Wie werden Blockchains gesichert?

Blockchains werden durch eine Vielzahl von Mechanismen gesichert, darunter fortschrittliche kryptografische Techniken und mathematische Modelle für Verhalten und Entscheidungsfindung. Blockchain ist die zugrunde liegende Technologie der meisten Kryptowährungssysteme. Sie ist es, die verhindert, dass diese Art von digitalem Geld dupliziert oder zerstört wird. Die Verwendung der ","blockchain ","-Technologie wird auch in anderen Kontexten untersucht, in denen Datenunveränderlichkeit und Sicherheit sehr wertvoll sind. Einige Beispiele sind die Erfassung und Nachverfolgung von Spenden für wohltätige Zwecke, medizinische Datenbanken und das Management von Lieferketten.

Leider ist Blockchain-Sicherheit alles andere als ein einfaches Thema. Daher ist es unerlässlich, die grundlegenden Konzepte und Mechanismen zu verstehen, die einen robusten Schutz für diese innovativen Systeme bieten.
Unveränderlichkeit und Konsens Obwohl viele Merkmale zur Sicherheit im Zusammenhang mit der Blockchain beitragen, gehören zwei der wichtigsten zu den Konzepten Konsens und Unveränderlichkeit. Konsens bezieht sich auf die Fähigkeit von Knoten innerhalb eines verteilten Blockchain-Netzwerks, sich auf den aktuellen Zustand des Netzwerks zu einigen. Typischerweise hängt der Prozess, einen Konsens zu erreichen, von sogenannten Konsensalgorithmen ab.

Unveränderlichkeit hingegen bezieht sich auf die Fähigkeit von Blockchains, die Änderung bereits bestätigter Transaktionen zu verhindern. Obwohl diese Transaktionen häufig die Übertragung von Kryptowährungen beinhalten, kann sich dies auch auf die Aufzeichnung anderer nicht-monetärer Formen digitaler Daten beziehen.

Zusammen bilden Konsens und Unveränderlichkeit den Rahmen für die Datensicherheit in Blockchain-Netzwerken. Die Konsensalgorithmen stellen sicher, dass die Regeln des Systems befolgt werden und dass die Teilnehmer dem aktuellen Zustand des Netzwerks zustimmen. Gleichzeitig garantiert die Unveränderlichkeit die Integrität der Daten und der Transaktionsregister. Jeder neue Datenblock wird als gültig bestätigt.

Kryptografie

Blockchains stützen sich stark auf Kryptografie, um Daten zu sichern. In dieser Situation sind die sogenannten kryptografischen Hashfunktionen von entscheidender Bedeutung. Hashing ist ein Prozess, bei dem ein Algorithmus (Hashfunktion) eine Dateneingabe beliebiger Größe erhält und eine Ausgabe (Hash) mit vorhersehbarer und fester Größe erzeugt. Der Hash ist eine Folge von Zahlen und Buchstaben.

Unabhängig von der Größe der Eingabe wird die Ausgabe immer die gleiche Länge haben. Wenn sich jedoch die Eingabe ändert, wird die Ausgabe völlig anders sein. Wenn sich die Daten nicht ändern, ist der resultierende Hash immer derselbe – egal, wie oft Sie die Hashfunktion ausführen.

Innerhalb von Blockchains werden diese Ausgabewerte oder Hashes als eindeutige Identifikatoren für Blöcke verwendet. Der Hash jedes Blocks wird in Kombination mit dem Hash des vorherigen Blocks erzeugt, wodurch eine Kette verknüpfter Blöcke entsteht. Der Hash eines Blocks hängt von den Daten in diesem Block ab, was bedeutet, dass jede Änderung der Daten zu einer Änderung des Block-Hashes führt. Somit wird der Hash jedes Blocks sowohl auf Grundlage der Daten in diesem Block als auch des Hashes des vorherigen Blocks erzeugt. Diese Hash-Identifikatoren spielen eine wichtige Rolle, um die Sicherheit und Unveränderlichkeit der Blockchain zu gewährleisten.

Hashing wird auch in den Konsensalgorithmen verwendet, die zur Validierung von Transaktionen eingesetzt werden. Zum Beispiel verwendet auf der ","Bitcoin ","-Blockchain der ","Proof of Work"," (PoW)-Algorithmus eine Hashfunktion namens SHA-256. Wie der Name andeutet, übernimmt SHA-256 die Dateneingabe und liefert einen Hash von 256 Bit oder 64 Zeichen zurück.

Neben dem Schutz von Transaktionsspeichern in allgemeinen Ledgern trägt Kryptografie auch dazu bei, die Sicherheit der Wallets zu gewährleisten, die zum Speichern von Kryptowährungen verwendet werden. Die miteinander verknüpften öffentlichen und privaten Schlüssel, die es Nutzern ermöglichen, Zahlungen zu empfangen bzw. zu senden, werden durch die Verwendung asymmetrischer Kryptografie erzeugt.
Private Schlüssel werden genutzt, um digitale Signaturen für Transaktionen zu erzeugen, wodurch es möglich ist, die Eigentümerschaft der gesendeten Krypto zur Authentizität zu überprüfen.

Obwohl die Details den Rahmen dieses Artikels sprengen, verhindert die Natur der asymmetrischen Kryptografie, dass andere als der Inhaber des privaten Schlüssels auf in einem ","wallet"," gespeicherte Mittel zugreifen können. Dadurch bleiben diese Mittel sicher, bis der Eigentümer beschließt, sie auszugeben, solange der private Schlüssel nicht geteilt wird.

Kryptoökonomie

Darüber hinaus spielt ein relativ neues Konzept, bekannt als Kryptoökonomie, ebenfalls eine Rolle bei der Aufrechterhaltung der Sicherheit von Blockchains. Es hängt mit einem Forschungsgebiet zusammen, das als Spieltheorie bekannt ist, in dem die Entscheidungsfindung logischer Akteure in Situationen mit vordefinierten Regeln und Belohnungen mathematisch modelliert wird. Während traditionelle Spieltheorie für mehrere Szenarien verwendet werden kann, modelliert und beschreibt die Kryptoökonomie speziell das Verhalten von Knoten in Blockchain-Systemen.

Kurz gesagt ist Kryptoökonomie die Untersuchung der Ökonomie innerhalb von Blockchain-Protokollen und der möglichen Ergebnisse, die deren Design auf Grundlage des Verhaltens der Teilnehmer hervorbringen kann. Sicherheit durch Kryptoökonomie basiert auf der Idee, dass Blockchain-Netzwerke für Knoten stärkere Anreize bieten, fair zu handeln, als sich an böswilligen oder fehlerhaften Praktiken zu beteiligen. Der beim Bitcoin-Mining verwendete PoW-Konsensalgorithmus bietet ein hervorragendes Beispiel für diesen Anreizmechanismus.

Der Bitcoin-Erfinder Satoshi Nakamoto hat den Mining-Prozess bewusst so gestaltet, dass er kostspielig und aufwendig ist. Aufgrund seiner Komplexität und der Rechenanforderungen erfordert PoW-Mining eine erhebliche Investition an Geld und Zeit – unabhängig davon, wo und wer der Miner ist. Daher schreckt eine solche Struktur böswillige Aktivitäten stark ab und bietet erhebliche Anreize für ehrliche Mining-Aktivitäten. Unfaire oder ineffiziente Knoten werden schnell aus dem Blockchain-Netzwerk entfernt. Gleichzeitig haben zuverlässige und effiziente Miner das Potenzial, erhebliche Belohnungen zu erhalten.

Entsprechend schützt dieses Gleichgewicht aus Risiken und Belohnungen auch vor potenziellen Angriffen, die den Konsens untergraben könnten, indem die Mehrheit eines Blockchain-Netzwerks in die Hände einer einzelnen Gruppe oder Entität gelegt wird. Solche Angriffe, bekannt als 51%-Angriffe, können bei erfolgreicher Durchführung äußerst schädlich sein. Aufgrund der Wettbewerbsintensität des Proof-of-Work-Minings und der Größe des Bitcoin-Netzwerks ist die Wahrscheinlichkeit, dass eine böswillige Partei die Kontrolle über eine Mehrheit der Knoten erlangt, außergewöhnlich gering.

Außerdem wären die Kosten an Rechenleistung, die erforderlich wären, um in einem riesigen Blockchain-Netzwerk 51% Kontrolle zu erlangen, astronomisch, was ein unmittelbarer Abschreckungsfaktor wäre, eine derart große Investition für eine relativ geringe potenzielle Belohnung zu tätigen. Diese Tatsache trägt zu einer Eigenschaft von Blockchains bei, die als Byzantinische Fehlertoleranz (BFT) bekannt ist. BFT ist im Grunde die Fähigkeit eines verteilten Netzwerks, wie gewohnt weiterzuarbeiten, selbst wenn einige Knoten böswillig handeln. Solange die Kosten für den Aufbau einer Mehrheit böswilliger Knoten prohibitiv bleiben und es bessere Anreize für faires Verhalten gibt, wird das System ohne erhebliche Störungen gedeihen können. Es ist jedoch erwähnenswert, dass kleine Blockchain-Netzwerke zweifellos anfällig für einen Mehrheitsangriff sind. Diese Verwundbarkeit besteht, weil die gesamte Hashrate deutlich niedriger ist als die von Bitcoin, und es daher günstiger ist, einen 51%-Angriff zu starten.
Fazit Durch die kombinierte Nutzung von Spieltheorie und Kryptografie können Blockchains als verteilte Systeme ein hohes Maß an Sicherheit erreichen. Wie bei fast allen Systemen müssen diese beiden Bereiche jedoch angemessen umgesetzt werden. Ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Dezentralisierung und Sicherheit ist entscheidend, um ein zuverlässiges und effektives Blockchain-Netzwerk aufzubauen.
Mit der Weiterentwicklung der Nutzung der Blockchain werden sich auch ihre Sicherheitssysteme verändern, um den Anforderungen unterschiedlicher Anwendungen gerecht zu werden. Die privaten Blockchains, die für Unternehmen entwickelt werden, sind weit stärker auf Sicherheit durch Zugriffskontrolle angewiesen als auf die spieltheoretischen Mechanismen (oder Kryptoökonomie), die für die Sicherheit der meisten öffentlichen Blockchains entscheidend sind. Proof of Work (PoW) algorithm uses a hash function called SHA-256. As its name indicates, SHA-256 takes over data entry and returns a hash of 256 bits or 64 characters.

In addition to providing protection for transactional repositories on general ledgers, cryptography also helps to ensure the security of the wallets used to store cryptocurrency. The linked public and private keys that allow users to receive and send payments, respectively, are generated by the use of asymmetric cryptography.
Private keys are utilized to generate digital signatures for transactions, making it possible to check the ownership of the crypto sent for authenticity.

Although the details are beyond this article, the nature of asymmetric cryptography prevents others than the private key holder from accessing funds stored in a wallet. Making these funds secure until the owner decides to spend it, as long as the private key is not shared.

Crypto economics

Moreover, a relatively new concept known as crypto economics, also plays a role in maintaining the security of blockchain. It is related to an area of research known as game theory, in which decision-making by logical actors in situations with predefined rules and rewards is mathematically modelled. While traditional game theory can be used for multiple scenarios, crypto economics specifically models and describes the behaviour of nodes on blockchain systems.

In short, crypto economics is the study of economics within blockchain protocols and the possible outcomes that their design can provide based on the behaviour of the participants. Security through crypto economy is based on the idea that blockchain networks provide more significant incentives for nodes to act fairly than to engage in malicious or erroneous practices. The PoW consensus algorithm used in Bitcoin mining offers an excellent example of this incentive mechanism.

Bitcoin creator Satoshi Nakamoto deliberately designed the mining process to be costly and intensive. Because of its complexity and computational requirements, PoW mining involves a significant investment in money and time - no matter where and who the miner is. Therefore, such a structure strongly discourages malicious activities and provides substantial incentives for honest mining activities. Unfair or inefficient nodes will quickly be removed from the blockchain network. At the same time, reliable and efficient miners have the potential to receive significant rewards.

Correspondingly, this balance of risks and rewards also protects against potential attacks that could undermine consensus by putting the majority of a blockchain network in the hands of a single group or entity. Such attacks, known as 51% attacks, can be highly damaging if carried out successfully. As a result of the competitiveness of Proof of Work mining and the size of the Bitcoin network, the chance of a malicious party gaining control of a majority of nodes is exceptionally minimal.

Also, the cost in computing power required to gain 51% control over a vast blockchain network would be astronomical, which would be an immediate disincentive to make such a significant investment for a relatively small potential reward. This fact contributes to a feature of blockchains known as Byzantium Fault Tolerance (BFT). BFT is basically the ability of a distributed network to continue working as usual even if some nodes act maliciously. As long as the cost of setting up a majority of malicious nodes remains prohibitive, and there are better incentives for fair activity, the system will be able to thrive without significant disruption. However, it is worth noting that small blockchain networks are undoubtedly susceptible to a majority attack. This vulnerability is thanks to the total hash rate is significantly lower than that of Bitcoin, and it is, therefore, cheaper to launch a 51% attack.

Conclusion

Via the combined use of game theory and cryptography, blockchains can achieve a high level of security as distributed systems. However, as with almost all systems, these two areas must be appropriately activated. An accurate balance between decentralization and security is key to build a reliable and effective blockchain network.
As the use of the blockchain evolves, their security systems will also change to meet the needs of different applications. The private blockchains that are being developed for businesses, depend much more on security through access control than on the game theoretical mechanisms (or crypto economics) that are crucial for the security of most public blockchains.