Christoph Meinel Tatiana Gayvoronskaya Blockchain Hype oder Innovation Blockchain Christoph Meinel • Tatiana Gayvoronskaya Blockchain Hype oder Innovation ChristophMeinel TatianaGayvoronskaya Berlin,Deutschland Potsdam,Deutschland ISBN978-3-662-61915-5 ISBN978-3-662-61916-2(eBook) https://doi.org/10.1007/978-3-662-61916-2 DieDeutscheNationalbibliothekverzeichnetdiesePublikationinderDeutschenNationalbibliografie;detaillierte bibliografischeDatensindimInternetüberhttp://dnb.d-nb.deabrufbar. SpringerVieweg ©Springer-VerlagGmbHDeutschland,einTeilvonSpringerNature2020 DasWerkeinschließlichallerseinerTeileisturheberrechtlichgeschützt.JedeVerwertung,dienichtausdrücklich vomUrheberrechtsgesetzzugelassenist,bedarfdervorherigenZustimmungdesVerlags.Dasgiltinsbesondere fürVervielfältigungen,Bearbeitungen,Übersetzungen,MikroverfilmungenunddieEinspeicherungundVerar- beitunginelektronischenSystemen. DieWiedergabevonallgemeinbeschreibendenBezeichnungen,Marken,Unternehmensnamenetc.indiesem Werkbedeutetnicht,dassdiesefreidurchjedermannbenutztwerdendürfen.DieBerechtigungzurBenutzung unterliegt, auch ohne gesonderten Hinweis hierzu, den Regeln des Markenrechts. Die Rechte des jeweiligen Zeicheninhaberssindzubeachten. DerVerlag,dieAutorenunddieHerausgebergehendavonaus,dassdieAngabenundInformationenindiesem WerkzumZeitpunktderVeröffentlichungvollständigundkorrektsind.WederderVerlag,nochdieAutorenoder dieHerausgeberübernehmen,ausdrücklichoderimplizit,GewährfürdenInhaltdesWerkes,etwaigeFehler oderÄußerungen.DerVerlagbleibtimHinblickaufgeografischeZuordnungenundGebietsbezeichnungenin veröffentlichtenKartenundInstitutionsadressenneutral. Planung:MartinBörger SpringerViewegisteinImprintdereingetragenenGesellschaftSpringer-VerlagGmbH,DEundisteinTeilvon SpringerNature. DieAnschriftderGesellschaftist:HeidelbergerPlatz3,14197Berlin,Germany Vorwort „Die Blockchain – eine „Alientechnologie“ oder doch nur ein neuer Verschlüsselungsal- gorithmus, der digitale Währungen ermöglicht und der aus Marketingzwecken zu einem Hype gemacht wurde? Auf jeden Fall ist es etwas technisch hoch-kompliziertes und undurchsichtiges,womitnurdieUnternehmensgigantenmitihrenInnovationLabsetwas anfangen können.“ – denken sich die meisten. Die Verwirrung ist verständlich, da auch heute1 nochüberdie„richtige“DefinitionderBlockchain-Technologiediskutiertwird. In den Jahren 2016 und 2017, als der Hype um die Blockchain-Technologie ihren Höhepunkt erreicht hatte, haben sich zahlreiche Unternehmen auf ein „Blockchain- Experiment“ eingelassen. Jedes mit einer eigenen Vorstellung, was die Blockchain ist. So wirkte der Hype um die Blockchain-Technologie nicht nur als Entwicklungstreiber, sondernwargleichzeitigdiehäufigsteUrsachefürzahlreicheMisserfolge.DiePlanungs- und Entwicklungsphasen vieler Projekte ließen sich extrem verkürzen, um das Produkt schnellstmöglich in den Markt zu bringen und von dem Hype zu profitieren. Auch zahlreichetechnischeKonzepteundProjekte,diebereitsvorderBlockchain-Technologie existiert haben und wenig mit ihrer Innovation zu tun hatten, konnten sich unter dem Namen „Blockchain“ besser verkaufen. Dementsprechend ist die Enttäuschung über die durch den Hype hochgepriesene Blockchain-Technologie nicht überraschend. Eine neue TechnologienüchternzubetrachtenisteinGrundsteindesErfolgs,derdurchdenrichtigen Einsatzmöglichwird. Daher haben wir uns in diesem Buch auf die Innovation der Blockchain-Technologie konzentriertunddieVorteilebetrachtet,dieunsdieseTechnologieimVergleichzubereits vorhandenenLösungenbietet.UnserZieldabeiwar,Ihneneinenklarenundumfassenden Überblick über die Blockchain-Technologie und deren Möglichkeiten zu vermitteln und Ihnenhelfen,IhreneigenenStandpunktzurBlockchain-Technologiezufinden. Bereits zu Beginn möchten wir Ihnen den Schwerpunkt der Blockchain-Technologie näher bringen. Dafür steigen wir mit dem ersten Kapitel in das Thema der dezentralen Netzwerke ein und machen uns zugleich mit ihren Herausforderungen am Beispiel einer Online-Handelsplattform vertraut. In weiteren Kapiteln erklären wir mithilfe eines 1ZumZeitpunktdesEntstehensdiesesBuchs. V VI Vorwort einfachen Beispiels was die Blockchain-Technologie ist, woher diese kommt und wie sie funktioniert. Bevor wir uns tiefer mit den technischen Fragen beschäftigen, gehen wir auf die notwendigen technischen Grundlage ein. In diesem Kapitel schauen wir uns die einzelne Ansätze, die die Blockchain-Technologie ausmachen, sowie die Art und Weise, wie diese dort zusammengesetzt sind, an. Angehend setzen wir uns mit der Architektur der Blockchain-Technologie mithilfe bekannter Beispielen wie Bitcoin und Ethereum auseinander und gehen dabei auf ihre Herausforderungen wie Sicherheit und Skalierbarkeitgenauerein.AnschließendwidmenwirunsdenMöglichkeiten,dieSiebei der Einführung der Blockchain-Technologie haben. Unter anderem schauen wir uns die Best-Practice-Beispiele an, um eine bessere Vorstellung zu bekommen, welche Bereiche vonderTechnologieprofitierenkönnen. Wir begleiten Sie im Buch mit zahlreichen Beispielen und detaillierten Erklärungen undhoffen,dassSieamEndeunterscheidenkönnen,wasanderBlockchain-Technologie wirklichinnovativistundwasnichtsweiteralseinHypeist. Das vorliegende Buch baut auf unserem Technischen Bericht [1] auf und will einen umfassenden Überblick über das Thema Blockchain bieten. Neben den technischen Grundlagen soll das große Ganze erfasst werden, von der Idee des Bitcoin-Systems bis hinzudenHerausforderungen,vorderdieBlockchain-TechnologieundihreAlternativen stehen. Wir bedanken uns bei Matthias Bauer für seine großartige Unterstützung bei der sprachlichenGestaltungdesBuches. Potsdam Prof.Dr.ChristophMeinelundTatianaGayvoronskaya Juni2020 Literatur 1.C.Meinel,T.Gayvoronskaya,M.Schnjakin,Blockchain:Hypeoderinnovation,(Universitätsver- lagPotsdam,Vol.113,2017) Inhaltsverzeichnis 1 Einführung .......................................................................... 1 Literatur............................................................................... 4 2 WasverbirgtsichhinterdemBegriffBlockchain?.............................. 5 2.1 BlockchainaneinemeinfachenBeispielverstehen .......................... 7 2.2 Bitcoin.......................................................................... 10 Literatur............................................................................... 15 3 DassolltenSiewissen,umdieBlockchain-Technologiezuverstehen......... 17 3.1 Kryptografie.................................................................... 17 3.1.1 DigitaleSignaturenundHashwerte................................... 18 3.1.2 Nutzer-Identifizierungund-Adressen ................................ 21 3.2 AustauschunterGleichen...................................................... 23 3.2.1 Verschleierung ......................................................... 28 3.2.2 DatenschutzundHaftung.............................................. 30 3.3 Konsensfindung ................................................................ 31 Literatur............................................................................... 37 4 Wo endet der Hype, wo beginnt die Innovation der Blockchain-Technologie?........................................................... 39 4.1 Nachverfolgbarkeit,Fälschungssicherheit,Ausfallsicherheit................ 41 4.1.1 KleinsteBausteineeinerBlockchain ................................. 42 4.1.2 BlockundKette........................................................ 47 4.1.3 FortschreibungderBlockchain........................................ 51 4.1.4 NeueBlockchainsundAlternativen .................................. 56 4.2 HerausforderungenderBlockchain-Technologie............................. 58 4.2.1 MöglicheAngriffe..................................................... 58 4.2.2 Skalierbarkeit .......................................................... 63 Literatur............................................................................... 76 VII VIII Inhaltsverzeichnis 5 RichtigerEinsatzversprichtdenErfolg.......................................... 81 5.1 EinsatzeinerbereitsbestehendenBlockchain-Lösung....................... 83 5.1.1 UTXO-basierteLösungmitColoredCoins .......................... 84 5.1.2 AccountbasierteLösungundSmartContracts ....................... 85 5.1.3 InteroperableBlockchains............................................. 88 5.2 EinsatzeinereigenenneuenBlockchain-Lösung............................. 91 Literatur............................................................................... 92 6 ProjekteundEinsatzbereichederBlockchain-Technologie.................... 93 6.1 Finanzwesen.................................................................... 102 6.2 Identitätsmanagement.......................................................... 103 6.3 InternetofThings.............................................................. 106 6.4 Energie.......................................................................... 108 6.5 Logistik......................................................................... 109 Literatur............................................................................... 110 7 Zusammenfassung .................................................................. 115 Literatur............................................................................... 121 AnhangA:ByzantineAgreementAlgorithmus...................................... 123 AnhangB:AutomaticallyuseTORHiddenServices ............................... 125 AnhangC:VerifizierenderTransaktionimBitcoin-System....................... 127 AnhangD:TheByzantineGeneralsProblem........................................ 129 AnhangE:Atomiccross-chaintrading............................................... 131 AnhangF:EthereumRoadmap....................................................... 133 Stichwortverzeichnis.................................................................... 135 Abbildungsverzeichnis Abb.2.1 HardwareWalletTrezorOne[10]......................................... 13 Abb.2.2 HardwareWalletLedgerNanoX[8]...................................... 13 Abb.2.3 VerbreitungderBitcoin-Währungweltweit[7]........................... 14 Abb.2.4 VerbreitungderBitcoin-WährunginEuropa[7] ......................... 14 Abb.3.1 Public-Key-Kryptografie................................................... 19 Abb.3.2 DigitalesSignierenundVerifiziereneinerNachricht..................... 20 Abb.3.3 Adressen-GenerierungimBitcoin-System................................ 22 Abb.3.4 AbstrakteDarstellungderBlockchain-Schichtenarchitektur............. 24 Abb.3.5 VergleichdesP2P-undClient-Server-Netzes ............................ 24 Abb.3.6 AuflösungdesDomainnamenseinesDNS-Seed ......................... 26 Abb.3.7 VerbreitungderInformationenineinemBlockchain-basiertenNetz.... 28 Abb.3.8 TOR-Netzwerk............................................................. 29 Abb.4.1 Beispiel von einem Hype Cycle for Emerging Technologies (2020)[49].................................................................. 40 Abb.4.2 Blockstack-Schichtenarchitektur[1] ...................................... 41 Abb.4.3 TransaktionenimBitcoin-System......................................... 45 Abb.4.4 BeispieleinerBitcoin-TransaktionmiteinemInputundeinem Output[24] ................................................................. 45 Abb.4.5 Hash-BaumausTransaktionen ............................................ 49 Abb.4.6 Blockchain.................................................................. 52 Abb.4.7 Mining-Prozess,LösenderkryptografischenAufgabe................... 53 Abb.4.8 PublicundPrivateBlockchain............................................. 58 Abb.4.9 Ethereum:TransaktionenproTag[32,41,42]............................ 63 Abb.4.10 Bitcoin:TransaktionenproTag[31,34] .................................. 64 Abb.4.11 Skalierbarkeitstrilemma.................................................... 64 Abb.4.12 AllgemeinesFormateinerBitcoin-TransaktionvorBIP141und danach[24,50]............................................................. 67 Abb.4.13 Pay-to-Witness-Public-Key-Hash–BIP141[24,50]..................... 68 Abb.4.14 Pay-to-Witness-Script-Hash–BIP141[24,50]........................... 68 Abb.4.15 Ethereum2.0–Architektur[58]........................................... 71 Abb.4.16 NetzwerkderMicropayment-Kanäle...................................... 75 IX X Abbildungsverzeichnis Abb.5.1 Colored-Coins-MethodeaufBasisderBitcoin-Blockchainmit einemneuenWert(ApartmentzurMiete) ................................ 84 Abb.5.2 Provable (früher Oraclize) – Datenbote für dezentrale Applikationen[18]......................................................... 87 Abb.5.3 KonvertierungderBitcoinsinSidechain-Einheiten ...................... 90 Abb.6.1 Gem–BlockchainfürGesundheitsdaten[32]............................ 95 Abb.6.2 EstlandsDigitalisierungsweg[27]......................................... 101 Abb.6.3 Self-SovereignIdentity(SSI).............................................. 105 Abb.6.4 DID-Syntax-Beispiel(W3C)[65–67]..................................... 106 Abb.6.5 End-To-EndBlockchain-basierteSupplyChain[69]..................... 109