Wie funktioniert Bitcoin? Ein Überblick für Einsteiger

Bitcoin ist digitales Geld – aber technisch funktioniert es völlig anders als ein Bankkonto. Es gibt weder eine zentrale Kontodatenbank noch Münzen, die in einer digitalen Geldbörse liegen. Stattdessen verwaltet ein weltweites Netzwerk Transaktionen nach festen Regeln. Kryptografie sorgt dafür, dass nur derjenige Bitcoin ausgeben kann, der dazu berechtigt ist.

Wer Bitcoin verstehen will, muss deshalb drei Dinge auseinanderhalten: die Blockchain als gemeinsames Transaktionsregister, die Wallet als Schlüsselverwaltung und das Mining, mit dem neue Blöcke erzeugt und die Transaktionshistorie abgesichert werden.

Der Bitcoin ist die bekannteste und älteste Kryptowährung. Seit seiner Einführung im Jahr 2009 hat er sich zu einem weltweiten Phänomen entwickelt. Doch wie funktioniert Bitcoin eigentlich? Warum ist er begrenzt? Was steckt hinter der Blockchain? Dieser Artikel erklärt die Grundlagen auf eine verständliche Weise.

Was ist Bitcoin?

Bitcoin ist ein digitales Zahlungssystem, das ohne zentrale Bank oder einen anderen zentralen Betreiber auskommt. Veröffentlicht wurde das Konzept 2008 unter dem Pseudonym Satoshi Nakamoto, Anfang 2009 nahm das Netzwerk seinen Betrieb auf.

Statt einer Bank führen viele Rechner im Bitcoin-Netzwerk nach gemeinsamen Regeln Buch über die bisherigen Transaktionen. Die Daten werden in einer Blockchain gespeichert. Wer Bitcoin versenden möchte, weist mit kryptografischen Signaturen nach, dass er über die entsprechenden Beträge verfügen darf.

Ein Bitcoin lässt sich in 100 Millionen kleinere Einheiten teilen. Die kleinste Einheit heißt Satoshi, kurz Sat. Ein Satoshi entspricht damit 0,00000001 Bitcoin.

Eine Wallet enthält streng genommen keine Bitcoin

Der Begriff „Wallet“ führt leicht in die Irre. Bitcoin liegen nicht wie digitale Geldscheine in einer Datei auf dem Smartphone oder auf einem Hardware-Wallet.

Eine Wallet verwaltet vielmehr kryptografische Schlüssel. Mit ihnen kann sie nachweisen, dass bestimmte Bitcoin ausgegeben werden dürfen.

Dafür sind vor allem zwei Arten von Schlüsseln wichtig:

• Private Key: Der private Schlüssel muss geheim bleiben. Mit ihm erzeugt die Wallet digitale Signaturen und kann damit das Recht nachweisen, bestimmte Bitcoin auszugeben.
• Public Key: Aus kryptografischen Informationen rund um den öffentlichen Schlüssel beziehungsweise aus den Bedingungen einer Transaktion lassen sich Bitcoin-Adressen erzeugen. Diese können weitergegeben werden, um Zahlungen zu empfangen.

Die Adresse ist also nicht einfach mit dem Public Key gleichzusetzen.

Wer ausschließlich seine Wallet-App verliert, hat deshalb nicht zwangsläufig auch seine Bitcoin verloren. Moderne Wallets lassen sich häufig über eine Recovery- oder Seed-Phrase wiederherstellen. Wer dagegen sowohl den Zugang als auch die Sicherung verliert, kann unter Umständen dauerhaft nicht mehr auf seine Bitcoin zugreifen.

Umgekehrt gilt: Wer eine Recovery-Phrase oder die entsprechenden privaten Schlüssel kennt, kann die damit kontrollierten Bitcoin ausgeben. Entsprechend sorgfältig müssen solche Daten geschützt werden.

Bitcoin kennt keine Kontostände wie eine Bank

Auch an einer zweiten Stelle unterscheidet sich Bitcoin deutlich vom normalen Zahlungsverkehr: Auf der Blockchain gibt es keine Konten, auf denen beispielsweise „0,5 Bitcoin“ als Guthaben verbucht sind.

Stattdessen arbeitet Bitcoin mit sogenannten Unspent Transaction Outputs, kurz UTXOs. Vereinfacht gesagt sind das noch nicht ausgegebene Beträge aus früheren Transaktionen.

Angenommen, eine Wallet verfügt über einen solchen Ausgang im Wert von 0,01 Bitcoin und möchte davon 0,006 Bitcoin ausgeben. Dann wird der bisherige Ausgang vollständig verwendet. Die neue Transaktion erzeugt beispielsweise einen Ausgang über 0,006 Bitcoin für den Empfänger und einen weiteren Ausgang mit dem verbleibenden Betrag für den Absender. Hinzu kommt die Transaktionsgebühr.

Was die Wallet als „Kontostand“ anzeigt, ist daher letztlich die Summe der Beträge, über die ihre Schlüssel verfügen können.

Was passiert bei einer Bitcoin-Überweisung?

Für Nutzer sieht eine Bitcoin-Zahlung relativ unspektakulär aus: Adresse eingeben oder QR-Code scannen, Betrag festlegen und Transaktion bestätigen.

Im Hintergrund läuft mehr ab.

1. Die Wallet erstellt eine Transaktion

Die Wallet wählt passende noch nicht ausgegebene Beträge aus früheren Transaktionen aus. Diese werden zu den Eingängen der neuen Transaktion.

Anschließend legt sie fest, wohin die neuen Ausgänge gehen sollen. Einer davon gehört dem Empfänger. Falls nötig, entsteht zusätzlich ein sogenannter Wechselgeld-Ausgang zurück an eine Adresse des Absenders.

2. Die Transaktion wird signiert

Mit dem privaten Schlüssel erzeugt die Wallet eine digitale Signatur. Damit lässt sich kryptografisch prüfen, ob die erforderliche Berechtigung zum Ausgeben der verwendeten Bitcoin vorliegt.

Der private Schlüssel selbst wird dabei nicht über das Netzwerk übertragen.

3. Die Transaktion gelangt ins Bitcoin-Netzwerk

Die signierte Transaktion wird an andere Teilnehmer im Peer-to-Peer-Netzwerk weitergegeben.

Full Nodes überprüfen dabei unter anderem, ob die Transaktion den Regeln entspricht und ob die verwendeten Beträge nicht bereits ausgegeben wurden.

Gültige, aber noch nicht in einen Block aufgenommene Transaktionen können zunächst im sogenannten Mempool der Nodes warten.

4. Miner nehmen Transaktionen in einen Block auf

Miner stellen aus gültigen Transaktionen Kandidaten für einen neuen Block zusammen. Da der Platz in einem Block begrenzt ist, spielen die angebotenen Transaktionsgebühren eine Rolle. Bei hoher Auslastung werden Transaktionen mit höheren Gebühren pro Datenmenge häufig bevorzugt aufgenommen.

5. Der Block wird bestätigt

Findet ein Miner einen gültigen Block, verteilt er ihn im Netzwerk. Die Nodes prüfen wiederum, ob der Block einschließlich seiner Transaktionen den Bitcoin-Regeln entspricht.

Akzeptieren die Teilnehmer den Block, wird er Teil der Blockchain.

Warum gibt es mehrere Bestätigungen?

Eine Transaktion gilt nicht in dem Moment als absolut unumkehrbar, in dem sie erstmals in einem Block auftaucht.

Nach dem nächsten gefundenen Block besitzt sie eine weitere Bestätigung, danach eine weitere. Je mehr Blöcke anschließend entstehen, desto größer würde der Aufwand, diesen Teil der Transaktionsgeschichte wieder zu verändern.

Bitcoin besitzt damit keine absolute sofortige Finalität, sondern eine mit der Zahl der Bestätigungen zunehmende Sicherheit.

Für kleine Zahlungen kann deshalb bereits eine geringe Zahl von Bestätigungen ausreichen. Bei größeren Beträgen warten Empfänger häufig länger.

Was genau machen Bitcoin-Miner?

Oft heißt es, Bitcoin-Miner würden komplizierte mathematische Rätsel lösen. Das vermittelt allerdings ein etwas falsches Bild.

Miner probieren vielmehr in sehr hoher Geschwindigkeit unterschiedliche Varianten eines Blockheaders aus und berechnen daraus immer wieder einen kryptografischen Hashwert. Gesucht wird ein Wert, der unterhalb eines vom Netzwerk vorgegebenen Zielwerts liegt.

Einen cleveren Lösungsweg gibt es nicht. Im Wesentlichen hilft nur, sehr viele Versuche durchzuführen. Moderne Bitcoin-Miner verwenden dafür spezialisierte Rechner, sogenannte ASICs.

Findet ein Miner einen passenden Hash, kann er seinen Block dem Netzwerk vorschlagen. Andere Teilnehmer können anschließend sehr schnell überprüfen, ob der gefundene Wert tatsächlich die Anforderungen erfüllt.

Dieses Verfahren heißt Proof of Work.

Wer genauer wissen möchte, warum dafür so viel Rechenleistung und elektrische Energie nötig sind, findet hier eine ausführlichere Erklärung: Wieso verbrauchen Kryptowährungen so viel Strom?

Warum entsteht ungefähr alle zehn Minuten ein Block?

Würde die weltweite Rechenleistung der Miner ständig steigen, würden ohne Gegenmaßnahme immer schneller neue Blöcke entstehen.

Bitcoin passt deshalb regelmäßig die Schwierigkeit des Mining-Verfahrens an. Nach jeweils 2016 Blöcken wird geprüft, wie lange deren Erzeugung gedauert hat. Daraus wird die Schwierigkeit für die folgenden Blöcke angepasst.

Das Ziel: Im langfristigen Mittel soll ungefähr alle zehn Minuten ein neuer Block entstehen.

Steigt die Rechenleistung stark an, erhöht sich bei der nächsten Anpassung typischerweise die Schwierigkeit. Fällt viel Rechenleistung weg, kann sie wieder sinken.

Woher kommen neue Bitcoin?

Der Miner eines gültigen Blocks darf eine besondere Transaktion erzeugen, die sogenannte Coinbase-Transaktion. Darüber erhält er neue Bitcoin sowie die Transaktionsgebühren aus seinem Block.

Die Zahl neu erzeugter Bitcoin ist jedoch nicht konstant.

Zu Beginn des Netzwerks betrug die Blocksubvention 50 Bitcoin. Nach jeweils 210.000 Blöcken – ungefähr alle vier Jahre – halbiert sie sich. Dieser Vorgang wird als Halving bezeichnet.

Seit dem Halving im April 2024 beträgt die Blocksubvention 3,125 Bitcoin. Künftige Halbierungen reduzieren sie weiter.

Nach den heutigen Konsensregeln nähert sich die insgesamt ausgegebene Menge dadurch langfristig einer Obergrenze von knapp 21 Millionen Bitcoin.

Diese Begrenzung bedeutet allerdings nicht, dass Bitcoin automatisch wertstabil ist oder wirtschaftliche Inflation verhindert. Sie legt lediglich fest, nach welchen Regeln neue Bitcoin entstehen.

Eine Änderung dieser Obergrenze wäre technisch nur über eine Änderung der Netzwerkregeln möglich und müsste von den Teilnehmern des Bitcoin-Ökosystems in ausreichendem Umfang akzeptiert werden.

Was macht die Blockchain manipulationsresistent?

Jeder Bitcoin-Block enthält unter anderem einen kryptografischen Verweis auf seinen Vorgänger. Dadurch entsteht eine Kette von Blöcken.

Würde jemand eine ältere Transaktion verändern, änderten sich die kryptografischen Daten des betreffenden Blocks. Der Angreifer müsste dessen Proof of Work und anschließend auch den Proof of Work der folgenden Blöcke neu berechnen – und gleichzeitig mit der weiterarbeitenden ehrlichen Blockchain konkurrieren.

Je weiter eine Transaktion zurückliegt, desto höher wird deshalb der Aufwand für eine nachträgliche Änderung.

Das macht die Blockchain nicht im mathematischen Sinne unveränderlich. Ihre Konstruktion sorgt vielmehr dafür, dass nachträgliche Manipulationen zunehmend aufwendig werden.

Mehr zur grundlegenden Technik finden Sie auch in unserem Überblick zur Blockchain.

Welche Rolle spielen Nodes?

Miner und Nodes werden bei Bitcoin häufig gleichgesetzt. Sie erfüllen jedoch unterschiedliche Aufgaben.

Miner konkurrieren darum, neue Blöcke zu erzeugen.

Full Nodes prüfen unabhängig, ob Transaktionen und Blöcke den Regeln des Bitcoin-Protokolls entsprechen. Ein Miner kann daher nicht einfach beliebige Bitcoin erzeugen oder ungültige Transaktionen in das Netzwerk einschleusen. Nodes würden einen Block ablehnen, der gegen ihre Konsensregeln verstößt.

Diese Aufgabenteilung ist ein wichtiger Bestandteil der dezentralen Struktur von Bitcoin.

Könnte jemand Bitcoin mit 51 % der Rechenleistung übernehmen?

Ein häufig genanntes Szenario ist der sogenannte 51-%-Angriff. Dabei kontrolliert ein Akteur oder eine Gruppe einen Großteil der weltweiten Mining-Leistung.

Damit ließen sich beispielsweise eigene jüngere Transaktionen unter bestimmten Bedingungen durch eine alternative Transaktionshistorie ersetzen oder bestimmte Transaktionen zeitweise zensieren.

Ein Angreifer könnte jedoch nicht einfach Bitcoin aus fremden Wallets übertragen. Dafür wären weiterhin gültige kryptografische Signaturen erforderlich.

Ein solcher Angriff wäre daher gravierend, ermöglicht aber keine beliebige Manipulation des Bitcoin-Systems.

Bitcoin ist öffentlich – aber nicht automatisch anonym

Die Transaktionen der Bitcoin-Blockchain sind öffentlich nachvollziehbar. Jeder kann sehen, welche Adressen miteinander Transaktionen durchgeführt haben und welche Beträge übertragen wurden.

Die Blockchain speichert dabei zunächst keine Namen oder Wohnadressen. Das bedeutet jedoch nicht, dass Bitcoin vollständig anonym ist.

Werden Bitcoin-Adressen einer Person oder einem Unternehmen zugeordnet – beispielsweise über eine Kryptobörse –, lassen sich Transaktionsströme unter Umständen weiterverfolgen.

Bitcoin wird deshalb treffender als pseudonym statt als anonym bezeichnet.

Wo liegen die Risiken?

Das Bitcoin-Protokoll selbst ist nur ein Teil des Gesamtsystems. Viele praktische Risiken entstehen an anderen Stellen.

Dazu gehören beispielsweise:

• schlecht gesicherte Wallets,
• Schadsoftware,
• Phishing,
• gestohlene Recovery-Phrases,
• unsichere Kryptobörsen,
• fehlerhafte Backups,
• Überweisungen an falsche Adressen.

Bei selbstverwahrten Bitcoin gibt es zudem keine Bank, die ein vergessenes Passwort zurücksetzt oder eine irrtümliche Zahlung storniert.

Wer Bitcoin dagegen bei einer Börse oder einem anderen Dienstleister verwahren lässt, gibt einen Teil dieser Kontrolle an den Betreiber ab. Ein solcher Anbieter kann Konten sperren oder selbst Ziel eines Angriffs werden.

Bitcoin selbst und die Verwahrung von Bitcoin sind deshalb zwei verschiedene Sicherheitsfragen.

Warum dauern Bitcoin-Zahlungen teilweise länger?

Die Bitcoin-Blockchain kann nur eine begrenzte Datenmenge verarbeiten. Bei hoher Nachfrage konkurrieren viele Transaktionen um den verfügbaren Platz in den nächsten Blöcken.

Das kann Gebühren steigen und Wartezeiten länger werden lassen.

Für schnelle Zahlungen gibt es zusätzliche Systeme oberhalb der eigentlichen Bitcoin-Blockchain. Bekanntestes Beispiel ist das Lightning Network. Zahlungen können dort über Zahlungskanäle abgewickelt werden, ohne jede einzelne Zahlung unmittelbar als eigene Transaktion in die Bitcoin-Blockchain schreiben zu müssen.

Die eigentliche Blockchain dient dabei weiterhin als Basisschicht.

Was unterscheidet Bitcoin von einer normalen Überweisung?

Der Unterschied liegt weniger darin, dass Geld digital übertragen wird. Das kann ein Bankkonto ebenfalls.

Anders ist vielmehr die technische Organisation.

Bei einer Bank führt eine zentrale Institution Konten, prüft Überweisungen und kann Buchungen unter bestimmten Voraussetzungen korrigieren oder Konten sperren.

Bei Bitcoin übernehmen verteilte Netzwerkteilnehmer diese Aufgaben nach gemeinsamen technischen Regeln. Wer selbst die privaten Schlüssel kontrolliert, benötigt zum Ausgeben seiner Bitcoin keine Freigabe einer Bank.

Damit geht allerdings auch Verantwortung auf den Nutzer über. Geht der Schlüssel beziehungsweise dessen Sicherung verloren, existiert keine zentrale Stelle, die den Zugang wiederherstellen kann.

Bitcoin in Kürze

Bitcoin kombiniert mehrere seit Langem bekannte technische Verfahren: Peer-to-Peer-Netzwerke, kryptografische Hashfunktionen, digitale Signaturen und Proof of Work.

Die Besonderheit liegt in ihrer Kombination. Dadurch kann ein weltweit verteiltes Netzwerk eine gemeinsame Transaktionshistorie führen, ohne dass eine zentrale Stelle jede Zahlung freigeben muss.

Eine Wallet speichert dabei nicht einfach digitale Münzen. Sie verwaltet Schlüssel. Transaktionen geben vorhandene Beträge aus früheren Transaktionen weiter. Nodes prüfen die Regeln, Miner erzeugen neue Blöcke, und der Proof of Work erschwert nachträgliche Änderungen.

Wer diese Zusammenhänge verstanden hat, hat den wichtigsten Teil von Bitcoin bereits entschlüsselt.

Quellen

• Bitcoin Developer Guide: Block Chain
• Bitcoin Developer Guide: Transactions
• Bitcoin Developer Guide: Wallets
• Bitcoin Developer Guide: Mining
• Bitcoin.org: Securing your wallet