Wie funktioniert die Basis-Transaktion von Bitcoin?

Die Bitcoin-Transaktion dekonstruiert: Das Fundament des digitalen Wertetransfers

Im Kern basiert Bitcoin auf einem einfachen, aber genial konzipierten System des Wertetransfers. Im Gegensatz zum traditionellen Bankwesen, bei dem Konten Salden halten, funktioniert Bitcoin eher wie ein digitales Bargeldsystem, bei dem jede Werteinheit über eine Serie von Transaktionen rückverfolgt wird. Dieser fundamentale Mechanismus, oft als "Basis-Transaktion" bezeichnet, ist der Grundstein, auf dem das gesamte Bitcoin-Netzwerk aufgebaut ist. Zu verstehen, wie diese Transaktionen strukturiert, validiert und aufgezeichnet werden, ist entscheidend, um die Sicherheit, Integrität und die operativen Prinzipien der weltweit ersten und größten Kryptowährung zu begreifen.

Das UTXO-Modell (Unspent Transaction Output): Digitales Bargeld in Aktion

Um zu verstehen, wie Bitcoin-Transaktionen funktionieren, muss man zuerst das Konzept des Unspent Transaction Output (nicht ausgegebener Transaktionsausgang) oder UTXO verstehen. Dieses Modell stellt einen Paradigmenwechsel gegenüber traditionellen kontenbasierten Systemen dar und ist zentral für das Design von Bitcoin.

Stellen Sie sich physisches Bargeld in Ihrer Brieftasche vor: Sie haben keinen "Kontostand" an Bargeld; stattdessen besitzen Sie spezifische Scheine in verschiedenen Stückelungen (z. B. einen 10-Euro-Schein, einen 20-Euro-Schein). Wenn Sie etwas bezahlen möchten, verwenden Sie diese spezifischen Scheine. Wenn ein Artikel 15 Euro kostet und Sie mit einem 20-Euro-Schein bezahlen, erhalten Sie 5 Euro Wechselgeld – einen neuen Schein.

Das UTXO-Modell von Bitcoin funktioniert ähnlich:

• Keine Kontostände: Bitcoin-Wallets halten technisch gesehen keinen "Saldo" im herkömmlichen Sinne. Stattdessen verwalten sie eine Sammlung von UTXOs, die durch die privaten Schlüssel der Wallet "ausgebbar" sind.
• Diskrete Werteinheiten: Jeder UTXO repräsentiert einen spezifischen, nicht ausgegebenen Betrag an Bitcoin, der ein Ausgang (Output) einer früheren Transaktion war. Er ist wie ein digitaler Schein oder eine Münze.
• UTXOs ausgeben: Wenn Sie eine Transaktion initiieren, wählt Ihre Wallet einen oder mehrere UTXOs aus, die Sie besitzen, um den Betrag zu decken, den Sie senden möchten. Diese ausgewählten UTXOs werden vollständig verbraucht (ausgegeben) und dienen als Inputs für Ihre neue Transaktion.
• Neue UTXOs werden erstellt: Die Transaktion generiert dann neue UTXOs als Outputs:
  • Einen UTXO für den Empfänger, der den gesendeten Betrag enthält.
  • Optional ein weiterer UTXO (der "Change-Output" oder das Wechselgeld), der an Ihre eigene Wallet zurückgeschickt wird, falls ein Restbetrag aus den verbrauchten UTXOs übrig bleibt, der nicht an den Empfänger gesendet oder als Gebühr bezahlt wurde.

Dieses UTXO-Modell bietet mehrere Vorteile, darunter verbesserte Privatsphäre (da Transaktionen nicht explizit mit Benutzerkonten, sondern nur mit öffentlichen Schlüsseln verknüpft sind), verbesserte Sicherheit gegen Double-Spending und eine größere Skalierbarkeit durch die parallele Verarbeitung von Transaktionen. Es stellt sicher, dass jede Bitcoin-Einheit rechenschaftspflichtig und von ihrem Ursprung (Mining) durch ihre gesamte Transaktionshistorie rückverfolgbar ist.

Die Anatomie einer Bitcoin-Transaktion

Jede Bitcoin-Transaktion ist eine Datenstruktur, die aus mehreren Schlüsselkomponenten besteht. Diese Struktur stellt sicher, dass Werte sicher über das Netzwerk übertragen und verifiziert werden können.

Transaktions-Inputs

Inputs geben an, woher der ausgegebene Bitcoin kommt. Jeder Input verweist auf einen spezifischen UTXO aus einer vorherigen Transaktion.

1. Transaction ID (TXID) des vorherigen Outputs: Eine eindeutige Identifikationsnummer (Hash) der Transaktion, die den auszugebenden UTXO erstellt hat.
2. Output Index (Vout): Eine Nummer, die angibt, welcher spezifische Output aus dieser vorherigen Transaktion ausgegeben wird (eine Transaktion kann mehrere Outputs haben).
3. Unlocking Script (ScriptSig): Dies ist der entscheidende Teil, der den Besitz beweist und die Ausgabe autorisiert. Für eine Standard-P2PKH-Transaktion (Pay-to-Public-Key-Hash) enthält das ScriptSig normalerweise:
   • Digitale Signatur: Erstellt durch den privaten Schlüssel des Senders, die einen Hash der aktuellen Transaktionsdaten signiert. Dies beweist, dass der Sender die Transaktion autorisiert hat, ohne seinen privaten Schlüssel preiszugeben.
   • Public Key: Abgeleitet vom privaten Schlüssel des Senders. Das Netzwerk verwendet diesen, um die digitale Signatur gegen den Public-Key-Hash zu verifizieren, der im Locking-Script des vorherigen UTXO eingebettet ist.

Transaktions-Outputs

Outputs geben an, wohin der Bitcoin geht und unter welchen Bedingungen er in Zukunft ausgegeben werden kann.

1. Value: Der Betrag an Bitcoin (in Satoshis, der kleinsten Einheit von Bitcoin), der an diesen Output gesendet wird.
2. Locking Script (ScriptPubKey): Auch bekannt als "Spending Condition" oder "Script-Hash". Dieses Skript definiert die Bedingungen, die erfüllt sein müssen, damit dieser Output in einer zukünftigen Transaktion ausgegeben werden kann. Bei einem Standard-P2PKH-Output enthält es normalerweise den Hash des öffentlichen Schlüssels des Empfängers. Um diesen Output auszugeben, muss der Empfänger eine digitale Signatur vorlegen, die mit dem privaten Schlüssel erstellt wurde, der zu diesem Public-Key-Hash gehört, zusammen mit seinem öffentlichen Schlüssel.

Weitere Transaktionsfelder

Über Inputs und Outputs hinaus enthält eine Bitcoin-Transaktion weitere wichtige Informationen:

• Versionsnummer: Gibt die Version der Transaktionsdatenstruktur an, was zukünftige Protokoll-Upgrades ermöglicht.
• Locktime (oder nLocktime): Ein optionales Feld, das einen Zeitpunkt oder eine Blockhöhe spezifiziert, vor der eine Transaktion nicht in einen Block aufgenommen werden kann. Dies kann für zeitgesteuerte Verträge genutzt werden. Eine Locktime von 0 (oder weniger als 500 Millionen) bedeutet, dass die Transaktion sofort aufgenommen werden kann.
• Witness-Daten (SegWit-Transaktionen): Für Transaktionen, die das Segregated Witness (SegWit)-Protokoll nutzen, werden Signaturdaten (Witness-Daten) in einer separaten Struktur gespeichert. Dies hilft, den Blockplatz zu optimieren und Probleme mit der Transaktionsmalleabilität zu beheben.

Die gesamte Transaktionsdatenstruktur (ohne Witness-Daten bei SegWit) wird dann kryptografisch gehasht, um die Transaction ID (TXID) zu erzeugen, eine eindeutige Kennung für diese spezifische Transaktion.

Erstellung und Broadcasting einer Transaktion

Wenn Sie sich entscheiden, Bitcoin zu senden, führt Ihre Wallet-Software im Hintergrund mehrere kritische Schritte aus:

1. UTXO-Auswahl: Ihre Wallet scannt die Blockchain, um alle UTXOs zu identifizieren, die mit Ihren privaten Schlüsseln ausgebbar sind. Sie wählt dann eine Kombination dieser UTXOs aus, deren Gesamtwert gleich oder größer als der Betrag ist, den Sie senden möchten, zuzüglich etwaiger Transaktionsgebühren.
2. Erstellung der Outputs:
   • Ein primärer Output wird für die Adresse des Empfängers erstellt, der den angegebenen Bitcoin-Betrag enthält.
   • Wenn der Gesamtwert der ausgewählten UTXOs den gesendeten Betrag plus Gebühr übersteigt, wird ein "Wechselgeld-Output" (Change Output) generiert. Dieser sendet den Restbetrag zurück an eine neue Adresse, die von Ihrer Wallet kontrolliert wird, was die Privatsphäre erhöht, da Adressen nicht wiederverwendet werden.
3. Berechnung der Transaktionsgebühr: Die Differenz zwischen dem Gesamtwert der Inputs und dem Gesamtwert der Outputs (Empfänger + Wechselgeld) ergibt die Transaktionsgebühr. Diese wird von dem Miner eingezogen, der die Transaktion in einen Block aufnimmt. Wallets schätzen Gebühren oft basierend auf der Netzwerküberlastung und der Datengröße der Transaktion.
4. Digitale Signierung: Jeder Input in der Transaktion muss mit dem privaten Schlüssel digital signiert werden, der zum öffentlichen Schlüssel gehört, welcher den jeweiligen UTXO kontrolliert. Dieser Signiervorgang nutzt den Elliptic Curve Digital Signature Algorithm (ECDSA) und erzeugt für jeden Input eine eindeutige Signatur basierend auf den Transaktionsdaten. Diese Signatur beweist, dass der Eigentümer die Ausgabe autorisiert hat, ohne den privaten Schlüssel zu offenbaren.
5. Zusammenbau der Transaktion: Alle diese Komponenten – ausgewählte Inputs, erstellte Outputs, Signaturen und andere Felder – werden zu einer vollständigen Transaktionsdatenstruktur zusammengefügt.
6. Broadcasting (Übertragung): Die fertig konstruierte und signierte Transaktion wird dann an das Bitcoin-Netzwerk gesendet (broadcasted).

Transaktionsvalidierung: Die Gatekeeper des Netzwerks

Nach Erhalt einer übertragenen Transaktion beginnen Bitcoin Full Nodes sofort mit einem strengen Validierungsprozess, bevor sie diese an andere Nodes weiterleiten. Diese mehrstufige Verifizierung ist entscheidend für die Aufrechterhaltung der Netzwerkintegrität und zur Verhinderung ungültiger oder bösartiger Transaktionen.

So validieren Nodes eine Transaktion:

1. Syntaktische und strukturelle Prüfungen:

   • Format: Ist die Transaktion gemäß den Bitcoin-Protokollregeln korrekt formatiert?
   • Größe: Hält sie die maximalen Größenbeschränkungen ein?
   • Version: Ist die Versionsnummer gültig?
   • Wertebereiche: Liegen alle Werte (Inputs, Outputs) in gültigen Bereichen (z. B. nicht negativ, übersteigt nicht das Gesamtangebot an Bitcoin)?
   • Signaturanzahl: Ist die Anzahl der Signaturen für den verwendeten Skripttyp korrekt?

2. Existenz und Status der referenzierten UTXOs:

   • Unspent: Für jeden Input muss der referenzierte UTXO existieren und – ganz wichtig – nicht ausgegeben sein. Dies ist der primäre Schutz gegen Double-Spending. Nodes prüfen dazu ihre lokale Kopie des UTXO-Sets (eine Datenbank aller aktuell nicht ausgegebenen Outputs).
   • Maturity (Reifezeit): Wenn der UTXO eine Coinbase-Belohnung ist (aus dem Mining eines Blocks), muss er eine Reifezeit (normalerweise 100 Blöcke) hinter sich haben, bevor er ausgegeben werden kann.

3. Skript-Verifizierung:

   • Für jeden Input führt der Node einen Prozess zur Skriptverifizierung aus. Er kombiniert das ScriptSig (vom Input) mit dem ScriptPubKey (vom referenzierten UTXO). Dieses kombinierte Skript wird dann vom Bitcoin-Script-Interpreter ausgeführt.
   • Das Skript muss "TRUE" ergeben, damit der Transaktions-Input gültig ist. Hier wird die digitale Signatur gegen den im Locking-Script des UTXO angegebenen Public-Key-Hash verifiziert, was die Autorisierung beweist.

4. Konsistenzprüfungen der Werte:

   • Inputs vs. Outputs: Die Summe aller Bitcoin-Werte in den Inputs muss größer oder gleich der Summe aller Werte in den Outputs sein.
   • Keine neuen Bitcoins: Neue Bitcoins können nicht aus dem Nichts erschaffen werden. Die Differenz zwischen Inputs und Outputs ist die Transaktionsgebühr, die an den Miner geht.

5. Locktime-Prüfung: Wenn eine nLocktime spezifiziert ist, kann die Transaktion erst dann in einen Block aufgenommen werden, wenn die aktuelle Blockhöhe oder Zeit den nLocktime-Wert überschritten hat.

Erst nachdem alle diese Prüfungen bestanden wurden, gilt eine Transaktion als valide. Valide Transaktionen werden dann dem Memory Pool (Mempool) des Nodes hinzugefügt und an andere verbundene Nodes weitergeleitet.

Aufnahme in einen Block: Der Weg zur Bestätigung

Validierte Transaktionen warten im Mempool auf die Aufnahme in einen Block. Hier kommt das Bitcoin-Mining ins Spiel:

1. Miner-Auswahl: Bitcoin-Miner überwachen kontinuierlich den Mempool und wählen Transaktionen aus, die sie in den neuen Block aufnehmen möchten, den sie zu minen versuchen. Miner bevorzugen Transaktionen mit höheren Gebühren pro Byte, da dies ihre potenzielle Belohnung erhöht.
2. Block-Konstruktion: Der Miner stellt einen Kandidaten-Block zusammen, der einen Header (mit Details wie dem Hash des vorherigen Blocks, Zeitstempel, Difficulty Target und dem Merkle-Root der Transaktionen) und die gewählten Transaktionen enthält.
3. Proof-of-Work: Der Miner verrichtet dann intensive Rechenarbeit und versucht, eine "Nonce" (eine Zufallszahl) zu finden, die zusammen mit den Block-Header-Daten gehasht ein Ergebnis liefert, das unter dem aktuellen Schwierigkeitsziel (Difficulty Target) des Netzwerks liegt. Dies ist der "Proof-of-Work" (PoW).
4. Block-Propagierung: Sobald ein Miner eine gültige Nonce findet, sendet er den neu geminten Block an das Netzwerk.
5. Block-Validierung: Andere Nodes empfangen den Block und verifizieren schnell seine Gültigkeit:
   • Enthält der Block-Header einen gültigen Proof-of-Work?
   • Sind alle Transaktionen innerhalb des Blocks einzeln valide und nicht ausgegeben (Abgleich mit ihrem aktuellen UTXO-Set)?
   • Entspricht der Block allen Konsensregeln (z. B. Blockgrößenlimit, valide Coinbase-Transaktion)?
6. Bestätigung: Wenn der Block valide ist, fügen Nodes ihn ihrer Kopie der Blockchain hinzu. Zu diesem Zeitpunkt erhalten die Transaktionen in diesem Block ihre erste "Bestätigung" (Confirmation). Je mehr Blöcke auf diesen Block aufgesetzt werden, desto mehr Bestätigungen erhält die Transaktion, was sie zunehmend irreversibel und sicher macht. Händler und Börsen warten üblicherweise eine bestimmte Anzahl von Bestätigungen ab (z. B. 6), bevor sie eine Transaktion als final betrachten.

Transaktionsgebühren: Der Treibstoff des Netzwerks

Transaktionsgebühren sind ein integraler Bestandteil des Bitcoin-Ökosystems und dienen zwei primären Zwecken:

1. Anreize für Miner: Gebühren entschädigen Miner für ihre Rechenleistung und sichern das Netzwerk. Ohne Gebühren hätten Miner weniger Anreize, Transaktionen zu verarbeiten, sobald die Blockbelohnung (Block Reward) irgendwann vernachlässigbar wird.
2. Verhinderung von Netzwerk-Spam: Gebühren schrecken böswillige Akteure davon ab, das Netzwerk mit einer riesigen Anzahl winziger, wirtschaftlich unbedeutender Transaktionen zu fluten, die ansonsten Netzwerkressourcen verbrauchen würden.

Transaktionsgebühren basieren nicht auf dem überwiesenen Bitcoin-Betrag, sondern auf der Datengröße der Transaktion (in Bytes) und der aktuellen Netzwerküberlastung. Wallets berechnen Gebühren normalerweise basierend auf einer Rate von "Satoshis pro Byte". Wenn das Netzwerk stark ausgelastet ist, steigt diese Rate tendenziell an, da Benutzer um den Platz im Block konkurrieren, indem sie höhere Gebühren anbieten.

Ein anschauliches Beispiel: Alice bezahlt Bob

Verfolgen wir eine einfache Transaktion: Alice möchte 0,5 BTC an Bob senden.

1. Wallet-Scan bei Alice: Alices Wallet stellt fest, dass sie zwei UTXOs hat:

   • UTXO A: 0,3 BTC (aus einer früheren Transaktion mit Charlie)
   • UTXO B: 0,4 BTC (aus einer früheren Transaktion mit David)
   • Gesamt verfügbar: 0,7 BTC

2. UTXO-Auswahl: Um 0,5 BTC zu senden, muss ihre Wallet diesen Betrag plus eine Gebühr decken. Sie entscheidet sich, UTXO B (0,4 BTC) und UTXO A (0,3 BTC) zu verwenden, insgesamt also 0,7 BTC.

3. Konstruktion der Transaktion:

   • Inputs:
     • Input 1: Referenziert UTXO A (0,3 BTC), enthält Alices Signatur für UTXO A.
     • Input 2: Referenziert UTXO B (0,4 BTC), enthält Alices Signatur für UTXO B.
   • Outputs:
     • Output 1: 0,5 BTC an Bobs Public-Key-Hash.
     • Output 2 (Wechselgeld): Alice berechnet die Gebühr. Wenn die Netzwerkrate eine Gebühr von 0,0001 BTC für diese Transaktionsgröße vorsieht, dann gilt: 0,7 BTC (Inputs) - 0,5 BTC (an Bob) - 0,0001 BTC (Gebühr) = 0,1999 BTC. Diese 0,1999 BTC werden an eine neue Adresse zurückgesendet, die von Alices Wallet kontrolliert wird.

4. Signierung und Broadcasting: Alices Wallet signiert die Transaktion kryptografisch und überträgt sie dann an das Bitcoin-Netzwerk.

5. Netzwerk-Validierung: Full Nodes empfangen die Transaktion:

   • Sie verifizieren, dass UTXO A und UTXO B existieren und tatsächlich nicht ausgegeben sind.
   • Sie führen die Skripte aus und prüfen Alices Signaturen gegen die Public-Key-Hashes in den ursprünglichen Locking-Skripten von UTXO A und UTXO B.
   • Sie prüfen, ob Inputs (0,7 BTC) >= Outputs (0,5 BTC + 0,1999 BTC) sind. Die Differenz von 0,0001 BTC ist die implizite Gebühr.
   • Wenn alle Prüfungen bestanden sind, wird die Transaktion dem Mempool hinzugefügt.

6. Mining und Bestätigung: Ein Miner wählt diese Transaktion (zusammen mit anderen) für einen neuen Block aus. Nach dem Finden eines gültigen Proof-of-Work wird der Block der Blockchain hinzugefügt. Alices Transaktion erhält ihre erste Bestätigung, und Bob besitzt nun die 0,5 BTC als neuen UTXO.

Die beständige Stärke des Bitcoin-Transaktionsmodells

Das Design des Bitcoin-Basis-Transaktionsmechanismus, das auf UTXOs und robuster kryptografischer Validierung basiert, bietet fundamentale Vorteile, die sein Wertversprechen untermauern:

• Sicherheit: Digitale Signaturen und der Proof-of-Work-Mechanismus stellen sicher, dass Transaktionen echt autorisiert und nach der Bestätigung praktisch irreversibel sind, was Betrug und Double-Spending verhindert.
• Dezentralisierung: Keine einzelne Instanz kann Transaktionen einseitig genehmigen oder ablehnen. Netzwerk-Nodes validieren unabhängig nach vereinbarten Regeln.
• Transparenz und Prüfbarkeit: Obwohl pseudonym, wird jede Transaktion öffentlich auf der Blockchain aufgezeichnet, sodass jeder die Bewegung von Werten verifizieren kann.
• Verhinderung von Doppelausgaben: Das UTXO-Modell und die netzwerkweite Validierung nicht ausgegebener Outputs machen es extrem schwierig, denselben Bitcoin zweimal auszugeben – ein Problem, das digitale Währungen vor Bitcoin stets begleitete.

Dieses präzise Zusammenspiel aus UTXO-Auswahl, Skript-Ausführung, kryptografischer Signierung und dezentraler Validierung stellt sicher, dass jede Bitcoin-Transaktion ein sicherer, verifizierbarer und unveränderlicher Beleg für einen Wertetransfer ist und somit das belastbare Rückgrat des gesamten Bitcoin-Netzwerks bildet.