Bitcoin einfach erklärt: Full Nodes und Lightweight Nodes.

Blockchain und Konsensmechanismus

Der Einfachheit halber beziehen wir uns auf den Stand von Bitcoin etwa im Jahr 2020.
Wenn von "Blockchain" die Rede ist, dann meint man 10.000 Kopien derselben Blockchain. Diese Kopien befinden sich weltweit verteilt auf 10.000 unterschiedlichen Computern, die Personen oder Institutionen gehören, die sich in der Regel nicht kennen.

Diese 10.000 Computer, auch "Nodes" genannt (Knoten), kommunizieren über Internetverbindungen permanent miteinander: Längst nicht jeder mit jedem, aber jeder mit Einigen. Dies nennen wir der Einfachheit halber "Bitcoin Netzwerk". Einige der 10.000 Nodes sind so genannte "Miner" (wird später erklärt).
Auf allen 10.000 Computern läuft dieselbe Software, die wir der Einfachheit halber "Bitcoin Software" nennen.
Die Software führt auf jedem Computer mit der darauf gespeicherten Blockchainkopie fortlaufend Operationen durch, und vergleicht die Ergebnisse mit den Ergebnissen von anderen Computern des Bitcoin Netzwerkes. Durch die stetigen Vergleiche ergibt sich etwa alle 10 Minuten ein Konsens innerhalb des gesamten Netzwerkes: Alle 10.000 Computer werden sich alle 10 Minuten über etwas einig.
Dies wird Konsensmechanismus genannt.

Konsensmechanismus

Beim Konsensmechanismus passiert sehr viel gleichzeitig und vernetzt. Egal wie man anfängt zu erklären: Für den Moment bleiben immer Fragen offen, solange bis man das Gesamtbild erfasst hat. Doch irgendwann macht es "Klick" Bitcoin Miner Node

, und alle wesentlichen Zusammenhänge werden verstanden.

Das erste Bild stellt eine einzelne Kopie einer Blockchain schematisch dar. Im Moment sei es 11:30 Uhr (darauf wird später mehrfach Bezug genommen).

Das übergeordnete Funktionsprinzip ist:
Sobald die Rechenaufgabe eines Blocks gelöst wurde, werden alle im Block befindlichen Transaktionsdaten bestätigt. Aus den ursprünglichen Transaktionsanforderungen werden also bestätigte Transaktionen. Die Bestätigung wird als Übertrag in den nächsten Block übernommen. Dadurch wird die gesamte Blockchain kryptographisch abgesichert. Wenn also jemand versucht, beispielsweise an Block 500.000 etwas nachträglich zu ändern, dann wird nicht nur der Block 500.000 ungültig, sondern durch den nun ungültigen Übertrag auch Block 500.001, und wiederum durch den nun ungültigen Übertrag auch Block 500.002, usw.
Wenn also irgendein Block manipuliert würde, dann würden alle Blocks bis zur Gegenwart ungültig. Der Betreiber des Full Nodes würde das sofort merken, und den Fehler beheben. Ist der Betreiber selbst der Manipulator, dann stünde er vor dem Problem, "seine" gefälschte Blockchain den anderen 9.999 Full Node Betreibern als die Richtige zu verkaufen. Das wird niemals gelingen, weil sich die anderen 9.999 Full Nodes einig sind, und den Manipulator überstimmen werden. Etwas anders sieht die Lage aus, wenn sich sehr viele Manipulatoren zusammentun und planvoll gemeinsam gegen das restliche Bitcoinnetzwerk agieren. Dieses Szenario trägt den Namen "51% Attacke", und wird hier ganz kurz behandelt:

51% Attacken sind aus mehreren Gründen extrem unwahrscheinlich
Es würden daraus keine Gewinner hervorgehen, sondern nur Verlierer. Damit bleibt als einzige Motivation die Zerstörung von Bitcoin.

Die Blockchain besteht Anfang 2020 aus bereits etwa 600.000 Blöcken, die mittlerweile etwa 200 Gigabyte Speicher belegen. Das ist für einen aktuellen Computer noch gut handhabbar. Das erste Bild zeigt eine Kopie der Blockchain auf einem bestimmten Computer. Dieser Computer ist einer von 10.000 Full Nodes im gesamten Bitcoin Netzwerk. Einige Computer nehmen neben Full Nodes zusätzlich die Rolle so genannter Miner ein (wird später erklärt). Dabei handelt es sich um besonders leistungsfähige Computer, Stand 2020 genaugenommen bereits um kleinere Rechenzentren.
Um Bitcoin zu besitzen, und ggfs. Transaktionen durchzuführen, benötigt man Zugang zum Bitcoinnetzwerk, genauer gesagt, man selbst muss ein Knoten (Node) des Bitcoin Netzwerkes betreiben. Ein Node ist gleichzeitig eine Wallet. Welchen Begriff man verwendet, hängt davon ab, ob man die Eigenschaft "Geldspeicher", oder "Teilnehmer am Bitcoinnetzwerk" hervorheben möchte.

Abhängig vom Anspruch des Besitzers (Sicherheit, Anonymität, Dritten (nicht) zu vertrauen), und der Leistungsfähigkeit seines Endgerätes kann ein Node funktional sehr unterschiedlich ausgestaltet sein.
Das zweite Bild zeigt einen sehr kleinen Ausschnitt des Bitcoinnetzwerkes. Es soll verdeutlichen, dass es 3 unterschiedliche Arten von Teilnehmern gibt, entsprechend der funktionalen Ausgestaltung ihrer Nodes bzw. Wallets. Jede Wallet hat eine eindeutige Adresse, zu der ein bestimmter Key gehört, den nur der Walletbesitzer kennt.

Lightweight Nodes: Der massenhaft auftretende Bitcoin Benutzer.

Typischerweise auf Smartphones installiert.
Die Walletsoftware kümmert sich lediglich um die eigenen Transaktionen. Lightweight Nodes nehmen also weder an dem relativ komplexen "Bitcoinmechanismus" teil, der im Folgenden beschrieben wird, noch halten sie eine Kopie der Blockchain bereit. Lightweight Nodes sind für Ottonormalverbraucher gedacht, die

Bitcoin nicht geschäftsmässig nutzen, insbesondere nicht mit grossen Geldbeträgen umgehen, und daher die hohe Sicherheit, die ein Full Node bietet, nicht benötigen,
nicht aktiv an der Sicherheit des Bitcoinnetzwerkes teilnehmen wollen.

Beim Einrichten der Walletsoftware wird der Kontakt zu mindestens einem Full Node hergestellt.

Full Nodes: Der anspruchsvolle Bitcoin Benutzer. Wie man einen Full Node aufbaut, wird hier beschrieben.

Typischerweise auf PCs installiert.
Full Nodes machen das Bitcoinnetzwerk sicher, ohne daran unmittelbar zu verdienen. Sie sorgen dafür, dass der "Bitcoinmechanismus" streng nach Protokoll verläuft und alles, was auf die Blockchain kommt, valide ist. Full Nodes nehmen also an dem relativ komplexen "Bitcoinmechanismus" teil, und halten daher eine Kopie der Blockchain bereit. Full Nodes sind hauptsächlich gedacht für Bitcoin Benutzer, die Bitcoin geschäftsmässig nutzen, und daher grösstmögliche Sicherheit und Privatsphäre benötigen, denn nur Full Nodes sind "voll ausgebaute" Wallets. Die hohe Sicherheit folgt unmittelbar aus der aktiven Teilnahme am "Bitcoinmechanismus".
Typische Full Node Betreiber sind:

Grössere Händler, die Bezahlung mit Bitcoin anbieten
Börsenbetreiber
Privatpersonen, die mit grossen Beträgen umgehen.

Es gibt noch weitere Teilnehmer, die vom Betrieb eines Full Nodes profitieren:

Bitcoin Enthusiasten und Maximalisten.
Entwickler und Unternehmen, die mit bitcoinnahen Dienstleistungen zu tun haben:

Walletentwickler
Entwickler von Miningausrüstung

Andere interessierte Parteien:

Universitäten mit Fakultäten für Mathematik oder Informatik
Behörden (Polizei, Steuerfahndung)

Beim Einrichten eines Full Nodes wird der Kontakt zu mehreren anderen Full Nodes hergestellt.

Wiederholung (Kernaussage): Da Full Nodes eine Kopie der Blockchain bereithalten und am Konsensmechanismus teilnehmen, maximieren sie gleichzeitig die Sicherheit und Privatsphäre ihrer eigenen Wallet.

Miner:

Stand 2020 kleinere Rechenzentren.
Sie erfüllen dieselben Aufgaben wie die Full Nodes, und funktionieren auch wie Full Nodes.
Zusätzlich:

Sie verdienen unmittelbar am Betrieb des Bitcoinnetzwerkes. Für jede gelöste Rechenaufgabe gibt es nämlich eine bestimmte Anzahl Bitcoin Belohnung.

Die Belohnung besteht aus neu geschaffenen Bitcoins, daher ist das Mining in etwa mit der Geldschöpfung im klassischen Bankensystem vergleichbar.

Das dritte Bild betrachtet das Ganze aus etwas grösserer Höhe. Dargestellt ist ein Teil des Bitcoin Netzwerkes, bestehend aus 11 Full Nodes, von denen 2 sich am Lösen der Rechenaufgaben beteiligen (Miner). Weiterhin eine grössere Anzahl Lightweight Nodes (also Bitcoin Benutzer), die der Einfachheit halber nur schematisch als blaue Punkte gezeichnet, sowie jeweils immer nur mit einem Full Node verbunden sind.
Jeder Full Node kommuniziert via Internet mit mehreren anderen Full Nodes, wobei nicht jeder mit jedem, sondern jeder mit einigen kommuniziert.

Die Art der nun folgenden Beschreibungen soll ein Stück weit die Dynamik wiedergeben, die im Bitcoinnetzwerk herrscht.

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Mai 2020