ICT-Lösungen mit Blockchain-Technologie umsetzen

Blockchain ist eine Datenstruktur mit besonderen Eigenschaften: Einträge sind verkettet, signiert und werden von vielen Teilnehmenden gemeinsam bestätigt. Du verstehst diese Bausteine an konkreten Beispielen und lernst vor allem, kritisch zu prüfen, ob ein Problem überhaupt eine Blockchain braucht. Danach arbeitest du auf einem kostenlosen Testnetz: Wallet einrichten, Transaktionen nachvollziehen, einen Smart Contract schreiben, testen, deployen und aus einer Webanwendung aufrufen. Zum Schluss beurteilst du Sicherheitsrisiken, Kosten und rechtliche Fragen.

Das sind die Fähigkeiten, die am Ende des Moduls sitzen sollten. Jedes Ziel mit einem Beispiel aus dem Lehrbetrieb.

1. 1

   Hashverkettung, Signaturen und Konsens an einem Beispiel erklären

   Kompetenz A

   Du kannst zeigen, warum eine nachträgliche Änderung in einem Block alle folgenden Blöcke ungültig macht, wie eine digitale Signatur beweist, wer eine Transaktion ausgelöst hat, und wie sich viele Knoten ohne zentrale Stelle auf einen Stand einigen.

   Situation

   Im Teammeeting fragt der Berufsbildner, was an einer Blockchain eigentlich 'fälschungssicher' sein soll.

   Deine Aufgabe

   Erkläre die drei Bausteine mit einer selbst gebauten Mini-Blockchain in JavaScript.

   Gutes Ergebnis

   Ein Skript mit 30 Zeilen erzeugt Blöcke mit Daten, Zeitstempel, eigenem SHA-256-Hash und dem Hash des Vorgängers. Wird ein Eintrag in Block 2 verändert, meldet die Prüffunktion Block 2 (Hash passt nicht mehr). Wird auch dessen Hash neu berechnet, bricht der Verweis in Block 3. Dazu eine Skizze, wie Proof of Stake Validatoren auswählt.

   Hashfunktion (SHA-256)Block / KettePublic-/Private-Keydigitale SignaturKonsens (Proof of Work / Proof of Stake)
2. 2

   Prüfen, ob eine Blockchain für ein Problem überhaupt sinnvoll ist

   Kompetenz B

   Die meisten Anwendungen sind mit einer normalen Datenbank besser, günstiger und schneller umgesetzt. Mit einem Entscheidungsbaum prüfst du: Gibt es mehrere Parteien, die sich nicht vertrauen? Gibt es keine akzeptierte zentrale Stelle? Muss die Historie unveränderlich sein?

   Situation

   Eine Projektleiterin möchte die interne Laptop-Ausleihe 'auf der Blockchain' umsetzen, weil das innovativ klinge.

   Deine Aufgabe

   Prüfe die Eignung und schreibe eine Empfehlung.

   Gutes Ergebnis

   Entscheidungsbaum: nur eine Organisation, eine vertrauenswürdige zentrale IT, Daten müssen korrigierbar sein, Personendaten betroffen. Ergebnis: klar keine Blockchain, sondern eine Datenbank mit Audit-Log. Als Gegenbeispiel wird ein Herkunftsnachweis für Holz zwischen Sägerei, Händler und Schreinerei genannt, wo mehrere Parteien beteiligt sind.

   EntscheidungsbaumVertrauensmodellPublic vs. Permissioned BlockchainAudit-LogDatenbank-Alternative
3. 3

   Eine Wallet einrichten und Transaktionen auf einem Testnetz nachvollziehen

   Kompetenz C

   Du arbeitest ausschliesslich mit Testnetz-Geld ohne realen Wert. Du richtest eine Wallet ein, holst Test-Ether von einem Faucet, sendest eine Transaktion und liest im Block Explorer, was dabei passiert ist, inklusive Gebühren.

   Situation

   Die Lernenden-Gruppe will verstehen, was 'Gas' bedeutet, bevor sie selbst Code deployt.

   Deine Aufgabe

   Sende auf Sepolia eine Transaktion an eine Mitlernende und analysiere sie.

   Gutes Ergebnis

   MetaMask mit separatem Lernprofil, 0,05 Sepolia-ETH vom Faucet. Etherscan zeigt Absender, Empfänger, Blocknummer, 21 000 verbrauchte Gas-Einheiten und die Gebühr. Notiz: Die Seed-Phrase des Lernkontos ist nie für echtes Geld verwendet worden.

   WalletSeed-PhraseTestnetz / FaucetGas / GebührBlock Explorer
4. 4

   Einen einfachen Smart Contract schreiben, testen und deployen

   Kompetenz D

   Ein Smart Contract ist Code, der auf der Blockchain läuft und nach dem Deployment nicht mehr geändert werden kann. Darum testest du ihn gründlich lokal, bevor du ihn auf ein Testnetz bringst.

   Situation

   Ein Berufsbildungsverband möchte prüfen, ob sich die Echtheit von Kursbestätigungen öffentlich nachweisen lässt, ohne Personendaten zu veröffentlichen.

   Deine Aufgabe

   Schreibe einen Contract, der Hashes von PDF-Bestätigungen registriert und prüfbar macht.

   Gutes Ergebnis

   Ein Solidity-Contract mit 'registrieren(bytes32 hash)', nur durch die Verbandsadresse aufrufbar, und 'istRegistriert(hash)' für alle. 8 Hardhat-Tests decken u.a. fremde Aufrufer und doppelte Registrierung ab. Deployment auf Sepolia, Quellcode auf Etherscan verifiziert. Auf der Kette steht nur der Hash, nie Name oder Inhalt.

   SolidityZustandsvariable / FunktionZugriffskontrolle (onlyOwner)EventUnveränderlichkeitContract-Verifizierung
5. 5

   Eine Webanwendung mit einem Smart Contract verbinden

   Kompetenz E

   Nutzende sehen keinen Solidity-Code, sondern eine Webseite. Du liest Daten aus dem Contract, löst Transaktionen über die Wallet der Nutzenden aus und gehst sauber mit Wartezeiten und abgelehnten Transaktionen um.

   Situation

   Lehrbetriebe sollen eine Kursbestätigung hochladen und sofort sehen, ob sie echt ist.

   Deine Aufgabe

   Baue eine kleine Prüfseite, die den Hash im Browser berechnet und den Contract abfragt.

   Gutes Ergebnis

   Eine Webseite mit ethers.js: Die PDF-Datei wird lokal gehasht und nicht hochgeladen, ein Lesezugriff über einen öffentlichen RPC-Endpunkt prüft den Hash. Anzeige 'echt, registriert am 14.03.' oder 'nicht gefunden'. Für die Prüfung braucht man keine Wallet und es fallen keine Gebühren an.

   dAppethers.js / viemABIRPC-EndpunktLese- vs. Schreibzugriff
6. 6

   Sicherheitsrisiken, Kosten und rechtliche Aspekte einer Blockchain-Lösung beurteilen

   Kompetenz F

   Fehler in Smart Contracts lassen sich kaum korrigieren, Gebühren schwanken, und Daten auf einer öffentlichen Blockchain lassen sich nicht löschen. Du kennst typische Schwachstellen und prüfst, ob die Lösung mit dem revDSG vereinbar ist.

   Situation

   Vor einem Pilotbetrieb fragt der Datenschutzverantwortliche des Verbands nach Risiken.

   Deine Aufgabe

   Erstelle eine Risikoübersicht für die Kursbestätigungs-Lösung.

   Gutes Ergebnis

   Risiken mit Massnahmen: Verlust des Verbandsschlüssels (Hardware-Wallet, Multisig), Programmierfehler (Tests, externes Review, einfacher Code), Gebührenschwankungen (Layer-2-Netz, Kosten pro Registrierung unter CHF 0.05 geschätzt), Datenschutz (nur gesalzene Hashes, keine Personendaten, damit kein Konflikt mit dem Recht auf Löschung).

   Reentrancy / ZugriffsfehlerSchlüsselverwaltung / MultisigLayer 2DSG / Löschung und BerichtigungDLT-Gesetz

Die Kompetenzmatrix zerlegt das Modul in Themenstränge und drei Stufen. Für den Kompetenznachweis solltest du überall mindestens Stufe 2 erreichen. Dein Stand bleibt in diesem Browser gespeichert und färbt Lernweg und Übungen ein.

Mara ist im 2. Lehrjahr als Informatikerin Applikationsentwicklung bei der Sennhauser Software AG in Zug, einer Softwarefirma mit 50 Mitarbeitenden. Ein Verband von Alpkäsereien möchte, dass Händler die Echtheit eines Herkunftszertifikats selbst prüfen können, weil gefälschte Etiketten im Umlauf sind. Mara soll in einem Pilotprojekt zeigen, ob und wie eine Blockchain dabei hilft.

1. Kapitel 1

   Was heisst eigentlich fälschungssicher?

   Für den Kick-off baut Mara in Python eine Mini-Blockchain mit fünf Blöcken. Ändert sie in Block 2 die Käsemenge, passen die Hashes aller folgenden Blöcke nicht mehr, was die Vertreter des Verbands sofort verstehen. Danach erklärt sie, warum Ethereum heute mit Proof of Stake arbeitet und was das für den Stromverbrauch bedeutet.

   Ziel 1

2. Kapitel 2

   Braucht es überhaupt eine Blockchain?

   Mara prüft den Fall mit einem Entscheidungsschema. Beteiligt sind 40 Käsereien, mehrere Händler und eine Kontrollstelle, und die Händler wollen nicht von einer einzigen Datenbank des Verbands abhängig sein. Für die Mitgliederverwaltung empfiehlt sie trotzdem eine normale Datenbank, nur der Echtheitsnachweis soll auf die Blockchain.

   Ziel 2

3. Kapitel 3

   Die erste Transaktion hängt

   Mara richtet MetaMask für das Sepolia-Testnetz ein und holt sich Test-ETH über einen Faucet. Ihre erste Transaktion bleibt hängen, weil sie die Gebühr zu tief angesetzt hat. Auf Etherscan sieht sie den Status 'pending' und versteht, wie Nonce und Gebühr zusammenhängen. Die Seed-Phrase des Projektkontos legt sie im Passwortmanager des Teams ab, nicht in einer Textdatei.

   Ziel 3

4. Kapitel 4

   Ein Contract für Zertifikate

   Mara schreibt in Solidity einen Contract, in dem nur die Kontrollstelle den SHA-256-Hash eines Zertifikats eintragen darf. Mit Hardhat testet sie, dass fremde Adressen abgelehnt werden und beim Eintragen ein Event ausgelöst wird. Eine einfache Webseite mit ethers.js lässt Händler ein PDF auswählen, berechnet den Hash im Browser und zeigt an, ob er registriert ist. Ist die Wallet der Kontrollstelle auf dem falschen Netz, erscheint ein klarer Hinweis statt einer kryptischen Fehlermeldung.

   Ziel 4Ziel 5

5. Kapitel 5

   Keine Personendaten in der Kette

   Vor dem Pilot fragt der Datenschutzverantwortliche des Verbands, was mit den Namen der Käserinnen und Käser passiert. Mara zeigt, dass nur Hashes ohne Personendaten gespeichert werden, weil Einträge auf der Blockchain nie mehr gelöscht werden können. Sie schätzt die Gebühren für 5000 Zertifikate pro Jahr und hält im Schlussbericht fest, wie der Schlüssel der Kontrollstelle geschützt und im Notfall ersetzt wird.

   Ziel 6

1. 1

   Bausteine selbst nachbauen

   ca. 4 Std.

   Du verstehst die Technik von Grund auf, indem du eine Mini-Blockchain programmierst. Ganz ohne echte Netzwerke.

   • SHA-256-Hashes in Node.js erzeugen und den Lawineneffekt ausprobieren
   • Eine Mini-Blockchain mit Verkettung und Prüffunktion schreiben
   • Nachrichten mit einem Schlüsselpaar signieren und die Signatur prüfen

   Trainiert Kompetenz A1A2

   Lernziel1

2. 2

   Nüchtern beurteilen

   ca. 3 Std.

   Bevor du programmierst, lernst du, Blockchain-Ideen kritisch zu prüfen.

   • Einen Entscheidungsbaum für die Blockchain-Eignung erarbeiten
   • Fünf Fallbeispiele beurteilen, von Ausleihsystem bis Lieferkettennachweis
   • Für einen Fall eine Datenbank-Alternative mit Audit-Log skizzieren

   Trainiert Kompetenz B1B2

   Lernziel2

3. 3

   Auf dem Testnetz arbeiten

   ca. 2 Std.

   Du richtest eine separate Lern-Wallet ein und beobachtest echte Transaktionen, ganz ohne echtes Geld.

   • MetaMask in einem eigenen Browserprofil installieren und auf Sepolia umstellen
   • Test-ETH von einem Faucet holen und eine Transaktion senden
   • Transaktion, Block und Gebühr im Block Explorer analysieren

   Trainiert Kompetenz C1C2

   Lernziel3

4. 4

   Erster Smart Contract

   ca. 6 Std.

   Du schreibst einen Contract zuerst in Remix, dann in einem lokalen Projekt mit automatisierten Tests.

   • Einen Zähler- oder Gästebuch-Contract in Remix schreiben und ausführen
   • Ein Hardhat- oder Foundry-Projekt aufsetzen und Tests für alle Funktionen schreiben
   • Den Contract auf Sepolia deployen und auf Etherscan verifizieren

   Trainiert Kompetenz D1D2

   Lernziel4

5. 5

   Weboberfläche anbinden

   ca. 5 Std.

   Du baust eine kleine Webseite, die mit deinem Contract spricht.

   • Mit ethers.js oder viem Werte aus dem Contract lesen
   • Eine schreibende Funktion über die Wallet auslösen und den Status anzeigen
   • Fehlerfälle behandeln: abgelehnte Signatur, falsches Netz, zu wenig Guthaben

   Trainiert Kompetenz E1E2

   Lernziel5

6. 6

   Risiken prüfen und abschliessen

   ca. 4 Std.

   Du prüfst deine Lösung auf Schwachstellen, Datenschutz und Kosten und fasst alles in einem kurzen Bericht zusammen.

   • Den eigenen Contract mit Slither oder einem Code-Review auf bekannte Schwachstellen prüfen
   • Kosten pro Transaktion auf Mainnet und einem Layer-2-Netz vergleichen
   • Datenschutzprüfung schreiben: Welche Daten liegen wo, und lassen sie sich löschen?

   Trainiert Kompetenz F1F2B3

   Lernziel62

Blockchain

Verteilte Datenstruktur aus verketteten Blöcken, deren Inhalt von vielen Knoten gemeinsam bestätigt wird.

Hashfunktion

Funktion, die aus beliebigen Daten einen festen, eindeutigen Fingerabdruck berechnet. Kleinste Änderungen ergeben einen völlig anderen Wert.

Konsensverfahren

Regelwerk, mit dem sich die Knoten eines Netzes ohne zentrale Stelle auf den gültigen Stand einigen.

Smart Contract

Programm, das auf einer Blockchain gespeichert ist und dort automatisch nach festen Regeln ausgeführt wird.

Wallet

Software oder Gerät zur Verwaltung privater Schlüssel und zum Signieren von Transaktionen.

Gas

Recheneinheit auf Ethereum, nach der die Transaktionsgebühr bemessen wird.

Testnetz

Blockchain-Netz zum Testen, dessen Coins keinen Geldwert haben, z.B. Sepolia.

Permissioned Blockchain

Blockchain, bei der nur zugelassene Teilnehmende Blöcke bestätigen oder lesen dürfen.

DLT-Gesetz

Schweizer Gesetzespaket (2020 verabschiedet, 2021 in Kraft), das u.a. Registerwertrechte und DLT-Handelssysteme regelt.

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