Bitcoins [1]: Wie funktioniert die Kryptowährung?

Was steckt hinter dem Goldrausch im Cyberspace?

Spätestens seit 2017 sind Kryptowährungen als eine neuartige, unabhängige Art von Giralgeld ein neues Hype-Thema in den Medien und auch an der Börse. Obwohl verschiedene Kryptowährungen existieren, stehen insbesondere die Bitcoins mit ihrem Blockchain-Verfahren als Vorreiter im Fokus der Berichterstattung.

Die Ursache für den derzeitigen Bitcoin-Hype an den weltweiten Börsen ist jedoch in erster Linie nicht durch ihre technischen Finessen begründet, sondern insbesondere auf das massive Ansteigen des Kurses zwischen Bitcoins und dem US-Dollar im Jahr 2017 von ca. 1.000 US-$ auf bis zu ca. 20.000 US-$ je Bitcoin zurückzuführen. Direkt nach seinem Absturz im Dezember 2017 wurden bereits Vergleiche mit der ersten gut dokumentierten Spekulationsblase, der niederländischen Tulpenmanie aus dem Jahre 1632, gezogen [1]. Der Wert des Bitcoin hatte sich innerhalb kürzester Zeit wieder auf unter 10.000 US-$ halbiert. Wie Euro oder Dollar mit ihren Cents lässt sich auch ein Bitcoin weiter zerlegen, nämlich in 100 Millionen sogenannte Satoshis – benannt nach dem Pseudonym des Erfinders, so dass die kleinste mögliche Einheit 0,00000001 Bitcoins beträgt, was nach heutigem Stand etwa 1/100 Cent entspricht. Alle Bitcoin-Überweisungen werden übrigens direkt in Satoshis ausgeführt, um ganzzahlig arbeiten zu können.

Ökonomische Fragen nach der zukünftigen Kursentwicklung der Bitcoins werden wir im Folgenden aus nachvollziehbaren Gründen – Vorhersagen sind gewöhnlich schwierig – nicht beantworten können. Wir werden uns daher vor allem auf die technischen und praktischen Hintergründe zu Kryptowährungen, die leider bis dato in vielen Artikeln oft nur oberflächlich angesprochen worden sind, konzentrieren. Wir möchten beispielsweise genauer erläutern, welche Art von Lotterie beim Erzeugen von Bitcoins – dem Mining – gespielt wird, ob Bitcoins das Zeug für eine Revolution von Bankwesen und Handel haben könnten, wie mit Bitcoins gehandelt werden kann und welche Chancen und Risiken dabei bestehen.

Handel, Währungen und Vertrauen

Handel ist ein wichtiger Treiber für den Fortschritt der Menschheit. Er begann mit dem direkten Tausch von Gütern zwischen Personen. Doch Gold, Silber und Bronze wurden bereits vor über 2000 Jahren als Materialien für die ersten Münzen verwendet [2]. Diese Edelmetalle sind durch ihre Exklusivität bis heute in allen Gesellschaften wertvoll, nur in beschränkter Menge vorhanden und nicht verderblich. Bereits im 12. Jahrhundert wurde in China das Papiergeld eingeführt [3]. Dieses Stück Papier hat im Gegensatz zum direkten Warentausch und zu edlen Metallen allerdings nicht den Wert, den es repräsentiert.

In Italien entstand im 14. Jahrhundert das immaterielle Geld. Dabei wurde Geld bei einer Bank deponiert, die Zahlungsansprüche eines Kunden gegenüber der Bank protokolliert und auf Wunsch ausgezahlt. Diese Ansprüche konnten auch schon an Dritte weitergegeben werden [4]. Sie waren die Vorläufer der heutigen Schecks, Aktien oder Schuldverschreibungen. Durch abstrakte Umbuchungen von Geld von einem Konto auf ein anderes Konto entstand zusätzlich zum Bargeld das Buchgeld, welches man auch als Giralgeld bezeichnet. Aber wieso vertraut man Papiergeld, immateriellem Geld oder Giralgeld?

Im Wesentlichen sind diese Geldarten Versprechen auf einen gewissen Gegenwert. Ist einmal das Vertrauen in sie verloren, werden sie wertlos. Die heutigen Zentralbanken sehen es daher als zentrale Aufgabe an, für eine Preisniveau-Stabilität zu sorgen, um dieses Vertrauen zu bewahren [5]. Dabei soll der Gegenwert des Geldes innerhalb eines Zeitintervalls nicht zu sehr schwanken: Inflation und Deflation der Währung sollen ausgewogen sein. Seit der weltweiten Finanzkrise und der Krise in Griechenland innerhalb des Euroraums ist evident geworden, dass die Zentralbanken zu diesem Zweck auch bereit sind auf unkonventionelle Methoden wie negative Zinsen zurückzugreifen [6].

Der Fall Liberty Reserve S.A.

Die Idee von "virtuellen" Währungen, die nicht von einer staatlichen Zentralbank abhängig sind, ist nicht neu. Schon die sogenannte Liberty Reserve, eine in Costa Rica gegründete Online-Bank mit eigenen allerdings an Euro und Dollar gekoppelten Währungen, brachte es auf über eine Million Kunden, bevor sie 2013 auf Betreiben der US-Behörden wegen Geldwäsche-Vorwürfen geschlossen wurde.

Im Gegensatz zu den heutigen Kryptowährungen offerierte die Liberty Reserve für den Geldverkehr eine zentralisierte Lösung: alle Transaktionen liefen ausschließlich über die Server der Bank. Dadurch war das System natürlich äußerst anfällig für eine Blockade bzw. die letztlich erfolgte Abschaltung durch die Behörden. Da Kryptowährungen wie Bitcoin dezentral organisiert sind, dürften ähnliche Überlegungen eines Verbots – wie jüngst in China und Südkorea geäußert – ungleich schwieriger umzusetzen sein.

Was sind Bitcoins?

Bitcoins werden durch ein Peer2Peer-Netzwerk – ähnlich wie seinerzeit Napster – verwaltet, dessen Teilnehmer oft nicht einmal ihre wahre Identität untereinander kennen, geschweige denn, dass sie sich jemals persönlich begegnet wären. Somit gibt es weder die Möglichkeit, Transaktionen zu kontrollieren oder gar rückgängig zu machen, noch Garantien bezüglich der Währungsstabilität.

Wie wir später noch diskutieren werden, ist jedoch die Menge der Bitcoins und damit die Inflation der Währung technisch begrenzt. Zur Schaffung eines Grundvertrauens sind allerdings alle Bitcoin-Transaktionen öffentlich einsehbar. Das spielt im Fall der Fälle natürlich auch Ermittlungsbehörden in die Hände: kommen sie dem Inhaber eines Bitcoin-Nummernkontos, der sogenannten Bitcoin-Adresse oder BTC-Adresse, erst einmal auf die Schliche, können Sie alle seine Transaktionen lückenlos nachverfolgen und ggf. auch seine Geschäftspartner ermitteln. Wie dieser Austausch von Bitcoins funktioniert, erklären wir detailliert im nächsten Abschnitt.

Eine technische Betrachtung der Bitcoins

Es erscheint auf den ersten Blick paradox, zunächst den Austausch von Bitcoins zu thematisieren, ohne zu wissen, wie Bitcoins überhaupt in das Handelssystem, also in das Peer2Peer-Netzwerk, hinein kommen. Da neue Bitcoins aber nur beim Austausch bestehender Bitcoins entstehen (wie genau, erläutern wir später), möchten wir zunächst darauf eingehen, wie dieser in einem dezentralen Netzwerk ohne übergeordnete Kontrollinstanz und ohne gesicherte Identität der Teilnehmer überhaupt funktionieren kann.

Der Austausch von Bitcoins

Bitcoin-Transaktionen funktionieren auf Basis der sogenannten Blockchain, das gehört mittlerweile beinahe zum IT-Grundwissen. Die Blockchain ist dabei zunächst nichts weiter als ein gigantisches Kassenbuch (engl. Public Ledger), in dem alle Bitcoin-Überweisungen von Beginn an aufgezeichnet worden sind. Entsprechend hatte die Bitcoin-Blockchain Ende 2017 bereits eine Größe von rund 175 Gigabyte. Bitcoin-Überweisungen werden von einer Bitcoin-Adresse an eine andere getätigt und immer blockweise zusammengefasst in der Blockchain abgespeichert. Daher der erste Teil des Namens. Man könnte diese Blöcke mit den einzelnen Seiten eines echten Kassenbuchs vergleichen. Damit nachträgliche Manipulationen am Kassenbuch unmöglich werden, wird jeder Block mit einem Hashwert signiert und dabei so mit dem vorherigen Block verkettet, dass Manipulationen am Inhalt aller Blöcke sofort auffallen würden. Diese Verkettung von Blöcken erklärt den zweiten Teil des Begriffs Blockchain. Wie sie im Detail funktioniert, erläutern wir gleich.

Doch wie kann in einem dezentralen Netzwerk garantiert werden, dass es nicht zu doppelten Kontonummern kommt? Das ist interessanterweise keineswegs garantiert, sondern nur sehr sehr unwahrscheinlich. Bitcoin-Adressen sind nämlich nichts weiter als sehr große Zufallszahlen. Genauer gesagt, bestehen sie aus dem öffentlichen Schlüssel eines Public-Key-Accounts, der über eine Hash-Funktion in einen sehr großen Raum von 2 hoch 160 Möglichkeiten abgebildet wird. Damit ist es extrem unwahrscheinlich (wenn auch nicht völlig ausgeschlossen), dass jemals zwei Teilnehmer die gleiche Kontonummer für sich auswählen werden.

Möchte ein Teilnehmer nun eine Überweisung von seinem Konto autorisieren, signiert er diesen Auftrag mit dem Private Key seines Accounts und sendet den Überweisungsauftrag in das Bitcoin-Netzwerk. Dort wird zunächst mit Hilfe des bekannten öffentlichen Schlüssels überprüft, ob die Überweisung tatsächlich vom Inhaber des Kontos (also dem Besitzer des privaten Schlüssels) beauftragt wurde. Ferner muss der Absender eine oder mehrere vorherige Transaktionen referenzieren, die zusammen mindestens das gewünschte Überweisungsvolumen umfassen. Nur wenn das der Fall ist und die referenzierten Überweisungen nicht bereits vorher in der Blockchain ausgegeben wurden, kann die gewünschte Überweisung ausgeführt und in die Blockchain aufgenommen werden.

Um es an dieser Stelle noch einmal hervorzuheben: Bitcoins existieren nur als Überweisungen in der Blockchain, eine ausreichende "Kontodeckung" für eine neue Überweisung muss durch Referenzieren einer oder mehrerer früherer Überweisungen nachgewiesen werden. Bitcoins lassen sich somit nicht zu Hause in den Tresor oder unter das Kopfkissen legen, sie existieren rein virtuell in der Blockchain.

Der Kontostand eines Nutzers ergibt sich entsprechend aus der Summe aller eingehenden Überweisungen abzüglich der Summe aller ausgehenden Überweisungen. Eine Wallet-Software zur Verwaltung von Bitcoin-Konten speichert entsprechend keine Bitcoins, sondern nur den öffentlichen und den privaten Schlüssel eines Kontos. Derjenige, der Zugang zum privaten Schlüssel hat, hat auch Zugriff auf das entsprechende Konto, bzw. umgekehrt, falls ein privater Schlüssel verloren geht, ist auch der Zugriff auf das Konto vollständig verloren. Es gibt keine "Passwort zurücksetzen"-Funktion und auch kein Callcenter, das den Zugang zu einem Konto wiederherstellen könnte. So lange Public-Key-Verfahren kryptografisch sicher bleiben, sind auch die Schlüssel der Bitcoin-Konten nicht zu überwinden.

Die Versiegelung der Blockchain

Da Hash-Werte oder kurz Hashes einen zentralen Teil der Bitcoin-Infrastruktur bilden, möchten wir kurz ihre Charakteristika ins Gedächtnis rufen: Sie werden von sogenannten Hash-Funktionen berechnet und bilden quasi einen digitalen Fingerabdruck für Daten. Beliebig große Eingabedaten werden in eine nach allen praktischen Erwägungen eindeutige Bit-Kette von z. B. 256 Bit Länge umgerechnet, die meist in Hexadezimal-Schreibweise dargestellt wird. Beispielsweise lautet der Hash der SHA256-Funktion für "Bitcoin" wie folgt:

b4056df6691f8dc72e56302ddad345d65fead3ead9299609a826e2344eb63aa4

SHA-256 wird übrigens an zahlreichen Stellen innerhalb der Bitcoin-Infrastruktur verwendet. Eine wichtige Besonderheit von Hash-Funktionen wie dieser ist, dass sie einerseits zwar deterministisch sind (also für eine gleiche Eingabe immer die gleiche Ausgabe liefern), andererseits aber bereits eine minimale Änderung an den Eingabedaten zu einer deutlichen und nicht vorhersagbaren Änderung des berechneten Hash-Werts führt (sogenannter Avalanche Effect). Dies ist ein wichtiges Qualitätsmerkmal für Hash-Funktionen, die auch in der Kryptographie eingesetzt werden sollen. Für "bitcoin" anstatt "Bitcoin" lautet der SHA256-Hash beispielsweise:

6b88c087247aa2f07ee1c5956b8e1a9f4c7f892a70e324f1bb3d161e05ca107b

Im kryptografischen Sinne gute Hash-Funktionen können daher zwar in Sekundenbruchteilen berechnet, aber mit heutigen Mitteln nicht mehr rückwärts gerechnet werden. Ist einmal ein solcher Fingerabdruck für ein Dokument erstellt, kann man leicht erkennen, ob das Dokument nachträglich manipuliert, sprich geändert worden ist, oder ob es noch seinem Ursprungszustand entspricht.

Ein handelsüblicher Laptop kann heute eine halbe Million Hashes leicht in einer Sekunde berechnen.

Das funktioniert analog für einen Transaktionsblock in der Blockchain, auch dort fallen nachträgliche Manipulationen an den enthaltenen Überweisungen sofort auf, da der Hash nicht mehr zum enthaltenen Blockinhalt passen würde. Übernimmt man ferner den Hash eines Block in seinen Nachfolger und berechnet für letzteren abermals einen Hash, sind Manipulationen an beiden Blöcken leicht erkennbar. Und so weiter. Wir illustrieren das kurz an einem stark vereinfachten Beispiel: angenommen für den Block n-1 wurde der Hash

200d15f5183c10fd883a2feba83fff0bcab4fdc3e1de88e3379192aac5d1cded

berechnet. Dieser wird in die Hash-Berechnung von Block n übernommen, wie im Folgenden schematisch gezeigt, so dass der Hash den neuen Blocks über seine eigenen Überweisungen sowie den Hash des vorherigen Blocks berechnet wird:

Block n
Vorheriger Hash:

200d15f5183c10fd883a2feba83fff0bcab4fdc3e1de88e3379192aac5d1cded

(Beispielhafte) Überweisungen:
Ernst -> Klaus: 2 BTC
Katja -> Frank: 5 BTC
Sven -> Linda: 1 BTC

Eine Berechnung ergibt:

ebd54b2b38b14e8cfdee481085c071ef300f1527b82eb48cbfde8ac5c3d0227f

als SHA256-Hash für Block n, dieser ist damit ebenfalls gegen unbemerkte Veränderungen geschützt. Gleichzeitig fällt auch eine Veränderung am Inhalt und/oder am Hash von Block n-1 sofort ins Auge, da der Hash von Block n-1 in Block n unveränderlich hinterlegt ist.

Der nachfolgende Block n+1 übernimmt nun abermals den Hash seines Vorgängers in seine Eingabedaten für die Hash-Berechnung und so weiter:

Block n+1
Vorheriger Hash:

ebd54b2b38b14e8cfdee481085c071ef300f1527b82eb48cbfde8ac5c3d0227f

Überweisungen:
Susi -> Franka: 3 BTC
...

Blöcke können auf diese Weise untrennbar miteinander verkettet und vor Veränderungen geschützt werden. Wie bereits erwähnt, bilden sie zusammengesetzt die Blockchain, die alle Überweisungen innerhalb von Bitcoin aufzeichnet. Diese bestand Anfang 2018 aus gut einer halben Million Blöcken, die etwa 175 GB Speicherplatz benötigten.

Ein handelsüblicher Laptop kann heute eine halbe Million Hashes allerdings leicht in einer Sekunde berechnen. Gäbe es in Bitcoin nicht noch einen weiteren Sicherheitsmechanismus, wäre die gezeigte Hash-Signierung problemlos von jedem Teilnehmer selbst zu erbringen. Somit könnte jeder Teilnehmer versuchen, seine eigene, evtl. manipulierte Version der Blockchain in Umlauf zu bringen. Um das zu verhindern und eine Einigung (den sogenannten Consensus) auf eine gültige und stabile Version der Blockchain zu erzielen, bedient sich das Bitcoin-Protokoll der zuvor bereits genannten Besonderheit der Hash-Funktionen: nämlich der Unmöglichkeit, sie rückwärts zu rechnen.

Das Protokoll verlangt hier schlicht, dass der Hash, mit dem ein Block von Transaktionen signiert wird, kleiner als ein bestimmter Wert sein muss. Oder etwas anschaulicher ausgedrückt, ein gültiger Hash-Wert zum Signieren eines Blocks muss mit einer bestimmten Anzahl von Nullen beginnen. Beispielsweise lautet der Hash des Blocks 125552 [7] in der Blockchain:

00000000000000001e8d6829a8a21adc5d38d0a473b144b6765798e61f98bd1d

Der in diesem Block zwecks der Verkettung der Blöcke ebenfalls gespeicherte Hash des Vorgängerblocks lautet:

00000000000008a3a41b85b8b29ad444def299fee21793cd8b9e567eab02cd81

Der einzige heute bekannte Weg, einen solchen Hashwert zu erhalten, ist es, an den Block eine beliebige Zahl anzuhängen, den Hash des Blocks zu berechnen und zu prüfen, ob die verlangte Anzahl an Nullen zu Beginn des Hash-Werts erreicht worden ist. Und diesen Vorgang ggf. so lange zu wiederholen, bis ein passendes Ergebnis gefunden worden ist. Das Zurückrechnen von diesem Wert auf die anzuhängende Zahl ist, wie bereits gesagt, mit heutigen Mitteln unmöglich.

Das Bitcoin-Protokoll steuert den verlangten Grenzwert des Hashs – die sogenannte Difficulty – übrigens so, dass das gesamte Netzwerk stets etwa zehn Minuten zum Erraten eines passenden Hashs benötigt. Dieser sogenannte "Proof of Work" gleicht daher einem gigantischen Lotteriespiel, bei dem alle Teilnehmer des Bitcoin-Netzwerks versuchen, eine passende Zahl zu erraten, um den nächsten Block "versiegeln" zu können. Findet ein Teilnehmer eine passende Zahl (im Jargon "Nonce" genannt), versiegelt er den Block damit und sendet ihn samt Hash in das Netzwerk, wo die anderen Teilnehmer leicht durch eine eigene Hash-Berechnung überprüfen können, dass sie nicht einem Schwindler aufgesessen sind. Im Gegensatz zum Finden der Nonce und des passenden Hashs dauert eine Überprüfung eines versiegelten Blocks nur wenige Sekundenbruchteile.