenannte 51 %-Angriffe, könnten bei erfolgreicher Ausführung äußerst schädlich sein. Aufgrund der Wettbewerbsfähigkeit des Proof-of-Work-Minings und der Größe des Bitcoin-Netzwerks ist die Wahrscheinlichkeit jedoch äußerst gering, dass ein böswilliger Akteur die Kontrolle über die Mehrheit der Knoten übernimmt.

Darüber hinaus wären die Kosten für die erforderliche Rechenleistung, um eine 51-prozentige Kontrolle über ein so großes Blockchain-Netzwerk zu erlangen, astronomisch, was sofort davon abhält, eine solche Investition mit einem relativ geringen potenziellen Gewinn zu tätigen. Dieser Aspekt verdeutlicht ein Merkmal von Blockchains, das als „Byzantine Generals Problem“ oder „Byzantine Fault Tolerance“ (BFT) bekannt ist und bei dem es sich im Wesentlichen um die Fähigkeit eines verteilten Systems handelt, weiterhin normal zu funktionieren, selbst wenn einige seiner Knoten kompromittiert sind oder böswillig handeln.

Solange die Kosten für die Einrichtung einer Mehrheit bösartiger Knoten unerschwinglich bleiben und es bessere Anreize für ehrliche Aktivitäten gibt, wird das System ohne nennenswerte Störungen funktionieren können. Allerdings ist zu beachten, dass kleinere Blockchain-Netzwerke sicherlich anfälliger für Mehrheitsangriffe sind, da die Gesamt-Hash-Rate dieser Systeme erheblich niedriger ist als die von Bitcoin.

Schlussfolgern

Durch den kombinierten Einsatz von Spieltheorie und Kryptographie können Blockchains als verteilte Systeme ein hohes Maß an Sicherheit erreichen. Wie bei fast allen Systemen ist es jedoch wichtig, dass diese beiden Fachgebiete richtig integriert werden. Ein empfindliches Gleichgewicht zwischen Dezentralisierung und Sicherheit ist in der Tat von entscheidender Bedeutung für den Aufbau eines zuverlässigen und effizienten Kryptowährungsnetzwerks.

Mit der Weiterentwicklung der Blockchain-Nutzung werden sich auch ihre Sicherheitssysteme an die Anforderungen verschiedener Anwendungen anpassen. Die privaten Blockchains, die beispielsweise für Unternehmen entwickelt werden, basieren viel stärker auf Sicherheit durch Zugriffskontrolle als auf spieltheoretischen (oder kryptoökonomischen) Mechanismen, die für die Sicherheit der meisten öffentlichen Blockchains wesentlich sind.