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Warum Kryptowährungen ein „Abfallprodukt“ der Blockchain sind

Warum Kryptowährungen ein „Abfallprodukt“ der Blockchain sind

„Es bedarf keiner fundierten finanzmathematischen Kenntnisse, es reicht der gesunde Menschenverstand, um zu erkennen, dass der Preis von Bitcoin über kurz oder lang null sein wird.“ So urteilten Ulrich Bindseil und Jürgen Schaaf in der FAZ vom 17.09.2021. „Bitcoin ist wie die frühe Elektrizität. Roh, gefährlich, scheint sehr flüchtig und schwer zu verwenden zu sein. Mit der Zeit wird es sich sicherer, einfacher und normaler anfühlen. Wie Elektrizität wird sie neue, unvorstellbare Industrien inspirieren und antreiben.“ Dieses Zitat fand ich jüngst in einem Beitrag auf btc-echo.de. Es stammt von „Obi-Wan Kenobit“, Pseudonym eines anonymen Bitcoin-„Maximalisten“.

Die beiden Zitate spannen das Spektrum auf, in dem die neuen Technologien rund um bekannte Kryptowährungen wie Bitcoin, Ether und vielen mehr verortet werden. Für die einen ist es ein reiner Hype, für die anderen eine der revolutionärsten Entwicklungen überhaupt. Wer der Debatte folgen will, ist schnell mit einer Unmenge an Fachbegriffen konfrontiert.

Blockchain als dezentrale Datenbank

Zunächst: „Blockchain“ ist der Begriff für eine digitale Technologie, die es erlaubt, Transaktionen und Eigentumstitel bis hin zu vertraglichen Verpflichtungen fälschungssicher in einem dezentral organisierten Netzwerk festzuhalten („Distributed Ledger“). Dies wird durch ein sogenanntes Konsensprotokoll gewährleistet. Das kann man sich als eine Art Programm beziehungsweise eine definierte Struktur vorstellen, die für alle an einer Transaktion Beteiligten eine genaue Abfolge von Schritten vorschreibt, welche die dezentralen Transaktionen erst fälschungssicher machen.

Genau an dieser Stelle liegt für viele Blockchain- und Krypto-Enthusiasten der revolutionäre Kern der ganzen Angelegenheit. Denn es werden Transaktionen und Vereinbarungen zwischen zwei sich völlig unbekannten Parteien möglich, ohne dass hierfür eine zentrale Instanz wie zum Beispiel eine Bank zwischengeschaltet ist – und die etwa bei einer Geldüberweisung prüft, ob überhaupt genügend Mittel vorhanden sind. An die Stelle der zentralen Einheit tritt das gesamte Netzwerk und jede Transaktion muss von allen Teilnehmern des Netzwerkes, den sogenannten „Nodes“, als korrekt akzeptiert und bestätigt werden.

Kryptowährungen als „Nebenprodukt“

Mit jeder Blockchain – außer rein privaten Blockchain-Netzwerken – ist eine Kryptowährung verknüpft. Grund: Die Netzwerkteilnehmer, welche im dezentralen Netzwerk die Überprüfungs- und Bestätigungsleistungen erbringen und damit dessen fälschungssichere Funktionsweise sicherstellen, werden in Einheiten dieser Währung entlohnt. Diese Entlohnung bekommen aber nicht alle, sondern nur die, welche aus einem Auswahlprozess als „Sieger“ hervorgehen. Nur sie erhalten den sogenannten „Blockreward“ sowie die Transaktionsgebühren. Die Unterlegenen gehen leer aus. Trotzdem leisten sie die Validierungsarbeit in der Hoffnung, dass beim nächsten Mal vielleicht sie zum Zuge kommen.  

Vor dem skizzierten Hintergrund werden auch die Begriffe „Blockchain“ und „Blockreward“ verständlich: Denn im dezentralen Netzwerk wird nicht jede einzelne Transaktion für sich überprüft. Stattdessen werden die innerhalb eines bestimmten Zeitraumes anfallenden Transaktionen – bei Bitcoin ungefähr alle 10 Minuten – zu sogenannten Blöcken zusammengefasst und gewissermaßen „en bloc“ bestätigt. Der ausgewählte Netzwerkteilnehmer wiederum darf den jeweils aktuell geprüften Block als letztes Glied an die bereits bestehende Kette von Blöcken anfügen. Darum der Name „Blockchain“. Dafür erhält er den „Blockreward“ sowie die Transaktionsgebühren.

Handelbarkeit der Kryptowährungen

Die selektierten Teilnehmer des Netzwerkes können sich für ihre Krypto-Entlohnungen, solange diese lediglich in der digitalen Sphäre verbleiben, im buchstäblichen Sinne „nichts kaufen“, von wenigen Ausnahmen abgesehen. Daher gab es schon sehr schnell die Möglichkeit, Kryptowährungen in „echte“ Währungen wie den US-Dollar oder den Euro zu tauschen. Kryptowährungen werden somit frei gehandelt. So hat jedermann und jedefrau die Möglichkeit, Kryptowährungen zu erwerben, selbst wenn keinerlei sonstiges Interesse an der dahinterstehenden Blockchain-Technologie besteht. Dies wird aktuell von Anlegern sehr rege genutzt, im Vertrauen darauf, dass die gekauften Währungen weiter steigen. Entsprechende Handelsplattformen sprießen derzeit wie Unkraut aus dem Boden. Alles, was man hierfür benötigt, ist eine sogenannte „Wallet“, die man sich als eine Art elektronische Brieftasche vorstellen kann.

Die Möglichkeit, eine Kryptowährung frei zu handeln, bedeutet aber auch, dass sich ihre Wertentwicklung vom sonstigen Transaktionsvolumen in der entsprechenden Blockchain abkoppeln kann. Im Extremfall kann dies bedeuten, dass sich ein Kurs vervielfacht, ohne dass dies irgendeine Nützlichkeit der zugrundliegenden Blockchain reflektiert. Die atemberaubende Wertentwicklung des Bitcoins ist nach meiner Überzeugung jedenfalls in die Kategorie einer von jeder Nützlichkeit losgelösten Wertentwicklung einzuordnen.

Das „Proof of Work“-Protokoll

Wie bereits erwähnt, ist das wesentliche Merkmal einer Blockchain die dezentrale Beglaubigung aller Transaktionen, Identitäten und Vereinbarungen. Statt einer zentralen Einheit wird die Beglaubigungsarbeit durch das gesamte Netzwerk geleistet. Die wichtigsten dieser Methoden werden „Proof of Work“ und „Proof of Stake“ genannt. Bitcoin verwendet „Proof of Work“ und ist damit bisher absolut dominierend, während Ethereum mit Ethereum 2.0 schon länger daran arbeitet, auf „Proof of Stake“ umzusteigen.

Beim „Proof of Work“ spielt eine „Hashfunktion“ eine zentrale Rolle. Die „Hashfunktion“ hat die ganz besondere Eigenschaft, dass eine bestimmte Eingabe, die beliebig umfangreich sein kann, immer zu einer 64 Stellen umfassenden hexadezimalen Ausgabe führt. Hexadezimal bedeutet, dass sie aus den Zahlen 0 bis 9 sowie den Buchstaben a bis f besteht. Dieser Ausgabewert wird als „Hashwert“ oder einfach als „Hash“ bezeichnet.

Hier ein Beispiel zum „Hashwert“ meines Vornamens „Stefan“ und dem der Zahl 1:

Eingabe: Stefan

Ausgabe: 80d80da802094e4abd5ed8612c725faf64f70f471c2e26778ff91a6a3e4c88597

Eingabe: 1

Ausgabe: 6b86b273ff34fce19d6b804eff5a3f5747ada4eaa22f1d49c01e52ddb7875b4b

Wichtig: Gäbe man als Input den kompletten Text der Bibel ein, dann wäre der entsprechende „Hash“ ebenfalls eine 64-stellige hexadezimale Ausgabe. Ebenfalls wichtig: Selbst kleinste Veränderungen am Input bewirken gravierende Veränderungen des Hashwertes, wie folgendes Beispiel zeigt.

Eingabe: Sabine versprach, ihrer Mutter einen Brief zu schreiben.

Ausgabe: 3054fae43dc9f4090443d6b051ebdd0106e6c395feeedb0d17c9d50b27735487

Eingabe: Sabine versprach ihrer Mutter, einen Brief zu schreiben.

Ausgabe: 85fca4cb54d855cb837b0c3762388062a7951b16aeaab96b60c31a45d26a0266

Die Verschiebung des Kommas in einem ansonsten identischen Text ergibt nicht nur einen völlig anderen Sinn, sondern bewirkt auch einen völlig unterschiedlichen Hashwert.
Die beiden skizzierten Eigenschaften stellen sicher, dass eine Hashfunktion nicht rückverfolgt werden kann. Es ist praktisch unmöglich, ausgehend von einem bestimmten Hashwert auf den entsprechenden Input zu schließen. Dies wiederum ist eine zwingende Voraussetzung dafür, dass das gesamte Netzwerk fälschungssicher bleibt und nicht manipuliert werden kann.

Um die „Proof of Work“-Methode deutlich zu machen, stelle man sich zunächst einen bestimmten Block an Transaktionen vor, der sozusagen darauf wartet, an die bestehende Blockhistorie angehängt zu werden. Dieser Block besteht aus einer komplizierten Zeichenfolge, welche alle relevanten Inhalte des Blocks repräsentiert. Aus Vereinfachungsgründen nehmen wir die simple Zeichenfolge QXYZ als Beispiel. Da sich in einem dezentralen Netzwerk die gesamte Kette an Blöcken auf jedem einzelnen Rechner der prüfenden Netzwerkteilnehmer befindet, müssen grundsätzlich alle Beteiligten den in der Warteschleife befindlichen Block überprüfen. Hierzu geben sie die relevante Zeichenfolge QXYZ in die Hashfunktion ein, die ja für alle dieselbe ist. Gibt es dabei auch nur an einer einzigen Stelle eine Änderung dieser Zeichenfolgen, zum Beispiel durch einen Fälschungsversuch, dann gibt es keine übereinstimmenden Hashwerte und damit auch keinen Konsens.

Die Sache mit den Null-Stellen

Da aber nicht alle Prüfer entlohnt werden können, sieht das „Proof of Work“-Protokoll eine zusätzliche Komplikation vor: Damit ein Hashwert vom Konsensprotokoll akzeptiert wird, muss er mit einer bestimmten Anzahl an Nullen beginnen. Die Anzahl der Stellen, für die eine Null gefordert wird (nennen wir sie x), ist dabei aber nicht fest. Sie hängt davon ab, wie groß die Anzahl derjenigen ist, die ihr Glück versuchen, also den Block anhängen wollen: Ist diese Anzahl gering, dann wird auch x herabgesetzt, nimmt sie zu, steigt auch x. Dabei wird x immer so festgesetzt, dass etwa alle zehn Minuten ein neuer Block generiert wird.

Um der Anforderung einer bestimmten Anzahl an Nullen am Anfang des Hashwertes gerecht zu werden, wird der bereits vorhandene und feststehende Input der Hashfunktion, der ja dem Inhalt des anzuhängenden Blocks entspricht, um eine Zufallszahl erweitert, die im Fachjargon „Nonce“ genannt wird (nonce = number used only once).

Dadurch lässt sich trotz der feststehenden Blockinhalte für jede neue Zufallszahl ein anderer Hashwert erzeugen. Probiert man nun lange genug herum, oder probieren nur hinreichend viele, ergibt sich irgendwann auch ein Hashwert, der mit der geforderten Anzahl an Nullen startet. Lassen Sie mich das Ganze anhand unseres extrem vereinfachten Beispiels veranschaulichen: Alle relevanten Infos des Blocks sind in der Zeichenfolge QXYZ komprimiert und nehmen wir an, das Konsensprotokoll fordere, dass die erste Stelle des Hashwertes eine Null sein soll. Der Hashwert von QXYZ erfüllt diese Forderung offensichtlich nicht:

Eingabe: QXYZ

Ausgabe: b6e366de510f409f78c014f092e1fdb79c59cc0b9a7e9f1e800bcc1f76393b38co

Wir können versuchen, der Forderung gerecht zu werden, wenn wir an die Sequenz QXYZ eine zufällig gewählte Zahl anhängen, zum Beispiel die 3.

Eingabe: QXYZ3

Ausgabe: c22d42b14fcba74716a2f712d8bcd28bbdf49925beb0e50308cf331d62b64e71  

Der Forderung ist damit offenkundig noch nicht entsprochen, denn der entsprechende Hashwert hat leider ebenfalls keine Null zu Beginn. Probiert man aber ausreichend viele Zahlen aus, stößt man irgendwann auf eine Zahl, welche die gewünschte Anzahl an Nullen erzeugt. In unserem Beispiel ist dies die 23.

Eingabe: QXYZ23

Ausgabe: 0a6513cc1e0e2a79d2b8fc873b4e8f7d9e2f00912b0153fba61dcc985ec67756

Der Erste, der die passende Zufallszahl gefunden hat, hängt den Block zunächst vorläufig an und veröffentlicht die um diesen Block erweiterte Blockchain. Das Protokoll sorgt nun dafür, dass alle Netzwerkteilnehmer sowohl seinen Hashwert als auch die gefundene Zufallszahl erhalten. Wird nun von allen Netzwerkteilnehmern die Zeichenfolge QXYZ23 in die Hashfunktion eingegeben, dann müssen alle denselben Hashwert erhalten. Trifft das zu, dann wird Konsens hergestellt. Alle Netzwerkteilnehmer einigen sich auf die gesamte Blockchain einschließlich des nur vorläufig angefügten Blocks. Trifft es nicht zu, dann ist an irgendeiner Stelle etwas nicht in Ordnung und es gibt womöglich einen Manipulationsversuch. Der neue Block wird abgelehnt und nicht an die bestehende Kette angefügt.

Unmenge von Versuchen erforderlich

Nun ist das gewählte Beispiel zwar hoffentlich illustrativ, aber von der Größenordnung her ist es geradezu lächerlich. Denn eine Null nur an der ersten Stelle zu erzeugen, bedarf nur weniger Versuche. Daher wird in realen Blockchains eine hohe Anzahl an Anfangsnullen gefordert. So entspricht beispielsweise der Hashwert des schon etwas älteren Bitcoin-Blocks Nr. 254.291 der folgenden Sequenz: 000000000000003cf55c8d254fc97d2850547e5b787a936bc729497d76443a89. Er hat also insgesamt 14 Nullen am Anfang. Da die Wahrscheinlichkeit, eine Zahl zu finden, die einen solchen Hashwert erzeugt, extrem gering ist, kann man sich vorstellen, wie viele Versuche hierzu nötig waren.

Und damit sind wir an einem entscheidenden Punkt angelangt. Mittlerweile ist die Validierung und Prüfung von Blöcken „big business“. Jede Sekunde werden Unmengen an „Nonces“ ausprobiert, und jeder der Beteiligten hofft derjenige zu sein, der die gewünschte Anzahl an Nullen zuerst erreicht und damit den nächsten Block anfügen darf. Ein Maß hierfür ist die sogenannte Hashrate. Sie gibt an, wie viele Zufallszahlen weltweit jede Sekunde in die Hashfunktion eingefüttert werden.

Wir haben es dabei mit Größenordnungen zu tun, die jedes Vorstellungsvermögen sprengen. Aktuell wird vom Bitcoin-Protokoll gefordert, dass die ersten 19 Stellen eines akzeptierten Hashwertes mit einer Null belegt werden müssen. Um die entsprechende Zufallszahl zu finden, werden derzeit rund 100 sogenannte Exahashes pro Sekunde ausprobiert. Ein Exahash entspricht 10 ¹ ⁸ (eine „Quintillion“) ausprobierten Zufallszahlen. Die folgende Abbildung zeigt die zeitliche Entwicklung der Hashrate, also die Anzahl an probierten Hashwerten pro Sekunde.

Halten wir fest: Um nur einen einzigen Block an die bestehende Kette anhängen zu dürfen, laufen weltweit die Computer heiß und produzieren Billionen über Billionen an Zufallszahlen. Dabei kommt eine hoch spezialisierte Hardware zum Einsatz, die für sonst nichts anderes zu gebrauchen ist. Führt man sich dies vor Augen, wird klar, warum das Ganze von vielen Kritikern als die pure Energieverschwendung gebrandmarkt wird.

„Proof of Stake“ geht einen anderen Weg

Die „Proof of Stake”-Methode wird am besten in Abgrenzung zu „Proof of Work“ verständlich. Netzwerkteilnehmer, welche sich darum bewerben, den jeweils nächsten Block anhängen zu dürfen, werden hier nicht „Miner“, sondern „Validatoren“ genannt, was ja ihre eigentliche Aufgabe im Netzwerk ganz gut beschreibt. Die Validatoren, die letztlich zum Zuge kommen, werden aber nun nicht durch ihre Rechnerleistung bestimmt, sondern zufällig ausgewählt.

Um dabei überhaupt berücksichtigt zu werden, muss allerdings ein Minimumbetrag der entsprechenden Kryptowährung eingesetzt werden, der aktuell 32 Ether beträgt. Ether ist die Kryptowährung der Ethereum-Blockchain. Zudem besteht die Möglichkeit, dem Zufall gewissermaßen unter die Arme zu greifen, in dem man seinen finanziellen Einsatz (sprich „stake“) erhöht. Die eingesetzten Beträge sind dabei allerdings auch Risiken ausgesetzt: Sie werden eingezogen, wenn der Validator seinen Aufgaben nicht in korrekter Weise nachkommt. Das ist der Fall, wenn er fehlerhafte oder gar in betrügerischer Absicht erstellte Transaktionen beglaubigt. Auch eine zeitweise Abwesenheit des entsprechenden Computers vom Netzwerk, zum Beispiel aufgrund eines Stromausfalles, wird als Fehlverhalten gewertet.

Bereits diese nur kurzen Erläuterungen der Funktionsweise des „Proof of Stake“ sollten den wesentlichen Unterschied zum „Proof of Work“ verdeutlichen: In einer „Proof of Work“-Blockchain kann jeder Netzwerkteilnehmer seine Chance, den „Blockreward“ zu erhalten, dadurch erhöhen, dass er immer mehr Zufallszahlen und Hashwerte pro Sekunde generiert. Dies bewirkt, dass sich die Netzwerkteilnehmer in diesen Bemühungen gewissermaßen hochschaukeln und es entsteht der beschriebene extreme Rechenaufwand und vor allem ein entsprechend hoher Energieverbrauch je bestätigter Transaktion. Zudem zwingt die scharfe Konkurrenz alle Netzwerkteilnehmer dazu, permanent in die jeweils neueste Hardware zu investieren, die ansonsten für keinen anderen Zweck verwendet werden kann. Viele Hoffnungen ruhen deshalb auf dem „Proof of Stake“-Protokoll. Ob es sich allerdings als Alternative tatsächlich durchsetzt, ist noch offen.

Die Einsichten in die Kryptowelt in der Zusammenfassung:

  • Die Blockchain-Technologie bietet die Möglichkeit, Transaktionen zwischen sich völlig unbekannten Akteuren dezentral und trotzdem fälschungssicher durchzuführen. Die erforderliche Validierung erfolgt durch das Netzwerk selbst, statt – wie nach wie vor üblich – durch eine zwischengeschaltete zentrale Einheit.
  • Jede Kryptowährung ist eine Art „Abfallprodukt“ einer zugehörigen Blockchain, von denen es mittlerweile Tausende gibt. Bestimmte dezentrale „Prüfer“ werden für ihre Validierungs- und Beglaubigungsarbeit in Einheiten der entsprechenden Kryptowährung entlohnt („Blockreward“).
  • Kryptowährungen können weitgehend unabhängig vom Transaktionsvolumen oder „Nützlichkeitslevel“ der zugrundeliegenden Blockchain frei gehandelt und gegen „echte“ Währungen umgetauscht werden. Hierfür gibt es immer mehr Börsen, die sich genau darauf spezialisiert haben.
  • Für die Auswahl der „Prüfer“, die für Ihre Validierungs- und Beglaubigungsarbeit mit dem „Blockreward“ entlohnt werden, gibt es im Wesentlichen zwei Verfahren. Eines („Proof of Work“) hat sich sehr bewährt, weist aber konstruktionsbedingt einen extremen Energieverbrauch auf. Das andere dagegen („Proof of Stake“) ist relativ neu und noch nicht ausreichend getestet. Wenn es sich bewährt, ist es aber extrem zukunftsträchtig. Denn der Energieaufwand ist wesentlich geringer.

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