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Blockchain sicher gestalten Konzepte, Anforderungen, Bewertungen
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Grußwort
Im Bereich der Informationstechnik gehört In der Analyse auf den nachfolgenden Seiten wird
Blockchain gegenwärtig zu den am häufigsten die Blockchain-Technologie daher detailliert dar-
diskutierten Themen. Diese Technologie zur gestellt und die aus Sicht der IT-Sicherheit rele-
verteilten Datenhaltung nahm ihren Ursprung vanten Punkte werden ausführlich untersucht.
mit der Kryptowährung Bitcoin, die insbesondere Dabei wird auch analysiert, in welchem Maße die
durch ihre Kurshöhenflüge im Jahr 2017 berühmt Blockchain-Technologie die mit ihr verbundenen
wurde. Ausgehend von ihrem Versprechen, durch Sicherheitserwartungen zu erfüllen vermag und
eine dezentrale Struktur die Manipulation von wie sie sich im aktuellen Rechtsrahmen darstellt.
Daten rein technisch zu verhindern, größtmög-
liche Transparenz zu bieten und Intermediäre in Dieses Dokument unterstützt somit Entwickler
Geschäftsprozessen zu ersetzen, wurden in den und potenzielle Nutzer von Blockchain-Lösungen
letzten Jahren viele Ideen zur Anwendung der dabei, Chancen und Risiken fundiert zu bewer-
Blockchain-Technologie in ganz unterschiedli- ten und IT-Sicherheit von Anfang an zu berück-
chen Gebieten entwickelt. sichtigen. Die dynamische Weiterentwicklung
der Blockchain-Technologie eröffnet ebenso die
Im politischen Diskurs wurde die Block- Möglichkeit, die Ergebnisse der Analysen als Basis
chain-Technologie ebenfalls verstärkt aufge- für zukünftige Diskussionen auf nationaler sowie
griffen. So findet sich der Begriff Blockchain internationaler Ebene zu verwenden. Denn auch
mehrfach im Koalitionsvertrag der 19. Legisla- beim Thema Blockchain möchte das BSI seinem
turperiode des Deutschen Bundestages von 2018 Auftrag nachkommen und die Informationssi-
wieder und die Bundesregierung hat sich die cherheit für Staat, Wirtschaft und Gesellschaft
Entwicklung einer umfassenden Blockchain-Stra- gestalten.
tegie bis zum Sommer 2019 zum Ziel gesetzt.
Ich wünsche Ihnen eine aufschlussreiche Lektüre.
Wie bei vielen Themen mit hoher medialer Auf-
merksamkeit ist es wichtig, bei den Diskussionen
um Blockchain den Bezug zu den technischen
Grundlagen zu wahren. Dies gilt insbesondere
für den Aspekt der IT-Sicherheit, da durch die
Nutzung von Blockchain häufig ein Sicherheitsge-
winn erhofft wird. Zahlreiche Sicherheitsvorfälle
mit Schäden in Millionenhöhe zeigen jedoch, dass
Maßnahmen zur Herstellung von IT-Sicherheit
auch durch Nutzung von Blockchain nicht obsolet
werden.
Das Bundesamt für Sicherheit in der Informa-
tionstechnik (BSI) hat im Februar 2018 mit der
Veröffentlichung seines Eckpunktepapiers einen
ersten Schritt unternommen, um auf die grund-
Arne Schönbohm, Präsident des Bundes-
sätzlichen Fragestellungen in diesem Bereich amts für Sicherheit in der Informations-
hinzuweisen. In vielfältigen Gesprächen mit technik (BSI)
verschiedenen Akteuren, die Blockchain-Lösun-
gen anbieten oder über ihren Einsatz nachdenken,
ermittelte das BSI den Bedarf nach einer tieferge-
henden Analyse der Sicherheitseigenschaften. Arne Schönbohm
1 | Zusammenfassung
Zusammenfassung
Blockchain ist eine neue Technologie zur Daten- und Software bestehen. Hinzu kommen neue
haltung, bei der durch die verteilte Datenspei- Angriffsvektoren auf verschiedene Komponenten
cherung in Verbindung mit kryptografischen des Systems. Neben den Konsensmechanismen,
Verfahren und weiteren technischen Maßnah- mittels deren die verteilt gespeicherten Daten
men die Abhängigkeit von einer zentralen Stelle konsistent gehalten werden, und den Smart
weitestgehend eliminiert wird. Hierdurch lassen Contracts, die die Ausführung von Programmen
sich einerseits gezielte Manipulationen deutlich im Blockchain-Netzwerk erlauben, sind hier
erschweren. Andererseits wurde dieses Merkmal beispielsweise externe Schnittstellen zum Einfü-
von Blockchains zum Anlass genommen, ihre gen und Auslesen von Daten zu nennen. Konkrete
Nutzung in verschiedenen Anwendungsfällen Vorfälle zeigen, dass die Angriffsmöglichkeiten
vorzuschlagen, bei denen mehrere Parteien mit nicht nur theoretischer Natur sind.
unterschiedlichen Interessen involviert sind und
sich nicht auf eine zentrale Stelle einigen können, Es ist wichtig zu beachten, dass die Block-
die die Anwendung kontrolliert. Ebenso wurden chain-Technologie ein breites Spektrum an
auch Anwendungsfälle vorgeschlagen, in denen Ausgestaltungen aufweist. Zur Differenzierung
zwar eine zentrale Stelle existiert, man sich jedoch werden hier häufig die Einsehbarkeit der Daten
von einer unmittelbaren Interaktion der Parteien (Leserechte) sowie die Fortschreibbarkeit der
Effizienzgewinne verspricht. Blockchain (Schreibrechte) herangezogen. Jedoch
gibt es auch für Konsensmechanismen und Smart
Aufgrund der Erwartungen, die an die Block- Contracts eine Reihe von Ansätzen mit teils sehr
chain-Technologie gestellt werden, ist sie momen- unterschiedlichen Eigenschaften, die zu einem
tan zu einem Trendthema geworden, mit dem gewissen Grad mit der grundsätzlichen Ausge-
sich eine Vielzahl an Akteuren aus Forschung, staltung einer Blockchain zusammenhängen,
Wirtschaft und Verwaltung intensiv beschäftigt. aber durchaus weitere Freiheitsgrade bieten. Für
Die Verwendung der Technologie wird in vielen konkrete Anwendungen, in denen Blockchains
Bereichen diskutiert und untersucht. Heute wer- eingesetzt werden sollen, muss daher sorgfältig
den Blockchains aber nur in der Finanzbranche, analysiert werden, welche Ausgestaltung am
insbesondere im Bereich der Kryptowährungen, geeignetsten ist. Es ist davon auszugehen, dass das
in vergleichsweise großem Ausmaß praktisch Modell von Bitcoin, das medial die größte Auf-
eingesetzt. merksamkeit findet, für die meisten Anwendun-
gen nicht sinnvoll sein wird.
Das BSI untersucht das Thema Blockchain in
diesem Dokument vor allem unter dem Gesichts- Im Bereich der Konsensmechanismen wird die
punkt der IT-Sicherheit, betrachtet aber auch wei- breite Diskussion von dem Verfahren Proof-of-
tere Auswirkungen der technischen Grundkon- Work dominiert, das unter anderem von Bitcoin
zeption, z. B. auf die Effizienz und die Erfüllbarkeit verwendet wird und insbesondere wegen seines
datenschutzrechtlicher Vorgaben. Grundsätzlich immensen Energiebedarfs in der Kritik steht.
schneiden Blockchains gegenüber klassischen Das Verfahren ermöglicht es, die Daten in einem
zentralen Datenbanken in den Punkten Verfüg- Umfeld ohne Authentisierung der einzelnen
barkeit und Robustheit gegen Missbrauch positiv Parteien konsistent zu halten und dabei Manipu-
ab. Dem stehen auf der anderen Seite Nachteile lationen zu verhindern. Unbeachtet bleibt oft die
im Bereich Vertraulichkeit und Effizienz gegen- Tatsache, dass Blockchains mit strikterer Rech-
über. tevergabe und Authentisierung der Parteien, wie
sie für viele Anwendungen geboten scheinen, den
Die Nutzung von Blockchain allein löst keine Einsatz von sogenannten nachrichtenbasierten
IT-Sicherheitsprobleme. Vielmehr bleiben wohl- Konsensmechanismen erlauben, die wesentlich
bekannte Probleme wie die Sicherheit von Hard- effizienter und gut untersucht sind.
2 | Zusammenfassung
Verschiedene Blockchain-Systeme erlauben den der Konsensmechanismen klar verstanden und
Einsatz von Smart Contracts, die die manipulati- berücksichtigt werden. Diese Aspekte sollten
onssichere Abwicklung von Verträgen zwischen entsprechend für Blockchain-Anwendungen von
einander unbekannten oder misstrauenden Anfang an bedacht werden.
Partnern ermöglichen sollen. Jedoch sind Smart
Contracts nicht mit juristischen Verträgen gleich- Die rechtlichen Fragestellungen im Zusammen-
zusetzen, und nicht jeder Vertragsinhalt lässt sich hang mit Blockchains resultieren unter anderem
überhaupt durch einen Smart Contract darstellen. aus dem Fehlen einer zentralen rechtlich verant-
Außerdem decken Analysen existierender Cont- wortlichen Stelle im Regelbetrieb, woraus sich
racts eine große Zahl von Sicherheitsproblemen vielfältige Implikationen ergeben. Dieses Thema
auf. Sie reichen von Fehlern im Code – die tech- wird gegenwärtig kontrovers diskutiert. Daten-
nologiebedingt nicht korrigiert werden können schutzrechtliche Probleme, wie die Umsetzung
– über manipulierbare Zufallszahlen bis hin zu von Vorgaben der Datenschutz-Grundverordnung
fehlender Authentizität der Daten, die aus der (DSGVO), ergeben sich aus der auf Blockchains
realen Welt kommend im Contract verarbeitet gerade erwünschten Transparenz und Manipu-
werden. Eine Berücksichtigung dieser Einschrän- lationssicherheit und sind ebenfalls Gegenstand
kungen und Schwachstellen ist unerlässlich für intensiver Beschäftigung.
einen verantwortungsbewussten Umgang mit
Smart Contracts. An Lösungen für eine ganze Bandbreite techni-
scher Beschränkungen und Probleme der Block-
Da die Sicherheit von Blockchains in starkem chain-Technologie wird momentan ausgiebig und
Maße auf den verwendeten kryptografischen kreativ geforscht. Zu den aktuellen Forschungs-
Algorithmen basiert, müssen diese sorgfältig themen gehören beispielsweise die Aspekte
ausgewählt werden, um das angestrebte Sicher- Skalierbarkeit, Effizienz, Pseudonymität und Ver-
heitsniveau hinsichtlich der Schutzziele Integrität, traulichkeit. Ob und wann sich hier signifikante
Authentizität und Vertraulichkeit zu erreichen. Verbesserungen ergeben werden, die über den
Detaillierte Empfehlungen hierzu finden sich in jetzigen Stand der Technologie hinausgehen, kann
den im Text referenzierten Technischen Richtli- gegenwärtig nicht eingeschätzt werden.
nien des BSI. Ein bisher von den meisten Akteu-
ren im Bereich Blockchain kaum beachteter Ein weiterer erwähnenswerter Punkt sind feh-
Aspekt ist die Langzeitsicherheit. Um sensible lende Standards im Bereich Blockchain. Dies führt
Daten langfristig zu schützen, müssen Maßnah- zur Inkompatibilität verschiedener Blockchains
men zur Verfügung stehen, die den Austausch und zu einer relativ unübersichtlichen Fülle
kryptografischer Algorithmen ermöglichen, an Lösungen, die die Auswahl eines konkreten
deren Sicherheitseignung abgelaufen ist. Dabei ist Produkts für einen längerfristigen Zeithorizont
unbedingt zu beachten, dass ein Austausch von für Anwender schwierig machen. Im Bereich der
kryptografischen Verfahren nicht automatisch die IT-Sicherheit liefert das BSI nun mit dem vorlie-
ursprünglichen Sicherheitsgarantien für ältere genden Dokument eine Entscheidungshilfe und
Daten erhält. Neben den kryptografischen Ver- fundierte Basis für zukünftige Diskussionen.
fahren müssen auch die Sicherheitseigenschaften
3 | INHALTSVERZEICHNIS Inhaltsverzeichnis Grußwort1 Zusammenfassung2 Inhaltsverzeichnis4 Einleitung6 Teil I Grundlagen 8 1 Definitionen und Taxonomie 9 2 Einordnung 15 3 Vertrauen und Konsens 20 4 Smart Contracts 28 Teil II Sicherheit 34 5 Datensicherheit 35 6 Langzeitsicherheit und Kryptoagilität 42 7 Angriffe 46 Teil III Recht 56 8 Rechtliche Aspekte 57 9 Datenschutz und Datensouveränität 61 4
| INHALTSVERZEICHNIS
Teil IV Praxis 67
10 Anwendungsgebiete 68
11 Weiterentwicklungen 72
12 Standards und Regulierung 76
Glossar78
Index80
Abkürzungsverzeichnis82
Literaturverzeichnis83
Impressum96
5 | Einleitung
Einleitung
Blockchains sind seit einiger Zeit nicht nur Anspruch, das Thema Blockchain allgemeinver-
Experten, sondern durch häufige Erwähnung in ständlich aufzubereiten, sondern richtet sich in
den Medien auch einer breiteren Öffentlichkeit erster Linie an potenzielle Anwender, die den
bekannt. Die Technologie kam 2009 mit der ersten Einsatz von Blockchain erwägen und über fach-
erfolgreichen Kryptowährung Bitcoin auf, der bis liche Grundkenntnisse verfügen. Ziel ist es dabei,
heute viele weitere folgten. Seit einigen Jahren einen strukturierten und umfassenden Überblick
wird der Einsatz von Blockchains auch in zahl- insbesondere über diejenigen Aspekte des The-
reichen anderen Bereichen vorgeschlagen und mas zu geben, die einen Bezug zur IT-Sicherheit
erprobt. aufweisen. Den Lesern soll es damit ermöglicht
werden, die für sie relevanten Fragestellungen
Insbesondere für Anwendungen außerhalb der zu identifizieren, ihre Projektideen unter dem
Kryptowährungen handelt es sich bei Blockchain Gesichtspunkt der IT-Sicherheit zu bewerten
um eine vergleichsweise junge Technologie, an und gegebenenfalls konkrete Maßnahmen für
deren Einsatz schnell große Hoffnungen geknüpft den sicheren Betrieb von Blockchain-Lösungen
werden, für die sich aber noch keine einheitlichen abzuleiten.
technischen Ansätze etabliert haben.
Der Inhalt des Dokuments ist wie folgt geglie-
Wie bei jeder neuen Technologie sollte auch bei dert: Der erste Teil beginnt mit einer abstrakten
Blockchain das Prinzip Security by Design von Beschreibung der Technologie, ergänzt durch
Anfang an berücksichtigt werden. Daher veröf- einige Beispiele, und führt allgemeine Fachbe-
fentlichte das BSI im Februar 2018 eine Liste von griffe ein. Hieran schließt sich eine grundsätzliche
Eckpunkten, in denen es auf allgemeine Rahmen- Einordnung von Blockchain aus Sicht der IT-Si-
bedingungen, Anforderungen und Maßnahmen cherheit an, bevor die technischen Kernkompo-
hinwies, die für den sicheren Einsatz der Techno- nenten Konsensmechanismen und Smart Cont-
logie erforderlich sind [1]: racts detailliert dargestellt werden. Dabei werden
auch verschiedene Ansätze miteinander vergli-
• Blockchain allein löst keine IT-Sicherheitspro- chen und Aussagen zur Sicherheit getroffen.
bleme (vgl. Kapitel 5 und 7).
Der folgende Teil befasst sich intensiv mit den
• Die Wahl des passenden Blockchain-Modells Sicherheitsaspekten des Themas. Hier werden
ist wichtig (vgl. Kapitel 1 und 2). allgemeine Hinweise zur Verwendung kryptogra-
fischer Verfahren gegeben. Dies betrifft einerseits
• Bei der Konstruktion von Blockchains müssen die Auswahl der Verfahren, mit denen gewisse
Sicherheitsaspekte frühzeitig berücksichtigt Sicherheitsgarantien erreicht werden können,
werden (vgl. Kapitel 3, 5, 6 und 10). aber auch konkretere Hinweise zur sicheren
Umsetzung. Der nachfolgende Abschnitt widmet
• Sensible Daten mit langfristigem Schutzbe- sich dem Thema Langzeitsicherheit in Block-
darf müssen in einer Blockchain besonders chains, d. h. der Frage, ob und wie darauf reagiert
geschützt werden (vgl. Kapitel 6). werden kann, dass verwendete kryptografische
Verfahren durch neuartige Angriffe ihre Sicher-
• Einheitliche Sicherheitsniveaus für Block- heitseignung verlieren. Abschließend wird eine
chains müssen definiert und durchgesetzt Vielzahl bekannter Angriffe auf Blockchains
werden (vgl. Kapitel 12). aufgearbeitet und wo möglich Gegenmaßnahmen
diskutiert.
Das vorliegende Dokument beschäftigt sich mit
der gleichen Fragestellung, geht dabei jedoch Der dritte Teil behandelt rechtliche Fragestellun-
deutlich weiter in die Tiefe. Es verfolgt nicht den gen. Neben einer allgemeinen juristischen Bewer-
6 | Einleitung
tung fallen hierunter insbesondere Aspekte des chains unter dem Oberbegriff Distributed-Led-
Datenschutzes. ger-Technologie (DLT) erarbeitet und diskutiert
werden. Neben Erweiterungen der Datenstruktur
Im letzten Teil wird schließlich die praktische und Kombinationen mit anderen neuen Tech-
Anwendung von Blockchains näher beleuchtet. nologien ist hier auch die Interoperabilität ein
Dazu werden einige häufig genannte Anwen- wichtiges Forschungsthema.
dungsszenarien abstrakt analysiert und die aus
Sicht der IT-Sicherheit relevanten Punkte her- Kryptografische Fachbegriffe werden am Ende
vorgehoben. Anschließend wird eine Reihe von dieses Dokuments in einem Glossar erklärt. Am
Ansätzen und Ideen vorgestellt, die zur Weiter- Schluss jedes Kapitels findet sich eine Zusammen-
entwicklung und Verallgemeinerung von Block- fassung der wichtigsten Aussagen.
7Teil I Grundlagen 8
| Definitionen und Taxonomie
1 Definitionen und Taxonomie
Um ein gemeinsames Verständnis der Inhalte der Die Netzwerkknoten verwalten jeweils eine lokale
Blockchain-Technologie und damit die Voraus- Kopie der gesamten Daten und können selbst
setzung für die weiteren Ausführungen in diesem neue Daten hinzufügen. Ein geeigneter Kon-
Dokument zu schaffen, werden in diesem Kapitel sensmechanismus sorgt dafür, dass die verteilten
zunächst die wichtigsten Begriffe und grund- Daten in allen Knoten aktuell sind und überein-
legenden Mechanismen im Bereich Blockchain stimmen und das Distributed Ledger als verteilte
erklärt und verschiedene Klassifikationsmög- Datenstruktur damit stets in einem konsistenten
lichkeiten aufgezeigt. Um diese Grundlagen auch Zustand gehalten wird.
praktisch zu illustrieren, werden im Anschluss
einige bekannte Beispiele für Blockchains vorge- Bei der Absicherung des Netzwerkzugangs, der
stellt. Datenstruktur und der Konsensbildung werden
kryptografische Verfahren eingesetzt, um die
gewünschten Sicherheitsziele (insbesondere Inte-
grität und Authentizität) zu erreichen. Die Regeln
1.1 Grundbegriffe für die Validierung, Speicherung und Nutzung der
Daten (Geschäftslogik) sind in den Datensätzen
Die Grundidee der Blockchain-Technologie selbst codiert und werden bei der Verarbeitung
basiert auf der allgemeineren Konstruktion der automatisiert vom Netzwerk ausgeführt und
sogenannten Distributed-Ledger-Technologien durchgesetzt.
(distributed ledger: verteiltes digitales Analo-
gon zum klassischen Journal der Buchführung). Speziell bei der Blockchain-Technologie werden
Diese beschreibt eine Technik zur verteilten alle Daten als sogenannte Transaktionen im Netz-
Datenhaltung in einem Peer-to-Peer-Netzwerk werk validiert, zu Blöcken zusammengefasst und
(P2P-Netzwerk), bei der die Netzwerkknoten neue Blöcke durch eine kryptografische Verket-
durch eine Übereinkunft (Konsens) gemeinsam tung manipulationssicher mit ihrem Vorgänger
über die Aktualisierung der Daten entscheiden. verbunden. Dadurch wird insbesondere eine
Bei den Daten kann es sich beispielsweise um chronologische Reihenfolge der Transaktionen
Kontostände einer Kryptowährung, Herkunfts- festgelegt. Es entsteht eine stetig wachsende Kette
nachweise für Waren oder auch abstrakter um von Datenblöcken, die sogenannte Blockchain
Vertragszustände von sogenannten Smart Cont- als Spezialfall eines Distributed Ledgers (siehe
racts handeln. Abbildung 1).
Dabei gibt es keine zentrale Kommunikations- Die Blockchain-Technologie besteht also aus fünf
steuerung und keine zentrale Datenspeicherung. grundlegenden Bausteinen (siehe Abbildung 2):
Abbildung 1: Blockchain-Datenstruktur
9 | Definitionen und Taxonomie
P2P-Netzwerk:
Datenstruktur: Routing, Zugang,
Verteilte redundante Synchronisation,
Datenhaltung, Hashbäume, Rechte etc.
verkettete Liste von
Transaktionsblöcken Konsensndung:
(Blockchain) Einigung auf Status
der Blockchain,
BC PoX, BFT
Geschäftslogik:
Automatische Regeln Kryptograe:
innerhalb der Transaktionen, Integrität der Blockchain,
Skripte, Smart Contracts, Authentizität der Transaktionen,
dAPPs Pseudonymität der Teilnehmer
etc.
Abbildung 2: Grundbausteine der Blockchain-Technologie
• Peer-to-Peer-Netzwerk anderem die passende nachrichtentechnische
Basis und die entsprechenden Kommunikations-
• Datenstruktur Blockchain protokolle zu wählen, die richtigen Datenreprä-
sentationen und Regelsprachen auszusuchen und
• Konsensfindung
die passenden Algorithmen korrekt und sicher
• Geschäftslogik zu implementieren. Eine solche Umsetzung soll
im Weiteren als Blockchain-System bezeichnet
• Kryptografie werden.
Diese Bausteine müssen je nach Anwendung In jedem Blockchain-System (siehe Abbildung
passend modelliert werden, d. h. mit Netzwerkmo- 3) gibt es bestimmte Kernkomponenten, die die
dellen, Kommunikations- und Datenstrukturen, Blockchain technisch definieren und die nicht
Konsensmechanismen, Regelwerken und krypto- austauschbar sind. Dazu zählen die Netzwerk-
grafischen Verfahren unterlegt werden. Beispiel- struktur, die Blockchain als Datenstruktur, der
weise muss eine blockchainbasierte Kryptowäh- Konsensmechanismus und die Logik zur Sys-
rung so konzipiert werden, dass sie potenziell mit temsteuerung inklusive der zugrunde liegenden
vielen wechselnden, unbekannten und möglicher- kryptografischen Mechanismen. Um diesen
weise nicht vertrauenswürdigen Nutzern zurecht- Blockchain-Kern herum wird das Blockchain-Sys-
kommt. Eine Blockchain zur Nachverfolgung von tem durch verschiedene Infrastrukturkomponen-
Luxusgütern dagegen muss insbesondere die Her- ten ergänzt, die für den Systembetrieb und die
kunft und Echtheit ihrer Daten zuverlässig sicher- Umsetzung bestimmter sekundärer Funktionali-
stellen. Die Auswahl und das Design eines passen- täten notwendig sind. Dabei handelt es sich zum
den Blockchain-Modells sind entscheidend für die Beispiel um den Netzwerkzugang, Schnittstellen
Erreichung der funktionalen und sicherheitstech- in die Umgebung, Logik zur Systemverwaltung,
nischen Ziele jeder Blockchain-Anwendung. kryptografische Zusatzfunktionen oder ein Rol-
len- und Rechtemanagement.
Das dabei entwickelte Blockchain-Modell kann
wiederum auf unterschiedliche Art und Weise Hinter dem Begriff „Blockchain-Technologie“
konkret umgesetzt werden. Dafür sind unter – verkürzend wird oft auch einfach nur „Block-
10 | Definitionen und Taxonomie
chain“ verwendet – verbirgt sich also eine Vielzahl Auf der anderen Seite gibt es die Differenzierung
von theoretischen und praktischen Variationen in genehmigungsbasierte (permissioned) und
und Kombinationsmöglichkeiten der Block- genehmigungsfreie (unpermissioned/permissi-
chain-Bausteine. Es kann nicht pauschal von „der“ onless) Blockchains, die die Erlaubnis zur Fort-
Blockchain-Technologie oder „der“ Blockchain schreibung der Blockchain betrifft. Dürfen grund-
gesprochen werden, sondern je nach Anwendung sätzlich alle Netzwerkknoten an der Validierung
muss ein passendes Blockchain-Modell erstellt der Transaktionen, der Bildung neuer Blöcke und
und ein entsprechendes Blockchain-System ent- an der Konsensbildung teilnehmen, so handelt es
wickelt werden. sich um eine genehmigungsfreie Blockchain. Sind
diese Prozesse jedoch nur nach vorheriger Aus-
wahl und Zulassung durch eine zentrale Autorität
zugänglich, so spricht man von einer genehmi-
Netzwerk- gungsbasierten Blockchain.
zugang
Rollen- und
Rechtemanage-
Netzwerk-
ment Je nach Anwendungsbereich sollte bereits bei der
Schnittstellen
struktur Konzipierung einer Blockchain eine Einordnung
in die passenden Klassen vorgenommen wer-
Konsens-
Datenstruktur mechanismus den. Dabei spielt unter anderem eine Rolle, für
Blockchain
welchen Nutzerkreis die Blockchain gedacht ist,
KERN
welche Daten verarbeitet werden, aber auch wie
Kryptograe die wirtschaftlichen und rechtlichen Rahmenbe-
Steuerungs-
Verwaltungs-
logik dingungen für den Blockchain-Betrieb aussehen.
logik kryptogra-
sche Zusatz-
Diese erste grobe Einordnung hat dann auch ent-
funktionen sprechende Auswirkungen auf die Ausgestaltung
des Blockchain-Modells, insbesondere auf die
INFRASTRUKTUR Wahl des Konsensmechanismus und der krypto-
grafischen Absicherung.
Abbildung 3: Schalenmodell eines Blockchain-Systems
Während öffentliche genehmigungsfreie (public
unpermissioned) Blockchains (wie zum Beispiel
Bitcoin) im Normalbetrieb ohne eine zentrale
1.2 Taxonomie Instanz auskommen, müssen bei den anderen
Modellen zumindest die entsprechenden Berech-
Aufgrund des großen Gestaltungsspielraums, den tigungen bzw. Einschränkungen mehr oder
die Blockchain-Technologie bietet, können kon- weniger zentral vorgegeben und durchgesetzt
krete Blockchain-Modelle sehr unterschiedlich werden, so dass eine geeignete Autorität für die
aussehen und damit auch völlig unterschiedliche Blockchain vorhanden sein muss.
Eigenschaften haben. Zur Klassifizierung haben
sich dabei folgende Begrifflichkeiten durchge-
setzt:
1.3 Beispiele
Einerseits wird unterschieden zwischen privaten
(private) und öffentlichen (public) Blockchains. Im weiteren Verlauf des Dokuments werden
Hierbei geht es um die Verwendung des Netz- neben allgemeinen Ausführungen immer wieder
werks und die Einsehbarkeit der Daten. Öffent- auch Beispiele aus der Praxis genannt, um die
liche Blockchains erlauben uneingeschränkt beschriebenen Sachverhalte zu illustrieren. Vorab
das Einstellen von Daten im Netzwerk und die sollen hier deshalb einige prominente Beispiele
Einsicht in alle Transaktionen der Blockchain. für Blockchains kurz eingeführt werden, die
Dagegen schränken private Blockchains diese aufgrund ihrer Verbreitung, ihres Reifegrads oder
Nutzung auf bestimmte Nutzergruppen, z. B. eine ihrer ökonomischen Relevanz eine besondere
Organisation oder ein Konsortium, ein. Rolle spielen.
11 | Definitionen und Taxonomie Beispiel: Bitcoin Das bestimmt bekannteste Beispiel für eine öffentliche genehmigungsfreie Blockchain-Anwendung ist die Kryptowährung Bitcoin [2], die seit 2009 ohne Unterbrechung online ist und mit etwa 67 Milli- arden US-Dollar die bei Weitem größte Marktkapitalisierung aller Kryptowährungen aufweist (Stand März 2019). Bei der Erstellung von Empfänger- und Absenderadressen sowie zur Authentisierung von Zahlun- gen (Transaktionen) kommt im Bitcoin-System ein Public-Key-Verfahren zum Einsatz. Die benötig- ten Schlüsselpaare können dabei in sogenannten Wallets („Geldbörsen“) gespeichert, verwaltet und zum Teil auch erzeugt werden. Eine Bitcoin-Adresse ist vereinfacht ausgedrückt der Hashwert eines öffentlichen Signaturschlüssels (siehe Abbildung 4 oben). Die genaue Beschreibung der Erzeugung von Bitcoin-Adressen findet sich beispielsweise in [3]. Zum Überweisen wird der zur Absenderadresse passende öffentliche Schlüssel des Überweisenden und ein mit dem zugehörigen privaten Schlüssel signierter Datensatz übertragen (siehe Abbildung 4 unten). Der Empfänger prüft dann durch Wiederholung der Hashprozedur, ob der öffentliche Schlüs- sel zur Absenderadresse gehört, und mit Hilfe des öffentlichen Schlüssels, ob die Signatur korrekt ist. Bei einem positiven Ergebnis beider Prüfungen ist klar, dass der Absender auch tatsächlich über das überwiesene Guthaben verfügt. Abbildung 4: Schematische Darstellung der Adresserzeugung und Signierung von Transaktionen in einem Bitcoin-Wallet Alle Transaktionen werden im gesamten Bitcoin-Netzwerk verteilt und dann von sogenannten Minern bestätigt, zu neuen Blöcken zusammengefasst und an das Ende der Bitcoin-Blockchain ange- hängt. Dieses Anhängen ist mit Hilfe einer kryptografischen Hashfunktion gesichert, was die Integrität der gesamten Kette garantiert. Zur Konsensbildung wird bei Bitcoin der sogenannte Proof-of-Work eingesetzt (siehe auch Abschnitt 3.2.3): Um einen Block hinzufügen zu können, muss ein Hashwert einer bestimmten Form berechnet werden, was im Allgemeinen sehr rechenintensiv ist. Als Anreiz erhalten die Miner für das Lösen dieser Aufgabe und die Verlängerung der Blockchain eine Belohnung in Form von (neu geschaffenen) Bitcoins und können zusätzlich Transaktionsgebühren erwarten. Die- ses Verfahren wird auch Mining (also „Schürfen“) genannt. Bitcoin als offene, pseudonyme und unregulierte Blockchain, die als Open-Source-Software verfüg- bar ist, verkörpert für viele die reine Lehre der Blockchain-Idee. Dieser Blockchain-Ansatz ist aber bei Weitem nicht für alle Einsatzbereiche geeignet und darf den Blick auf das breite Spektrum der Block- chain-Technologie nicht einschränken. 12
| Definitionen und Taxonomie
Viele Begriffe der Blockchain-Technologie stam- in der Blockchain verwaltet wird. Auch der Begriff
men ursprünglich aus der Bitcoin-Welt und wer- Wallet beschreibt nicht zwangsläufig nur eine digi-
den heute oft in einer erweiterten Bedeutung ver- tale Brieftasche, er bedeutet vielmehr eine gene-
wendet. Dazu gehört neben Blockchain selbst als relle Benutzerschnittstelle zum Blockchain-Netz-
Bezeichnung für die Datenstruktur hinter Bitcoin werk, über die der Nutzer seine Zugangsdaten
z. B. auch der Begriff Transaktion, der sich nicht und bestimmte Geheimnisse verwalten und am
nur auf die Übertragung von Bitcoins oder anderer System teilhaben kann. Ebenso kann der Begriff
digitaler Geldeinheiten beschränkt, sondern ganz Miner allgemein einen Akteur bezeichnen, der der
allgemein ein Stück Information bezeichnet, das Blockchain neue Blöcke hinzufügen darf.
Beispiel: Ethereum
Auch Ethereum [4], [5] ist ein öffentliches genehmigungsfreies Blockchain-System. Es stellt die Kryp-
towährung Ether zur Verfügung, die mit einer Marktkapitalisierung von über 14 Milliarden US-Dollar
auf dem zweiten Rang liegt (Stand März 2019). Vor allem aber hat Ethereum als blockchainbasierte
Plattform für Smart Contracts große Bekanntheit erlangt.
Als Kryptowährung operiert Ethereum ähnlich wie Bitcoin. Die zugrunde liegenden Strukturen und
Abläufe sowie auch der Konsensmechanismus sind vergleichbar. Transaktionen in Ethereum können
allerdings nicht nur Wertüberweisungen enthalten, sondern auch ausführbaren Programmcode, soge-
nannte Smart Contracts (siehe Kapitel 4). Ein solcher Contract erhält eine eigene Adresse, die zur wei-
teren Interaktion benutzt wird und sich ansonsten nicht von normalen Nutzeradressen unterscheidet.
Neben den Transaktionsdaten in der Blockchain gibt es in Ethereum einen übergreifend akzep-
tierten Systemstatus (world state), der unter anderem die aktuellen Kontostände und – im Falle von
Contract-Adressen – den Hashwert des zugehörigen Bytecodes enthält. Der Systemstatus liegt nicht
auf der Blockchain, sondern lokal im Speicher der einzelnen Knoten [6]. Gültige Transaktionen
beschreiben den Übergang vom aktuellen zu einem neuen Status, z. B. Änderungen von Kontostän-
den. Um sicherzustellen, dass dabei die lokalen Kopien des Systemstatus auf allen Knoten konsistent
bleiben, enthalten Blöcke unter anderem den Hashwert des aktuellen Status. Um diesen zu ermitteln,
müssen beim Mining alle Smart Contracts ausgeführt werden, die durch im Block enthaltene Trans-
aktionen initiiert oder adressiert werden. Ebenso ist es zur Verifikation eines jeden Blocks erforderlich,
dass sämtliche Knoten jeden betroffenen Smart Contract ein weiteres Mal ausführen, um den hinter-
legten Status-Hash zu überprüfen.
Beispiel: Hyperledger Fabric
Hyperledger Fabric [7], [8] ist ein weiteres bekanntes Blockchain-System. Es stellt keine Kryptowäh-
rung zur Verfügung, sondern ist in erster Linie eine Plattform für Smart Contracts. Im Gegensatz zu
den bisher genannten ist es privat und genehmigungsbasiert, was den Einsatz von nachrichtenbasier-
ten Konsensverfahren – insbesondere CFT- und BFT-Verfahren (siehe Abschnitt 3.2.2) – erlaubt, die
den Minern keine großen Kosten erzeugen.
Ein Ziel von Hyperledger Fabric ist, ein modular aufgebautes Blockchain-System bereitzustellen, bei
dem einzelne Komponenten ausgetauscht werden können. Dadurch soll eine Möglichkeit zur indivi-
duellen Anpassung des Systems an eigene Bedürfnisse gegeben werden. Insbesondere sind die Validie-
rung der Blöcke und der Konsensmechanismus voneinander getrennt. Neben der größeren Flexibilität
gelingt es dadurch, den Ressourcenverbrauch zu begrenzen (siehe Abschnitt 4.1).
13 | Definitionen und Taxonomie
Zusammenfassung.
• Die Blockchain-Technologie kann modular definiert werden und erlaubt viele unterschiedliche
Ausprägungen.
• Je nach Anwendungsfall muss das richtige Blockchain-Modell gewählt werden.
• Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Lese- und Schreibrechte auf einer Blockchain zu gestalten.
14 | Einordnung
2 Einordnung
In diesem Kapitel werden Blockchains hinsicht- Die sehr gute Verfügbarkeit in Blockchain-Sys-
lich verschiedener Eigenschaften bewertet und temen resultiert aus der dezentralen Datenspei-
mit ihrer klassischen Alternative in Gestalt von cherung. Andererseits verringert diese wegen der
Datenbanken verglichen. Diese Analyse ermög- auftretenden Latenzzeiten den Durchsatz des
licht eine grundsätzliche Einschätzung, inwiefern Systems gegenüber zentralisierten Lösungen und
der Einsatz der Blockchain-Technologie in einem verursacht zusätzlichen Speicherbedarf sowie
gegebenen Kontext zielführend ist und welche damit verbundene Kosten. Insofern ist immer
Vor- und Nachteile gegenüber Datenbanken eine Abwägung dieser verschiedenen Aspekte
bestehen. erforderlich.
Zu den betrachteten Eigenschaften zählen einer-
seits die Schutzziele der IT-Sicherheit, die im
nächsten Abschnitt genauer eingeführt werden, 2.1 IT-Sicherheit
und andererseits die praktischen Anforderun-
gen an den Durchsatz und die Skalierbarkeit der 2.1.1 Schutzziele
Technologie. Diese Merkmale stehen teilweise in
einem Spannungsverhältnis zueinander sowie mit Die klassischen Schutzziele der IT-Sicherheit,
dem grundsätzlichen Design von Blockchains, das anhand derer technische Lösungen bewertet
durch den Wunsch nach Dezentralität, Transpa- werden, sind die Integrität, Authentizität, Verfüg-
renz und Manipulationssicherheit motiviert ist barkeit und Vertraulichkeit. Darüber hinaus wird
(siehe Abbildung 5). häufig auch die Anonymität bzw. Pseudonymität
betrachtet. Die Begriffe sind dabei wie folgt zu
verstehen (vgl. IT-Grundschutz [9]):
unmittelbare
Designmerkmale technische Implikationen
• Integrität bezeichnet die Sicherstellung der
hohe Vollständigkeit und Korrektheit (Unversehrt-
Verfügbarkeit heit) von Daten. Ein Verlust der Integrität
dezentrale
Datenspeicherung kann daher bedeuten, dass Daten unerlaubt
geringer
Durchsatz verändert, Angaben zum Autor verfälscht
oder Zeitangaben zur Erstellung manipuliert
geringe wurden.
hohe Transparenz
Vertraulichkeit
• Authentizität bezeichnet die Eigenschaft, die
Manipulations- keine Korrektur- gewährleistet, dass ein Kommunikationspart-
sicherheit möglichkeiten ner (eine Person oder IT-Komponente oder
Abbildung 5: Designziele und ihre unmittelbaren technologischen -Anwendung) tatsächlich derjenige ist, der er
Implikationen vorgibt zu sein. Bei authentischen Informatio-
nen ist sichergestellt, dass sie von der angege-
benen Quelle erstellt wurden.
So ist aufgrund der gewollten Transparenz die
Herstellung von Vertraulichkeit und auch Ano- • Die Verfügbarkeit von Dienstleistungen,
nymität in Blockchains sehr schwierig (siehe IT-Anwendungen oder auch von Informa-
Abschnitte 5.1 und 5.4). Gleiches gilt für die tionen ist vorhanden, wenn diese von den
Erfüllung von Datenschutzanforderungen (siehe Anwendern stets wie vorgesehen genutzt
Abschnitt 9.3). werden können.
15 | Einordnung
• Vertraulichkeit ist der Schutz vor unbefugter chain garantiert ist. Bei verschiedenen Konsens-
Preisgabe von Informationen. Vertrauliche mechanismen ist nämlich eine gewisse Wartezeit
Daten und Informationen dürfen ausschließ- nötig, bis die Daten in Blöcken nur noch mit
lich Befugten in der zulässigen Weise zugäng- unrealistischem Aufwand verändert werden
lich sein. können. Die Wahl des Konsensmechanismus steht
wiederum mit dem Blockchain-Modell in Zusam-
• Die Anonymität einer Entität liegt vor, wenn menhang (siehe Abschnitt 3.2). Grundsätzlich
sie nicht identifiziert werden kann. Anony- kann die Integrität auf privaten oder genehmi-
mität garantiert insbesondere, dass Daten gungsbasierten Blockchains schneller gesichert
oder Handlungen der gleichen Entität nicht werden als auf öffentlichen genehmigungsfreien
miteinander verknüpft werden können. Von Blockchains.
Pseudonymität spricht man dagegen, wenn
eine solche Verknüpfung über ein Pseudonym
durchgeführt werden kann, gleichzeitig aber
eine Zuordnung des Pseudonyms zu einer 2.1.3 Verfügbarkeit
realen Identität nicht möglich ist.
Aufgrund der technologieimmanenten ver-
Die folgende Bewertung beschränkt sich auf die teilten und dezentralen Speicherung sind die
Blockchain selbst. Insbesondere gelten die ver- Informationen zu jedem Zeitpunkt mit hoher
schiedenen Sicherheitsgarantien für Daten erst Wahrscheinlichkeit verfügbar, sofern eine ausrei-
dann, wenn sie in der Blockchain gespeichert chende Anzahl an Knoten, die den vollständigen
wurden. So erstreckt sich beispielsweise der Integ- Datensatz vorhalten, vorhanden ist, sodass auch
ritätsschutz nicht auf das Einlesen von Daten über Teilausfälle des zugrunde liegenden Netzwerks
eine Schnittstelle zur realen Welt (z. B. Sensorda- toleriert werden können. Gezielte Angriffe auf
ten, Ereignisse in der realen Welt). Hierfür wären, eine einzige zentrale Stelle sind nicht möglich, in
ebenso wie bei alternativen Technologien, zusätz- privaten Blockchains kann ein Angreifer jedoch
liche Maßnahmen außerhalb der Blockchain mit größerem Aufwand durchaus die Verfügbar-
erforderlich. keit einschränken. Grundsätzlich gilt, dass eine
höhere Rate an Verbindungen die Resistenz des
Wo möglich und sinnvoll differenziert die Analyse Netzwerks gegen Ausfälle aufgrund gezielter
zwischen öffentlichen und privaten Blockchains. Angriffe oder technischen Versagens stärkt.
Anzumerken ist, dass die gute Verfügbarkeit nur
für die direkt in der Blockchain gespeicherten
2.1.2 Integrität Daten gegeben ist. Wenn Daten, z. B. aus Daten-
schutz- oder Vertraulichkeitsgründen (siehe
Die Integrität der in einer Blockchain abgelegten Abschnitt 5.2), ausgelagert und in der Blockchain
Daten wird im Wesentlichen dadurch sicher- nur Verweise gespeichert werden, so liefert die
gestellt, dass die einzelnen Blöcke mittels einer Blockchain keine Verfügbarkeitsgarantien für die
Hashfunktion verkettet werden. Sofern eine eigentlichen Daten.
geeignete Hashfunktion gewählt ist, können
Daten nicht nachträglich manipuliert werden,
ohne dass dies auffällt.
2.1.4 Vertraulichkeit
Es ist jedoch darauf hinzuweisen, dass die Sicher-
heitseignung von Hashfunktionen eventuell Die Herstellung von Vertraulichkeit auf einer
nur über einen gewissen Zeitraum besteht und Blockchain ist konstruktionsbedingt als sehr
langfristig Anpassungen nötig sein können (siehe schwierig anzusehen und sollte daher kein
Abschnitt 6.2). Weiterhin sollte bedacht werden, Schutzziel beim Einsatz von Blockchains sein.
dass der Schutz der Integrität für die Daten oft Ursache dafür ist, dass die Transaktionsdaten allen
erst einige Zeit nach ihrer Aufnahme in die Block- teilnehmenden Knoten zur Verfügung stehen
16 | Einordnung
müssen und damit auch die Verschlüsselung der Knoten bei Erzeugung der Schlüssel in geeigne-
Daten sehr schwierig umsetzbar ist. Es existieren ter Weise identifiziert und die Zuordnung der
einige komplexe Vorschläge zur Herstellung von Schlüssel dokumentiert werden, z. B. über eine
Vertraulichkeit, die in der Regel jedoch relativ Public-Key-Infrastruktur (PKI).
ineffizient sind (siehe Abschnitt 5.1).
Um die Authentizität der Transaktionsdaten
Auf privaten Blockchains ist die Anzahl der Kno- sicherzustellen, ist der Schutz der entsprechen-
ten in der Regel deutlich geringer als bei öffent- den privaten Signaturschlüssel von größter
lichen. Vertraulichkeit ist gegenüber denjenigen Wichtigkeit. Insbesondere beim Einsatz von
gewährleistet, die keinen Zugang zum Netzwerk statischen (d. h. dauerhaft verwendeten) Schlüs-
haben, sofern die Kommunikation innerhalb des seln erlischt mit einem Schlüsselverlust gleich-
Netzwerks angemessen geschützt wird. Zudem zeitig auch die Garantie für die Authentizität des
gibt es auf privaten Blockchains Möglichkeiten, Knotens selbst.
die Sichtbarkeit weiter einzuschränken (z. B. [8]),
die aber mit einem höheren Aufwand verbunden
sind. Auch wenn bei diesen Lösungen die Daten
immer für einige Knoten mit höheren Rechten 2.1.6 Anonymität/Pseudonymität
sichtbar bleiben, sind sie womöglich für viele
Anwendungsfälle hinreichend. Aufgrund der Transparenz von Blockchains
können verschiedene Transaktionen einer Entität
Eine grundsätzliche Idee, um Probleme mit miteinander verknüpft werden, sodass höchstens
der Vertraulichkeit zu umgehen, besteht in der Pseudonymität vorliegt. Auf privaten Blockchains
externen Speicherung der relevanten Daten (siehe ist dies unproblematisch, da in der Regel die
Abschnitt 5.2). In diesem Fall ist aber gemäß Identifizierung der Knoten sogar gewünscht ist. Es
Abschnitt 2.1.3 insbesondere die Verfügbarkeit wird vorgeschlagen, auf öffentlichen Blockchains
nicht durch die Blockchain gewährleistet. für verschiedene Transaktionen verschiedene
Pseudonyme zu verwenden, um die Verknüpfung
von Transaktionen zu verhindern und Anonymi-
tät zu erzielen. Diese Maßnahmen stoßen jedoch
2.1.5 Authentizität an fundamentale Grenzen und lassen sich mit
ausreichendem Aufwand aufheben. Auch die
Auf einer Blockchain werden Transaktionen in Aufhebung der Pseudonymität ist durch Einbezie-
der Regel durch digitale Signaturen mittels eines hung weiterer Informationen, die häufig außer-
Public-Key-Kryptosystems abgesichert. Bei geeig- halb der eigentlichen Blockchain liegen, als mög-
neter Wahl dieses Kryptosystems ist die Fälschung lich anzusehen. Für Details wird auf Abschnitt 5.4
einer Signatur für gegebene Daten extrem schwie- verwiesen.
rig und somit sind die Transaktionen authentisch.
Jedoch sei auch hier bezüglich der Langzeitsicher-
heit auf den Abschnitt 6.2 verwiesen.
2.2 Effizienz
Wichtig ist, dass durch die Blockchain die Authen-
tizität nur bezüglich der Identitäten innerhalb Sollen Blockchains hin zu einem großflächigen
des Netzwerks sichergestellt werden kann. Die Einsatz und einer großen Zahl an Transaktio-
Zuordnung der Schlüssel zu einem konkreten nen skaliert werden, so sind in der Praxis ihr
Kommunikationspartner muss ebenso wie bei Ressourcenbedarf und Durchsatz sehr wichtige
anderen Technologien, die digitale Signaturen Kennwerte. Zu den hier betrachteten Ressourcen
verwenden, durch zusätzliche Maßnahmen erzielt zählen dabei der genutzte Speicher und insbeson-
werden. Auf einer öffentlichen genehmigungs- dere die benötigte Energie. Der Durchsatz einer
freien Blockchain sind dazu keine Ansätze etab- Blockchain bezeichnet die Menge an Transaktio-
liert. Auf privaten oder genehmigungsbasierten nen, die in einer festen Zeitspanne in neue Blöcke
Blockchains müssen hierzu die Betreiber der aufgenommen werden können.
17 | Einordnung
2.2.1 Ressourcenbedarf Durchsatz. Dies ist vor allem in der Struktur des
Netzwerks begründet, das bei privaten Block-
Die sehr gute Verfügbarkeit der in einer Block- chains im Regelfall deutlich weniger Knoten als
chain abgelegten Daten resultiert aus der viel- bei öffentlichen enthält. Weiterhin ermöglichen
fachen verteilten Speicherung aller Daten ab die auf privaten Blockchains einsetzbaren Kon-
dem ersten Block. Insbesondere auf öffentlichen, sensmechanismen einen um Größenordnun-
großflächig eingesetzten Blockchains wäre der gen höheren Durchsatz als die gegenwärtig auf
notwendige, schnell wachsende Speicherbedarf öffentlichen Blockchains verwendeten. So lag der
jedoch für privat betriebene Knoten nicht tragbar. Durchsatz von Bitcoin im März 2019 bei etwa 7 tps
Vor allem auf privaten Blockchains könnte sich (Transaktionen pro Sekunde), während Konsens-
dieses Problem durch regelmäßiges, zumindest mechanismen auf privaten Blockchains 20.000 tps
teilweises Löschen oder Komprimieren hinrei- oder mehr erreichen ([11], siehe Abschnitt 3.2).
chend alter Daten abmildern.
Ein oft genanntes Hindernis für die Skalierbarkeit
von Blockchains ist der Energieverbrauch, der 2.3 Vergleich mit Datenbanken
beispielsweise bei Bitcoin gemäß Schätzungen
vom März 2019 für etwa 0,2 % des weltweiten Blockchains werden häufig als eine Alternative zu
Stromverbrauchs verantwortlich und damit klassischen Datenbanken gesehen. Die Entschei-
exorbitant hoch ist [10]. Dies liegt in erster Linie dung für den Einsatz einer der beiden Technolo-
in dem verwendeten Konsensmechanismus gien kann dabei anhand verschiedener Kriterien
begründet. Je nach Blockchain-Modell können erfolgen. Als erste Entscheidungshilfe wird hier
jedoch Konsensmechanismen genutzt werden, ein grober Vergleich der Technologien gegeben.
deren Energieverbrauch vernachlässigbar gering Aus Gründen der Übersichtlichkeit werden ledig-
ist (siehe Abschnitt 3.2), weshalb insbesondere bei lich die zwei wichtigsten Blockchain-Modelle,
privaten Blockchains der Energieverbrauch kein eine öffentliche genehmigungsfreie Blockchain
Problem darstellt. (z. B. Bitcoin) sowie eine private genehmigungs-
basierte Blockchain (z. B. Hyperledger-Instan-
zen), einer klassischen Client-Server-Datenbank
gegenübergestellt (siehe Tabelle 1). Darin hält ein
2.2.2 Durchsatz zentraler Server die Daten vor, auf die Clients per
Abfrage zugreifen können. Grundsätzlich ist zu
Der Durchsatz einer Blockchain hängt ebenfalls beachten, dass einzelne Aspekte je nach konkreter
sehr stark vom Konsensmechanismus ab. Auf einer Ausgestaltung in einem gewissen Rahmen variie-
niedrigeren Ebene ist er zudem von physikalischen ren können.
Eigenschaften des zugrunde liegenden Netzwerks
abhängig, da die dezentrale Speicherung und Ver- Datenbanken stellen die Integrität der gespei-
teilung der Daten eine ständige Kommunikation cherten Daten durch eine Reihe von Maßnah-
der verschiedenen Knoten innerhalb des Netz- men sicher. Dazu gehören in erster Linie die
werks erfordern. Hier ist erstens die Bandbreite zu regelmäßige Erstellung von Sicherheitskopien
nennen, die angibt, welche Datenmenge pro Zei- und Log-Dateien sowie eine starke Zugriffskon-
teinheit innerhalb des Netzwerks verteilt werden trolle auf die Daten. Der zentrale Server stellt
kann. Zweitens ist die Latenzzeit zu berücksichti- einen Single-Point-of-Failure dar, sodass gezielte
gen, die die Zeit zur Übertragung eines Datenpa- Angriffe die Verfügbarkeit stark einschränken
kets innerhalb des Netzwerks bezeichnet. Beide können. Durch redundante Datenhaltung lässt
Werte unterliegen über die Zeit und in Abhängig- sich dieses Risiko jedoch im gewünschten Maße
keit von den Netzwerkknoten, die miteinander abmildern. Die Vertraulichkeit der Daten lässt sich
kommunizieren, gewissen Schwankungen. in einer Datenbank durch den geeigneten Ein-
satz kryptografischer Routinen erreichen, wobei
Grundsätzlich erlauben private Blockchains Zugriffsrechte nur an jeweils befugte Nutzer ver-
gegenüber öffentlichen einen deutlich höheren geben werden (vgl. auch IT-Grundschutz [12]).
18 | Einordnung
Ein wesentlicher Unterschied besteht darin, dass Wegen der zentralen Infrastruktur ist der Rechen-
eine Datenbank – auch mit redundanter Daten- und Kommunikationsaufwand und auch der
haltung – unter Kontrolle eines einzelnen Betrei- Energieverbrauch zum Betrieb einer Daten-
bers steht. Im Gegensatz zu Blockchain-Lösungen bank sehr gering. Gleichzeitig ist ein sehr hoher
kann somit die Einhaltung der Schutzziele durch Durchsatz möglich. Klassische Bezahldienstleis-
missbräuchliches Verhalten dieser Entität beein- ter berichteten beispielsweise 2015 von bis zu
trächtigt werden, ohne dass dies technisch verhin- 56.000 tps im Rahmen von Stresstests [13].
dert wird.
Kurz gefasst bieten Blockchains gegenüber
Durch zusätzliche organisatorische Sicherheits- Datenbanken Vorteile in der Robustheit gegen
maßnahmen und aufgrund rechtlicher Rahmen- Missbrauch und gegebenenfalls der Verfügbarkeit,
bedingungen wird dieses Risiko de facto als gering wohingegen sich in den Punkten Vertraulichkeit
eingeschätzt. und Effizienz deutliche Nachteile ergeben.
Blockchain (öffentlich Blockchain (privat Client-Server-
genehmigungsfrei) genehmigungsbasiert) Datenbank
Integrität ++ ++ ++
Authentizität umsetzungsabhängig
Verfügbarkeit ++ ++ +
Vertraulichkeit -- o* +
Pseudonymität o -- --
Dezentralität ++ o --
Robust gegen ++ + o
Missbrauch
Transparenz ++ o --
Ressourcenbedarf (sehr) hoch† gering sehr gering
Durchsatz -- + ++
Tabelle 1: Vergleich von Blockchain und Datenbanken (vgl. Abschnitte 2.1 und 2.2).
* In einigen Blockchains gab es Fortschritte, die diese Bewertung widerspiegelt, in vielen Lösungen ist die Vertraulichkeit aber schwächer als
angegeben zu beurteilen.
† Alle bedeutenden öffentlichen genehmigungsfreien Blockchains verwenden momentan den Konsensmechanismus Proof-of-Work (siehe
Abschnitt 3.2). Ein Übergang zu weniger energieintensiven Konsensmechanismen ist teilweise geplant (Stand März 2019).
Zusammenfassung.
• Die Schutzziele der IT-Sicherheit, Anforderungen an die Effizienz sowie die Designziele von Block-
chains stehen in einem Spannungsverhältnis zueinander.
• Es gibt große Unterschiede zwischen öffentlichen genehmigungsfreien und privaten genehmi-
gungsbasierten Blockchains.
• Einige Sicherheitsziele, insbesondere die Authentizität, müssen durch zusätzliche Infrastruktur-
maßnahmen sichergestellt werden.
• Blockchains bieten gegenüber zentralen Datenbanken Vorteile in den Punkten Robustheit gegen
Missbrauch und Verfügbarkeit.
• Blockchains weisen gegenüber zentralen Datenbanken Nachteile in den Punkten Vertraulichkeit
und Effizienz auf.
19 | Vertrauen und Konsens
3 Vertrauen und Konsens
Die verteilte Datenhaltung ist eine wesentliche integrieren. Dies gilt auch, wenn Blockchains als
Eigenschaft von Blockchains. Einerseits erhöht Open-Source-Projekte entwickelt und betrieben
sie auf technischer Ebene die Resistenz gegen werden. Dabei steuern die Programmierer die
missbräuchliches Verhalten, das daher in geringe- allgemeine Entwicklung des Projekts, und die
rem Maße durch organisatorische Vorkehrungen öffentliche Einsehbarkeit des Quellcodes muss
verhindert werden muss. Andererseits macht sie mangels Zeit und Expertise der Nutzer nicht
Maßnahmen unumgänglich, um die Überein- unbedingt zur Aufdeckung subtiler Schwach-
stimmung der verschiedenen Kopien der Daten stellen führen. Dieses Vertrauen in die korrekte
sicherzustellen. Der hierfür verwendete Konsens- Programmierung ist umso wichtiger, da Updates,
mechanismus bildet somit eine Kernkomponente die bekannte Schwachstellen korrigieren, auf
von Blockchains, deren Ausgestaltung für die öffentlichen Blockchains gegebenenfalls erst
Sicherheit des gesamten Systems grundlegend nach längerer Zeit von allen Knoten eingespielt
ist. werden, sodass die Korrektur sehr langwierig sein
kann.
Beim Betrieb von öffentlichen Blockchains
3.1 Blockchains und Vertrauen ergeben sich im Laufe der Zeit häufig Gruppen
herausgehobener Akteure. Beispiele hierfür sind
Ein wesentliches Merkmal einer Blockchain ist bei Kryptowährungen die Tauschbörsen zum
das Fehlen einer zentralen Instanz, über die wie in Umtausch in etablierte Fiatwährungen, z. B. Euro
herkömmlichen Lösungen die Kommunikation oder US-Dollar, sowie Mining-Pools als Zusam-
geleitet und verwaltet wird und der von den Nut- menschlüsse mehrerer Miner. In diesen Bereichen
zern vertraut werden muss. Die ursprüngliche Bit- sind aus ökonomischen Gründen Zentralisie-
coin-Veröffentlichung [2] gibt diese Eigenschaft, rungstendenzen erkennbar (siehe Abschnitt 3.2.5).
gemäß der die Sicherheit von Blockchains „statt Den Tauschbörsen muss dabei vertraut werden,
auf Vertrauen auf kryptografischen Beweisen“ dass sie ihre Leistung tatsächlich erbringen [14]
basiert, als grundlegende Motivation für die Kon- und ihre Infrastruktur gegen Angriffe schützen,
zeption von Bitcoin an. Sie wird sehr häufig als die für die sie herausgehobene Ziele darstellen.
wesentliche Neuerung der Blockchain-Technolo-
gie bezeichnet. Auf privaten Blockchains ähnelt das Vertrauens-
modell dem klassischer zentralisierter Lösungen,
Im eigentlichen Betrieb der Blockchain existiert ohne dass dabei die Eigenschaft der Dezentralität
anders als bei traditionellen Lösungen wie Daten- völlig aufgegeben wird. Aufgrund der abgestuften
banken keine zentrale Instanz wie oben beschrie- Rechteverwaltung müssen Nutzer den Inhabern
ben. Allerdings muss auch auf Blockchains eini- höherer Positionen vertrauen, wobei verschiedene
gen Akteuren und Komponenten ein erhebliches Arten von Fehlverhalten aufgrund der Sicht-
Maß an Vertrauen entgegengebracht werden. barkeit der Blockchain für ihre Nutzer detek-
tiert werden können. Weiterhin ist auf privaten
Eine wichtige Position haben die Programmie- Blockchains eine zentrale Administrationsstelle
rer der Software inne, die zum Betrieb und zur nötig, von der die Verwaltung der Rollen und
Teilnahme an der Blockchain verwendet wird. Die Rechte durchgeführt wird. Auch wenn sie nicht
Nutzer müssen darauf vertrauen, dass die Pro- direkt in den Betrieb der Blockchain eingreifen
grammierer tatsächlich die gewünschte Funktio- kann, könnte sie durch Vergabe oder Entzug von
nalität implementieren und nicht versehentlich Rechten indirekt, aber nicht unbemerkt darauf
oder absichtlich Schwachstellen in die Software Einfluss nehmen.
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