Bitcoin &Blockchain

Prof. Dipl.-Ing. Klaus KnopperHochschule Kaiserslautern<klaus.knopper@hs-kl.de>

Bitcoin-Vortrag im Mai 2019

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Folie 1

Inhalt der Vorlesung

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í Das Blockchain-Prinzip,

í Grundsatzlicher Aufbau digitaler”Krypto-Wahrungen“ am

Beispiel Bitcoin: Adressen (public) vs. Keys (private), Trans-aktionsprotokoll in der Blockchain,∗)

í Sicherheitsaspekte: Verfugbarkeit, Integritat, Vertraulich-keit, Authentizitat,

í Rolle und Anwendungen von Bitcoin als Wertaufbewah-rung, Spekulationsobjekt und im Zahlungsverkehr,

í Aktuelle Gesetzeslage und Verfugbarkeit/Usability,

í andere Krypto-Wahrungen und Blockchain-Anwendungen.

∗)”low-tech“ Version

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Blockchain (Skizzen)

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Verkettete Blocke Langste gultige Sequenz

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Blockchain (Paradigma)

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Durch das Verfahren der Blockchain, in jedem neuen Blockdurch eine Prufsumme den jeweils vorhergehenden Festzu-schreiben, wird die zentrale Eigenschaft der Unverander-lichkeit gespeicherter Daten und die Falschungssicher-heit gewahrleistet.

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Was ist eine Blockchain eigentlich?

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í Zentrales (z.B. Finanzmarktwerkzeug) oder verteiltes (z.B. Bitcoin)Datenbank-Management-System,

í Ein Block enthalt Nutzdaten und signierte Prufsummen, mit denendie Daten verifiziert werden konnen,

í Jeder neue Block enthalt die signierte Prufsumme des vorherge-henden Blocks. Dadurch ist es unmoglich, einen fruheren Blockzu manipulieren, ohne dass die ganze darauf folgende Kette

”ungultig“ wird, (s. zentrale Eigenschaft der Unveranderlichkeit),

í Jeder Besitzer einer Blockchain-Kopie kann die enthaltenenBlocke vom ersten bis zum letzten anhand im Protokoll festgeleg-ter Regeln verifizieren,

í Existieren zwei konkurrierende Versionen einer Blockchain, so giltdie - unter Beachtung der Regeln - langste Version (und damitdie am schwersten zu falschende) als die gultige,

í Ein neuer Block wird nach bestimmten Regeln durch ein Kon-sensverfahren erzeugt + Proof-of-Work, + Proof-of-Stake, +

Proof-of-Burn, + Proof-of-Activity.

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Blockchain-Header

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Die sog. Meta-Daten eines Blocks:

1. kryptographisch sicherer Hash des vorhergehendenBlocks,

2. Zeitstempel,

3. Transaktions- oder Nutzdaten mit eigenen Hashes (s.a.+ Merkle Tree)

stellen die eigentliche Starke des Blockchain-Systems dar (s.nachste Folien). Hier spielen vor allem kryptographische Hash-und Signaturfunktionen eine Rolle, mit denen die Unverander-lichkeit und Authentizitat garantiert wird. + Beispiel

”digital

signiertes Dokument“. (Demo)

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Blockchain-Daten

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Die in der Blockchain gespeicherten Nutzdaten konnen,wie bei relationalen- und anderen Datenbanken, grundsatz-lich beliebiger Natur sein, z.B. konnte die Wikipedia-Datenbankin Form einer Blockchain gespeichert werden, was auch einluckenloses Nachvollziehen jeder Anderung erlaubt.

Allerdings ist es aus praktischen Uberlegungen nicht sinnvoll,die Blockchain fur beliebige Daten als

”Universal-Datenbank-

System“ zu nutzen...

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Eigenschaften einer Blockchain

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Vorteile:

í Transparenz: Nachvollziehbarkeit von Transaktio-nen/Vertragen,

í Festschreiben von Buchungen (alte Werte nichtnachtraglich anderbar),

í Falschungssicherheit, kaum manipulierbar bzw. Auf-wand immens hoch (51%-Attacke),

í bei verteilter/redundanter Variante: hohe Verfugbarkeit,sicher vor Datenverlust,

í bei verteilter/redundanter Variante: Kein Vertrauen inzentrale Instanz (Webseite/Anbieter) erforderlich, nurVertrauen zu beweisbarer Sicherheit mathemati-scher Algorithmen.

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Eigenschaften einer Blockchain

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Nachteile:í Standiges Wachstum: Alle Blocke bis zum allerersten mussen

dauerhaft gespeichert werden, um Nachvollziehbarkeit zu si-chern, daher sind langfristg nur

”kleine“ Datenmengen in jedem

Block sinnvoll (Prufsummen und Signaturen anstelle kompletterDokumente),

í Proof-of-Work ”Belohnungs“-Konzept fur das Signieren vonDaten und Generieren neuer Blocke ist sehr aufwandig(”Stromverbrauch einer Kleinstadt“ bei Bitcoin), s.a. + Mining (S.

17),í Algorithmische Umsetzung muss flexibel genug, aber fehlerfrei

sein, da eine ggf. erforderliche Anderung am Protokoll im Re-gelfall eine neue, inkompatible Version der Blockchainerzeugt + Fork

í Durch Konzentration von Rechenleistung in wenigen Pools (beiProof-of-Work) kann eine gefahrliche 51%-Situation entste-hen.

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Warum Krypto-Wahrungen?

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í Satoshi Nakamoto (Pseudonym) 2008: + White Paper zu ei-nem dezentralen Zahlungssystem mit

”Bargeld“-ahn-

lichen Eigenschaften, Open Source Implementierung (bit-coin core client),

í Unabhangigkeit von zentralen Instanzen, die denWert des Geldes kontrollieren (Zentral-Banken, Wahrungs-aufsicht etc.),

í Vertrauen eher in die Zuverlassigkeit von tech-nisch-mathematisch beweisbaren Verfahrenals in Vertrauenswurdigkeit von Einzelpersonen oderInstitutionen,∗)

í Ziel: einfacher, schneller und sicherer Transfer vonGeld.

∗) Transaktionsgebuhren sind im Netzwerk moglich und dienen der Erhaltung derInfrastruktur, sind aber von Staatsgrenzen und Geldinstituten unabhangig.

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Adressen vs. Keys

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í Grundlage ist die asymmetrische Verschlusselungund Signatur wie bei SSL/TLS mit offentlichen Zertifikatenund privaten Schlusseln, welche auch im WWW fur sichereTransaktionen (Shopping, Online-Banking) eingesetzt wird.

í Die Bitcoin-Adresse ist die ”offentliche Kontonum-mer“ , die Zahlungen empfangen kann, (entspricht

”public key“).

í Der zu dieser Adresse passende private key (bzw. secretkey) dient zur Autorisierung von Zahlungen (Senden vonBitcoins), er ist nur dem Eigentumer bekannt,

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Schematische Darstellung einer Transaktion

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Bitcoin Network

Protocol to Blockchainverifies/signs TransactionSign

BBTC

BBTC

Secret Key A

(public)

(public)

Bitcoin−Address A

Bitcoin−Address B

Die Bitcoin-Adresse ist in der Blockchain offentlich, wahrend der damit verbundene gehei-men Schlussel, mit dem Transaktionen durchgefuhrt werden konnen, nur dem Besitzer be-kannt ist.

Bitcoin-Uberweisungen sind daher auch nicht anonym sondern pseudonym: Alle Transaktio-nen sind luckenlos offentlich dokumentiert, jedoch gibt es keine offentliche Zuordnung zuden Besitzern der geheimen Schlussel.

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Verfugbarkeit von Bitcoin-Adressen

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í Mathematisch gesehen existiert eine riesige Mengevon Bitcoin-Adressen und dazu passenden privatenSchlusseln,

í Es ist theoretisch moglich, einen zu einer Bitcoin-Adresse gehorenden privaten Schlussel (vergl. Zu-gangspasswort beim Online-Banking) durch Ausprobierenzu erraten, die Wahrscheinlichkeit hierfur ist aber

”astronomisch“ gering (im Mittel 2255 ≈ 1077 Versuchebei einer Schlussellange von 256 Bit),

í Schlechte Zufallszahlen-Generatoren reduzieren allerdingsdie Anzahl der Bits, die bei einem brute-force-Angriff aus-probiert werden mussen.

í Beispiel Generator (Javascript):https://www.bitaddress.org/

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Bitcoin Codes (1)

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Die Codes fur offentliche Adresse und privaten Schlussel lassen sich als Zahlen- oderBuchstabenfolge (oft im + Base58-Format) sowie als + QR-Code darstellen und so-

mit leicht einscannen und elektronisch verarbeiten, zur einfachen Nutzung per Multi-

plattform Bitcoin-Applikation oder App: + Mycelium, Electrum, Bitcoin Core (komplette

Blockchain-Kopie).

1Test7KN1cqqV1CZnkA6Q7mPBwQFAKu88bitcoin:1Test7KN 1cqqV1CZn

kA6Q7mPB wQFAKu88

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Bitcoin Codes (2)

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Der Besitzer des private Key einer Bitcoin-Adresse kanndas Bitcoin-Guthaben ohne Widerrufsmoglichkeit, auch furden eigentlichen Eigentumer, transferieren oder ausgeben (d.h.ein

”Diebstahl“ ist moglich, wenn der private Key unzureichend

geschutzt ist!).Wer um die Sicherheit seines ggf. sehr hohen Bitcoin-Guthabensfurchtet, muss den fur den Transfer seiner Bitcoins notwendigenprivate Key allerdings nicht zwangslaufig auf einem Computerim Netzwerk oder uberhaupt digital speichern.∗)

í Paper-Wallet: Ausdruck des Public+Private-Keypaar auf Pa-pier, anschließend Zerstoren aller elektronischen Exemplaredes Private Key (Uberschreiben / sicheres Loschen),

í Brain-Wallet: Auswendig merken (!) des Private Key, z.B. als+ Base58-Zeichenkette oder kodiert als

”Gedicht“.

∗) Man bezeichnet ausschließlich”offline“ gespeicherte geheime Schlussel auch

als”Cold Wallet“.

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Transaktionsprotokoll: Die Blockchain

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í Alle Transaktionen werden kontinuierlich protokolliert und vonden Teilnehmern am Bitcoin-Netzwerk durch elektronische Signaturbestatigt,

í erst nach einer hinreichenden Anzahl von Bestatigungen durchdie Netzwerk-Teilnehmer ist eine Transaktion bestatigt,

í das Transaktionsprotokoll ist auch hier in Blocke aufgeteilt, die dieTransaktionen und weitere Protokolldaten enthalten, und die (bei Bitcoin)alle 10 Minuten erzeugt und dann vollstandig oder teilweise von allenNetzwerk-Teilnehmern gespeichert werden,

í bei ”core“-Clients fur das Bitcoin-Netzwerk werden alle bestatigtenTransaktionsblocke gespeichert (derzeit 150GB), bei

”light“-Clients

hingegen nur die den Teilnehmer betreffenden (z.B. Smartphone-Clients)sowie Links zu speziellen Servern,

í um Transaktionen zu falschen bzw. Betrage doppelt auszugeben mussteein Teilnehmer mehr als 50% des Bitcoin-Netzwerkes bzw. der Rechenleis-tung aller Teilnehmer besitzen.

+ http://blockchain.info

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Bitcoin Mining (1)

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Die von Satoshi Nakamoto vorgeschlagene Losung zum In-itialproblem der Wahrungsverfugbarkeit wurd durch den An-satz einer Belohnung (Proof-of-Work) fur dem Netzwerk zurVerfugung gestellte Rechenleistung gelost, wobei alle 10 Minu-ten ein neuer Block generiert wird, fur den es - derzeit 12,5 - Bit-coins als Belohnung fur die Losung einer sehr rechenintensivenkryptographischen Aufgabe - namlich das Generieren passen-der Daten zu einem teil vorgegebenen Block-Hash, gibt (+ De-mo: Vanity-Adressen-Berechnung).

Je mehr Rechenleistung im Netz verfugbar ist, desto rechenin-tensiver wird die kryptographische Aufgabe und der Rechen-aufwand fur den nachsten Block (die ”Difficulty“ steigt).

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Bitcoin Mining (2)

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Waren zu Beginn noch schnelle Prozessoren oder Grafikkartenausreichend, um den SHA256-basierten Rechenalgorithmus zum

”Schurfen“ von Bitcoins und Gewinnen im Wettbewerb um die

schnellste Losung als”Solo Miner“ durchzufuhren, so ist es inzwi-

schen nur noch mit Hilfe von + ASICs und im Zusammenschlussmit anderen

”Pool Minern“ moglich, einen signifikanten Anteil

an den 10-minutlich vergebenen Bitcoins zu erhalten. Hier uber-steigt, je nach Tauschkurs, der finanzielle Aufwand fur den Be-trieb (Strom, Kuhlung) mitunter den erzielten Profit, wodurch dasMining in den meisten Landern unrentabel gewordenist.

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Bitcoin Mining (3)

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Nach Berechnung aller 21 Millionen Bitcoins wird eine gewis-se Rechenleistung weiterhin fur die Signatur der Trans-aktionen benotigt, wofur dem Miner vom Sender eine Trans-aktionsgebuhr variabler Große angeboten werden kann,um diese Transaktion moglichst priorisiert/schneller bestatigt zubekommen.

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Wie viel ist ein Bitcoin wert? (1)

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í Die einfache (und offensichtliche) Antwort: So viel, wie je-mand dafur als Gegenwert zu geben bereit ist.

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Wie viel ist ein Bitcoin wert? (2)

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í Tauschwert mit FIAT-Geld wird wegen der systembedingtenAbwesenheit einer zentralen Kontrollinstanz ausschließlichbestimmt durch Angebot und Nachfrage (s.a. +

”Statistik“

[25]).

í Systembedingt deflationar (Oberes Limit: 21 Millionen Bit-coin, werden bei Verlust von Private Keys weniger, aber niemehr)...

í ... aber zukunftige Kaufkraftentwicklung oder Tauschkurssind kaum vorhersagbar, zumal es auch viele andere Kryp-towahrungen, die fur den taglichen Zahlungsverkehr bes-ser geeignet sind.

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Wie viel ist ein Bitcoin wert? (3)

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í Das gleiche gilt fur – ehemals als Sicherung fur FIAT-Wahrun-gen verwendete – seltene Guter wie Gold, die heute kei-nen

”realen“ Wert mehr besitzen, auch.

Ist Bitcoin”digitales Gold“?

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Rechtliche Aspekte von Bitcoin (1)

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í In einigen Landern ist der Zahlungsverkehr mit bzw. Um-tausch zwischen Landeswahrung (+

”Fiatgeld“) und

nicht staatlich kontrollierbaren Digitalwahrungen (Bitcoin,Altcoins etc.) den regulierten Banken untersagt, z.B. in Russ-land und China (kurioserweise nach wie vor die Lander mitdem großten Nutzerbestand),

í in Deutschland gilt Bitcoin derzeit als ”Rechnungsein-heit“ und der Handel nur bei langfristigen Anlagen alssteuerfreies ”(privates) Veraußerungsgeschaft“ ,wahrend + kurzfristige Spekulationsgewinne oder -Verluste(< 1 Jahr Haltezeit) aus Wahrungsvolatilitat/Borsenhandelzum aktuellen Kurs in e der Abgeltungssteuer(25%) unterliegen. Eine von manchen Finanzamternpostulierte Umsatzsteuer auf Bitcoin-Transaktionen wurdevom EUGh jedoch abgeschafft,

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Rechtliche Aspekte von Bitcoin (2)

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í die Regelungen des Geldwaschegesetzes etc.bezuglich Fiat-Wahrungen finden auf Bitcoin ebenfallsAnwendung, sind aber je nach Transaktionsart und An-onymisierungsgrad des Teilnehmers teils mehr, teils wenigerkontrollierbar (Transaktionsprotokoll ist offentlich, die Ei-gentumer der jeweiligen Adressen aber grundsatzlichnicht unmittelbar zuzuordnen).

+ Anonymisieren von Bitcoin-Transaktionen per”Mixer“

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Statistik: Bitcoin/USD-Tauschwert (1)

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Statistik: Bitcoin/USD-Tauschwert (2)

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Statistik: Bitcoin/USD-Tauschwert (3)

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Bitcoin-Akzeptanzstellen

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í Dezember 2017: 11279 in + OpenStreetMap eingetra-gene Akzeptanzstellen weltweit + http://coinmap.org

í Grundsatzlich keine”Registrierung“ notwendig (z.B. Bitcoin-

Adresse + generieren und einfach auf die Rechnung dru-cken), aber: landesspezifische Regeln zur Besteuerung undWahrungshandel mussen beachtet werden

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Bitcoin akzeptieren, e empfangen

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í Zahlungsakzeptanz in Bitcoin parallel zu Fiatgeld,aber

í Sofort-Umtausch eingenommener Bitcoin in e uberZahlungsdienstleister (z.B. Bitpay, ChainPay, GoCoin),dadurch

í Minimierung des Risiko durch Kursschwankungen.

í Vorteil der Zuverlassigkeit und Finalisierung beimGeldtransfer, Vereinfachung des internationalenGeldempfangs,

í Nachteil der Abhangigkeit vom Zahlungsdienst-leister, Gebuhren, umgetauschtes Fiatgeld e unter-liegt ebenfalls Wertschwankungen.

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Bitcoin akzeptieren, e empfangen - Schema

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BBTC

=CEUR

%

Zahlungs−Sender

Zahlungs−Dienstleister

A

Zahlungs−Empfänger

B

Gebühren

Der Dienstleister erhebt fur den transparenten Umtausch i.d.R. Gebuhren in Hohe von 1...2%vom Zahlungsempfanger.

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Bitcoin nativ akzeptieren, pro und contra (1)

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í Pro: Kein Zwischenhandel (außer geringe Transaktions-kosten des Bitcoin-Netzwerks),

í Pro: Langfristig zu erwartende Rendite durch inharenteDeflation der Bitcoin-Wahrung (Mengenbegrenzungauf 21 Mio. Grundeinheiten), steuerlich gunstiges Langzeit-Investitionsobjekt (1 Jahr halten = spekulationssteuerfrei),

í Contra: Stark schwankende Wechselkurse zu Fiat-Wahrungen,

í Contra: Risiko bis zum Totalverlust durch fehlgeleiteteRegulierungen oder ”Zocken“ .

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Bitcoin nativ akzeptieren, pro und contra (2)

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Mischform wird oft empfohlen: nur so viel Bitcoin”halten“, dass

Verlust verkraftet werden kann, den Rest umtauschen oder alsDirektzahlungsmittel fur Zulieferer mit Bitcoin-Akzeptanz verwen-den, sofern moglich.

In jedem Fall ist die sorgfaltige Sicherung der privaten Schlusselgegen Diebstahl oder Verlust Pflicht, wie bei Zugangscodeszum Online-Banking oder Kreditkartennummern! (s.a. Presse-Meldungen uber

”Borsen-Hacks“ in Japan und USA)

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Handeln mit Bitcoins - Banken und Borsen

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BBTC

=CEUR

BBTC

=CEUR

%

Bitcoin−Börse

Gebühren

Die Borse behalt fur jeden Trade i.d.R. Gebuhren in Hohe von 1...2% ein.

Beispiel: + Bitcoin.DE (ein Unternehmen der + Bitcoin Group SE in Kooperation mit der Fidor-Bank)

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Wertaufbewahrung und Spekulation

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Kontrar zur ursprunglichen Absicht eines Bargeld-ahnlichen Zah-lungsmittels, wird Bitcoin auch als

”digitales Gold“ gehandelt.

í Der Tauschwert von Bitcoin wird im wesentlichen durchAngebot und Nachfrage bestimmt, und hat, abgesehenvom Resourcenverbrauch beim Mining, keinen

”realen Ge-

genwert“. Letzteres trifft allerdings durchaus auch auf Fiat-Bargeld (

”Papiergeld“,

”Munzen“) zu.

í Durch den deflationaren Charakter ware bei steigenderoder auch gleichbleibender Nachfrage langfristig eineWertsteigerung vorprogrammiert.

í Keine Beeinflussung durch Zinspolitik, keine willkurlicheAnderung der Geldmenge: Vertrauensvorschuss.

í Vertrauen in Marktmechanismen und Regulierungen?

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Probleme der Bitcoin-Implementation (1)

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í Die geringe Blockgroße limitiert die Anzahl von Trans-aktionen pro Sekunde, was zu einem + Skalierungspro-blem fuhrt + Viele unbestatigte Transaktionen im Mem-pool, Transaktionsgebuhren sehr hoch. Bitcoin wird als Zah-lungsmittel fur

”kleine“ Kaufe gerade bei hohem Interesse

immer weniger brauchbar.

í Anderungen am Bitcoin-Protokoll bedingen eine HardFork der Blockchain, oder es muss spontan die Mehrheitder Miner und Anwender das neue Protokoll verwenden.

í Inharente Deflation durch die Mengenbegrenzung: Zuwertvoll zum Ausgeben.

í + Verlorengegangene Bitcoins (private Schlussel zerstortoder nicht mehr zuganglich) werden nicht ersetzt.

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Probleme der Bitcoin-Implementation (2)

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Andere Blockchain-Wahrungen losen einige dieser Problemebereits durch entsprechende Protokollmechanismen.

Bitcoin als”Leitwahrung“ ist gerade durch die große Verbreitung

aber unflexibel; eine technische Anderung des Protokolls ziehteine Fork nach sich, wodurch eine neue Wahrung entsteht. Dieswurde bereits mit + bislang maßigem Erfolg (

”Bitcoin Cash“) ver-

sucht.

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Altcoins: durchaus innovative”Nachahmer“

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í Litecon, Dogecoin, nationale Cryptowahrungen wie Au-roracoins, ...

í Funktionsprinzip ahnlich Bitcoin-Transaktionsprotokoll, unter-schiedliche Mengenbegrenzung und Initialverteilung, an-dere Algorithmen zum

”Mining“ und Transaktionsbestati-

gungen,

í inzwischen haben einige der Altcoins eine signifikante wirt-schaftliche Bedeutung und Marktkapitalisierung (in derSumme sogar mehr als Bitcoin), wahrend andere kurz nachdem

”Initial Coin Offering“ (ICO) wieder in der Bedeutungs-

losigkeit verschwunden sind.

Folie 37

Neue Entwicklungen - Blockchain ohne Bitcoin?

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Neben + ”Krypto-Geld“ hat das Prinzip der von jedermannverifizierbaren + Blockchain als offentliches Transaktions-protokoll weitere Anwendungsmoglichkeiten, die auch von er-klarten Gegnern elektronischer Wahrungen als wirtschaftlichzukunftsweisend bewertet werden.

í Notar-aquivalente Beglaubigungen: Einfugen vonDokumenten-Prufsummen mit Datum per Transaktion in dieBlockchain,

í Programme, Algorithmen und Meta-Informationen in der Blockchain: ethereum,

í Belohnungssysteme fur Teilnahme an wissenschaftli-chen Projekte mit Nachweis (

”proof-of-work“): gridcoin.

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Fragen & Antworten

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