Grundlagen und Architektur der Bitcoin Blockchain sowie eine Einführung in die Ethereum Blockchain

1. Blockchains – Grundlagen und
Architektur
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Blockchain
Grundlagen und Architektur

2. Agenda
 Wie funktioniert die Blockchain „1.0“?
 Aufgabe
 Design-technische Herausforderungen
 Lösungen
 Was ist die Blockchain „2.0“?
 Von 1.0 zu 2.0
 Ethereum als Turing-vollständige Blockchain
 Anwendungsmöglichkeiten
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3. Blockchains – Grundlagen und
Architektur
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Blockchain 1.0
Beschrieben von Satoshi Nakamoto

4. Bitcoin vs Bit torrent
 Die Blockchain ist ein Peer-to-Peer elektronisches Zahlungssystem (laut Satoshi Nakamoto)
 Keine zentrale Instanz führt ein Hauptbuch, sondern jeder Nutzer des Systems
 Welche Probleme ergeben sich dadurch?
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https://www.innovalue.de/publikationen/InnovalueLockeLord-BlockchaininFinancialServices2015.pdf

5. Der Block
Hash:
…000a3ed9a4…
Hash:
…0001f942eb…
Hash:
…000ed9372…
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6. Mining (Hash + Bits + Nonce)
Problem Wie erreicht man, dass sich Teilnehmer in einem unkontrollierten
Zahlungssystem ehrlich verhalten?
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Aufgabe Baue ein Netzwerk, dass so robust ist, dass es genügt, wenn sich
die Mehrheit ehrlich verhält. Bringe die Mehrheit dazu, sich ehrlich
zu verhalten
Lösung • Belohne ehrliche Teilnehmer mit einem Anteil an dem
Zahlungsmittel des Netzwerks
• Bestrafe unehrliche Teilnehmer mit Kosten
 Proof-of-Work Algorithmus

7. Mining (Hash + Bits + Nonce)
 Ziel des PoW-Algorithmus ist ein Rätsel zu erstellen, dass schwer zu lösen, dessen Korrektheit
aber leicht zu validieren ist. Weiterhin muss die Schwierigkeit leicht anpassbar sein, um
konstante Blocklösungszeiten und damit Transaktionszeiten zu haben  SHA-256
 Schwierigkeit wird über Anzahl der führenden Nullen des berechneten Hashwerts eingestellt
(Wert bits im Header)
"Hello, world!0" =>
1312af178c253f84028d480a6adc1e25e81caa44c749ec81976192e2ec934c64
"Hello, world!1" =>
e9afc424b79e4f6ab42d99c81156d3a17228d6e1eef4139be78e948a9332a7d8
"Hello, world!4250" =>
0000c3af42fc31103f1fdc0151fa747ff87349a4714df7cc52ea464e12dcd4e9
Hello, world = Der Blockheader
0,1,2 = die Nonce
 Andere Mining-Algorithmen: PoS, PoI, PoR, PoB
 Andere PoW-Algorithmen: Scrypt (gegen ASIC-mining)
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8. Verkettung von Transaktionen
Problem Wie kann ich mir beim Empfang eines Wertes sicher sein, dass
1. Der Sender den Wert tatsächlich besitzt
2. Dieser Wert nicht bereits an anderer Stelle ausgegeben worden
ist (double-spending)
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Aufgabe Baue ein Netzwerk, in dem jeder Wert
1. Jederzeit eindeutig einem Besitzer zugeordnet werden kann
2. Die Transaktionshistorie jedes Wertes bis zu dem Zeitpunkt
seiner Entstehung zurückverfolgt werden kann
Lösung • Jede Transaktion beinhaltet die „Unterschrift“ des vorherigen
Besitzers des Werts
• Der Besitzerwechsel jedes Werts ist bis zu der Entstehung des
Wertes zurückverfolgbar

9. Verkettung von Transaktionen
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Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System – Satoshi Nakamoto

10. Validierung von Transaktionen (Merkle-Root)
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Problem Wie kann ich effizient Transaktionen validieren?
Aufgabe Es sollte effizient möglich sein, Transaktionen zu validieren, auch
ohne die komplette Blockchain zu besitzen
Lösung Merkle Trees + Merkle Proof

11. Validierung von Transaktionen (Merkle-Root)
6/3/2016 BLOCKCHAIN – GRUNDLAGEN UND ARCHITEKTUR 11
https://www.weusecoins.com/what-is-a-merkle-tree/

12. Adressen
Problem Wie schütze ich dann die Privatsphäre des Nutzers?
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Aufgabe Bankensystem: Die Transaktionen sind verborgen.
Bei der Blockchain ist das nicht möglich, daher:
Verbergen der Identität
Lösung Asymmetrische Schlüssel.
Privater Schlüssel: Dient zum Senden einer Geldeinheit
Öffentlicher Schlüssel: Dient zum Empfangen einer Geldeinheit

13. Adressen
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14. Die longest-chain rule
Problem Was passiert, wenn zwei Miner im Netzwerk gleichzeitig auf eine
korrekte Lösung stoßen?
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Aufgabe Da zwei Miner unterschiedliche Transaktionen in den Block
aufnehmen können, braucht es eine Regel welchem Block gefolgt
wird
Lösung Es wird immer der Chain gefolgt, in welcher der höchste
akkumulierte Aufwand steckt – was in der Regel die längste Chain
ist

15. Die longest-chain rule
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http://chimera.labs.oreilly.com/books/1234000001802/ch08.html#forks

16. Blockchains – Gr
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Blockchain 2.0
Der Ethereum World
Computer

17. Colored coins
https://youtu.be/fmFjmvwPGKU
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18. Ethereum
 Erste öffentliche Turing-Vollständige Blockchain
 Gestartet im Juli 2015
 Eigene Krypto-Währung Ether
 Erlaubt durch Turing-Vollständigkeit jedoch auch andere Währungen mit selbst definierten
Regeln auf der Blockchain
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19. Ethereum vs Bitcoin
 Ethereum Speichert Zustände
 Ein Account bei Ethereum speichert
 Eine Nonce (ein Zähler der sicherstellt, dass eine Transaktion nur einmal ausgeführt werden kann)
 Die Ether-Bilanz
 Den „Vertrags“- Code des Accounts (falls vorhanden)
 Einen zusätzlichen Speicher des Accounts
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20. Ethereum Accounts als smarte Verträge
 Können wie Bitcoin-Accounts durch einen privaten Schlüssel gesteuert werden, oder
 durch den „Vertrags“-Code im Account
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https://blog.ethereum.org/2015/11/15/merkling-in-ethereum/

21. Schutz vor Endlosschleifen?
 Bei Bitcoin wurde eine Erweiterung der internen Skriptsprache nicht erwogen, da das Erlauben
von Schleifen eine hohe Gefahr für DDoS Attacken darstellt
 Ethereum umgeht das Problem mit „Gas“ – einer Gebühr für jeden Rechenschritt (in Ether)
 Es ist möglich einen Vertrag zu erstellen, der eine endlosschleife Ausführt
 Theoretisch kann man diesen Vertrag so lange ausführen, bis das Gas aufgebraucht wird
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22. Anwendungsmöglichkeiten
 Crowdsale mit eigenen Tokens (ICO – Initial Coin Offering)
 Verknüpfung von Blockchain mit IoT (slock.it + RWE)
 E-Government (durch Verknüpfung von Identität mit privatem Schlüssel)
 Währungsexperimente
 Dezentralisierte Handelssysteme
 Eigenständige Organisationen (DAOs)
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