Ausgabe Juli 2021

Vor gut zwei Jahren war an dieser Stelle zu lesen, dass IT-Entscheider das Thema Blockchain nicht aus dem Auge verlieren sollten. Wir haben empfohlen, Wissen über diese Technologie aufzubauen und zu pflegen. 

Ich möchte diese Empfehlung wieder aufgreifen. Den aktuellen Anlass liefern die Turbulenzen bei Kryptowährungen.

Kursturbulenzen bei Bitcoin

Für Aufsehen sorgte in den letzten Wochen die Auswirkung der Äußerungen des Tesla-Chefs Elon Musk auf den Kurs von Bitcoin.

Im Februar 2021 meldete Tesla der US-amerikanischen Börsenaufsicht SEC, dass der Autohersteller Bitcoins im Wert von 1,5 Mrd. US-Dollar gekauft habe. Einen Monat später sagte Musk, Tesla werde Bitcoins für den Kauf von Autos akzeptieren. Das war nicht der einzige, aber sicher ein wesentlicher Grund für den zwischenzeitlichen Anstieg des Bitcoin-Kurses auf über 63.000 US-Dollar im April 2021. Am 12. Mai wurde Musk in der Presse mit der Aussage zitiert, Tesla möchte nun doch keine Bitcoins beim Autokauf akzeptieren, weil beim sogenannten Bitcoin Mining, also in Rechenzentren, die Bitcoins generieren, viel Energie aus fossilen Brennstoffen verbraucht werde. Natürlich führte das zu einem Kurssturz bei Bitcoin und in dessen Sog auch bei einigen anderen Kryptowährungen. Es folgte eine Serie von Tweets des Tesla-Chefs über Kryptowährungen, begleitet von einer Achterbahn bei den Kursen.

Generell gilt, dass jedes Anzeichen der Akzeptanz von Kryptowährungen in der Realwirtschaft den Kurs dieser Währungen stützt. Und jeder Zweifel daran verursacht eine Talfahrt. Da ich keine Kryptowährung besitze, kann ich unbefangen darüber schreiben.

Bitcoin: Interessant trotz des Geburtsfehlers

Die Erkenntnis, dass der Bitcoin-Boom aus ökologischer Sicht nicht gerade von Vorteil ist, ist alles andere als eine geniale Einsicht von Elon Musk. Bitcoin hatte von Anfang an einen Geburtsfehler. Dieser bestand darin, das sogenannte Voting, also die Abstimmung über die Gültigkeit von Transaktionen, von der aggregierten Prozessorleistung abhängig zu machen. Eine Erläuterung dazu gebe ich im Folgenden, nachdem ich kurz auf die Funktionsweise von Blockchains und die Besonderheiten bei Bitcoin eingegangen bin. Trotz der schlechten Energiebilanz von Bitcoin ist nicht zu bestreiten, dass diese Kryptowährung als erste und bekannteste Anwendung von Blockchains interessant ist. Da alle Algorithmen für Bitcoin offengelegt sind, eignet sich diese Kryptowährung sehr gut für die Erläuterung der Blockchain-Technologie.

Wer ist Satoshi Nakamoto?

Die Idee für Bitcoin und Blockchain geht auf eine Veröffentlichung vom Oktober 2008 zurück. Zu dem Zeitpunkt erschien das sogenannte Bitcoin White Paper. Als Autor wurde Satoshi Nakamoto angegeben. Dies ist ein Pseudonym. Versuche, den oder die wirklichen Autoren ausfindig zu machen, sind bisher erfolglos geblieben.

Das Papier ist wie jede Urschrift einer bahnbrechenden Technologie sehr interessant. Man braucht kein Kryptospezialist zu sein, um die Idee hinter Bitcoin zu verstehen.

Nutzung von Hashes

Hash-Funktionen werden in der Informatik für viele Zwecke verwendet. Eine Hash-Funktion bildet eine Datenmenge beliebigen Umfangs auf einen Wert fester Länge ab. Hashes werden zum Beispiel für Fingerprinting genutzt. Wird auch nur ein einzelnes Bit in einer großen Datenmenge geändert, ändert sich der Hash-Wert. Kryptographie nutzt das Konzept von Hashes nicht nur bei Bitcoin.

Der bisherige Bitcoin-Algorithmus sieht das Mining (das „Schürfen“) in Gestalt der Findung von Zahlen vor, deren Hash mit einer bestimmten Anzahl von Nullen beginnt. Findet man eine solche Zahl, wird man um einen bestimmten Bitcoin-Wert reicher. Genau wie der Goldsucher, der einen Goldklumpen findet.

Konto ohne Bank

Aber wo lasse ich meinen Fund registrieren und bestätigen? Wenn ich Gold finde, gehe ich damit zu einer Bank oder einem sonstigen anerkannten Institut. Diese Einrichtung misst die Reinheit des Goldes und den Wert des Goldklumpens. Es handelt sich um ein Institut, dem alle oder zumindest viele vertrauen. Ich eben auch. Ich überlasse mein Gold der Bank, und dafür bekomme ich eine Gutschrift auf mein Konto.

Bitcoin ist aber zu einer Zeit des erschütterten Vertrauens auf das weltweite Finanzsystem entstanden, nämlich nach der Finanzkrise von 2008. Ein Ziel der Erfinder von Bitcoin bestand darin, ohne Mittelsmänner wie Banken auszukommen. Die US-amerikanische Zentralbank schreibt auf die Dollarnoten „In God We Trust“. Das sollte bei der puritanischen US-Bevölkerung Vertrauen erwecken. Die Bitcoin-Gemeinde glaubt in finanziellen Dingen aber weder an Gott noch an irgendeine Bank. Das inoffizielle Credo von Bitcoin ist „In Cryptography We Trust“.

Die Information, dass eine bestimmte Person einen bestimmten Bitcoin-Wert ihr Eigen nennt, ist bei Blockchain, der Basis von Bitcoin, in einer verketteten Liste von Datenblöcken, eben einer Blockchain, enthalten. Diese Liste kann man beliebig oft kopieren und auf beliebig vielen Speichern halten. Die Kette ist sicher vor Manipulationen. Dies erreicht man dadurch, dass in die Prüfsumme (den Hash) jedes Datenblocks der Hash des vorherigen Blocks eingeht. Man kann einen Block nicht ändern, ohne die ganze Arbeit beim Aufbau der Kette zu wiederholen. Das wäre viel Rechenarbeit. Statt so viel Arbeit in die Manipulation der Kette zu investieren, lohnt es sich, Bitcoins zu schürfen.

Verteilte Datenbasis

Die verteilte Datenbasis von Bitcoin ist vielfach repliziert. Die Konsistenz und die Sicherheit der Liste vor Manipulation sind das Ergebnis der übereinstimmenden Berechnung durch viele Beteiligte.

Wenn A einen Bitcoin an B abgibt, muss A die Transaktion digital signieren. Das kann nur A tun, denn nur A besitzt den eigenen privaten Schlüssel. A signiert die Transaktion, indem der öffentliche Schlüssel von B in die Signatur der Transaktion einbezogen wird. Das bedeutet: Wenn Sie Bitcoins besitzen, können Sie bei Vergessen ihres privaten Schlüssels alles verlieren. Das soll tatsächlich vorgekommen sein, wie die Presse berichtet.

Endliche Anzahl

Muss mit immer schnellerer Hardware Bitcoin nicht immer billiger werden? Dagegen haben die Erfinder vorgebaut. Der Algorithmus sieht vor, die mathematische Schwierigkeit des Schürfens regelmäßig zu erhöhen. Hinzu kommt, dass der bisherige Algorithmus die Gesamtzahl von Bitcoins auf 21 Millionen beschränkt. Wie es eine begrenzte Masse Gold auf der Erde gibt. Nur sicherer: Bei Bitcoin wissen wir genau, dass die Anzahl von 21 Millionen nicht überschritten wird, solange der Algorithmus unverändert bleibt. Bei Gold kann es theoretisch passieren, dass jemand eine bisher unentdeckte Quelle findet.

Voting

Zurück zum Geburtsfehler von Bitcoin: Natürlich ist eine Blockchain angreifbar. Theoretisch kann man eine eigene Kette aufbauen und behaupten, das sei die echte Kette. Um das zu verhindern, gibt es das Voting, die Abstimmung. Das Stimmrecht ergibt sich aus der Prozessorleistung. Niemand kommt gegen die aggregierte Prozessorleistung der Bitcoin-Gemeinde an. Auch wenn er es könnte, lohnte sich das nicht. Lukrativer wäre, die eigene Prozessorleistung in den Dienst des Schürfens neuer Bitcoins zu stellen.

Und damit sind wir bei der negativen Umweltbilanz von Bitcoin angekommen. Um ein Bitcoin-RZ zu betreiben, muss man nicht nur Maschinen (hauptsächlich aus China) kaufen, die dank spezialisierter Chips (Application Specific Integrated Circuits, ASICs) Millionen Berechnungen pro Sekunde durchführen, sondern diese Maschinen auch betreiben. D.h. man braucht elektrische Energie.

Dreckiger Strom ist der billigste

Leider ist in der heutigen Welt die billigste Form der elektrischen Energie die dreckigste. Nicht umsonst sind riesige Bitcoin-Rechenzentren in den Regionen Chinas entstanden, in denen viel billige Kohle in Kraftwerken verfeuert wird. Von einem dieser Rechenzentren gibt es eine Fotoreportage des Magazins IEEE Spectrum.

China ist der größte, aber nicht der einzige Produzent von Bitcoins. Die Spur der Mining Hot Spots ist mit der Spur billiger Energiequellen identisch. Stromausfälle durch legale oder illegale Bitcoin-RZs sind bisher aus Russland, Venezuela und Iran bekannt. Aktuell erleben Millionen Einwohner Irans täglich stundenlange Stromausfälle. Als eine der Ursachen werden Bitcoin-Rechenzentren genannt. Sie lohnen sich besonders in einem Land, in dem eine Kilowattstunde umgerechnet weniger als 0,003 € kostet, also weniger als 1% des Durchschnittspreises in Deutschland. Auch wenn Iran nach den USA und Russland auf dem drittgrößten Erdgasvorkommen der Welt sitzt und in den letzten Jahren die Stromproduktion im Land mit vielen neuen Gaskraftwerken massiv ausgebaut wurde, kommt irgendwann jedes Stromnetz an seine Grenzen.

Ist jede Blockchain eine Dreckschleuder?

Die schlechte Energiebilanz von Bitcoin liegt nicht allein in der Blockchain-Technologie. Den Bitcoin-Erfindern kam es darauf an, ohne vertrauenswürdige Mittelsmänner wie Banken auszukommen. Also setzten sie auf das Stimmrecht von Prozessoren. Das muss nicht bei jeder Art Blockchain der Fall sein.

Bei Bitcoin kommen nämlich folgende Faktoren zusammen, die eine sogenannte Public Blockchain erfordern:

• Eine offene Gemeinde muss in der Lage sein, die Blockchain-Software zu entwickeln bzw. sich auf Modifikation derselben zu einigen.
• Die Daten selbst (die Liste der Blöcke) müssen öffentlich sein.
• Es ist mit potenziellen Angriffen auf die Konsistenz und Integrität der Daten zu rechnen.
• Es gibt keine allgemein akzeptierte, vertrauenswürdige Instanz.

Trifft eine dieser Bedingungen nicht zu, wäre auch eine sogenannte Permissioned Blockchain denkbar. Bei einer solchen zentral gesteuerten Blockchain gibt es nämlich eine zentrale Instanz. Nicht jede Blockchain will wie Bitcoin das anonym nutzbare Bargeld nachbilden.

Blockchain versus klassische Datenbanken

In der IT von Unternehmen haben sich klassische Datenbanken seit Jahrzehnten bewährt und etabliert. Sie sind schnell und bieten viele Funktionen. Sie haben jedoch auch ihre Nachteile. Wir sind bei ComConsult auf IT-Infrastrukturen spezialisiert. Deshalb fallen mir insbesondere die Nachteile klassischer Datenbanken aus der Perspektive der IT-Infrastruktur ein.

Bei verteilter Datenverarbeitung sprechen wir häufig vom CAP-Theorem. Damit beschreiben wir ein Dilemma: Ein verteiltes System kann die drei Ziele Datenkonsistenz, Verfügbarkeit und Robustheit gegen Unterbrechung von Netzverbindungen nicht gleichzeitig erfüllen. Da man auf Datenkonsistenz und Verfügbarkeit meistens nicht verzichten kann, muss man die Verbindungen zwischen den Knoten eines verteilten Systems höchst ausfallsicher gestalten.

Hinzu kommt ein anderes Dilemma bei klassischen Datenbanken: Die verteilte, aber konsistente Datenhaltung setzt dem geografischen Abstand zwischen den Knoten eines Datenbank-Clusters enge Grenzen. Mit der heutigen Logik der Datenbankapplikationen liegt die Grenze bei ca. 100 km Kabelweg.

Man kann mit Blockchain das CAP-Theorem zwar nicht außer Kraft setzen, aber die Knoten für verteilte Datenhaltung wesentlich weiter auseinander positionieren als wir es bei klassischen Datenbanken gewohnt sind. Bitcoin macht es vor. Temporäre Unterbrechungen zwischen Bitcoin-RZs sind tolerierbar. Die Knoten, die temporär isoliert werden, stoßen nach Wiederherstellung der Verbindung einfach hinzu und beziehen die Kopie der zwischenzeitlich geänderten Daten.

Ein Nachteil von Blockchain ist die Performance. Eine zentrale Datenbank, deren Daten auf wenige, meistens nur zwei, Knoten verteilt sind, ist zweifellos schneller als eine Blockchain mit weltweit verteilten Knoten. Aber nicht bei jeder Anwendung muss man höchste Performance erreichen. Manchmal reicht niedrige bis moderate Performance, während die weitestgehende geografische Verteilung der Datenkopien sehr wichtig ist.

Große Cloud-Betreiber bieten als Daten-Plattform bereits Blockchains an. Beispiele sind AWS Managed Blockchain und Azure Blockchain Service.
Es bleibt also bei unserer Empfehlung von 2019: IT-Entscheider sollten die Blockchain-Technologie auf dem Schirm haben.

Verweise

[1] https://www.cnbc.com/2021/02/08/tesla-buys-1point5-billion-in-bitcoin.html
[2] https://www.bloomberg.com/news/articles/2021-03-24/you-can-now-buy-a-tesla-with-bitcoin-elon-musk-says
[3] https://www.theguardian.com/technology/2021/may/12/elon-musk-tesla-bitcoin
[4] https://bitcoin.org/bitcoin.pdf
[5] https://www.berliner-zeitung.de/en/stefan-thomas-the-bitcoin-millionaire-who-lost-it-all-li.133363
[6] https://spectrum.ieee.org/computing/networks/why-the-biggest-bitcoin-mines-are-in-china