Blockchain in der Food Supply Chain - Grundlagen, Praxisbeispiele, Perspektiven

Die Blockchain-Technologie, oder auch Distributed Ledger Technologie (DLT), erfährt in letzter Zeit erhöhte Aufmerksamkeit. Bekannt wurde die „Blockchain“ unter anderem durch die Euphorie um die Kryptowährung Bitcoin, deren bisheriger Höhepunkt Anfang 2018 erreicht wurde. Die Bitcoin zugrunde liegende Blockchain-Technologie ist so sicher, dass es seit zehn Jahren niemandem gelungen ist, Bitcoins von Konten zu stehlen, deren Schlüssel sie nicht besaßen.¹ Eine Blockchain gilt heute als absolut fälschungssichere Datenablage, die „vertrauenslos“ – also ohne notwendiges Vertrauen in eine zentrale Kontrollinstanz – funktioniert. So haben sich seit dieser Zeit viele Menschen mit der Technologie auseinandergesetzt und sich gefragt, welche spannenden Anwendungen mit der Basistechnologie DLT abseits von Kryptowährungen realisierbar sind. Hier finden sich interessanterweise einige sehr spannende Anwendungen im Bereich der Supply Chain und insbesondere im Bereich Food Supply Chain. Denn in der Lebensmittelbranche gilt Vertrauen in Produkt und Marke als eine der stärksten Währungen.

Dieser Hashwert hat die Funktion eines digitalen Fingerabdrucks seiner Urspungsdaten, da sich der Hashwert völlig ändert, wenn in den Ursprungsdaten auch nur ein einziges Bit manipuliert wird. So werden nicht nur Fingerabdrücke der einzelnen Dateneinträge erstellt, sondern es werden auch stets mehrere Datenblöcke in einem sogenannten Merkle-Baum hierarchisch gruppiert und von jeder Ebene wieder ein Hashwert erzeugt. So entsteht eine Verbindung der Daten über die zugehörigen Hashwerte. Am Ende wird eine bestimmte Menge Dateneinträge und die dazugehörigen Hashwerte in einem Block zusammengefasst und ein einziger, zugehöriger Block Hash erzeugt. Dieser Block Hash ist der erste Dateneintrag des folgenden Blocks, in dem dann alle neu hinzukommenden Dateneinträge in gleicher Weise abgelegt werden. Die Blöcke sind also über die Hashwerte verkettet (engl. chain), werden somit zur Blockchain. Bei einer nachträglichen Manipulation eines bereits eingearbeiteten Datenpakets würden alle nachfolgenden Hashwerte nicht mehr zu den jeweiligen Daten passen, was sehr leicht zu detektieren ist. Um nun Sicherheit zu gewährleisten, werden sehr viele Kopien der so erstellten Datenbank auf verschiedenen, weltweit aufgestellten Rechnern verteilt (engl. distributed). Teil der Distributed Ledger Technologie ist weiterhin der automatische Abgleich der Datenkopien. Es spielt also quasi keine Rolle, mit welcher Kopie der Daten man interagiert. Im Zuge der Datensynchronisation werden – je nach Implementierung – alle Hashwerte überprüft und falsche oder manipulierte Kopien entdeckt und korrigiert. Es gilt sozusagen das Mehrheitsprinzip, so dass ein ernsthafter Angreifer mehr als 50 % aller Datenkopien unter seine Kontrolle bringen müsste, um eine gewünschte Manipulation durchzusetzen. 

Die Verbindung und der Abgleich der vielen Kopien entsteht über das sogenannte „Konsensus“-Protokoll. Hier wird festgelegt, nach welchen Regeln Blöcke zusammengestellt werden und welche kryptographischen Verfahren zu verwenden sind. Für Bitcoin wurde z. B. der SHA256 Algorithmus festgelegt, den die Miner zum Persistieren der Datenblöcke im Ledger verwenden müssen. Dieser hat die Eigenschaft, dass er sehr schnell und einfach auf einen Datenblock angewendet werden kann, also dessen Hashwert, den digitalen Fingerabdruck, berechnet. Allerdings kann der Hashwert nicht vorausgeahnt, geschätzt oder sonst irgendwie anders vorherbestimmt werden. Ändert sich nur ein einziges Bit im Datenblock, dann nimmt der Hashwert einen gänzlich anderen Wert an. Dies wird bei z. B. Bitcoin durch den Konsensus genutzt, um zu definieren, was ein „passender“ Hashwert ist. Dieser muss laut Vorgabe für jeden beliebigen Datenblock (d. h. einer Ansammlung von Transaktionen) kleiner sein als eine bestimmte Zahl, also mit einer Reihe von Nullen beginnen. Da der Hashwert aber nicht abgeschätzt werden kann, bleibt den Minern nichts anderes übrig, als durch Versuch und Irrtum einen passenden Hashwert eines Datenblocks zu finden. Erfüllt der Hashwert nicht das geforderte Kriterium, gibt es ein Datenfeld, den sog. „Nonce“, den die Miner verändern dürfen, um einen anderen Hashwert zu generieren. Dies tun sie so lange, bis der Datenblock aus Transaktionen mit einem passenden Nonce einen Hashwert ergibt, der das geforderte Kriterium erfüllt. Der Miner „publiziert“ den Transaktionsblock mit dem gefundenen Nonce an alle anderen Miner, die aktuell ebenfalls noch nach einem passenden Nonce suchen. Für die Überprüfung des passenden Hashwerts genügt eine einfache Berechnung des Block Hashes und damit können alle anderen Miner den gefundenen, „geminten“ Block bestätigen. Alle darin befindlichen Transaktionen sind damit in der Blockchain und die übrigen Miner beginnen von vorne, indem sie sich noch ungeminte Transaktionen nehmen und für diese den nächsten gültigen Nonce bzw. passenden Hashwert suchen.

Dieses Konsensusverfahren mit dem Namen „Proof-of-Work“ hat durch die vielen Hashberechnungen einen hohen Energieverbrauch, der allein für Bitcoin in der Größenordnung eines kleinen Landes liegen kann. Es macht die Bitcoin Blockchain allerdings sehr, sehr sicher, da Angreifer theoretisch so viel Rechenleistung (d. h. Energie) aufwenden müssten, um die von allen anderen aktiven Minern zu übertreffen (also mindestens 51 % der Gesamtleistung).

Dass dieses Konsensusverfahren in einer industriellen Anwendung nicht nachhaltig und ökonomisch sinnvoll eingesetzt werden kann, wurde bald erkannt und eine neue Generation von Blockchain-Technologien hat hier wesentlich effizientere Konsensusverfahren [1] entwickelt.

Seit ca. 2015 hat sich eine versierte Entwicklergemeinde, vornehmlich aus dem universitären Umfeld, daran gemacht, neue Konzepte und Technologien zu entwickeln und zu erproben, um die Distributed Ledger Technologie auch für intensive, industrielle Anwendungsszenarien zu ertüchtigen. Insbesondere wurden hierzu neue Konsensusmechanismen entwickelt, die in dem verteilten System bei dem Abgleich aller Kopien den Konsens aller Knoten herstellen, welche Daten in der Blockchain valide sind – d. h. welche Version der Blockchain die „wahre“ ist. Während Bitcoin und Ethereum das Proof-of-Work Verfahren verwenden, kann im industriellen Kontext aber nur ein effizientes und energiesparendes Verfahren zum Einsatz kommen, das schnell und wirtschaftlich arbeitet, jedoch eine vergleichbare Sicherheit und Zuverlässigkeit bieten muss. Hier haben sich verschiedene Verfahren herausgebildet. Beim Proof-of-Stake Verfahren entscheiden jene Miner über die Blöcke, die hohe Einsätze zu verlieren haben und somit auf die Sicherheit und Systemintegrität eigennützig angewiesen sind. Beim Delegated-Proof-of-Stake Verfahren wird zur Effizienzsteigerung das Bilden der Blöcke an eine kleine gewählte Gruppe von Minern delegiert. Aufwändige Berechnungsverfahren zur Suche nach einem passenden Nonce mit einem damit einhergehenden Energieverbrauch sind also hier nicht nötig. Die Transaktionskosten bewegen sich weit hinab in den Sub-Cent Bereich und da nur wenige Miner beteiligt sind, können viele Tausend Transaktionen pro Sekunde weltweit abgearbeitet werden.

Vertreter dieser neuen Generation von Blockchainprotokollen sind z. B. EOSIO, Stellar, NEM, Æternity, NEO, IOTA oder Hyperledger. Große Firmen wie Intel und IBM haben sich mittlerweile in diese Entwicklung mit eingebracht.

Durch die aktuell zunehmende Digitalisierung von Produktionsmaschinen im Kontext der Industrie 4.0 ergeben sich noch weitere neue und innovative Möglichkeiten. So können Maschinen direkt mit einer Blockchain interagieren und ohne menschliches Zutun Daten aus einem Smart Contract auslesen oder Daten dort speichern.

Im Bereich der Lebensmittelproduktion, in der der Schutz des Konsumenten oberste Priorität hat und Vertrauen in Produkt und Produzent überlebenswichtig sind, kann diese Technologie zur Dokumentation von Produktqualität und zum Nachweis dokumentationspflichtiger Prozessparameter verwendet werden. Die Produktionsdaten können direkt aus der Maschine heraus in einem Smart Contract auf der Blockchain gespeichert werden. Nun können verschiedene Partner Zugriff auf diese Daten erhalten, jeweils mit einem anderen Fokus und jeweils so, dass nur die für sie wirklich relevanten Informationen verfügbar sind.

• Kunden erhalten Zugriff auf die Herkunft der Produkte
• Händler erhalten Informationen über die gesamte Lieferkette inklusive zugelieferter Chargen
• Lebensmittelkontrolleure können nachvollziehen, ob Prozessparameter und die Kühlkette einer Charge eingehalten wurden
• Hersteller von Produktionsmaschinen können Daten zur prädiktiven Wartung erhalten
• Transport- und Logistikunternehmen hinterlegen Informationen über Kühlketten

Smart Contracts zum firmenübergreifenden Datenaustausch

Smart Contracts sind heute viel mehr als nur automatisierte Skripte. Sie können z. B. als Datencontainer programmiert werden, in dem eine Partei temporär Daten ablegt, die dann später von einer anderen Partei gelesen und gelöscht werden. Sie können somit als Vehikel zur Übergabe von Daten an externe Partner dienen. Wer wann mit wem Daten ausgetauscht hat wird klar in der Blockchain dokumentiert. Der Zugriff auf Daten kann über programmierte Logik im Smart Contract genau gesteuert werden. So können für die Ausführung bestimmter Funktionen z. B. mehrere Schlüssel vonnöten sein (Vier-Augen-Prinzip). 

Auf Basis dieser Technologie können sehr einfach neue digitale Geschäftsmodelle implementiert werden: Ein Zulieferer bietet z. B. zu seinen verkauften physischen Produkten einen zusätzlichen „digitalen Schatten“ an. Dies können Messdaten sein, Qualitätsdaten oder was auch immer dem Kunden einen Mehrwert bietet. Der Kunde fragt für das von ihm erworbene Gut den digitalen Schatten direkt beim Smart Contract an. Der Smart Contract unterhält in diesem Fall z. B. eine Liste mit Chargennummern, die je Kunde ausgeliefert wurden. Damit wird der Smart Contract selbst in die Lage versetzt, dem Kunden die Herausgabe der Daten zu verweigern, wenn dieser Daten von einem Produkt anfragt, das er gar nicht gekauft hat. Der Lieferant schützt somit die Interessen seiner Kunden, die u. U. in gegenseitigem Wettbewerb stehen.

Diese Business-Logik läuft völlig autonom ab und ausserhalb der Firmen-IT aller beteiligten Partner. Nur der Lieferant hat die Zugangsschlüssel, um die „Whitelist“ der Seriennummer je Kunde zu verändern. Auf Basis der in der Blockchain registrierten Datenübergaben kann dann eine Abrechnung zur Vergütung der übermittelten digitalen Schatten erstellt werden.

Angetrieben wird der zunehmende Einsatz der Technologie durch eine Kombination verschiedener Vorteile, die gleichzeitig realisiert werden können. Neben der offensichtlichen Transparenz der Produktgenese und der damit einhergehenden Rückverfolgbarkeit können so auch weitere Aspekte abgedeckt werden. Alle Partner – auch jene, die weiter hinten in der Lieferkette stehen – haben Zugriff auf die Lieferkettendaten. Somit erhalten Geschäftskunden Einblicke in vorgelagerte Prozessschritte, die es ihnen erlauben, eigene Prozesse zu optimieren. So können Lager- und Transportkapazitäten anhand der zu erwartenden Lieferungen bereitgestellt werden. Insbesondere die Einbindung von sogenannten „Trackern“, also mobile Sensoren, die Informationen direkt aus einer Charge oder Palette senden, ermöglicht den Zugriff auf Echtzeitinformationen.

Durch die vorhandene DLT Infrastruktur können selbstverständlich weitere Partner mit eingebunden werden. Hier liegt der Endkunde offensichtlich am nächsten. Viele Unternehmen suchen die Möglichkeit, neue Geschäftsmodelle zu implementieren und die Kundenbindung an die eigene Marke zu intensivieren. Durch eine mobile App oder eine Webseite kann ein Kunde über das einfache Scannen eines Produkt-QR-Codes mehr Informationen zum Produkt, dessen Zutaten und Entstehung oder anderes erhalten.

Dadurch, dass Unternehmen heute auch in den sog. sozialen Medien präsent sind, und Konsumenten innerhalb kürzester Zeit ein Foto von schadhaften Produkten online stellen und so hohen emotionalen Druck aufbauen können, muss die dokumentierte Herkunft von Produkt und Rohstoffen in kürzester Zeit auffindbar sein. So mancher „Shitstorm“ kann den Ruf einer Marke vernichten, wenn das Unternehmen nicht in der Lage ist, der sich aufbauenden Welle von Reaktionen in angemessener Zeit mit dokumentierten Fakten entgegenzutreten.

Sicherlich wäre eine Implementierung der hier dargestellten Lösungen schon heute mit vorhandenen Technologien möglich. Je mehr Partner allerdings mit ihren jeweils unterschiedlichen IT-Systemen unter einen Hut gebracht werden müssen, desto schwieriger wird die Berücksichtigung aller Vorlieben und Sonderwünsche. Dann würde u.?U. der größte Partner im Netzwerk den kleinen die Standards und Schnittstellen diktieren. Eine Blockchainanwendung stellt für alle Partner auf Ebene des Datenaustauschs eine gemeinsame und für alle gleiche Schnittstelle zur Verfügung.

Tabelle 1 zeigt eine Übersicht der Aspekte eines IT-Projektes und deren Realisierung einerseits mittels Blockchain Technologie und andererseits traditionellen IT-Technologien.

Die Blockchain oder Distributed Ledger Technologie hat sich von ihrem Start als unabhängiger Wertespeicher für Kryptowährungen über den Finanzsektor zu einer ernstzunehmenden Basistechnologie für industrielle Anwendungen entwickelt.

In der Lebensmittelbranche finden sich viele Anwendungen, in denen diese Technologie ihre intrinsischen Vorteile ausspielen kann. Erste Applikationen werden im Produktivbetrieb verwendet und erste große Firmen machen ihre Geschäftsbeziehungen von der Einbindung eines Partners in die Blockchain abhängig. Die Technologietreiber hinter der vermehrten Anwendung sind u.a.

• Kostenreduktion
• Verbesserung der Produktrückverfolgbarkeit und Transparenz
• Schaffung neuer, digitaler Geschäftsmodelle und Einnahmenströme
• Schaffung von Kundenvertrauen und Kundenbindung
• Verbesserung der Nachhaltigkeit und Reduktion von Lebensmittelverschwendung
• Identifikation von Verantwortlichkeit (Kühlketten)

Diese Faktoren werden die Anwendung der Distributed Ledger Technologien weiter forcieren und kein Unternehmen in der Lebensmittelbranche kann sich dem langfristig verschließen. Unternehmer und Verantwortliche sollten sich also besser heute als morgen mit der Technologie auseinandersetzen. Sofern ein Unternehmen, das hohe Kompetenz in der Erzeugung erstklassiger Lebensmittel hat, nicht auch noch Blockchainkompetenz aufbauen möchte, besteht die Möglichkeit, sich durch eine Kooperation mit einem entsprechenden Dienstleister oder Beratungsunternehmen fit für die Zukunft und Blockchain zu machen.

Es gibt nicht nur „die eine“ Blockchain. In der Zukunft werden mehrere unterschiedliche Systeme parallel nebeneinander existieren. Jedes mit speziellem Fokus (z.B. auf bestimmte Branchen) oder speziellen Funktionen (Schnelligkeit, hohes Datenvolumen, Sicherheit u.a.). Neue Dienstleister werden am Markt auftauchen und sich etablieren, die diese Infrastrukturen managen und als Infrastruktur-as-a-Service bereitstellen, so dass die Nutzung einer Blockchain nicht komplizierter wird als die Anbindung an einen Cloud-Dienstleister oder jede andere, einstmals bahnbrechende, Informationstechnologie.

Über die Distributed Ledger Technologie lässt sich zusammenfassend sagen:

1. Blockchain verlagert Vertrauen von einer Zentralinstanz in eine Technologie
2. Blockchain entfaltet ihre Stärken nur in einem multipolaren Umfeld
3. Blockchain ermöglicht kontrollierten Zugriff auf Daten
4. Cybersicherheit ist durch integrierte Kryptologie bereits enthalten
5. Smart Contracts ermöglichen die Automatisierung firmenübergreifender Prozesse