Blockchain-Protokolle: Vier Ansätze unter der Lupe

1. Public Blockchain

Eine Public Blockchain (oder öffentliche Blockchain) ist der Ursprung von Kryptowährungen wie Bitcoin und hat zur Popularisierung der DLT beigetragen. Sie eliminiert die Probleme einer zentralen Behörde, einschließlich geringerer Sicherheit und Transparenz. DLT speichert Informationen nicht an einem Ort, sondern verteilt sie über ein Peer-to-Peer-Netzwerk.

Die dezentrale Struktur einer Blockchain erfordert einen Mechanismus zur Validierung der Datenintegrität. Diese Funktion übernimmt ein Konsensalgorithmus, durch den die Netzwerkteilnehmer einen einheitlichen Ledger-Status etablieren. Zu den verbreiteten Konsensprotokollen zählen insbesondere Proof of Work und Proof of Stake.

Öffentliche Blockchains operieren ohne Zugangsbeschränkungen und Genehmigungsverfahren. Jeder Internetnutzer kann sich einer Blockchain-Plattform anschließen und als vollwertiger Netzwerkknoten fungieren. In dieser Rolle erhält er Zugriff auf sämtliche historische und aktuelle Datensätze und kann am Mining-Prozess partizipieren – jenen rechenintensiven Operationen, die der Transaktionsverifizierung und Ledger-Aktualisierung dienen.

Die Netzwerkarchitektur verhindert, dass valide Datensätze oder Transaktionen ohne Kenntnis der Teilnehmer modifiziert werden können. Da der Quellcode typischerweise als Open Source verfügbar ist, steht es jedem frei, Transaktionen zu verifizieren, Fehler zu identifizieren oder Modifikationen vorzuschlagen.

Vorteile

• Öffentliche Blockchains sind völlig unabhängig von Organisationen. Wenn beispielsweise das Unternehmen, das das Netzwerk ins Leben gerufen hat, nicht mehr existiert, läuft die öffentliche Blockchain so lange weiter, wie Computer mit dem Netzwerk verbunden sind.
• Public Blockchains haben Netzwerktransparenz.
• Public Blockchains sind meist sicher, wenn die Nutzer Sicherheitsprotokolle und -methoden befolgen.
• Der Konsensalgorithmus ermöglicht es den Nutzern, demokratische Entscheidungen zu treffen. So kann beispielsweise eine Mehrheit der Nutzer entscheiden, wann, wo und wie das Netzwerk aufgerüstet werden soll.

Nachteile

• Je nach Anzahl der teilnehmenden Knotenpunkte kann das Netz langsam sein.
• Unternehmen können den Zugang oder die Nutzung nicht einschränken.
• Trotz des Hypes, dass Public Blockchains unveränderlich sind, kann die Technologie ausgenutzt werden. Wenn beispielsweise eine Mehrheit der Nutzer beschließt, das Netzwerk zu übernehmen, können böswillige Parteien einen 51-prozentigen Angriff auf das gesamte Netzwerk starten.
• Öffentliche Blockchains lassen sich nicht gut skalieren, da die Technologie Echtzeit-Updates über jede vergangene und aktuelle Transaktion erfordert, was das Wachstum des Netzwerks begrenzen kann. Ressourcen wie Rechenleistung, Server und Bandbreite müssen in der Lage sein, das kontinuierliche Wachstum des Netzwerks zu unterstützen.
• Wie alle Arten von Blockchain-Technologien haben auch öffentliche Blockchains große Auswirkungen auf die Umwelt, einschließlich des hohen Energiebedarfs, der Treibhausgasemissionen und des Hardwareverbrauchs, wie beim Kryptomining.

Anwendungsfälle

Die häufigsten Anwendungsfälle für öffentliche Blockchains sind das Mining und der Austausch von Kryptowährungen. Sie können auch dazu verwendet werden, einen festen Datensatz mit einer überprüfbaren Verwahrkette zu erstellen, wie beispielsweise die elektronische Beglaubigung von eidesstattlichen Erklärungen, öffentliche Aufzeichnungen über Eigentumsverhältnisse und digitale Vermögenswerte. Ein Beispiel hierfür sind nicht-fungible Token (NFTs).

Diese Art von Blockchain ist ideal für Organisationen, die auf Transparenz und Vertrauen basieren, wie zum Beispiel soziale Selbsthilfegruppen oder Nichtregierungsorganisationen (NGO). Aufgrund des öffentlichen Charakters des Netzwerks sollten Privatunternehmen diese Blockchain-Technologie nicht nutzen.

2. Private Blockchain

Private Blockchains operieren in kontrollierten Umgebungen – typischerweise in isolierten Netzwerken oder unter zentralisierter Steuerung einer spezifischen Entität. Obwohl sie fundamentale Blockchain-Prinzipien wie Peer-to-Peer-Konnektivität und dezentrale Strukturen implementieren, unterscheiden sie sich signifikant von öffentlichen Varianten durch ihren limitierten Umfang und ihre Anpassungsfähigkeit an unternehmensspezifische Anforderungen.

Im Gegensatz zu öffentlichen Blockchains, die universellen Zugang und Partizipation ermöglichen, beschränken private Blockchains ihre Teilnehmerstruktur bewusst. Sie werden vorwiegend in abgegrenzten Netzwerksegmenten innerhalb organisatorischer Grenzen betrieben, wodurch die Rechenressourcenbereitstellung auf einen definierten Teilnehmerkreis limitiert bleibt.

Vorteile

• Die kontrollierende Organisation legt die Berechtigungsstufen, die Sicherheit, die Berechtigungen und die Zugänglichkeit fest. Ein Unternehmen, das ein privates Blockchain-Netzwerk einrichtet, kann beispielsweise festlegen, welche Knoten Daten anzeigen, hinzufügen oder ändern können.
• Die kontrollierende Organisation kann verhindern, dass Dritte auf bestimmte Informationen zugreifen.
• Private Blockchains können Transaktionen viel schneller verarbeiten als öffentliche Blockchains, da sie in ihrer Größe begrenzt sind.
• Da eine private Blockchain in der Regel kleiner ist, ist der Konsensmechanismus oft einfacher.

Nachteile

• Kritiker behaupten, dass private Blockchains keine echten Blockchains sind, da die Kernphilosophie von Blockchains die Dezentralisierung ist.
• Es ist schwieriger, volles Vertrauen in die Informationen zu erlangen, da bestimmte zentralisierte Knotenpunkte bestimmen, was gültig ist.
• Die geringe Anzahl von Knotenpunkten kann zu einer geringeren Sicherheit führen. Wenn beispielsweise ein paar Knoten das Netzwerk verlassen, kann die Konsensmethode gefährdet sein.
• Der Quellcode privater Blockchains ist oft proprietär und geschlossen. Externe Nutzer haben nicht die Möglichkeit, ihn unabhängig zu prüfen oder zu bestätigen, was zu einer geringeren Sicherheit führen kann.
• Es gibt keine Anonymität für die Teilnehmer.

Anwendungsfälle

Die überlegene Transaktionsgeschwindigkeit privater Blockchain-Implementierungen prädestiniert sie für Anwendungsfälle, die kryptografische Sicherheit erfordern, bei denen die kontrollierende Instanz jedoch den öffentlichen Zugriff auf sensible Informationen – beispielsweise personenbezogene Daten oder finanzielle Dokumentationen – restriktiv handhaben möchte.

Im Gesundheitswesen können private Blockchains zur sicheren Übermittlung vertraulicher Patientendaten zwischen kooperierenden Leistungserbringern eingesetzt werden, was eine signifikante Qualitätssteigerung in der Patientenversorgung ermöglicht. Im Kontext des Lieferkettenmanagements (SCM) etabliert eine private Blockchain-Infrastruktur einen manipulationssicheren digitalen Datensatz, der sämtliche Transaktionen und Warenbewegungen in Echtzeit nachverfolgt und dadurch sowohl Transparenz als auch operative Effizienz optimiert.

Das Anwendungsspektrum privater Blockchains erstreckt sich darüber hinaus auf weitere Bereiche wie die Dokumentation von Vermögenswerten sowie die Durchführung interner Abstimmungs- und Votingprozesse.

3. Hybride Blockchain

Hybride Blockchain-Systeme integrieren charakteristische Komponenten sowohl privater als auch öffentlicher Blockchain-Technologien. Diese Konvergenzarchitektur ermöglicht Organisationen die simultane Implementation eines privaten, erlaubnisbasierten (permissioned) Systems parallel zu einer öffentlichen, erlaubnisfreien (permissionless) Infrastruktur. Dadurch entsteht ein granulares Zugriffsmanagement, das präzise Kontrolle darüber gewährt, welche Datenbestände exklusiv bleiben und welche öffentlich exponiert werden.

Teilnehmer einer hybriden Blockchain erhalten nach Aufnahme umfassende Netzwerkzugriffsrechte. Die Identitätsattribute der Nutzer bleiben gegenüber anderen Netzwerkteilnehmern geschützt, sofern keine Transaktionsbeziehung besteht. Im Transaktionskontext erfolgt jedoch eine selektive Identitätsoffenlegung gegenüber der involvierten Gegenpartei.

Transaktionsdaten und Ledger-Einträge in hybriden Blockchain-Implementierungen unterliegen standardmäßig keiner öffentlichen Verfügbarkeit, können jedoch bei Erfüllung definierter Bedingungen – beispielsweise durch Smart-Contract-vermittelte Zugriffsautorisierung – verifiziert werden. Vertrauliche Informationen verbleiben innerhalb der Netzwerkgrenzen, während ihre kryptografische Verifizierbarkeit dennoch gewährleistet bleibt. Selbst wenn eine privatwirtschaftliche Entität die Eigentümerschaft der hybriden Blockchain innehat, ist die Unveränderlichkeit der protokollierten Transaktionen technisch garantiert.

Vorteile

• Hacker können das Netzwerk nicht zu 51 Prozent angreifen, da die Technologie innerhalb eines geschlossenen Ökosystems funktioniert.
• Sie schützt die Privatsphäre, ermöglicht aber die Kommunikation mit Dritten.
• Transaktionen sind billig und schnell und bieten eine bessere Skalierbarkeit als ein öffentliches Blockchain-Netzwerk.

Nachteile

• Es ist nicht völlig transparent, da Informationen abgeschirmt werden können.
• Die Aufrüstung des Netzwerks kann eine Herausforderung sein.
• Es gibt keine Anreize für die Nutzer, sich am Netzwerk zu beteiligen oder zu ihm beizutragen.

Anwendungsfälle

Stark regulierte Märkte, wie zum Beispiel Finanzdienstleistungen, können von der Verwendung hybrider Blockchains profitieren. Immobilienunternehmen können eine hybride Blockchain nutzen, um Systeme privat zu betreiben, aber bestimmte Informationen, wie beispielsweise Inserate, der Öffentlichkeit zugänglich zu machen.

Die Einzelhandelsbranche kann mit hybriden Blockchains bestehende Prozesse rationalisieren. Hybride Blockchains können auch bestehende Praktiken im Gesundheitswesen verbessern, zum Beispiel die Sicherung von Daten, die Verbesserung der Verwaltung von Krankenakten und die Überwachung von Krankheitsausbrüchen durch digitale Verfolgung.

4. Consortium Blockchain

Die Consortium Blockchain, auch als föderierte Blockchain bezeichnet, weist strukturelle Parallelen zur hybriden Blockchain auf, da sie ebenfalls Charakteristika privater und öffentlicher Blockchain-Implementierungen vereint. Der fundamentale Unterschied manifestiert sich jedoch in ihrem kollaborativen Governance-Modell, bei dem multiple Organisationen in einem dezentralen Netzwerkverbund kooperieren.

Im Kern repräsentiert eine Consortium Blockchain eine modifizierte private Blockchain-Architektur mit selektivem Zugangsmanagement für eine definierte Teilnehmergruppe. Diese Struktur eliminiert die Risiken einer zentralisierten Netzwerkkontrolle, wie sie bei konventionellen privaten Blockchains durch eine singuläre Organisation ausgeübt werden kann. Die Konsensbildungsmechanismen innerhalb einer Consortium Blockchain werden durch prädesignierte Netzwerkknoten orchestriert. Die Infrastruktur differenziert zwischen Validierungsknoten, die für die Initiierung, den Empfang und die Validierung von Transaktionen autorisiert sind, und Mitgliedsknoten, deren Funktionalität auf die Initiierung und den Empfang von Transaktionen beschränkt ist.

Vorteile

• Eine Consortium Blockchain ist in der Regel sicherer, skalierbarer und effizienter als eine öffentliche Blockchain.
• Die Transaktionsgebühren sind unabhängig von der Anzahl der Nutzer konstant niedrig.
• Wie private und hybride Blockchains bietet auch sie Zugangskontrollen.

Nachteile

• Die Einrichtung einer Consortium Blockchain kann schwierig sein. Alle Änderungen am System müssen von allen Teilnehmern genehmigt werden.
• Sie ist weniger transparent als eine öffentliche Blockchain.
• Sie kann kompromittiert werden, wenn ein Mitgliedsknoten verletzt wird.
• Die Vorschriften und Genehmigungen können die Funktionalität des Netzwerks beeinträchtigen. So kann es beispielsweise zu Streitigkeiten zwischen Nutzern kommen, die keinen Konsens erreichen.

Anwendungsfälle

Finanzdienstleistungen und Zahlungsverkehr repräsentieren primäre Einsatzszenarien für Consortium-Blockchain-Architekturen. In diesem Kontext können diverse Finanzinstitute einen kollaborativen Verbund etablieren und gemeinsam determinieren, welche spezifischen Netzwerkknoten mit Transaktionsvalidierungsprivilegien ausgestattet werden.

Wissenschaftliche Forschungseinrichtungen können analoge Kooperationsmodelle implementieren, um Datenaustausch und Validierungsprozesse zu optimieren. Besondere Relevanz entfalten Consortium Blockchains im Bereich des Lieferkettenmanagements (SCM), wobei sie sich insbesondere für die Rückverfolgbarkeit und Qualitätssicherung in sensiblen Produktkategorien wie Nahrungsmitteln und pharmazeutischen Erzeugnissen als prädestiniert erweisen.

Welche Art von Blockchain sollten Sie wählen?

Die Blockchain-Technologie kann Teil der IT-Strategie eines Unternehmens sein. Jede Art von Blockchain hat potenzielle Anwendungen, die das Vertrauen und die Transparenz verbessern und eine bessere Aufzeichnung von Transaktionen ermöglichen.

Es ist wichtig, die Unterschiede zwischen den verschiedenen Blockchain-Typen zu verstehen, um festzustellen, welches Modell für bestimmte Anwendungen und Anwendungsfälle geeignet ist, wobei die Kompromisse zwischen Kontrolle, Sicherheit und Zugänglichkeit abzuwägen sind.

Wenn beispielsweise der Datenschutz das Hauptanliegen eines Unternehmens ist, könnte die Entscheidung für eine private Blockchain eine gute Wahl sein. Die Investition in eine hybride Blockchain ist eine Option, wenn ein Unternehmen wichtige Daten gemeinsam nutzen, aber vertrauliche Informationen schützen möchte. Eine Consortium Blockchain ist ideal, wenn die Teilnehmer Daten mit anderen Knoten, die auf diese Daten angewiesen sind, problemlos austauschen wollen.