Bitcoin Transaktionen So funktionieren sie

Bitcoin Transaktionen: So funktionieren sie

Einleitung: Was ist eine Bitcoin Transaktion?

Eine Bitcoin Transaktion ist der grundlegende Baustein des Bitcoin-Netzwerks. Sie repräsentiert die Übertragung von Bitcoin-Werten von einem Teilnehmer zu einem anderen. Im Gegensatz zu traditionellen Zahlungssystemen, bei denen Banken als zentrale Vermittler fungieren, finden Bitcoin-Transaktionen direkt zwischen den Parteien statt, ohne die Notwendigkeit einer zentralen Autorität. Stattdessen wird die Gültigkeit jeder Transaktion durch das dezentrale Netzwerk von Computern, den sogenannten Knoten oder Nodes, überprüft und durch das Mining-Verfahren in der Blockchain, einem öffentlichen und unveränderlichen Kassenbuch, festgeschrieben.

Auf einer fundamentalen Ebene ist eine Bitcoin Transaktion kein direkter Transfer von "digitalen Münzen", sondern vielmehr die Übertragung des Besitzrechts an bestimmten Bitcoin-Werten, die in früheren Transaktionen als Ausgänge (Outputs) geschaffen wurden und noch nicht ausgegeben (unspent) wurden. Diese noch nicht ausgegebenen Transaktionsausgänge sind als UTXOs (Unspent Transaction Outputs) bekannt und bilden die tatsächliche "Währungseinheit", mit der im Bitcoin-Netzwerk gearbeitet wird.

Das Verständnis, wie eine Bitcoin Transaktion funktioniert, ist essenziell, um die Sicherheit, Transparenz und Dezentralität des Systems zu begreifen. Es involviert Konzepte wie digitale Signaturen, kryptographische Schlüsselpaare (öffentlicher und privater Schlüssel), das Peer-to-Peer-Netzwerk, den Mempool und das Mining-Verfahren.

Die grundlegenden Komponenten einer Bitcoin Transaktion

Jede Bitcoin Transaktion besteht aus mehreren Schlüsselelementen, die notwendig sind, um den Wert von einer Adresse zur anderen zu bewegen und die Gültigkeit der Übertragung sicherzustellen.

Inputs (Eingänge)

Die Inputs einer Transaktion sind Verweise auf die UTXOs aus früheren Transaktionen, die der Absender ausgeben möchte. Um Bitcoin zu senden, muss der Absender beweisen, dass er das Recht hat, die spezifischen UTXOs, die er als Inputs verwendet, auszugeben. Dies geschieht durch die Bereitstellung einer digitalen Signatur, die mit dem privaten Schlüssel des Absenders erstellt wurde, der zu der öffentlichen Adresse passt, an die der ursprüngliche UTXO gesendet wurde.

Ein wichtiger Aspekt ist, dass ein UTXO entweder vollständig ausgegeben oder gar nicht ausgegeben werden kann. Man kann nicht nur einen Teil eines UTXOs verwenden. Wenn der Wert der zu spendenden UTXOs (die Inputs) höher ist als der gewünschte Betrag, der an den oder die Empfänger gesendet werden soll, wird der Überschuss als neuer UTXO zurück an den Absender als "Wechselgeld" (change) gesendet. Dieser Wechselgeld-UTXO wird in einem der Outputs der Transaktion definiert und meist an eine neue Adresse des Absenders gesendet, die von seiner Wallet generiert wird.

Jeder Input verweist auf eine bestimmte frühere Transaktion durch deren Transaktions-ID (TXID) und den Index des spezifischen Outputs innerhalb dieser Transaktion, der ausgegeben werden soll. Zusätzlich enthält der Input die Signatur und den öffentlichen Schlüssel (oder ein Hash davon), die beweisen, dass der Absender berechtigt ist, diesen Output zu spenden.

Outputs (Ausgänge)

Die Outputs einer Transaktion definieren, wohin die gesendeten Bitcoin-Werte gehen sollen. Jeder Output spezifiziert einen Betrag in Bitcoin und eine Bedingung (oft in Form eines Skripts), die erfüllt werden muss, um diesen Output in Zukunft ausgeben zu können. In den meisten Fällen ist diese Bedingung, dass der zukünftige Ausgeber einen privaten Schlüssel besitzt, der zu der im Output angegebenen öffentlichen Adresse passt.

Eine typische Transaktion hat mindestens einen Output für den Empfänger und möglicherweise einen weiteren Output für das Wechselgeld, das an den Absender zurückgeht. Die Summe der Outputs (Empfängerbetrag + Wechselgeld) plus die Transaktionsgebühr ist gleich der Summe der Inputs. Die Differenz zwischen der Summe der Inputs und der Summe der Outputs ist die Transaktionsgebühr, die der Miner erhält, der die Transaktion in einen Block aufnimmt.

Ein Output wird zu einem UTXO, sobald die Transaktion, die ihn erzeugt hat, in der Blockchain bestätigt wurde. Diese UTXOs sind dann verfügbar, um als Inputs in zukünftigen Transaktionen verwendet zu werden.

Die Signatur

Die digitale Signatur ist ein kryptographischer Beweis dafür, dass der Absender der Transaktion das Recht hat, die Inputs auszugeben. Sie wird mit dem privaten Schlüssel des Absenders für jeden Input erstellt. Die Signatur beweist, dass der Absender die Transaktion autorisiert hat, ohne den privaten Schlüssel selbst preiszugeben. Jeder im Netzwerk kann die Signatur mit dem entsprechenden öffentlichen Schlüssel überprüfen, um die Gültigkeit zu bestätigen. Die Signatur schützt die Transaktion vor Manipulation, da jede noch so kleine Änderung an der Transaktion eine neue, gültige Signatur erfordern würde, die nur mit dem passenden privaten Schlüssel erstellt werden kann.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass eine Bitcoin Transaktion im Wesentlichen eine Datenstruktur ist, die Folgendes enthält:

• Verweise auf frühere Transaktionsausgänge (Inputs).
• Neue Transaktionsausgänge (Outputs), die den Wert an neue Adressen verteilen.
• Digitale Signaturen, die die Berechtigung des Absenders beweisen.

Diese Struktur gewährleistet, dass nur der rechtmäßige Eigentümer von Bitcoin-Werten diese ausgeben kann und dass jede Ausgabe öffentlich im Netzwerk nachvollziehbar ist.

Der Prozess einer Bitcoin Transaktion Schritt für Schritt

Wie gelangt eine Transaktion von der Idee im Kopf des Absenders zur endgültigen Bestätigung in der Blockchain? Der Prozess durchläuft mehrere Stufen im Bitcoin-Netzwerk.

Schritt 1: Transaktion erstellen (Die Wallet)

Der Prozess beginnt, wenn ein Nutzer beschließt, Bitcoin zu senden. Der Nutzer gibt in seiner Wallet-Software den Betrag und die Bitcoin-Adresse des Empfängers ein. Die Wallet-Software des Absenders spielt eine entscheidende Rolle. Sie verwaltet die privaten Schlüssel des Nutzers und verfolgt die UTXOs, die dem Nutzer gehören. Um die angeforderte Menge an Bitcoin zu senden, wählt die Wallet geeignete UTXOs aus, deren Gesamtwert ausreicht, um den gewünschten Betrag plus einer möglichen Transaktionsgebühr zu decken. Diese ausgewählten UTXOs werden die Inputs der neuen Transaktion.

Die Wallet erstellt dann die Rohdaten der Transaktion. Dies beinhaltet die Referenzen zu den Inputs (TXID und Output-Index der UTXOs), die Outputs (Empfängeradresse und Betrag, sowie eine Wechselgeldadresse und den entsprechenden Betrag, falls nötig) und Platzhalter für die Signaturen.

Schritt 2: Signieren der Transaktion

Nachdem die Rohdaten der Transaktion erstellt wurden, verwendet die Wallet die privaten Schlüssel, die zu den öffentlichen Adressen der ausgewählten UTXOs gehören, um jeden Input der Transaktion digital zu signieren. Dieser Schritt beweist kryptographisch, dass der Absender der rechtmäßige Eigentümer der zu spendenden Bitcoin ist. Ohne eine gültige Signatur wird die Transaktion vom Netzwerk abgelehnt. Die Signaturen werden den Inputs der Transaktionsdaten hinzugefügt.

Schritt 3: Broadcast ins Netzwerk

Sobald die Transaktion vollständig ist (inklusive Inputs, Outputs und Signaturen), sendet die Wallet sie an einen oder mehrere verbundene Bitcoin-Knoten im Peer-to-Peer-Netzwerk. Diese Knoten erhalten die Transaktion und leiten sie an andere Knoten weiter. Dieser Vorgang des "Broadcastings" stellt sicher, dass die Transaktion schnell im gesamten Netzwerk verbreitet wird.

Im Grunde sendet die Wallet die signierte Transaktion einfach in die dezentrale Menge der Bitcoin-Nodes. Jeder Node, der die Transaktion empfängt, führt zunächst eine erste Validierungsprüfung durch, bevor er sie an seine Peers weiterleitet. Dies stellt sicher, dass nur potenziell gültige Transaktionen im Netzwerk zirkulieren.

Schritt 4: Validierung durch die Knoten (Nodes)

Jeder Knoten im Netzwerk, der die Transaktion erhält, führt eine Reihe von Validierungsprüfungen durch, um sicherzustellen, dass sie den Regeln des Bitcoin-Protokolls entspricht. Diese Prüfungen umfassen unter anderem:

• Überprüfung, ob die Transaktion korrekt formatiert ist.
• Überprüfung, ob die referenzierten UTXOs tatsächlich existieren und noch nicht ausgegeben wurden (kein Double Spending Versuch).
• Überprüfung, ob die digitale Signatur für jeden Input gültig ist und zum öffentlichen Schlüssel passt, der den UTXO sperrt.
• Überprüfung, ob die Summe der Inputs größer oder gleich der Summe der Outputs ist (die Differenz ist die Gebühr).

Wenn eine Transaktion alle Validierungsprüfungen besteht, betrachtet der Knoten sie als gültig. Wenn sie ungültig ist, wird sie verworfen und nicht weitergeleitet.

Schritt 5: Aufnahme in den Mempool

Gültige, aber noch nicht bestätigte Transaktionen werden von den Knoten in einen Speicherbereich aufgenommen, der als Mempool (Memory Pool) bezeichnet wird. Der Mempool ist im Wesentlichen ein Wartebereich für Transaktionen, die darauf warten, von einem Miner in einen Block aufgenommen zu werden. Jeder Knoten hat seinen eigenen Mempool, der leicht variieren kann, aber im Wesentlichen eine Sammlung von Transaktionen darstellt, die der Knoten als gültig empfangen hat und die noch nicht in der Blockchain enthalten sind.

Transaktionen im Mempool konkurrieren um die Aufnahme in den nächsten Block. Die Wahrscheinlichkeit und Geschwindigkeit, mit der eine Transaktion ausgewählt wird, hängt stark von der Transaktionsgebühr ab, die der Absender bereit ist zu zahlen.

Schritt 6: Auswahl durch Miner (Mining)

Miner sind spezielle Knoten im Netzwerk, die versuchen, neue Blöcke zu erstellen. Ein wichtiger Teil des Mining-Prozesses ist die Auswahl von Transaktionen aus dem Mempool, die in den Block aufgenommen werden sollen. Miner neigen dazu, Transaktionen mit höheren Gebühren pro Bytegröße zu bevorzugen, da dies ihren Anreiz (die gesammelten Gebühren zusätzlich zur Blockbelohnung) maximiert. Miner stellen eine Liste der von ihnen ausgewählten Transaktionen zusammen und fügen sie ihrem Kandidatenblock hinzu.

Die Transaktionen im ausgewählten Block werden dann zusammen mit anderen Informationen (wie einem Verweis auf den vorherigen Block und einer zufälligen Zahl, dem Nonce) verwendet, um einen kryptographischen Hash zu berechnen. Der Miner versucht, eine Nonce zu finden, die, wenn sie zusammen mit den Blockdaten gehasht wird, zu einem Hash führt, der bestimmte Kriterien erfüllt (z. B. eine bestimmte Anzahl führender Nullen). Dies ist das "Proof-of-Work"-Problem, das sehr rechenintensiv ist.

Schritt 7: Bestätigung (Inclusion im Block)

Wenn ein Miner erfolgreich eine Nonce findet, die die Proof-of-Work-Anforderung erfüllt, hat er einen gültigen Block gemined. Dieser Block wird dann an das Netzwerk gesendet. Andere Knoten und Miner validieren den neuen Block (einschließlich der Gültigkeit aller enthaltenen Transaktionen) und wenn er gültig ist, fügen sie ihn an das Ende ihrer Kopie der Blockchain an. Die Transaktionen, die in diesem Block enthalten sind, gelten nun als bestätigt. Die erste Bestätigung ist erfolgt.

Die Bestätigung bedeutet, dass die Transaktion nun ein permanenter Teil des öffentlichen Ledgers ist. Die UTXOs, die als Inputs in dieser Transaktion verwendet wurden, können nun nicht mehr ausgegeben werden (sie gelten als verbraucht), und die neuen UTXOs, die als Outputs erstellt wurden, können nun von ihren jeweiligen Besitzern ausgegeben werden.

Schritt 8: Weitere Bestätigungen

Obwohl eine Transaktion bereits nach einer Bestätigung als gültig und in der Blockchain verankert gilt, warten Empfänger und Dienste oft auf zusätzliche Bestätigungen (z. B. 6 Bestätigungen), bevor sie eine Transaktion als endgültig und unumkehrbar betrachten. Jede weitere Bestätigung bedeutet, dass ein neuer Block auf dem Block, der die Transaktion enthält, gemined wurde. Dies erhöht die Sicherheit der Transaktion exponentiell, da es extrem unwahrscheinlich wird, dass eine alternative Blockchain-Version erstellt werden kann, die die ursprüngliche Transaktion ausschließt oder ändert. Mit jeder weiteren Bestätigung sinkt das Risiko eines potenziellen "Double Spending" dramatisch.

Wichtige Konzepte im Zusammenhang mit Bitcoin Transaktionen

Um das Funktionieren von Bitcoin-Transaktionen vollständig zu verstehen, sind einige Schlüsselkonzepte unerlässlich.

UTXOs (Unspent Transaction Outputs)

Wie bereits erwähnt, sind UTXOs das Herzstück des Bitcoin-Modells. Sie sind das, was tatsächlich von einer Person zur anderen "gesendet" wird. Man kann sich UTXOs als digitale Banknoten vorstellen, die jeweils einen bestimmten Wert haben und einem bestimmten öffentlichen Schlüssel gehören. Wenn Sie Bitcoin erhalten, erhalten Sie im Wesentlichen neue UTXOs. Wenn Sie Bitcoin ausgeben, geben Sie spezifische UTXOs aus, die Ihnen gehören, und schaffen dabei neue UTXOs für den Empfänger (und möglicherweise für sich selbst als Wechselgeld).

Die Summe aller UTXOs, die einer bestimmten Adresse oder einem Satz von Adressen gehören, repräsentiert den Saldo einer Wallet. Eine Transaktion muss immer die gesamten Werte der verwendeten Inputs (UTXOs) verbrauchen. Wenn der gesendete Betrag geringer ist als der Wert eines verwendeten UTXO, muss der Überschuss als Wechselgeld an eine Adresse zurückgesendet werden, die vom Absender kontrolliert wird.

Private und öffentliche Schlüssel

Jeder Bitcoin-Nutzer besitzt ein oder mehrere Paare aus einem privaten Schlüssel und einem öffentlichen Schlüssel. Der private Schlüssel ist ein geheimes Stück Daten (eine sehr große Zahl), das es dem Besitzer ermöglicht, Bitcoin-Transaktionen zu signieren. Er ist der eigentliche Beweis für den Besitz von Bitcoin-Werten. Der private Schlüssel sollte niemals jemand anderem bekannt gemacht werden.

Der öffentliche Schlüssel wird aus dem privaten Schlüssel abgeleitet, aber es ist kryptographisch extrem schwierig, den privaten Schlüssel vom öffentlichen Schlüssel abzuleiten. Die Bitcoin-Adresse ist in der Regel ein Hash des öffentlichen Schlüssels (oder eine komplexere Form, um sie benutzerfreundlicher zu machen). Die öffentliche Adresse ist das, was Sie anderen geben, damit diese Ihnen Bitcoin senden können. Der öffentliche Schlüssel (oder ein Hash davon) wird in den Outputs von Transaktionen verwendet, um die Bedingung festzulegen, wer diesen Output in Zukunft ausgeben darf. Nur der Besitzer des passenden privaten Schlüssels kann die notwendige Signatur erstellen, um diese Bedingung zu erfüllen und den UTXO auszugeben.

Die Blockchain

Die Blockchain ist das dezentrale, öffentliche Ledger, das alle Bitcoin-Transaktionen in chronologischer Reihenfolge speichert. Jeder neue Block enthält eine Reihe von bestätigten Transaktionen und einen kryptographischen Verweis auf den vorherigen Block, wodurch eine Kette entsteht. Sobald eine Transaktion in einem Block bestätigt und dieser Block an die Blockchain angehängt wurde, ist sie extrem schwer zu ändern oder zu entfernen. Die Unveränderlichkeit der Blockchain ist ein Schlüsselfaktor für die Sicherheit des Bitcoin-Systems.

Jeder volle Knoten im Netzwerk speichert eine vollständige Kopie der Blockchain und validiert jeden neuen Block und jede Transaktion anhand der Konsensregeln. Dies stellt sicher, dass alle Teilnehmer am Netzwerk eine übereinstimmende Sicht auf den Zustand des Ledgers haben.

Transaktionsgebühren (Fees)

Eine Transaktionsgebühr ist die Differenz zwischen der Summe der Inputs und der Summe der Outputs einer Transaktion. Diese Gebühr wird freiwillig vom Absender gezahlt und geht an den Miner, der die Transaktion in einen Block aufnimmt. Die Höhe der Gebühr beeinflusst die Geschwindigkeit, mit der eine Transaktion bestätigt wird. Miner priorisieren in der Regel Transaktionen mit höheren Gebühren, insbesondere wenn das Netzwerk ausgelastet ist und der Mempool groß ist.

Die Gebühr wird nicht als fester Betrag, sondern typischerweise pro Bytegröße der Transaktion berechnet. Komplexere Transaktionen (mit mehr Inputs oder Outputs) sind in der Regel größer und erfordern daher eine höhere Gebühr, um bei gleicher Gebührenrate pro Byte schnell bestätigt zu werden. Die Gebührenhöhe ist ein Marktmechanismus, der sich je nach Netzwerkaktivität und Kapazität der Blöcke ändert.

Transaktions-ID (TXID)

Jede Bitcoin Transaktion hat eine eindeutige Kennung, die als Transaktions-ID (TXID) oder Transaktions-Hash bekannt ist. Die TXID ist ein kryptographischer Hash der Transaktionsdaten. Sie dient als eindeutiger Fingerabdruck der Transaktion und ermöglicht es, die Transaktion in der Blockchain und im Mempool zu verfolgen. Mit der TXID kann jeder auf einem Blockchain-Explorer die Details einer Transaktion einsehen, einschließlich ihrer Inputs, Outputs und Bestätigungsanzahl.

Sicherheit und Unveränderlichkeit

Die Sicherheit von Bitcoin-Transaktionen basiert auf einer Kombination von Kryptographie und dem dezentralen Konsensmechanismus. Digitale Signaturen stellen sicher, dass nur der Besitzer des privaten Schlüssels eine Transaktion autorisieren kann. Die Validierung durch das Netzwerk von Knoten verhindert ungültige Transaktionen und Double-Spending-Versuche. Das Proof-of-Work-Mining und die Kettung der Blöcke machen die Blockchain manipulationssicher. Sobald eine Transaktion in einem Block bestätigt und dieser Block durch nachfolgende Blöcke weiter gesichert wird, ist es praktisch unmöglich, die Transaktion rückgängig zu machen oder zu ändern. Diese Unveränderlichkeit ist ein Kernmerkmal von Bitcoin.

Die Dezentralität des Netzwerks, bei dem Tausende von Knoten die Regeln durchsetzen und die Blockchain speichern, bedeutet, dass es keinen zentralen Punkt gibt, der angegriffen oder kontrolliert werden könnte, um Transaktionen zu manipulieren. Dies unterscheidet Bitcoin grundlegend von zentralisierten Zahlungssystemen.

Zusammenfassung

Eine Bitcoin Transaktion ist ein komplexer, aber genial konzipierter Prozess, der die Übertragung von Werten in einem dezentralen Netzwerk ermöglicht. Er beginnt mit der Erstellung und Signatur einer Transaktion durch eine Wallet, die auf UTXOs als Inputs zurückgreift. Die signierte Transaktion wird an das Netzwerk gesendet, wo Knoten sie validieren und in den Mempool aufnehmen. Miner wählen Transaktionen aus dem Mempool (oft basierend auf Gebühren) aus, um sie in einen neuen Block aufzunehmen. Sobald ein Block erfolgreich gemined und an die Blockchain angehängt wurde, gilt die Transaktion als bestätigt und ist ein dauerhafter Teil des öffentlichen Ledgers. Die Sicherheit und Unveränderlichkeit des Systems werden durch Kryptographie, das UTXO-Modell, den dezentralen Konsens und das Mining-Verfahren gewährleistet.

Das Verständnis dieser Schritte und Konzepte ist entscheidend, um zu wissen, wie Bitcoin-Werte bewegt werden und warum das System als sicher und vertrauenswürdig gilt, ohne auf zentrale Vermittler angewiesen zu sein. Jeder Schritt, von der Auswahl der Inputs bis zur endgültigen Bestätigung in der Blockchain, spielt eine wichtige Rolle im Gesamtsystem der Bitcoin-Transaktionsverarbeitung.

Die Gebührenstruktur, obwohl manchmal missverstanden, dient als wichtiger Anreiz für die Miner, die das Netzwerk sichern, und als Mechanismus zur Steuerung der Priorität von Transaktionen in Zeiten hoher Auslastung. Die Transaktions-ID schließlich bietet eine einfache Möglichkeit für jeden Teilnehmer, die Reise seiner Transaktion durch das Netzwerk und ihre Aufnahme in die Blockchain zu verfolgen.  bitcoin-wallet  zusammen bilden das robuste und transparente System der Bitcoin-Transaktionen.