Wie die Blockchain-Technologie die Dateispeicherung praktischer und kostengünstiger macht

Die Speicherung von Dateien auf der Blockchain ist ein zentrales Diskussionsthema unter Blockchain-Enthusiasten und -Entwicklern. Zwar ist es technisch möglich, Dateien direkt auf der Blockchain zu speichern, doch ist dies aufgrund hoher Kosten und begrenzter Speicherkapazität nicht praktikabel. Daher möchten wir alternative Lösungen für die dezentrale und kostengünstige Dateispeicherung mithilfe der Blockchain-Technologie untersuchen.

Warum das direkte Speichern von Dateien auf der Blockchain nicht praktikabel ist

Dateien direkt auf der Blockchain zu speichern, mag zwar eine logische Lösung für dezentrale Dateispeicherung sein, ist aber in der Praxis nicht praktikabel. Es gibt mehrere Gründe, warum die direkte Speicherung von Dateien auf der Blockchain nicht realisierbar ist.

Erstens kann das Speichern von Dateien auf der Blockchain extrem teuer sein. Blockchain-Transaktionen werden mit „Gas“ abgewickelt, einer Gebühr, die an das Netzwerk für die Ausführung einer Transaktion entrichtet wird. Die Kosten für das Speichern einer Datei auf der Blockchain sind proportional zu ihrer Größe. Beispielsweise würde das Speichern einer 1 MB großen Datei auf der Ethereum Blockchain zum Zeitpunkt der Veröffentlichung dieses Artikels allein an Gasgebühren rund 57.332,91 US-Dollar kosten, was für die meisten Nutzer keine praktikable Option darstellt.

Bei Ethereumwird die Blockgröße nicht durch die maximale Größe, sondern durch das Gaslimit bestimmt. Das Gaslimit ist die maximale Menge an Gas (oder Energieeinheiten), die ein Nutzer für den Abschluss einer Transaktion benötigt. Ein höheres Gaslimit bedeutet einen höheren Aufwand für die Durchführung einer Transaktion. Diese Kosten variieren mit der Transaktionslast im Ethereum Netzwerk.

Beispielsweise benötigt man etwa 640.000 Gas, um 1 Kilobyte Daten in einem Block zu speichern (bei einem Standard-Gaspreis von 20.000). Ethereum hat derzeit ein Blocklimit von 15 Millionen Gas, das je nach Bedarf auf 30 Millionen erhöht werden kann. Daher kann die Blockgröße in Ethereum abhängig vom Gaslimit – bis zu 46 Kilobyte betragen.

Um die hohen Kosten der Speicherung von Dateien auf der Blockchain zu verdeutlichen, nehmen wir die Ethereum -Blockchain als Beispiel. 

Die Kosten für die Speicherung von 1 kB auf Ethereum

Ethereum speichert Daten in Slots. Jeder Slot hat eine Größe von 256 Bit.

Laut dem Yellow Paper von Ethereumbenötigt man 20.000 Gas, um einen einzelnen Slot von 256 Bit zu speichern. 

8 Bit ergeben ein Byte, daher entspricht ein Slot 32 Byte (256/8 = 32 Byte).

1 KB entspricht 1024 Byte, also hat es 32 Slots (1024 Byte / 32 Byte = 32 Slots).

Die zur Speicherung von 1 kB benötigte Gasmenge beträgt 32 Speicherplätze * 20.000 Gas = 640.000 Gas

Um die Datei in das Feld der Anrufdatentransaktion aufzunehmen, fallen zusätzliche Gaskosten an. 

Jedes Byte kostet 16 Gas, die Gesamtzahl beträgt also 32 Slots * 32 Bytes * 16 Gas = 16.384 Gas

Die Grundgebühr für Gastransaktionen beträgt 21.000 Gaseinheiten

Die insgesamt benötigte Gasmenge zur Speicherung von 1 kb beträgt also 640.000 + 16.384 + 21.000 = 677.384 kb

1 Gas entspricht 0,00000005 ETH

Um 1 kB zu speichern, werden also 677.384 Gas * 0,00000005 = 0,0338692 ETH benötigt

Der aktuelle Preis von ETH beträgt 1.787,57 US-Dollar, die Kosten für die Speicherung von 1 kB belaufen sich also auf 60,66 US-Dollar  

Die Kosten für die Speicherung von 1 MB auf Ethereum

1 MB = 1.000.000 Byte

1.000.000 Byte / 32 Byte = 31.250 Speicherplätze

31.250 Slots * 20.000 Gas = 625.000.000 Gas

31.250 Slots * 32 Bytes * 16 Gas = 16.000.000 Gas für Anrufdaten

Die Grundkosten für Gas betragen 21.000 Gaseinheiten

Gesamtgas = 625.000.000 + 16.000.000 + 21.000 = 641.021.000 Gas

1 Gas entspricht 0,00000005 ETH

Um 1 MB zu speichern, fallen also Kosten von 641.021.000 Gas * 0,00000005 ETH = 32,05105 ETH = 57.332,91 $ an 

Offensichtlich sind diese Kosten für die meisten Nutzer und Unternehmen zu hoch, weshalb die direkte Speicherung von Dateien auf der Blockchain keine realistische Option darstellt. Es gibt jedoch alternative Methoden für die dezentrale Dateispeicherung, die praktischer und kostengünstiger sind und die wir im nächsten Abschnitt näher betrachten werden.

Dateien dezentral speichern

Dezentralisierung ist ein grundlegendes Konzept in der Blockchain-Welt, und das gilt auch für die Dateispeicherung. Dezentrale Dateispeicherung stellt sicher, dass Daten nicht an einem zentralen Ort gespeichert werden, der einen Single Point of Failure darstellen könnte. In einem dezentralen Speichersystem werden die Daten auf mehrere Knoten oder Computer verteilt, wodurch sie sicherer und weniger anfällig für Angriffe oder Manipulationen sind. Diese verteilte Architektur gewährleistet zudem, dass keine einzelne Instanz die vollständige Kontrolle über die Daten hat, was für mehr Transparenz und Verantwortlichkeit sorgt.

In einem dezentralen Dateispeichersystem spielen Metadaten eine entscheidende Rolle. Metadaten beschreiben andere Daten und liefern Kontext, wodurch die Verwaltung und das Auffinden bestimmter Dateien erleichtert werden. Im Kontext dezentraler Dateispeicherung umfassen Metadaten typischerweise Informationen über den Speicherort der Datei, Zugriffsrechte und weitere Attribute. Die Metadaten werden in der Blockchain gespeichert und sind somit unveränderlich und transparent. Dies gewährleistet, dass die Daten nicht manipuliert werden können.

Da die direkte Speicherung von Dateien auf der Blockchain aufgrund hoher Kosten und technischer Beschränkungen nicht praktikabel ist, stellt die Speicherung des Hashwerts eines Dokuments in der Blockchain bei gleichzeitiger Aufbewahrung des vollständigen Dokuments an anderer Stelle eine sinnvolle Lösung dar. Das Dokument kann in einer zentralen Datenbank oder einem verteilten Dateispeichersystem gespeichert werden, während der Hashwert auf der Blockchain abgelegt wird. Durch die Anwendung eines sicheren Hash-Algorithmus wie SHA-256 auf das Dokument und die Speicherung des Hashwerts in einem Block entsteht ein eindeutiger digitaler Fingerabdruck des Dokuments. Dieser Ansatz spart enorm viel Speicherplatz und Kosten, da Hashwerte deutlich kleiner sind als ganze Dokumente. Darüber hinaus gewährleistet er die Integrität und Authentizität des Originaldokuments, da jede Änderung der Eingabe zu einem völlig neuen Hashwert führt, der sich vom Originaldokument unterscheidet.

Dezentrale Speichernetzwerke

Dezentrale Speichernetzwerke bieten eine Möglichkeit, Daten verteilt und sicher zu speichern. Im Gegensatz zu herkömmlichen zentralisierten Speicherdiensten, die Daten auf einem einzelnen Server oder in einem Rechenzentrum speichern, speichern dezentrale Speichernetzwerke Daten in einem globalen Netzwerk von Knoten. Dadurch sind sie weniger anfällig für Datenschutzverletzungen und Datenverlust, da die Daten redundant an mehreren Standorten gespeichert werden.

Beispiele für dezentrale Speichernetzwerke sind Arweave, Filecoin und Storj. Diese Netzwerke ermöglichen es Nutzern, ihren ungenutzten Speicherplatz gegen Token oder andere Belohnungen zu vermieten. Wenn ein Nutzer eine Datei speichern möchte, wird diese in mehrere Teile zerlegt und über das Netzwerk der Knoten verteilt. Die Daten werden verschlüsselt und auf mehreren Knoten repliziert, sodass sie auch bei Ausfall eines Knotens verfügbar bleiben. In den folgenden Abschnitten werden wir Arweave und Filecoin genauer betrachten.

Arweave

Arweaves innovativer Ansatz für dezentrale Speicherung heißt Permaweb – ein permanentes und dezentrales Web, das auf Arweave aufbaut. Das Permaweb besteht aus modularen und austauschbaren Protokollen. Es behebt den entscheidenden Mangel des traditionellen Webs: den begrenzten Speicherplatz. Werden Dokumente von einem Server im Netzwerk entfernt, gehen sie aus der Wissensdatenbank verloren. Das Permaweb auf Arweave ermöglicht es Entwicklern und Nutzern, eine robuste Wissensdatenbank zu teilen, die weltweit in großer Zahl und dauerhaft repliziert wird.

Das Basisprotokoll des Permaweb ist Arweave, das auf zwei fundamentalen Komponenten basiert: einer skalierbaren, Blockchain-ähnlichen Struktur mit einem neuartigen Mining-System und einem nachhaltigen Kapital, das die Verfügbarkeit und dauerhafte Speicherung beliebig getaggter Daten gewährleistet. Dieser Ansatz ermöglicht die dezentrale Speicherung großer Datenmengen ohne die hohen Kosten herkömmlicher Blockchain-Speicher. Auf dem Arweave-Protokoll aufbaut ein dezentrales Netzwerk von Gateway-Servern, das den Zugriff auf die Daten über Webbrowser ohne Modifikationen oder Spezialsoftware ermöglicht.

Durch die Kombination dieser Elemente bietet das Permaweb auf Arweave eine sichere und dezentrale Speicherlösung, die auf Jahrhunderte ausgelegt ist. Im Gegensatz zu zentralisierten Speicherlösungen, die anfällig für Hackerangriffe und Datenlecks sein können, bietet das Permaweb ein robustes und unveränderliches Speichersystem, das resistent gegen Manipulation und Zensur ist. Kein Wunder also, dass Arweave sich schnell als eines der vielversprechendsten dezentralen Speichernetzwerke auf dem heutigen Markt etabliert.

Filecoin

Filecoin ist ein einzigartiges, dezentrales Speichernetzwerk mit integrierten wirtschaftlichen Anreizen und Kryptografie, das die zuverlässige Speicherung von Dateien über lange Zeiträume gewährleistet. Das System basiert auf dem InterPlanetary File System (IPFS)-Protokoll, welches Inhaltsadressierung nutzt, um dauerhafte Referenzen auf Daten zu ermöglichen und die Abhängigkeit von bestimmten Geräten oder Cloud-Servern für die Adressierung von Inhalten zu vermeiden. Filecoin erweitert die Funktionalitäten von IPFS durch eine zusätzliche Anreizebene, die die zuverlässige Speicherung und den Zugriff auf Inhalte fördert.

Filecoin funktioniert über ein Peer-to-Peer-Netzwerk, in dem Nutzer für die Speicherung ihrer Dateien bei Speicheranbietern bezahlen. Diese Speicheranbieter sind Computer, die für die Speicherung der Dateien und den Nachweis ihrer korrekten Speicherung verantwortlich sind. Der verfügbare Speicherplatz und dessen Preis werden nicht von einem einzelnen Unternehmen kontrolliert. Stattdessen ermöglicht Filecoin offene Märkte für die Speicherung und den Abruf von Dateien, an denen jeder teilnehmen kann. Dadurch wird sichergestellt, dass die Speicherkosten gleichmäßig im Netzwerk verteilt sind, ohne dass eine zentrale Instanz die Preise bestimmt.

Filecoin bietet vielfältige Einsatzmöglichkeiten, darunter die Speicherung von Web3-nativen NFTs und Metaverse-/Spiel-Assets, die incentivierte permanente Speicherung sowie die Archivierung von Web2-Datensätzen als kostengünstigere Alternative zu Cloud-Speicher. Beispielsweise nutzt NFT. Storage Filecoin, um eine einfache dezentrale Speicherlösung für NFT-Inhalte und Metadaten bereitzustellen, während die Shoah Foundation und das Internet Archive Filecoin zur Datensicherung verwenden. Darüber hinaus unterstützt Filecoin eine Vielzahl von Datenformaten, darunter Audio- und Videodateien, sodass Web3-Plattformen wie Audius und Huddle01 Filecoin als dezentrales Speichersystem für Musikstreaming und Videokonferenzen nutzen können.

Bewährte Verfahren für dezentrale Dateispeicherung

Im Bereich der dezentralen Dateispeicherung gibt es einige bewährte Vorgehensweisen, die befolgt werden sollten, um Datenzuverlässigkeit, Datenschutz und Sicherheit zu gewährleisten.

Zunächst empfiehlt es sich, die Metadaten in der Blockchain zu speichern, während die eigentliche Datei in einem dezentralen Speichernetzwerk wie Arweave oder Filecoin abgelegt wird. Dadurch sind die Metadaten öffentlich zugänglich und überprüfbar in der Blockchain, während die eigentliche Datei sicher und dezentral gespeichert wird.

Zweitens ist Datenredundanz entscheidend, um die ständige Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit der Daten zu gewährleisten. Durch die Speicherung mehrerer Kopien der Datei an verschiedenen Orten wird das Risiko eines Datenverlusts aufgrund eines Single Point of Failure erheblich reduziert. Dezentrale Speichernetzwerke verfügen häufig über integrierte Redundanzmechanismen, um die ständige Datenverfügbarkeit sicherzustellen.

Drittens ist der Schutz der Datenprivatsphäre und -sicherheit von höchster Wichtigkeit. Verschlüsselung sollte eingesetzt werden, um die Daten während der Übertragung und im Ruhezustand zu schützen. Der Zugriff auf die Daten sollte ebenfalls kontrolliert werden, um sicherzustellen, dass nur autorisierte Personen darauf zugreifen können. Dezentrale Speichernetzwerke bieten häufig integrierte Verschlüsselungs- und Zugriffskontrollmechanismen.

Zu den bewährten Methoden für dezentrale Dateispeicherung gehören das Speichern von Metadaten in der Blockchain, die Nutzung eines dezentralen Speichernetzwerks für die eigentliche Datei, die Gewährleistung von Datenredundanz für erhöhte Zuverlässigkeit sowie der Schutz der Datenprivatsphäre und -sicherheit. Durch die Einhaltung dieser Methoden können Nutzer sicherstellen, dass ihre Daten sicher und zuverlässig gespeichert werden.

Abschluss

Zwar ist es möglich, Dateien direkt auf der Blockchain zu speichern, doch die hohen Kosten und die begrenzte Speicherkapazität machen dies zu einem unpraktischen Ansatz. Dezentrale Dateispeichernetzwerke wie Arweave und Filecoin bieten eine deutlich zuverlässigere und kostengünstigere Methode zur dezentralen Dateispeicherung. Durch die Kombination von Metadatenspeicherung auf der Blockchain und der Speicherung der eigentlichen Datei in einem dezentralen Speichernetzwerk wird Datenredundanz und damit erhöhte Zuverlässigkeit gewährleistet. Auch der Datenschutz und die Datensicherheit haben im Speicherprozess höchste Priorität.

Mit dem Wachstum der Blockchain-Branche gewinnt dezentrale Dateispeicherung zunehmend an Bedeutung. Es ist wichtig, die Grenzen traditioneller Speichermethoden zu verstehen und die verschiedenen verfügbaren dezentralen Speichernetzwerke für eine sichere und zuverlässige Datenspeicherung zu erkunden und zu nutzen. Mit dem richtigen Ansatz und den passenden Werkzeugen kann dezentrale Dateispeicherung eine robustere und sicherere Speicherlösung für Privatpersonen und Unternehmen gleichermaßen bieten.