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Bitcoin Grundlagen

Geschrieben von Thorsten
Auf dieser Seite findet sich ein Nachschlagewerk für die wichigsten Begriffe über Bitcoin.

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Bitcoin Grundlagen

Was ist Bitcoin?

Bitcoin war der erste Entwurf eines digitalen Geldes, welches 2008 unter dem Pseudonym "Satoshi Nakamoto" veröffentlicht worden ist. Dabei handelt es sich um eine Peer-to-Peer Währung, die dezentral über einen Zeitstempelserver verwaltet wird. Dieser Zeitstempelserver wird meistens Blockchain genannt und wurde dazu eingeführt, einen Konsens über ein dezentral verteiltes Netzwerk zu ermöglichen. Das größte Problem bei einem dezentralen Netzwerk ist die Einigung auf eine bestimmte Zeit und damit einhergehende Reihenfolge von Transaktionen. Mithilfe der Blockchain wurde das Problem der byzantinischen Generäle gelöst. Das Kernprinzip von Bitcoin ist eine Umgebung zu schaffen, in der sich alle Teilnehmer nicht vertrauen müssen, sondern das Vertrauen aufgrund von Überprüfung durch den Algorithmus erfolgt. Mit Bitcoin wurde das erste Gut der Welt entdeckt, welches eine nachweisbare digitale Knappheit von 21 Millionen Einheiten besitzt.

Warum wurde Bitcoin erfunden?

Bitcoin wurde 2008 aufgrund der Folgen der Weltfinanzkrise und der damit einhergehenden ausufernden Rettungsaktionen der Zentralbanken ins Leben gerufen. Im Gegensatz zu den gängigen Fiat-Währungen ist die maximale Menge von Bitcoin innerhalb des Quellcodes für immer verewigt und kann nicht nach Belieben von einzelnen Instanzen vermehrt werden. Seit der Finanzkrise wurden riesige Mengen von neuem Geld in die Märkte gepumpt und damit die Halter der Währungen, also meistens Sparer und Privathaushalte, massiv enteignet. Mit Bitcoin wurde ein Wert geschaffen der streng limitiert ist und somit eine neue Art von Wertaufbewahrungsmittel und im Endeffekt ein hartes Geld von den Menschen für die Menschen etabliert wurde. Denn Bitcoin wird nicht von den Zentralbanken kontrolliert, sondern von den Teilnehmern des Netzwerks gestaltet.

Was ist eine Fiat-Währung?

Als Fiat-Geld wird eine Währung bezeichnet, die auf Erlass der Regierung ausgegeben wurde und somit als gesetzliches Zahlungsmittel etabliert worden ist. Der Begriff selber kommt aus dem lateinischen und bedeutet so viel wie "es geschehe", womit gemeint ist, dass sich der Wert des Geldes lediglich auf Grundlage des Regierungsbeschlusses bezieht. Somit besitzen Fiat-Währungen keinen inneren Wert und sind im Gegensatz zu früheren Währungen nicht durch ein physisches Gut, wie z.B. Gold oder Silber gedeckt. Der einzige Grund, warum Fiat-Währungen als Zahlungsmittel akzeptiert werden, ist der kollektive Glaube, dass es weiterhin als Tauschmittel vielerorts akzeptiert wird.

Was ist die Blockchain?

Grundsätzlich handelt es sich bei der Blockchain um eine immer weiter wachsende Liste von Datensätzen, die in einer chronologischen Reihenfolge organisiert und mithilfe von kryptografischen Verfahren gesichert wird. Der Hauptnutzen der Blockchain ist die Speicherung eines dezentral verteiltes und damit öffentlich digitales Hauptbuch, die alle bestätigten Transaktionen des Netzwerks aufzeichnet. Dabei handelt es sich um ein Peer-to-Peer-Netzwerk, also ein Netzwerk, indem jeder mit jedem kommuniziert und auf einen zentralen Server verzichtet werden kann. Die Kopie dieses Hauptbuchs wird auf jedem Netzwerkknoten gespeichert und innerhalb eines Zeitintervalls von rund zehn Minuten findet eine Synchronisation über den aktuellen Stand statt. Diese rund zehn Minuten sind ein elementarer Bestandteil des Designs von Bitcoin, dazu aber mehr im Bereich Mining und Transaktionen. Zudem löst die Blockchain das Problem der byzantinischen Generäle.

Was ist das Problem der byzantinischen Generäle?

Das Problem der byzantinischen Generäle kommt ursprünglich aus dem Jahr 1982 und geht auf ein logisches Dilemma zurück, welches die Kommunikationsprobleme von byzantinischen Generälen bei der Belagerung einer Stadt beschreibt. Das Szenario geht davon aus, dass jeder General eine eigene Armee befehligt und jeder dieser Armeen sich an einem anderen Ort befindet und somit keine direkte Kommunikation stattfinden kann. Die einzige Kommunikation kann mittels Boten erfolgen. Das eigentliche Ziel der Generäle spielt dabei keine Rolle, wichtig ist nur, dass alle Generäle über einen Konsens, zu einer gemeinsamen Entscheidung gelangen. Die zuvor genannten Nachrichten der Boten können jedoch typischerweise verändert, verzögert oder gar zerstört werden. Doch auch wenn die Nachrichten unverändert an ihrem Ziel ankommen, kann der General immer noch eigen- oder böswillig handeln und somit die gesamte Strategie zerstören.
Übertragen auf die Netzwerktechnik stellt somit jeder General ein Netzwerkknoten in einem dezentral organisierten Netzwerk dar, in dem ein Konsens über den aktuellen Zustand des Systems erreicht werden muss. Ziel davon muss es sein, dass eine Mehrheit der Teilnehmer sich auf einen Zustand einigen und auf dieser Weise die gleiche Aktion durchzuführen, um das System nicht zu zerstören bzw. für einen Ausfall zu sorgen. Dieser Konsens wird innerhalb des Bitcoinnetzwerks über den Proof-of-Work (PoW) Algorithmus hergestellt.

Wie funktioniert eine Bitcoin Transaktion?

Grundsätzlich setzen sich Transaktionen immer aus Inputs und Outputs zusammen, als Ein- und Ausgängen von Werten. Die Transaktionen werden von einem Teilnehmer über eine Full-Node in das Netzwerk eingestellt und dann landen diese Transaktionen zunächst im sogenannten Memory Pool. Darin werden alle ausstehenden Transaktionen gespeichert und anhand von der Priorität, die über die beigefügte Transaktionsgebühr bestimmt wird, abgearbeitet. Die Miner können somit selber entscheiden, welche Transaktionen aus dem Memory-Pool in den nächsten Block aufgenommen werden. Dabei entscheidet das einfachste ökonomische Prinzip von Angebot und Nachfrage über die Höhe der durchschnittlichen Transaktionsgebühren. Wie bereits bekannt, wird ca. alle zehn Minuten einer neuer Block von einem Miner gefunden und dieser nimmt dann eine bestimme Menge an Transaktionen auf. Dieser Block wird dann von den Full-Nodes im Netzwerk validiert. Mit jedem weiteren Block in der Blockchain werden diese Transaktionen zusätzlich bestätigt, was die Validität des Blocks erhöht. Im Schnitt kann man sagen, dass nach 4-6 Blöcken die Transaktion als unveränderbar gilt. Dies entspricht im Schnitt ca. eine Stunde.
In dem unteren Beispiel möchte Alice Bob 0,5 BTC senden. Aus vorherigen Transaktionen hat Alice zweimal 0,3 BTC und einmal 0,4 BTC erhalten. Damit besitzt sie vor der Transaktion insgesamt 1,0 BTC zusammengesetzt aus drei Unspent Transaction Outputs (UTXO).

Schematische Darstellung einer Bitcoin Transaktion

Sobald die Transaktion von Alice signiert worden ist, gehen zwei UTXO's also 0,4 BTC und 0,3 BTC als Eingabe in die Transaktion. Als Ausgabe werden 0,5 BTC an Bob, 0,19 BTC gehen zurück an Alice und 0,01 BTC gehen als Transaktionsgebühren an die Miner.

Was ist ein Unspent Transaction Output (UTXO)?

Ein UTXO, also ein Nicht ausgegebener Transaktionsausgang kann man sich vereinfacht gesagt als verfügbare Münze in einer Geldbörse vorstellen. Dieser UTXO ist als Ausgabe aus einer zuvor gegangenen Transaktion entsprungen und kann als Eingabe in weitere Transaktionen dienen. Wie zuvor erläutert, setzt jede Transaktion im Bitcoinnetzwerk eine bestimmte Menge an Eingaben voraus, welche signiert werden müssen und abschließend führen diese zu Ausgaben. Da Bitcoin technisch nicht auf einem Kontenmodell beruht, welches lediglich aus einem Gesamtkontostand besteht, werden hierbei die UTXO's verwendet. Damit setzt sich der Gesamtbetrag, über den ein Benutzer verfügen kann, aus einer Sammlung von unterschiedlich großen UTXO's zusammen. Aus diesem Grund muss man sich Zahlungen mit Bitcoin auch wie Zahlungen mit Bargeld vorstellen. Dies ist vergleichbar, wenn jemand 80 € bezahlen muss und sich in seiner Geldbörse zwei 50 € Scheine befinden. Damit gebe ich zwei Scheine in die Transaktion ein und bekomme einen 20 € Schein zurück. Diese Logik lässt sich somit 1:1 auf Bitcoin übertragen, nur das man für die Absicherung des Netzwerks noch 2 € an den Miner bezahlen muss.

Was ist der Proof-of-Work (PoW) Algorithmus?

Transaktionen im Bitcoinnetzwerk werden gebündelt in Blocken in die Blockchain eingefügt. Allerdings werden diese Blöcke nur ca. alle zehn Minuten bestätigt, weswegen die Transaktionen erst dann gültig werden, wenn der Miner seinen Block, der diese Transaktion enthält, an die Blockchain anhängen darf. Das Anhängen dieses Blockes erfordert jedoch eine Menge Ressourcen, die der Miner dafür aufbringen muss. Dies ist der Proof-of-Work Algorithmus, also ein Arbeitsnachweis. Dieser Arbeitsnachweis muss in Form von Rechenleistung, also eine Kombination von Energie und Zeit erfolgen. Damit ist der Algorithmus direkt an die grundlegendsten und nicht fälschbaren Ressourcen in unserem Universum gekoppelt.
Ziel der Miner ist es mithilfe der Hashing-Funktion, dies ist eine Art Fingerabdruck für die Gesamtmenge der eingegebenen Daten, einen Block-Hash auf Basis der aufgenommenen Transaktionen zu erstellen. Dieser Hash ist für jeden Block einzigartig, da dort neben den enthaltenden Transaktionen auch noch andere individuelle Parameter mit einfließen. Ziel ist es nun mit diesem individuellen Fingerabdruck ein passendes Ergebnis zu finden, welches durch die aktuellen Regeln des Netzwerks vorgegeben wird. Eine dieser Regeln ist die Schwierigkeitsanpassung, welche durch die Vorgabe der vorangestellten Nullen im gesuchten Hash dynamisch variiert werden kann. Je mehr vorangestellten Nullen im Hash enthalten sein müssen, desto schwieriger ist es, einen passenden Hash zu finden. Damit gleicht das Mining eher einem Ratespiel, weil die Miner versuchen, so effizient und schnell wie möglich, unterschiedliche Hashes zu erstellen und auszuprobieren. Dies bedeutet, dass je mehr Rechenleistung im Netzwerk vorhanden ist, desto schwieriger ist es auch, einen passenden Hash zu finden, da alle 2016 eine Anpassung der Schwierigkeit erfolgt um somit die Dauer zwischen dem Finden von neuen Blöcken wieder auf ca. alle zehn Minuten ausbalanciert wird. Die Gesamtrechenleistung im Netzwerk wird auch Hashrate genannt. Hat ein Miner nun einen passenden Block gefunden, darf er diesen nun an die Blockchain anhängen und die damit zusammenhängenden Belohnungen einstreichen. Dies nennt sich auch Blockreward.
Somit kann man festhalten, dass der PoW Algorithmus zum einen für die hohe Sicherheit im Netzwerk sorgt, da das System keinen Anreiz liefert und es extrem erschwert zu betrügen und zum anderen wird auch das Problem der Doppelausgaben gelöst.

Was ist eine Doppelausgabe?

Eine Doppelausgabe in einem digitalen Zahlungssystem entsteht dann, wenn ein Geldbetrag zu zwei unterschiedlichen Empfängern gesendet wird und somit eine Kopie dieses Betrags geschaffen wurde. In einem zentralen System, wie es von Banken oder von Zahlungsdienstleistern wie PayPal bekannt ist, entscheidet eben genau diese zentrale Instanz darüber, welche Transaktion zuerst erfolgt ist und führt Buch darüber, welches Saldo das Konto des Teilnehmers verfügt.
In einem dezentralen System wie Bitcoin mit einem verteilten Datenbestand ist die Synchronisation dieser Zeitstempel ein großes Problem und galt lange als ungelöst. Mithilfe der Blockchain wurde dieses Problem gelöst, indem allgemeingültige Regeln für das Netzwerk aufgestellt worden sind, zu denen unter allen Teilnehmern Konsens herrscht, da das System einen Anreiz schafft, ehrlich zu bleiben. Aufgrund der Öffentlichkeit dieser Datenbank können Betrugsversuche schnell erkannt und verhindert werden können.

Was ist ein Bitcoin-Fullnode?

Als Bitcoin-Fullnode wird die Software bezeichnet, die einen Netzwerkknoten für das Bitcoinnetzwerk bereitstellt und die Transaktionen innerhalb der Blockchain bestätigten und auch eigene in das Netzwerk einbringen kann. Damit stellen die Fullnodes den elementaren Bestandteil des Bitcoinnetzwerks dar. Die Fullnodes verwalten eine lokale Kopie der öffentlichen Blockchain und synchronisieren sich mit dem Netzwerk. Im Gegensatz den Bitcoin Mining Nodes, welche durch den PoW Algorithmus große Mengen an Rechenleistung aufbringen müssen, reicht für Bestätigung und die Speicherung der Transaktionen ein kreditkartengroßer Computer wie ein Raspberry Pi mit angehängter SSD oder Festplatte.

Was ist der ökonomische Anreiz für Miner?

Zu Beginn des Bitcoinnetzwerkes war es durchaus noch möglich, mithilfe von haushaltsüblichen Grafikkarten oder CPU's am Mining teilzunehmen. Mit der kontinuierlichen ansteigenden Hashrate und der Umstellung auf speziell benötigte Mininghardware, sogenannte Antminer, hat sich das Mining immer weiter professionalisiert und somit auch die Privatleute aus diesem Geschäft gedrängt, weil die Kapitalkosten für diese kaum noch zu stemmen sind. Für das Finden eines neuen Blocks bekommt der Miner bzw. der Miningpool die sogenannte Blockreward, also die Blockbelohnung. Dieser setzt sich aus der Blocksubsidy und aus den Gebühren für die Transaktionskosten im entsprechenden Block zusammen. Die Blocksubsidy wird mit der sogenannten Coinbase Transaktion, beim Erstellen des Blocks in der Blockchain, an den Miner ausgezahlt. Dessen Höhe ist vom Protokoll definiert und hat sich seit dem Start des Bitcoinnetzwerks im Jahr 2009 von 50 BTC pro Block, mit einer Halbierung alle vier Jahre, auf nun aktuell 6,25 BTC reduziert. Somit sinkt der Anteil der Blocksubsidy zum Gesamtertrag im Laufe der Zeit weiter ab und die Transaktionsgebühren werden für die Miner immer wichtiger. Rund um das Jahr 2140 wird der letzte Block gefunden worden sein, der noch eine Blocksubsidy > 0 enthält. Danach müssen sich die Miner ausschließlich über die Transaktionsgebühren finanzieren.
Ziel der Miner ist es nun, so viele Blöcke wie möglich zu finden, um damit die Blockreward zu erhalten und die Kosten für den aufgebrachten Strom, so niedrig wie möglich zu halten. Aus diesem Grund wird mittelfristig auch der Anteil der regenerativen Energiequellen als Versorger für die Miner immer größer werden, da der Strom die niedrigsten Herstellungskosten hat. Daraus folgt, dass die Miner, die lediglich Zugriff auf teuren Strom haben, ab einem gewissen Preis pro Bitcoin ihre Miningaktivitäten reduzieren oder einstellen müssen. Damit sinkt wiederum auch die Sicherheit im Netzwerk, da sich die zu sichernden Bitcoin im Wert ebenfalls reduziert haben. Somit besitzt das Bitcoinnetzwerk einen dynamischen Anpassungsmechanismus, der über pure Marktprinzipien gesteuert wird und immer nur soviel Energie für die Sicherung eingesetzt wird, wie die zu sichernden Werte benötigen.

Gibt es keine klimafreundlichere Lösung anstatt von PoW?

Die Antwort ist auf den ersten Blick ja aber auf den zweiten Blick auch nein, da die Kompromisse dafür einfach zu groß wären. Als alternativen Konsensus-Algorithmus hat sich bei einigen Altcoins der sogenannte Proof-of-Stake (PoS) etabliert. Dabei handelt es sich im wesentlich darum, dass man einen bestimmten Anteil an dem vom Netzwerk ausgegeben Token besitzen muss, um damit eine Node laufen zu lassen, die dann für eine Stimme im Netzwerk steht. Dies ist sehr vergleichbar mit dem Besitz von Aktien und anhand der Höhe des eigenen Anteils bekommt man zudem einen entsprechenden Anteil der neu generierten Token ausgeschüttet. Dies ist aus der Aktienwelt mit der Dividende vergleichbar. Grundsätzlich lässt sich so ein Konsens finden und der Stromverbrauch solch eines Netzwerkes fällt nicht mehr weiter ins Gewicht.

Das Problem an PoS ist jedoch, das solche Netzwerke häufig zur Zentralität tendieren, da die Token des Netzwerks häufig premined werden, also ein großer Teil der Token vorab der Veröffentlichung des Netzwerks generiert werden und sich häufig bei den Machern dieser Netzwerke konzentrieren. Sobald sich dieser Anteil der Token bereits in den Händen dieser wenigen Leute befindet, besteht wenig Möglichkeit diesen ihre Macht in einem PoS-System wieder abzunehmen, da sie weiterhin den größten Teil der neuen Token erhalten. Damit bieten solche Systeme keine Alternative zu den bereits bestehenden Zentralbanken, wo sich die Macht ebenfalls bei wenigen Personen bzw. Instituten befindet.
Zur Erinnerung, Bitcoin wurde dafür geschaffen, um das Geld vom Staat zu trennen. Sollte Bitcoin auf einen PoS Ansatz wechseln wollen, was aufgrund es bestehenden Konsensus im Netzwerk nah zu unmöglich ist, dann würde damit der ganze Ansatz von Bitcoin untergraben werden. Denn nur mithilfe der Dezentralität und des enormen Energieeinsatzes, kann sich das Bitcoinnetzwerk gegen Angriffe verteidigen, da es keine zentralen Angriffspunkte bietet. Im Gegensatz dazu wird häufig die Entwicklung von Altcoins, aus zentralen Organisationen oder Stiftungen organisiert, die einen single-point-of-failure darstellen und schlussendlich häufig zur Bereicherung der Initiatoren dienen sollen.

Was sind Altcoins?

Als Altcoins werden alle anderen Token neben Bitcoin bezeichnet, die auf kryptografischen Verfahren in unterschiedlichen Implementierungen beruhen. Da diese alle nach Bitcoin entstanden sind und meistens auch ein anderes Ziel, als eine dezentrale Währung darzustellen, machen die durch dieses Netzwerk ausgegeben Token häufig wenig Sinn. Langfristig ist es sowieso fraglich, ob sich diese Netzwerke ein Alleinstellungsmerkmal bieten, welches nicht auch künftig vom sichersten und zentralsten Netzwerk der Welt abgebildet werden kann. Nämlich von Bitcoin und dessen zusätzlichen Layern, wie z.B. das Lightning Netzwerk. Man kann Bitcoin und Altcoins sehr einfach wie folgt unterscheiden:

Bitcoin ist eine Währung und Altcoins sind eher Fintechs

Was ist das Lightning Netzwerk?

Neben den Transaktionen, die über das Hauptnetzwerk von Bitcoin, also direkt auf der Blockchain selbst durchgeführt werden, gibt es noch weitere Möglichkeiten Bitcoin zu versenden und zu erhalten. Aufgrund der offenen Struktur haben sich in den letzten Jahren weitere Anwendungen entwickelt, die auf dem Basis-Layer von Bitcoin aufsetzen, also mit einer weiteren Ebene darauf aufbauen. Dazu zählt auch das Lightning Netzwerk, welches das Skalierungsproblem des Base-Layers löst und dadurch sehr schnelle Peer-to-Peer Zahlungen ermöglicht. Da diese Transaktionen nicht über die Blockchain laufen, sondern über eigene Zahlungskanäle des Lightning Netzwerks, sind diese grundsätzlich anonymer, blitzschnell und fast kostenlos. Das Hauptnetzwerk selber kann nur im Schnitt rund sieben Transaktionen pro Sekunden durchführen. Im Lightning Netzwerk sind pro Zahlungskanal pro Sekunde ca. 1.000.000 Transaktionen möglich. Einen sehr guten Artikel zum Thema Lightning Netzwerk gibt es beim Blocktrainer.

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