Was gewährleistet die Sicherheit von Blockchains?

Grundlagen

Die Sicherheit von Blockchains wird durch verschiedene Mittel gewährleistet, etwa durch fortschrittliche kryptographische Verfahren sowie mathematische Modelle für Verhalten und Entscheidungsfindung. Die Blockchain bildet die Grundlage der meisten Kryptowährungssysteme und sichert die Integrität und Einzigartigkeit digitalen Geldes. Abgesehen vom Finanzwesen kommt diese moderne Technologie in vielen Bereichen zum Einsatz, in denen eine sichere Datenerfassung und -verfolgung erforderlich ist – etwa bei Spenden, medizinischen Datenbanken oder im Supply-Chain-Management.

Dennoch ist die Blockchain-Sicherheit ein komplexes Thema, das ein grundlegendes Verständnis der zugrunde liegenden Konzepte und Mechanismen erfordert, die die Resilienz dieser innovativen Systeme garantieren.

Die Bedeutung von Konsens und Unveränderlichkeit für die Blockchain-Sicherheit

Die Sicherheit von Blockchains beruht auf mehreren Eigenschaften, wobei Konsens und Unveränderlichkeit die wichtigsten Konzepte zur Gewährleistung dieser Sicherheit sind. 

Konsens beschreibt die Fähigkeit der Knoten in einem dezentralen Blockchain-Netzwerk, sich über die Gültigkeit von Transaktionen und den tatsächlichen Zustand des Netzwerks zu einigen – erreicht durch Konsensalgorithmen. Unveränderlichkeit bezeichnet die Eigenschaft von Blockchains, bestätigte Transaktionen und gespeicherte Daten vor nachträglichen Änderungen zu schützen. Gemeinsam bilden Konsens und Unveränderlichkeit die Grundlage der Datensicherheit in Blockchain-Netzwerken. Konsensalgorithmen sorgen dafür, dass das System nach den Regeln arbeitet, während Unveränderlichkeit die Integrität der Daten und Transaktionsaufzeichnungen nach der Bestätigung jedes gültigen Blocks garantiert.

Wie trägt Kryptographie zur Sicherheit der Blockchain bei?

Kryptographie ist ein zentraler Baustein der Blockchain-Sicherheit. Kryptographische Hashfunktionen sind essenziell für Blockchains: Sie verwandeln Eingabedaten beliebiger Länge in einen festen Ausgabewert, den Hash. Diese Hashwerte dienen als eindeutige Kennungen für Datenblöcke und verknüpfen die Blöcke miteinander. Der Hash jedes Blocks wird in Bezug auf den Hash des vorherigen Blocks berechnet; jede Änderung der Daten in einem Block würde somit auch den Hash des Blocks verändern. Hashing spielt zudem eine wichtige Rolle in Konsensalgorithmen, die zur Validierung von Transaktionen verwendet werden. Beispielsweise ist SHA-256 eine Hashfunktion, die im Proof-of-Work-(PoW)-Algorithmus der Bitcoin-Blockchain eingesetzt wird. 

Kryptographie sichert außerdem die Krypto-Wallets, in denen Kryptowährungen aufbewahrt werden. Öffentliche und private Schlüssel bilden dabei ein Paar und basieren auf asymmetrischer Kryptographie. Private Schlüssel erzeugen digitale Signaturen für Transaktionen und authentifizieren damit den Besitz der gesendeten Coins. Asymmetrische Kryptographie stellt sicher, dass nur der Inhaber des privaten Schlüssels auf die in einer Wallet gespeicherten Mittel zugreifen kann – ein Zugriff ist unmöglich, solange der private Schlüssel nicht geteilt oder kompromittiert wird.

Kryptoökonomie

Die Sicherheit von Blockchain-Netzwerken beruht nicht nur auf Kryptographie, sondern auch auf dem vergleichsweise neuen Konzept der Kryptoökonomie, das eng mit der Spieltheorie verknüpft ist. Anders als die klassische Spieltheorie modelliert die Kryptoökonomie speziell das Verhalten von Knoten in verteilten Blockchain-Systemen. Sie analysiert ökonomische Anreize innerhalb von Blockchain-Protokollen und die möglichen Ergebnisse basierend auf dem Verhalten der Teilnehmer. 

Kryptoökonomie liefert Sicherheit, weil Blockchain-Systeme stärkere Anreize für ehrliches Verhalten der Knoten setzen als für böswilliges Handeln. Der Proof-of-Work-Konsensmechanismus im Bitcoin-Mining ist ein typisches Beispiel für diese Anreizstruktur. Satoshi Nakamoto entwarf das System bewusst als kostenintensiven und ressourcenaufwändigen Prozess, um bösartige Aktivitäten unattraktiv und ehrliches Mining lohnend zu machen.

Zudem schafft dieses Gleichgewicht zwischen Risiko und Belohnung Schutz gegen Angriffe, die den Konsens untergraben könnten, indem sie die Mehrheit der Hashrate eines Netzwerks in die Hände einer einzelnen Gruppe bringen. Solche Angriffe, bekannt als 51-Prozent-Angriffe, wären bei Erfolg sehr schädlich. Aufgrund des Wettbewerbs im Proof-of-Work-Mining und der Größe des Bitcoin-Netzwerks ist es jedoch extrem unwahrscheinlich, dass ein böswilliger Akteur die Kontrolle über die Mehrheit der Knoten erlangt.

Die Kosten für die Rechenleistung, die nötig wären, um 51 Prozent der Kontrolle in einem großen Netzwerk zu erreichen, wären astronomisch und bieten somit einen unmittelbaren Abschreckungseffekt gegen eine solche Investition für relativ geringen möglichen Nutzen. Dies trägt zur byzantinischen Fehlertoleranz (BFT) von Blockchains bei – der Fähigkeit eines verteilten Systems, normal weiterzuarbeiten, selbst wenn einige Knoten kompromittiert oder böswillig werden. Solange die Kosten für die Etablierung einer Mehrheit bösartiger Knoten prohibitiv bleiben und bessere Anreize für ehrliches Verhalten bestehen, funktioniert das System ohne größere Störungen. Kleine Blockchain-Netzwerke sind jedoch anfälliger für Mehrheitsangriffe, da ihre gesamte Hashrate deutlich geringer ist als die von Bitcoin.

Fazit

Die Sicherheit von Blockchain-Netzwerken ergibt sich aus der Kombination von Spieltheorie und Kryptographie und schafft so ein hochsicheres verteiltes System. Die richtige Anwendung dieser beiden Wissensgebiete ist entscheidend für die Zuverlässigkeit und Funktionsfähigkeit von Kryptowährungsnetzwerken. Dafür ist ein feines Gleichgewicht zwischen Dezentralisierung und Sicherheit nötig. Während sich die Blockchain-Technologie weiterentwickelt und ihre Einsatzgebiete wächst, müssen auch die Sicherheitsmechanismen an die Anforderungen verschiedener Anwendungen angepasst werden. Private Blockchains, wie sie in Unternehmen genutzt werden, priorisieren beispielsweise Zugriffskontrollen anstelle der kryptoökonomischen Mechanismen, die in öffentlichen Blockchains zum Einsatz kommen.