Wie SHA-256, Nonce und Proof-of-Work zusammenwirken, damit die Bitcoin-Blockchain nachträglich nicht verändert werden kann.

SHA-256 und die Rolle der Nonce

Jeder Block der Bitcoin-Blockchain wird mit dem Hash-Algorithmus SHA-256 verarbeitet. Daraus entsteht eine Zeichenkette fester Länge, die wie ein digitaler Fingerabdruck funktioniert. Schon eine einzige veränderte Ziffer im Eingabewert führt zu einem völlig anderen Hash.

Damit ein Block gültig ist, muss sein Hash bestimmte Bedingungen erfüllen, etwa eine festgelegte Anzahl führender Nullen. Weil die Blockdaten selbst kaum verändert werden dürfen, kommt an dieser Stelle die Nonce ins Spiel. Sie ist ein zusätzlicher Zahlenwert, den Miner immer wieder anpassen, bis der resultierende SHA-256 Nonce-Hash die Vorgabe erfüllt.

Das Ausprobieren verschiedener Nonce-Werte ist reine Rechenarbeit ohne Abkürzung. Miner testen Milliarden Kombinationen pro Sekunde, ohne vorher wissen zu können, welche Nonce zum Ziel führt. Genau dieser Suchprozess ist der Kern von Proof-of-Work.

Proof-of-Work als Fundament der Unveränderlichkeit

Proof-of-Work bedeutet wörtlich Arbeitsnachweis. Ein Miner muss nachweisen, dass er tatsächlich Rechenleistung aufgewendet hat, bevor sein Block akzeptiert wird. Das Konzept stammt aus HashCash, einem System zur Spam-Abwehr aus den 1990er-Jahren, und wurde für Bitcoin übernommen und weiterentwickelt.

Im Bitcoin-Netzwerk passt sich die Schwierigkeit der Aufgabe regelmäßig an die verfügbare Rechenleistung aller Teilnehmer an. Steigt die Gesamtleistung des Netzwerks, wird die Suche nach einer gültigen Nonce schwieriger. So bleibt die durchschnittliche Zeit zwischen zwei Blöcken stabil, unabhängig von der Anzahl aktiver Miner.

Sobald ein Miner eine gültige Nonce findet, verbreitet er den neuen Block im Netzwerk. Alle anderen Teilnehmer prüfen den Hash in Sekundenschnelle und übernehmen den Block als aktuellen Stand der Kette. Der neue Block gilt damit als die gemeinsame Wahrheit, auf die alle folgenden Blöcke aufbauen.

Im Bitcoin-Whitepaper wird dieser Mechanismus im Abschnitt 3.7 als zentrales Element der Kettenintegrität beschrieben. Das Original-Dokument zeigt, wie Proof-of-Work Vertrauen ohne zentrale Instanz herstellt. Wer die Blockchain verändern will, muss diesen Arbeitsnachweis für jeden betroffenen Block neu erbringen.

Änderungen und ihre Kettenwirkung

Jeder Block enthält den Hash seines Vorgängers. Dadurch entsteht eine lückenlose Verkettung, bei der jeder Block untrennbar mit der gesamten Historie verbunden ist.

Würde jemand nachträglich eine Transaktion in einem älteren Block ändern, würde sich dessen Hash sofort verändern. Damit stimmt der gespeicherte Vorgänger-Hash im nächsten Block nicht mehr, und die Kette gilt an dieser Stelle als gebrochen.

Um die Fälschung zu verschleiern, müsste der Angreifer die Proof-of-Work für den geänderten Block und für jeden nachfolgenden Block neu berechnen. Bei einer langen Kette mit hoher Rechenleistung im Netzwerk wächst dieser Aufwand mit jedem weiteren Block.

Diese Kettenwirkung ist der eigentliche Grund, warum die Bitcoin-Blockchain als unveränderlich gilt. Nicht ein einzelner Block schützt die Historie, sondern die Summe aller nachfolgenden Proof-of-Work-Nachweise.

Wie einzelne Blöcke zusätzlich durch Zeitstempel miteinander verbunden werden, berichteten wir über Verkettete Zeitstempel: Das Prinzip der Bitcoin Blockchain.

Blöcke aus Coins und Signaturen werden über verkettete Zeitstempel zu einer fortlaufenden Bitcoin Blockchain verbunden, die sich nicht nachträglich verändern lässt.

Blöcke aus Coins und öffentlichen Schlüsseln

In der Bitcoin Blockchain wird nicht jede Transaktion einzeln verarbeitet. Das Netzwerk fasst mehrere Transaktionen zu einem Block zusammen. Ein solcher Block enthält Coins und die öffentlichen Schlüssel der beteiligten Adressen. Erst als Bündel ergeben diese Angaben ein vollständiges Bild.

In diesem Block trägt jede Transaktion bereits eine digitale Signatur. Mit dem öffentlichen Schlüssel prüft das Netzwerk, ob diese Signatur zum jeweiligen Coin passt. Erst danach gilt eine Transaktion als gültig und darf in einen Block aufgenommen werden. Ungültige Transaktionen schaffen es gar nicht erst in einen Block.

Ein Block ist also mehr als eine simple Liste. Er bündelt geprüfte Transaktionen zu einer Einheit, die anschließend gemeinsam in die Bitcoin Blockchain aufgenommen wird. Diese Bündelung ist die Voraussetzung für den nächsten Schritt, den Zeitstempel. Ohne einen fertigen Block gibt es nichts, was sich zeitlich einordnen ließe.

Verkettete Zeitstempel als Struktur

Im Bitcoin Whitepaper wird eine Lösung beschrieben, mit der Reihenfolge und Existenz von Daten ohne zentrale Instanz belegt werden können: verkettete Zeitstempel. Jeder Zeitstempel bestätigt, dass bestimmte Daten zu einem bestimmten Zeitpunkt vorlagen. Eine zentrale Uhr oder ein zentraler Zeugenserver ist dafür nicht nötig.

Das Besondere an verketteten Zeitstempeln ist ihr Aufbau. Jeder neue Zeitstempel enthält den Hash des vorherigen Zeitstempels. Dadurch entsteht keine lose Sammlung einzelner Einträge, sondern eine fortlaufende Kette. Im offiziellen Bitcoin Whitepaper wird dieser Mechanismus in Abschnitt 3.7 näher erläutert.

Jeder Block der Bitcoin Blockchain trägt also die Spur seines Vorgängers in sich. Allein wäre ein einzelner Zeitstempel wenig aussagekräftig. Erst die Verkettung mit allen früheren Zeitstempeln macht daraus eine nachvollziehbare Historie, die sich lückenlos bis zum allerersten Block zurückverfolgen lässt.

Neue Blöcke entstehen im Schnitt alle zehn Minuten. Jeder von ihnen verweist per Hash auf den letzten bekannten Zeitstempel und reiht sich damit lückenlos in die bestehende Kette ein. So wächst die Bitcoin Blockchain kontinuierlich um jeweils einen weiteren verketteten Zeitstempel.

Die Kette als Schutz vor Manipulation

Verkettete Zeitstempel haben einen entscheidenden Nebeneffekt: Sie erschweren nachträgliche Änderungen. Wer einen älteren Block verändern wollte, müsste auch dessen Hash neu berechnen. Weil dieser Hash im nächsten Zeitstempel steckt, würde sich die Änderung durch die gesamte Kette ziehen.

Jeder Teilnehmer im Netzwerk kann die Reihenfolge der verketteten Zeitstempel selbst nachvollziehen. Es braucht keine zentrale Partei, die bestätigt, welcher Block zuerst kam. Öffentlich und für jeden einsehbar liefert die Kette selbst diesen Nachweis.

So wird aus einer einfachen Aneinanderreihung von Blöcken ein System, in dem die Bitcoin Blockchain als Ganzes für Konsistenz sorgt. Jeder neue Zeitstempel macht die gesamte Kette ein Stück widerstandsfähiger gegen spätere Eingriffe.

Wie einzelne Transaktionen dabei als Kette digitaler Signaturen funktionieren, berichteten wir über Die Bitcoin Transaktion als Kette digitaler Signaturen.