Das Bitcoin Whitepaper einfach erklärt

Was ist das Bitcoin Whitepaper?

Das Bitcoin Whitepaper ist ein Dokument, das die Konzeption einer dezentralen Währung erläutert, welche durch ein Peer-to-Peer-Netzwerk unterstützt wird. Es erklärt zudem detailliert die Funktionsweise der Blockchain-Technologie und den Prozess der Verifikation von Transaktionen innerhalb dieses Netzwerks.

Das Bitcoin Whitepaper wurde mit dem Titel „Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System“ von Satoshi Nakamoto veröffentlicht. Das Krypto-Whitepaper erklärt die technischen Mechanismen, die es ermöglichen, Transaktionen sicher und direkt zwischen den Parteien durchzuführen. Darüber hinaus stellt es die Blockchain als eine öffentliche Buchführung vor, in der alle Zahlungen chronologisch und unveränderlich aufgezeichnet werden. Dadurch werden Sicherheit und Transparenz im Netzwerk gewährleistet.

Über den Entwickler des Bitcoin ist nichts bekannt. Bei dem Namen Satoshi Nakamoto handelt es sich um ein Pseudonym, hinter dem eine Einzelperson oder eine Gruppe stecken kann. Verrückte Theorien und Mythen ranken sich um die Identität des oder der Entwickler – viele bekannte Persönlichkeiten der Kryptoszene gaben an, Satoshi Nakamoto zu sein oder ihn/sie zumindest zu kennen. Bestätigte Informationen gibt es jedoch keine.

Was ist der Inhalt des Krypto-Whitepapers?

Das Bitcoin Whitepaper stellt die technische Blaupause für Bitcoin und die Blockchain-Technologie dar. Es beginnt mit einem Abstract, gefolgt von einer tiefergehenden Erklärung verschiedener technischer Komponenten wie dem Transaktionsprozess, dem Einsatz von Zeitstempeln und dem Proof-of-Work-System. In den folgenden Abschnitten wird der Inhalt des Dokuments detailliert beschrieben, um ein umfangreiches Verständnis der innovativen Mechanismen zu ermöglichen, die Bitcoin zugrunde liegen.

Das Abstract

Das Bitcoin Whitepaper wird mit dem Abstract auf der ersten Seite eingeleitet. Dieses beschreibt kurz die Inhalte und Ziele des Whitepapers: Die Entwicklung einer reinen Peer-to-Peer-Version eines elektronischen Zahlungssystems. Dieses System ermöglicht es, Online-Zahlungen direkt von einer Partei zur anderen zu senden, ohne den Zwischenschritt über eine Finanzinstitution zu gehen. Satoshi Nakamoto stellt hier die grundlegende Problemstellung dar, die mit traditionellen Online-Zahlungsmethoden verbunden ist, nämlich die Notwendigkeit einer vertrauenswürdigen dritten Partei. Dafür bietet Nakamoto mit Bitcoin eine Lösung durch ein dezentralisiertes Netzwerk, das auf kryptographischen Prinzipien basiert. Dieses Netzwerk verwendet digitale Signaturen und einen Proof-of-Work-Mechanismus, um die Integrität und Sicherheit der Transaktionen zu gewährleisten.

Damit die Sicherheit des dezentralen Geldsystems stets gegeben ist, muss es drei Grundvoraussetzungen erfüllen:

• Netzwerkstruktur: Zusammenarbeit der Parteien, die das System betreiben

• Unveränderlichkeit: Sicherstellung, dass bestehende Datensätze niemals geändert werden können

• Konses: Einverständnis bezüglich der Gültigkeit von Transaktionen, festgelegt durch einen bestimmten Regelsatz

Einleitung: Woher kommt Bitcoin?

In der Einleitung des Bitcoin Whitepapers erklärt Satoshi Nakamoto, wieso ein dezentrales Geldsystem überhaupt notwendig ist. Der unter einem Pseudonym bekannte Entwickler Satoshi Nakamoto erörtert die Unzulänglichkeiten des traditionellen elektronischen Geldsystems, insbesondere die Abhängigkeit von Finanzinstitutionen als vertrauenswürdige Dritte, um Zahlungen zu verarbeiten. Dabei argumentiert Nakamoto, dass dieses Vertrauensmodell nicht nur die Kosten erhöht, sondern auch einen zentralen Angriffspunkt bietet, der das gesamte System anfällig für Betrug macht. Dies führt zur Vorstellung von Bitcoin als eine Lösung, die Transaktionen mit Zeitstempel über ein Peer-to-Peer-Netzwerk ermöglicht, wobei jede Transaktion öffentlich verifiziert und in einer dezentralen öffentlichen Buchführung, der Blockchain, aufgezeichnet wird. Doch wie genau funktioniert das?

Das Bitcoin-Netzwerk läuft nicht auf einem zentralen Server. Alle rechnerischen Prozesse des Netzwerks laufen gleichzeitig auf hunderten oder sogar tausenden Computern in verschiedensten Ländern auf der ganzen Welt. Jeder einzelne dieser Computer (Bitcoin-Nodes) ist mit den anderen verbunden, wodurch eine Dezentralisierung entsteht. Um Teil dieses Netzwerks zu werden, brauchst du nur ein geeignetes Computer-Set-Up. Je mehr Computer im Mining-Pool sind, desto mehr Kopien der Datenaufzeichnungen bzw. öffentlichen Buchführung gibt es und desto sicherer ist das System.

Krypto-Transaktionen

Krypto-Transaktionen, insbesondere im Bitcoin-Netzwerk, basieren auf einer innovativen Nutzung von digitalen Signaturen und einem Netzwerk-Konsenssystem. Wie solch eine Transaktion mit Bitcoin abläuft, erklärt das Krypto-Whitepaper genauer.

1. Digitale Signaturen

Ein Bitcoin wird als eine Kette von Besitznachweisen verstanden. Dabei handelt es sich einfach gesagt um Zeilen geschützter Computercodes, die an die vorangehende Zeile angehängt werden. Jede Transaktion bildet ein Glied in dieser Kette, das durch eine digitale Signatur gesichert wird. Wenn ein Bitcoin-Besitzer seine Coins transferieren möchte, erstellt er eine Transaktion, die den Hash (einen einzigartigen digitalen Fingerabdruck) der vorangegangenen Transaktion und den öffentlichen Schlüssel (Public Key) des nächsten Besitzers enthält. Dies wird durch den privaten Schlüssel (Private Key) des aktuellen Besitzers signiert, wodurch eine digitale Signatur entsteht, die die Transaktion authentifiziert.

2. Verwendung von Public und Private Keys

Der Private Key funktioniert ähnlich wie ein sehr sicheres Passwort, das nur dem Besitzer bekannt ist und niemals öffentlich geteilt wird – vergleichbar mit den Zugangsdaten zu einem Bankkonto. Der Public Key hingegen kann als eine Art Adresse betrachtet werden, an die andere Nutzer Bitcoins senden können – quasi als Pendant zur IBAN. Er ist öffentlich zugänglich und wird zusammen mit dem Private Key genutzt, um die Transaktion zu signieren und zu verschlüsseln. Die Signatur zeigt, dass beide Parteien der Transaktion zugestimmt haben.

3. Netzwerk-Konsens und Transaktionsvalidierung

Nachdem eine Transaktion signiert wurde, wird sie an das Bitcoin-Netzwerk gesendet. Hier kommt das Netzwerk ins Spiel, um die Transaktion zu verifizieren. Das Netzwerk prüft, ob die Coins nicht bereits ausgegeben wurden, was als Double Spending bekannt ist. Dies geschieht durch einen Konsensmechanismus, der sicherstellt, dass die Mehrheit des Netzwerks die Transaktionshistorie bestätigt, bevor die Transaktion als gültig betrachtet wird. Das bedeutet, das Netzwerk muss allen Transaktionen in der richtigen Reihenfolge zustimmen. Erst dann wird die Transaktion ausgeführt.

4. Veröffentlichung der Transaktionsreihenfolge

Um sicherzustellen, dass alle Netzwerkteilnehmer den Status der Transaktionen kennen, wird die Reihenfolge dieser öffentlich im Netzwerk aufgezeichnet. Jeder Block im Blockchain-Netzwerk enthält eine Liste von Transaktionen. Sobald ein Block der Blockchain hinzugefügt wird, wird er von allen Netzwerkteilnehmern anerkannt. Dies stellt sicher, dass jeder Empfänger einer Zahlung den Nachweis erhält, dass er sie als erstes erhalten hat. So werden Transaktionen mit gefälschten Coins und Token verhindert.

Timestamp Server (Zeitstempelserver)

Dieser Abschnitt des Bitcoin Whitepapers beschreibt Satoshi Nakamotos Vorschlag, dass ein “distributed Timestamp Server” – ein dezentraler Zeitstempelserver – im Bitcoin-Netzwerk genutzt wird, um beweisen zu können, in welcher Reihenfolge Transaktionen erstellt wurden. Mit einem Zeitstempel wird die genaue Reihenfolge der Transaktionen aufgezeichnet, um sicherzustellen, dass einmal getätigte Transaktionen nicht rückgängig gemacht oder manipuliert werden können. Doch wie funktioniert das?

Der Zeitstempelserver fügt zum Hash eines Blocks gleichzeitig auf allen Computern im Netzwerk einen Zeitstempel hinzu. Der Zeitstempel beweist, dass die Daten zu diesem Zeitpunkt existiert haben. Neben dem aktuellen Zeitstempel enthält der Hash eines Blocks auch alle vorangegangenen Zeitstempel. Dadurch entsteht eine Kette, bei der mit jedem neuen Zeitstempel die vorangegangenen Zeitstempel wiederholt werden. Würde in der Kette ein Block fehlen oder eingeschoben werden, stimmt die Reihenfolgen der Hashs nicht mehr und die Manipulation der Transaktionskette würde direkt auffallen.

Proof of Work (Arbeitsnachweis)

Um einen neuen Block in die Blockchain einzugliedern, kommt der Proof-of-Work-Algorithmus zum Einsatz. Denn die Gültigkeit einer Transaktion muss erst durch das Netzwerk bestätigt werden. Um diese Bestätigung zu liefern, muss eine rechenintensive Aufgabe gelöst werden. Diese Aufgabe besteht darin, einen Wert zu finden, der beim Hinzufügen zu einer neuen Transaktion einen neuen Hash erzeugt, der wiederum bestimmte Bedingungen erfüllt.

Der neue Hash muss mit einer bestimmten Anzahl von Nullen beginnen. Je mehr Nullen verlangt werden, desto schwieriger ist es, einen passenden Hash zu finden. Dieser Wert, den der Bitcoin Miner findet, wird "Nonce" genannt, was für "number only used once" (Zahl, die nur einmal verwendet wird) steht. Miner probieren Millionen oder sogar Milliarden von Nonces aus, bis sie einen finden, der den gewünschten Hash erzeugt. Dies erfordert viel Rechenleistung und Energie, da jeder Versuch einen neuen Hash bedeutet, der berechnet werden muss. Wenn ein Miner schließlich die richtige Nonce findet, kann der Block an die Blockchain angehängt werden. So sieht bspw. ein gültiger Block aus:

Dabei passt sich die Schwierigkeit der kryptographischen Aufgabe an die Anzahl der Miner an. Versuchen viele Miner, die Aufgabe zu lösen, macht Bitcoin sie automatisch schwieriger, sodass es immer einer Herausforderung bleibt. Sind weniger Miner da, vereinfacht Bitcoin die Aufgabe, damit es nicht zu lange dauert, bis eine Transaktion validiert wird.

Dieser Proof-of-Work-Mechanismus macht es sehr teuer und rechenintensiv, Transaktionen oder Blöcke nachträglich zu verändern, da dies die Neuberechnung aller nachfolgenden Blöcke erfordern würde. Dieser hohe Aufwand dient als Abschreckung gegen Manipulationen und fördert die Vertrauenswürdigkeit und Sicherheit des gesamten Bitcoin-Systems.

Transaktionsprozess im Netzwerk

Das Whitepaper zur Kryptowährung Bitcoin fasst in diesem Abschnitt noch einmal zusammen, wie der Transaktionsprozess abläuft. Ein Sender gibt eine Bitcoin-Transaktion, die nach der digitalen Signatur ins Bitcoin-Netzwerk gesendet wird. Dort wird sie von Netzwerk-Computern empfangen, die sie validieren. Die Nodes überprüfen die digitale Signatur, um sicherzustellen, dass sie gültig ist, und stellen fest, ob die notwendigen Bitcoins verfügbar und nicht bereits ausgegeben wurden.

Sobald die Transaktion als gültig erachtet wird, wird sie in einem Transaktionspool, dem sogenannten Mempool, aufbewahrt, wo sie darauf wartet, in einen Block aufgenommen zu werden. Miner wählen Transaktionen aus diesem Pool aus, um sie in den nächsten Block der Blockchain einzufügen. Jeder Block enthält einen Verweis auf den vorherigen Block inklusive Zeitstempel, wodurch eine kontinuierliche Kette von Blöcken gebildet wird. Sobald ein Block durch das Lösen eines komplexen mathematischen Problems bestätigt und der Blockchain hinzugefügt wurde, gelten alle darin enthaltenen Transaktionen als bestätigt.

Es kann vorkommen, dass zwei Nodes zur gleichen Zeit verschiedene Versionen des nächsten Blocks an das Bitcoin-Netzwerk senden. In diesem Fall entsteht eine Gabelung (Fork) der Blockchain und es existieren zwei Versionen parallel. Die Kette, die schneller wächst, setzt sich durch und wird beibehalten. Die andere Blockchain wird verworfen. Transaktionen, die ausschließlich in der verworfenen Kette enthalten waren, wandern zurück in den Mempool und werden von dort in zukünftige Blöcke aufgenommen.

Anreiz: Block Rewards

Um einen Anreiz zur Teilnahme am Netzwerk zu schaffen, empfahl Satoshi Nakamoto in seinem Dokument, dass die erste Node, die einen Block erstellt, für die Bereitstellung ihrer Rechenleistung belohnt werden sollte – und zwar mit Bitcoins. Deswegen wird der Proof-of-Work-Prozess auch als “Bitcoin Mining” bezeichnet. Die Belohnung sorgt zusätzlich für mehr Sicherheit. Denn es ist profitabler, die Rechenleistung in das Minen und Generieren neuer Coins zu investieren, als zu versuchen, die Blockchain zu manipulieren und Coins zu fälschen.

Speicherplatz zurückfordern

In der Blockchain von Bitcoin können Datenmengen sehr schnell anwachsen, da jede Transaktion und jeder Block dauerhaft gespeichert werden müssen. Um den Speicherbedarf zu managen, ohne die Integrität oder die Sicherheit des Netzwerks zu beeinträchtigen, kann eine Technik angewendet werden, die als "Pruning" oder "Speicherplatz zurückfordern" bekannt ist. Dieses Verfahren beinhaltet das Entfernen veralteter Daten, die für die aktuelle Betriebsfähigkeit des Netzwerks nicht mehr notwendig sind.

Da jeder Block in der Blockchain durch einen Merkle Tree strukturiert ist, können Teile der Blockchain-Daten entfernt werden, ohne die gesamte Struktur zu beeinträchtigen.  Denn im Merkle Tree werden Transaktionen zu einem einzigen Root Hash zusammengefasst. Dies bedeutet konkret, dass alte Transaktionen entfernt werden können, die keine Auswirkungen mehr auf das Netzwerk haben. Dabei müssen jedoch der zugehörige Root Hash und die notwendigen Merkle Paths erhalten bleiben. Diese Pfade sind notwendig, um die Zugehörigkeit und Gültigkeit der verbleibenden Transaktionen zu bestätigen. Der Speicherbedarf wird dadurch erheblich reduziert, während die Fähigkeit des Netzwerks, die Korrektheit der Blockchain zu überprüfen und zu validieren, vollständig erhalten bleibt.

Vereinfachte Zahlungsüberprüfung

Im Bitcoin Whitepaper beschreibt Satoshi Nakamoto, wie Teilnehmer des Bitcoin-Netzwerks Transaktionen überprüfen können, ohne die gesamte Blockchain herunterladen zu müssen. Es werden lediglich die Blockheader heruntergeladen statt der vollständigen Blockdaten. Die Blockheader enthalten den Root Hash des Merkle Trees, der alle Transaktionen eines Blocks zusammenfasst. Zusätzlich wird der Merkle Path zu dieser Transaktion benötigt. Der Merkle Path besteht aus einer Reihe von Hashes, die es dem Nutzer ermöglichen, den Weg vom einzelnen Transaktionshash bis zum Root Hash des Blocks nachzuvollziehen. Wird dieser Pfad validiert, kann er bestätigen, dass die Transaktion tatsächlich in einem Block enthalten ist und dieser Block Teil der Blockchain ist.

Wert kombinieren und teilen

Zahlungen mit Bitcoin funktionieren ähnlich wie mit Bargeld. Wenn du einen großen Geldschein hast und etwas kaufen möchtest, das weniger kostet als der Wert des Scheins, gibst du den ganzen Schein hin und bekommst Wechselgeld zurück. In Bitcoin wird dieser Prozess digital nachgebildet.

Kombinieren: Wenn eine Person verschiedene Bitcoin-Beträge in ihrer Wallet hat (z.B. 0,5 BTC, 0,2 BTC, und 0,3 BTC), können diese Beträge in einer einzigen Transaktion kombiniert werden, um einen größeren Betrag (z.B. 1 BTC) zu senden.

Teilen: Gleichzeitig ermöglicht Bitcoin, dass ein gesendeter Betrag in kleinere Beträge aufgeteilt wird, um mehrere Empfänger zu bezahlen oder Wechselgeld an den Sender zurückzugeben. Jemand kann z. B. 1 BTC senden, der in 0,7 BTC für den Empfänger und 0,3 BTC als Rückgeld an den Sender aufgeteilt wird.

Privacy: Private und Public Keys

Im Bitcoin-Netzwerk werden alle Transaktionen für alle sichtlich bekannt gemacht. Jeder sieht, dass eine Zahlung durchgeführt wird, dennoch kann die Transaktion niemandem konkret zugeordnet werden, da nicht ersichtlich ist, wer hinter den handelnden Parteien steckt. Diese Anonymität wird durch Public und Private Keys ermöglicht.

Transaktionen können Nutzern über einen Public Key zugeordnet werden, ohne dass Daten über den Nutzer bekannt sind. Um diese jedoch einsehen zu können, benötigen Nutzer den entsprechenden Private Key. Diese Kombination aus Public und Private Key kennen nur Sender und Empfänger einer Transaktion. Daher empfiehlt Satoshi Nakamoto, dass mit jeder Transaktion ein neues Key-Paar verwendet wird, um auszuschließen, dass Transaktionen zurückverfolgt und demselben Nutzer zugeordnet werden können.

Berechnungen: So schwierig ist ein Angriff auf die Blockchain

Am Ende des Krypto-Whitepapers legte Satoshi Nakamoto mit verschiedenen Berechnungen dar, wie schwierig es für Angreifer wäre, eine neue Chain zu erstellen, die die gültige Blockchain ablösen könnte. Da vertrauenswürdige Nodes keine betrügerische Transaktion akzeptieren würden, müssten Betrüger die gültige Chain überholen, was jedoch Unmengen an Rechenleistung in Anspruch nehmen würde. Laut den Berechnungen müssten mindestens 51 % der Rechenleistung von Angreifern aufgebracht werden, damit eine Wahrscheinlichkeit besteht, dass die Bitcoin-Blockchain manipuliert werden kann.

Fazit des Bitcoin Whitepapers

Das Bitcoin Whitepaper, verfasst von einer Person oder einer Gruppe unter dem Pseudonym Satoshi Nakamoto im Jahr 2008, präsentiert eine durchdachte Lösung für das Problem des doppelten Ausgebens bei digitalen Währungen durch die Schaffung eines dezentralisierten Netzwerks. Das Dokument beschreibt das innovative Konzept der Blockchain, eine Technologie, die Transaktionen ohne die Notwendigkeit eines vertrauenswürdigen Dritten sichert und verifiziert. Das Whitepaper der Kryptowährung legt den Grundstein für das erste digitale Geldsystem, das auf Peer-to-Peer-Technologie basiert und Transparenz, Sicherheit und Unabhängigkeit in der Finanzwelt bietet. Durch die Einführung von Mechanismen wie Proof of Work und die Nutzung von Merkle Trees zeigt es effiziente Wege auf, wie Netzwerksicherheit und Datenintegrität gewährleistet werden können. Damit hat das Whitepaper nicht nur die Tür zu Bitcoin, sondern zu einer Vielzahl von Blockchain-Anwendungen geöffnet.

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