Alternative Blockchain-Verfahren

Blockchain-Alternativen für das Internet der Dinge

| Autor / Redakteur: Ariane Rüdiger / Peter Schmitz

Die klassische Blockchain eignet sich nicht für für IoT-Einsatzzwecke, aber Forscher arbeiten bereits an alternativen Verfahren.
Die klassische Blockchain eignet sich nicht für für IoT-Einsatzzwecke, aber Forscher arbeiten bereits an alternativen Verfahren. (Bild: Pixabay / CC0)

Blockchain ist in der IT ein globaler Trend und fast täglich gibt es Meldungen über neue Einsatzgebiete für die Technologie. Gerade im Zusammenhang mit großen IoT-Netzwerken hat Blockchain aber diverse Probleme und Mängel. Forscher arbeiten bereits daran, diese durch neue Verfahren, die ebenfalls sicher sind und Vertrauen verdienen, zu verbessern.

Wer an Blockchain denkt, dem fällt meist automatisch die Kryptowährung Bitcoin und andere Vertreter dieser Gattung ein. Ein weiterer technologischer Trend ist das IoT. Beide scheinen nicht besonders gut zueinander zu passen – was den Einsatz der klassischen Blockchain und darauf aufgebauter öffentlicher oder privater Kryptowährungen beispielsweise in einem ausgedehnten Energienetz, in das auch Smart Homes eingebunden sind, erschwert oder gar unmöglich macht.

Das Blockchain-Verfahren funktioniert grob gesagt so: Die aktiven Teilnehmer eines Blockchain-Netzwerks sind Peer-to-peer miteinander vernetzt. Geschäftliche Transaktionen erzeugen Datenblocks, die dadurch validiert werden, dass für sie und den davor liegenden Datenblock ein gemeinsamer Hash-Wert ermittelt wird, und zwar parallel von den aktiven Rechnern, die am System teilnehmen, den sogenannten Minern. Je mehr Miner eine Transaktion bestätigen, als desto vertrauenswürdiger gilt sie. Die Miner erhalten für ihre Berechnungen von Hash-Werten respektive neuen Datenblocks eine Entlohnung („Hashcash“) in Form frisch generierter Bitcoins. Andere müssen Bitcoins käuflich erwerben. Durch die Verschränkung zwischen Datenblocks fällt es sofort auf, wenn ein Datenblock manipuliert wurde: Dann stimmen die Hash-Werte nicht mehr. Die Bestätigungskette wird verteilt gespeichert.

Blockchain-Einsatz im IoT macht Probleme

Die Probleme, die aus der Technologie von Blockchain für IoT-Einsatzzwecke resultieren, fasste Samer Belhassine, Studentin der Netzwerktechnik und Telekommunikation aus Tunesien, kürzlich auf einem Microsoft-Security-Kongress in München zusammen: „Die Blockchain verbraucht viele Ressourcen, IoT-Devices haben aber meist nur wenige. Block Mining braucht viel Zeit, IoT arbeitet häufig echtzeitnah, Blockchain skaliert schlecht, wenn die Knotenzahl sehr hoch wird, IoT-Netze haben aber in der Regel viele Knoten. Schließlich verbraucht Blockchain viel Bandbreite, aber IoT-Devices haben häufig nur wenig Bandbreite zur Verfügung.“

Kein Wunder also, dass nach Lösungen und Modifikationen gesucht wird, die die Sicherheit und Zuverlässigkeit von Blockchain mit den Eigenschaften von IoT in Einklang bringen. Die Lösung, von der Belhassine berichtet und die von vier Wissenschaftlern (Dorri, Kanhere, Jurdak, Percom) 2017 vorgeschlagen wurde, besteht in einem „leichten“ Blockchain-Verfahren, dessen Bestätigungsmechanismus lokal und nicht mehr verteilt gemanagt wird. Es verwendet wegen des geringeren Overheads symmetrische statt asymmetrischer Verschlüsselung mit einem gemeinsamen Schlüssel. Der Proof of Work wird von einem lokalen Miner erbracht, der lediglich die Hash-Werte der Transaktionen beispielsweise in einem Smart Home – also etwa den Einkauf von Strom für den Gerätebetrieb oder die Lieferung von Strom durch die häuslichen Solarpaneele – berechnet. Die Blocks werden nach wie vor wie bei der klassischen Blockchain durch die Hashwerte verschränkt.

Ein Pferdefuß der Lösung könnte die Verwaltung des Mining-Devices sein, denn hier müssten die Anwender sich wohl einem Dienstleister – beim Smart Home wahrscheinlich häufig dem Stromlieferanen – anvertrauen. Der würde sich dann gewissermaßen selbst kontrollieren.

Tangle: Knäuel statt Netz

Eine IOTA-Transaktion (rot) erhält ihren kumulativen Wert durch die Aufsummierung der Werte der Transaktionen, die sie bestätigt haben (grün) sowie ihren eigenen Knoten-Wert, in diesem Fall also sechs. Das bedeutet, je länger eine Transaktion unangefochten im netz bleibt, desto vertrauenswürdiger wird sie.
Eine IOTA-Transaktion (rot) erhält ihren kumulativen Wert durch die Aufsummierung der Werte der Transaktionen, die sie bestätigt haben (grün) sowie ihren eigenen Knoten-Wert, in diesem Fall also sechs. Das bedeutet, je länger eine Transaktion unangefochten im netz bleibt, desto vertrauenswürdiger wird sie. (Bild: IOTA Foundation)

Ein zweites neues Verfahren, das sich seit 2016 in der praktischen Erprobung befindet und ebenfalls ein verteiltes, fälschungssicheres Datenhauptbuch zum Ziel hat, basiert auf Tangle. Dieses Protokoll beruht auf einer mathematischen Erfindung namens gerichtetem azyklischem Graphen (Directed Acyclic Graph). Gerichtet bedeutet, dass der Graph immer eine eindeutige Richtung. Azyklisch bedeutet, dass Schleifen ausgeschlossen sind. Tangle kommt ohne Miner und damit auch ohne Transaktionsgebühren aus.

Eine Umsetzung des Verfahrens ist die Kryptowährung beziehungsweise der Bestätigungsmechanismus IOTA. Die Urheber von IOTA haben sich in der IOTA-Foundation zusammengeschlossen. Gegründet hat sie der Norweger David Sønstebø. Der Venture-Capital-Zweig von Bosch (RBVC) hat größere Mengen von IOTA gekauft, um seine Verbindungen zur IOTA-Stiftung zu stärken, zudem kooperiert die Chicago Connectory, ein IoT Innovation Space, den Bosch und 1871 gegründet haben, mit der IOTA Foundation. Auch Microsoft Azure kooperiert hinsichtlich seiner Blockchain-Services mit IOTA, um nur zwei Beispiele zu nennen.

IOTA hat wie Bitcoin eine absolute Obergrenze der Coins, allerdings nicht der Transaktionen. Sie liegt laut einem Youtube-Video der IOTA-Foundation bei 2.779.530.283.277.761, also knapp 2,8 Quadrillionen. Ein IOTA entspricht derzeit etwa 0,00000035 Dollar-Cent. Entsprechend spricht die Iota-Gemeinde von KI (1000 Iota) Mi (Millionen Iota) und Gi (Milliarden Iota). Der Wert des GI schwankt stark: Im November 2017 betrug er 350 Dollar, im Dezember 2017 erreichte die Kryptowährung einen Wert von über 5000 Dollar und jetzt (Stand 25. Juni 2018) ist der Kurs wieder auf rund 991 Dollar pro Gi zurückgefallen. Sichere Anlageinstrumente sehen anders aus.

Im IOTA-Netz sind alle Mitglieder gleichgeordnet. Um neue Transaktionen durchführen zu können, muss jeder Teilnehmer zwei weitere zufällig ausgewählte Transaktionen anderer Teilnehmer verifizieren. Jeder IOTA-Konten hat ein Gewicht, das die Arbeit repräsentiert, die er geleistet hat, um eine spezifische Transaktion zu bestätigen. Jede Transaktion hat zudem einen kumulativen Wert, der aus der Summe des eigenen Gewichts plus der Summe aller Transaktionen, die die aktuelle Transaktion bestätigen, besteht. Daher steigt dieser Wert, je länger ein Knoten im System ist und immer wieder bestätigt wird, automatisch an. Für die Verifizierung werden spezielle kryptographische Algorithmen, kombiniert mit anderen Verfahren, verwendet, die nur sehr wenig Ressourcen brauchen und daher auf jedem Gerät – sozusagen vom Smartphone bis zum Mainframe – durchgeführt werden können. Daher leistet das Netzwerk um so mehr, je stärker es wächst. Zudem ist es schnell – bei der derzeitigen Netzgröße von einigen Tausend Teilnehmern leistet es nach Angaben der IOTA Foundation rund 1000 Transaktionen pro Sekunde, doch je größer das Netz wird, desto stärker wächst auch diese Zahl. Daraus ergibt sich, dass der Erfolg von IOTA stark davon abhängen wird, ob es gelingt, schnell Unterstützung bei Anwendern und Industrie zu finden. Die Chancen dafür stehen nicht schlecht.

Ein Vorschlag für eine für IoT optimierte Blockchain ersetzt verteilte Miner im Peer-to-peer-Netz durch einen lokalen Miner und asymmetrische durch symmetrische Verschlüsselung, um den Aufwand des Verfahrens zu verringern.
Ein Vorschlag für eine für IoT optimierte Blockchain ersetzt verteilte Miner im Peer-to-peer-Netz durch einen lokalen Miner und asymmetrische durch symmetrische Verschlüsselung, um den Aufwand des Verfahrens zu verringern. (Bild: Belhassine)

Denn wegen dieser Eigenschaften eignet sich IOTA gut für Mikrotransaktionen, wie sie das IoT verlangt. Beispiele für solche Transaktionen sind etwa der Stromkauf durch Geräte im intelligenten Heimnetz oder die Nutzung bestimmter Cloud-Services für nur einige wenige Berechnungen – typische Anwendungen, bei dem Maschinen untereinander sicher kommunizieren und auch Leistungen abrechnen sollen. Auf der diesjährigen Hannover Messe stellt Fujitsu eine Umsetzung von IOTA aus dem IoT-Bereich vor.

Man darf man auf weitere Technologien gespannt sein, die sichere, automatisierte Minimaltransaktionen erlauben – hier ist sicher in den kommenden Jahren noch einiges zu erwarten, wenn IoT ein Erfolg werden soll.

Anmerkung: Dieser Beitrag wurde ursprünglich am 7. Juni 2018 veröffentlicht. Wir haben den Text um neue Informationen und einen aktualisierten IOTA-Kurs erweitert.

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