Blockchain-Diagramm

Darstellung der Verbindung von Blöcken und Knoten in einem typischen Blockchain-System.

Ein Blockchain-Diagramm ist eine vereinfachte Darstellung der Datenstruktur, des Netzwerks, der Softwarekomponenten oder des Ablaufs der Transaktionsverarbeitung einer Blockchain. Gegenstand und Notation hängen vom jeweiligen Zweck ab. Ein Rechteck kann in einem Diagramm einen Block und in einem anderen einen Netzwerkteilnehmer darstellen; ein Pfeil kann eine kryptografische Referenz, eine Nachricht oder den nächsten Prozessschritt bezeichnen. Das Diagramm lässt sich daher nur anhand des genannten Protokolls, der Beschriftungen und der Legende richtig lesen.

Inhalt der Abbildung

Die Abbildung auf dieser Seite verbindet eine einfache Kettendarstellung mit einer Netzwerkansicht. Die drei Rechtecke in der Mitte stehen für Blöcke. In jedem Rechteck sind Daten, ein Hash und ein Feld für den Hash des vorherigen Blocks angegeben; dieser Wert stellt die kryptografische Referenz dar, die einen Block mit seinem Vorgänger verbindet. Die umgebenden Computersymbole stehen für Netzwerkteilnehmer.

Die Darstellung ist schematisch. Die Verbindungslinien bezeichnen keine bestimmten Peer-to-Peer-Nachrichten, und den Computersymbolen sind keine Rollen zugeordnet. Das Bild zeigt weder, welcher Teilnehmer einen Block vorschlägt, noch, wer ihn validiert, wie konkurrierende Historien aufgelöst werden oder wann eine Transaktion endgültig wird. Dafür ist ein protokollspezifisches Diagramm oder ein begleitender Text erforderlich.

Übliche Diagrammansichten

Kein einzelnes Diagramm erklärt alle Teile eines Blockchain-Systems. Diagramme lassen sich zweckmäßig nach der Frage einteilen, die sie beantworten:

• Ein Ketten- oder Datenstrukturdiagramm zeigt Blöcke, Header, Transaktionsdaten und kryptografische Referenzen zwischen Blöcken.
• Ein Transaktions- oder Prozessflussdiagramm verfolgt eine Transaktion oder einen Vorschlag durch Phasen wie Übermittlung, Weiterleitung, Validierung, Reihenfolgefestlegung, Aufnahme und Bestätigung.
• Ein Netzwerk- oder Topologiediagramm zeigt Peers und die Verbindungen, über die Transaktionen, Blöcke, Stimmen oder Synchronisierungsdaten weitergegeben werden.
• Ein Komponenten- oder Rollendiagramm trennt Softwarekomponenten und Zuständigkeiten der Beteiligten, beispielsweise Clients, Validatoren, Endorser oder einen Ordering Service.

Diese Kategorien sind eine Lesehilfe und keine standardisierte Blockchain-Notation. Ein Diagramm kann mehrere Ansichten verbinden; ohne unterschiedliche Symbole oder Beschriftungen können seine Pfeile jedoch mehrdeutig werden. Die aktuelle Dokumentation zur Ethereum-Knotenarchitektur unterscheidet beispielsweise Ausführungs-, Konsens- und optionale Validator-Clients, die lokale Schnittstelle zwischen den Clients sowie getrennte Peer-to-Peer-Netzwerke.

Blockkette

Ein einfaches Kettendiagramm ordnet Blöcke nacheinander an. Ein Block enthält normalerweise eine kryptografische Referenz auf seinen Vorgänger. Werden ältere Daten verändert, ändert sich daher auch der Wert, auf den spätere Blöcke verweisen. Dadurch wird eine Änderung erkennbar. Allein diese Verkettung macht ein Ledger jedoch nicht unveränderbar; die Manipulationsresistenz hängt außerdem von den Validierungs- und Konsensregeln des Netzwerks ab.

Diagramme stellen diese Beziehung häufig durch Rechtecke und Pfeile dar. Ein Pfeil bezeichnet hier eine mit einer kryptografischen Hashfunktion gebildete Referenz und keine Nachricht, die direkt von einem Block zum nächsten übertragen wird. Manche Protokolle können außerdem konkurrierende Zweige aufweisen; eine gerade Kette ist daher eine vereinfachte Ansicht der akzeptierten Historie.

Informationen in einem Block

Der Inhalt eines Blocks unterscheidet sich je nach Protokoll. Ein brauchbares Strukturdiagramm nennt deshalb das Protokoll, statt eine einzige Feldanordnung als universell darzustellen. Bei Bitcoin enthält der Block-Header beispielsweise eine Version, den Hash des vorherigen Block-Headers, eine aus den Transaktionen des Blocks abgeleitete Merkle-Wurzel, ein Zeitfeld, das codierte Proof-of-Work-Ziel und eine Nonce.

Mit der Merkle-Wurzel kann ein Diagramm viele Transaktionen durch einen einzigen Wert im Header zusammenfassen. Ein detailliertes Diagramm kann diesen Wert zu einem Baum aus Transaktions-Hashes auffächern, während eine Einführung nur die Wurzel und den Blockkörper zeigt.

Transaktions-, Netzwerk- und Konsensablauf

Ein Prozessdiagramm sollte zwischen dem Senden von Daten, ihrer Prüfung, ihrer Auswahl oder Reihenfolge, ihrer Aufnahme in einen Block und der Annahme oder Finalisierung der daraus entstehenden Historie unterscheiden. Protokolle verwenden nicht zwingend dieselben Phasen und weisen sie nicht immer denselben Teilnehmern zu.

Bei Bitcoin kündigen Peers Transaktionen und Blöcke an; andere Peers fordern Daten an, die ihnen fehlen, und vollständige Peers validieren empfangene Informationen selbstständig. Miner stellen Blockkandidaten zusammen und suchen nach einem Block-Header-Hash, der das Proof-of-Work-Ziel erfüllt. Ein geschürfter Block wird an Peers weitergegeben, doch Weiterleitung und Validierung sind getrennte Vorgänge.

Ethereum verwendet derzeit Proof of Stake. Seine Architektur trennt den Ausführungs-Client, der Transaktionen und Zustand verarbeitet, vom Konsens-Client, der dem Proof-of-Stake-Protokoll folgt; betreibt der Knoten einen Validator, kommt ein Validator-Client hinzu. Ein ausgewählter Validator schlägt einen Block vor, andere Validatoren prüfen ihn, und Fork-Choice- sowie Finalitätsregeln bestimmen die akzeptierte Historie.

Permissioned-Systeme können einen anderen Ablauf verwenden. Bei Hyperledger Fabric sendet ein Client einen Vorschlag an bestätigende Peers, die ihn simulieren und Bestätigungen zurückgeben, ohne das Ledger zu aktualisieren. Anschließend übermittelt der Client eine bestätigte Transaktion an den Ordering Service; die Peers validieren später die Transaktionen in den ausgelieferten Blöcken, hängen die Blöcke an und wenden gültige Zustandsänderungen an. Ein Fabric-Ablaufdiagramm benötigt deshalb Rollen- und Sequenzbeschriftungen, die in einem Diagramm zum Bitcoin-Mining nicht vorkommen würden.

Diagramme lesen und beurteilen

Vor der Verwendung eines Blockchain-Diagramms sollte geprüft werden:

1. Welche Hauptansicht zeigt es: Datenstruktur, Transaktionsprozess, Netzwerktopologie oder Komponentenrollen?
2. Welches Protokoll, Netzwerk und welche Softwareversion werden genannt? Ein unbeschriftetes, generisches Diagramm ist nur als konzeptionelles Modell zu verstehen.
3. Wofür steht jede Form? Wiederholte Computersymbole bedeuten nicht zwangsläufig, dass alle Teilnehmer dieselbe Rolle haben.
4. Welche Richtung und Bedeutung hat jeder Pfeil? Er kann eine Hashreferenz, eine Protokollnachricht, eine lokale Softwareverbindung oder die Prozessreihenfolge darstellen.
5. Sind gespeicherte Daten von übertragenen Nachrichten und die Transaktionsvalidierung von Blockvorschlag, Reihenfolge, Konsens und Finalität getrennt?
6. Gibt es eine Legende und sind Auslassungen angegeben? Verbindet das Diagramm mehrere Ansichten, sollten unterschiedliche Linienarten oder Beschriftungen die Beziehungen verdeutlichen.

Diese Prüfliste ist eine praktische Lesehilfe und kein formaler Diagrammstandard.

Einschränkungen

Ein Diagramm lässt bewusst Implementierungsdetails weg, um eine bestimmte Beziehung sichtbar zu machen. Es ist kein Beweis dafür, dass ein System dezentral, sicher, unveränderbar oder final ist. Diese Eigenschaften hängen vom vollständigen Protokoll, seinen Teilnehmern, seinen Bedrohungsannahmen und seinem Betrieb ab. Wenn das genaue Verhalten entscheidend ist, sollte das Diagramm zusammen mit der einschlägigen Spezifikation oder aktuellen technischen Dokumentation gelesen werden.