Internationales Verkehrswesen (70) 2 | 2018 82 TECHNOLOGIE Wissenschaft Blockchain-Anwendungen in der Logistik Blockchain, Logistik, Supply Chain-Management, Smart Contracts, Smart Monitoring, Dokumenten-Blockchain Aufgrund ihrer Eigenschaften birgt der Einsatz der Blockchain-Technologie auch für Logistikbzw. Supply Chain-Prozesse Innovationspotential. Das belegt eine zunehmende Anzahl dahingehend begonnener Projekte. Das Potential von Blockchain-Anwendungen erschließt sich aus den generischen Eigenschaften eines Blockchain-Protokolls wie Proof-of-Work/ Stake, Proof-of-Authenticity und Smart Contracts. Mögliche Anwendungen in der Logistik bzw. dem Supply Chain-Management sind Dokumenten-Blockchains, Smart Monitoring und blockchain-gesteuerte Prozesse. Otto Jockel, Sebastian Stommel D er Ursprung des Begriffs „Blockchain“ ist dem als Erfinder des Bitcoins geltenden Satoshi Nakamoto (Pseudonym) zuzuordnen. In dessen 2008 veröffentlichtem Grundsatzpapier (White Paper) beschreibt er ein neues Zahlungssystem, das auf einer Verschlüsselungstechnik basiert, die er später „Blockchain“ nannte [1, 2]. In der Blockchain-Technologie wird, nicht zuletzt durch Nakamoto selbst, das Potential vermutet, bestehende Geschäftsmodelle in Frage zu stellen [1, 3-5]. So wird es zum Beispiel für möglich gehalten, dass die Blockchain Banken und andere Finanzintermediäre komplett ersetzen kann [3]. Aktuelle Forschungsvorhaben beschäftigen sich vor diesem Hintergrund mit möglichen Anwendungen der Blockchain-Technologie im Finanzmanagement und sowie der Verwendbarkeit von Kryptowährungen [6, 7, 8]. Dass die Blockchain-Technologie innerhalb eines sehr breiten Spektrums von Managementprozessen anwendbar ist, postuliert William Mogayar [9]. Aufgrund ihrer Eigenschaften sieht er in der Blockchain-Technologie eine Innovation, deren disruptives Potential viele existierende Business-Modelle infrage stellen wird. Auch geht er davon aus, dass eine dahingehende Entwicklung unaufhaltsam ist. Auch die Einsatzmöglichkeiten der Blockchain-Technologie im Rahmen des Logistik- und Supply Chain-Managements werden zunehmend thematisiert [10-12]. Literatur zu Blockchain und Logistik Verschiedene Autoren sehen grundsätzliche Potentiale im Einsatz von Blockchains in der Supply Chain [13, 10, 14, 15] und prognostizieren teils sogar die disruptive Kraft [14-16]. Fundierte Erkenntnisse sind jedoch noch rar. So wird in der Blockchain-Technologie zum Beispiel ein neues Tool gesehen, um den sicheren Datenaustausch zwischen Supply Chain Partnern zu gewährleisten [17, 15]. Howells sieht in diesem Zusammenhang die Blockchain als ergänzende Technologie zu Cloud Computing, Big Data Analytics und dem Internet of Things (IoT), um die Rückverfolgbarkeit (track & trace) und Sicherheit physischer Prozesse zu ermöglichen [15]. Casey hingegen postuliert den Einsatz von Blockchains in Verbindung mit IoT-Anwendungen, um Supply Chains transparenter und flexibler zu gestalten. Die Fähigkeit, frühzeitig auf unvorhergesehene ‚Events‘ in Supply Chain-Prozessen reagieren zu können würde letztendlich zu agileren Supply Chains führen [14]. Die Supply Chain-Experten des Wirtschaftsdienstleisters Deloitte erkennen ebenfalls diese Möglichkeiten und ergänzen sie noch mit der Compliance-Fähigkeit von blockchainbasiertem Prozessmanagement. Sie untermauern ihre Thesen mit Fallstudien aus den Bereichen Automotive, Pharma und Lebensmittelherstellung [18]. Peters et al. sehen neben dem Potential zur Sendungsrückverfolgung durch den Einsatz eines blockchain-gestützten Frachtenmanagements die Möglichkeit, dass Sendungen bzw. Frachten sich zukünftig selbst steuern. Sie verweisen in diesem Zusammenhang auf kürzlich begonnene Projekte mit mehreren europäischen Partnern [19]. Anwendungspotentiale der Blockchain werden auch im Rahmen des Produktionsmanagements vermutet, insbesondere im Rahmen des hiermit verbundenen Qualitätsmanagements. Block et al. beschreiben in diesem Zusammenhang den Einsatz eines produktionsnahen Computer Aided Quality (CAQ)-Systems als Anwendungsszenario für die Blockchain. Durch die sichere und manipulationsfreie Speicherung relevanter Qualitätsdaten in der Blockchain können alle Supply Chain Partner standortunabhängig auf diese zugreifen. So könnte ein autonomes Qualitätsmanagementsystem entstehen [20]. Eine zunehmende Anzahl von Pressemitteilungen zu begonnenen Blockchain-Projekten mit Bezug zu Logistik und Supply Chain-Management lässt auf eine steigende Anzahl sogenannter „Use Cases“ schließen, in denen der Einsatz dieser Technologie unter Beweis gestellt werden wird. So hat zum Beispiel Samsung kürzlich angekündigt, Blockchains im Rahmen der Transportsteuerung einzusetzen. Man erhofft sich hierdurch eine flexiblere Transportsteuerung, die letztendlich zu einer Re- Internationales Verkehrswesen (70) 2 | 2018 83 Wissenschaft TECHNOLOGIE duktion der Transportkosten um bis zu 20 % führen soll [21]. Für große Aufmerksamkeit sorgte vor Kurzem auch die Ankündigung eines Joint Ventures zwischen IBM und der Reederei Maersk, das mit dem Ziel geschlossen werden soll, durch die Nutzung von Blockchain-Technologie effizientere und sicherere Methoden für den globalen Handel anzubieten [22]. Zurzeit existieren viele Blockchain-Projekte mit Bezug zur Logistik bzw. dem Supply Chain-Management. Eine Zusammenfassung aktueller Projekte und deren Fokus findet man in diesem Zusammenhang zum Beispiel bei Junge et al [23]. Ziel dieses Artikels ist es, auf Basis des Verständnisses der generischen Eigenschaften (Services) der Blockchain-Technologie und schon bekannten Applikationen Rückschlüsse auf deren Verwendbarkeit in der Logistik zu ziehen und somit gleichermaßen einen Rahmen für zukünftige Forschungsvorhaben in diesem Zusammenhang abzustecken. Bild 1 verdeutlicht hierzu die unterschiedlichen Verständnisebenen und dient im Folgenden als grobe inhaltliche Gliederung. Technologie der Blockchain Die heutige Blockchain-Architektur mit dem dahinterliegenden Protokoll basiert auf einer Vielzahl schon seit einiger Zeit eingesetzter Verschlüsselungstechniken, deren Kombination und Systematisierung die eigentliche Innovation ausmacht [2]. Im Wesentlichen kann man eine Blockchain als verteilte Datenbank betrachten. Im Unterschied zu herkömmlichen Datenbanken sind die Daten nicht nur auf einer oder wenigen Maschinen verteilt, sondern liegen bei allen Teilnehmern. Sie unterliegen keiner zentralen Verwaltung und Kontrolle. Man bezeichnet diese Form der Datenorganisation daher auch als „Distributed Ledger“. Zickert und Honsel [24] beschreiben die Funktionsweise der Blockchain (Bild 2) wie folgt:  Eine Transaktion zwischen zwei Teilnehmern wird angestoßen und mit dem privaten (geheimen) Schlüssel des Auftraggebers signiert. Bei der Transaktion kann es sich um eine Überweisung von Geld, ein Dokument oder einen „Smart Contract“ handeln.  Die Transaktion wird nach dem Schneeballprinzip an die anderen Netzwerkknoten („Peers“) verteilt.  Die Peers machen zunächst nichts anderes, als die formale Korrektheit der Transaktion zu überprüfen - beispielsweise, ob Schlüssel und Absender übereinstimmen. Bei Smart Contracts berechnen sie auch, ob die Vertragsbedingungen erfüllt sind. Dann speisen sie die schwebenden Transaktionen in eine Art Warteraum ein - hier als Wolke dargestellt.  Miner (besonders leistungsstarke Knoten) fischen sich die schwebenden Transaktionen aus der Wolke und überprüfen, ob sie zu der bisherigen Blockchain passen. Anschließend fügen sie die Transaktionen zu Blocks zusammen. Dabei benutzen sie einen sogenannten Merkle Tree (Bild 3). Bild 1: Blockchain stack Bild 1: Blockchain stack Bild 2: Funktionsweise der Blockchain [24] Bild 2: Funktionsweise der Blockchain [24] Bild 3: Manipulationssicher in der Blockchain [26] Bild 3: Manipulationssicherheit in der Blockchain [25] Internationales Verkehrswesen (70) 2 | 2018 84 TECHNOLOGIE Wissenschaft  Der Miner, der zuerst einen neuen Block erzeugt hat, schickt ihn an die anderen Peers. Diese hängen ihn an die bestehende Blockchain an. Alle weiteren Blöcke, die andere Miner zu spät erzeugt haben, werden verworfen. Ist eine Transaktion in einen Block eingebaut worden, erhalten Absender und Empfänger eine entsprechende Bestätigung. Zwei Sicherheitsmechanismen schützen die Blockchain vor Manipulation. Zum einen wird pro Block mittels sogenannter Merkle Trees eine Prüfsumme, auch Hashwert genannt, generiert. Der Hashwert eines vorhergehenden Blocks wird im nachfolgenden Block abgelegt (siehe Bild 3). Sollten Daten in den Blöcken manipuliert werden, stimmt der Hashwert nicht mehr, was alle Knoten leicht überprüfen können. Zum anderen muss zur Entstehung eines Blocks durch einen Miner der sogenannte Nonce erzeugt werden. Hierbei handelt es sich um das Ergebnis einer zu lösenden kryptografischen Aufgabe, deren Schwierigkeit mit steigender Rechenleistung im Netz automatisch angepasst wird. Berechnete Transaktionsblöcke und Prüfsummen müssen erneut von den Teilnehmern der Blockchain bestätigt werden, wofür jedoch im Vergleich zum Erzeugen der Nonce nur ein Bruchteil der Rechenleistung benötigt wird. Erst wenn mehr als die Hälfte der Knoten einen solchen Block bestätigt hat, besteht ein Konsens und der Block gilt als korrekt [11, 24]. Das Schreiben eines Blocks in diesem auch Proof of Work genannten Verfahren ist mit einer „Belohnung“ verbunden (z. B. Coins), und die Teilnehmer einer Blockchain bestimmen im Wettbewerb untereinander, wer einen Block bilden darf. Der Nachteil dieses Verfahrens ist, dass es große Rechnerkapazitäten und somit viel Energie in Anspruch nimmt. Aus diesem Grund kommen auch andere Verfahren zum Einsatz, wie z. B. das Proof of Stake-Verfahren. Dabei bildet nicht mehr die Partei mit dem schnellsten Rechner einen Block, sondern die mit den höchsten Anteilen an einer Blockchain. Die Logik dahinter ist, dass diese Partei den geringsten Anreiz hat, die Blockchain durch gefälschte Transaktionen zu korrumpieren. Die kryptographischen Rechenaufgaben können somit einfacher ausfallen, was wiederum Rechnerkapazität, Energie und Zeit sparen würde [11]. Blockchains können je nach Einsatzzweck in unterschiedlichen Ausprägungen betrieben werden (Bild 4). So gibt es geschlossene private und öffentliche Netze. Außerdem gibt es Netze, in denen alle Knoten gleichberechtigt lesen und schreiben dürfen (permissionless), und solche, in denen einige Knoten nur lesen dürfen (permissioned). Bitcoin etwa ist ein offenes genehmigungsloses Netz, Ripple ein öffentliches Permissioned-Netz und Hyperledger Fabric ein privates Permissioned-Netz. Je mehr Kontrolle es über die einzelnen Knoten gibt, desto schlanker kann der Proof of Work ausfallen. Andererseits bekommt dadurch eine zentrale Instanz auch mehr Macht [24]. Da das Betreiben einer Public Blockchain heute aus unterschiedlichen Gründen meist nicht produktiv für den Unternehmenseinsatz geeignet ist (z. B. aufgrund höherer Kosten für die Validierung von Transaktionen, langsamerer Transaktionsgeschwindigkeit, geringerem Datenschutz), werden von etablierten Unternehmen heute überwiegend private Blockchains implementiert bzw. deren Implementierung in Erwägung gezogen [16]. Generische Eigenschaften eines Blockchain-Protokolls Die Blockchain-Technologie bietet neue Möglichkeiten, um Vertrauen zwischen den Beteiligten eines Blockchain-Netzwerks herzustellen, ohne hierbei eine zentrale Vertrauensinstanz wie zum Beispiel eine Bank oder eine Behörde zu schaffen. Basierend auf den zuvor schon beschriebenen Konsensverfahren wird sichergestellt, dass Transaktionen unabänderbar und somit auch unmanipulierbar werden. Da jede Transaktion in der Blockchain mit einem Zeitstempel versehen ist (time stamping), wird sie für die Beteiligten bzw. Berechtigten zudem jederzeit nachvollziehbar. Dies führt zu einigen grundlegenden Fähigkeiten der Blockchain. Sie ermöglicht eine vertrauenswürdige Authentizitätsfestellung von Objekten (Proof of Authenticity), z. B. anhand physikalisch unklonbarer Funktionen (PUF) oder RFID-Tags. Das Blockchain-Protokoll gleicht hierbei gemessene PUFs mit hinterlegten PUFs ab und überprüft so deren Echtheit. Voraussetzung hierfür ist nur die eindeutige Identifikation z. B. anhand einer Seriennummer bei Objekten. Auch Zero-Knowledge-Verfahren können (etwa bei personenbezogenen Daten) zu einer Authentifizierung über eine Blockchain genutzt werden [27]. Der Vorteil der Echtheitsprüfung durch eine Blockchain-Anwendung liegt hierbei in ihrer Unmittelbarkeit, Bild 4: Private und öffentliche Blockchains [26] Bild 4: Private und öffentliche Blockchains [27] Internationales Verkehrswesen (70) 2 | 2018 85 Wissenschaft TECHNOLOGIE also darin, dass sie ohne zentrale Instanzen auskommt und dabei gleichzeitig sicher und für menschliche Nutzer aussagekräftig ist. Diese drei Anforderungen gleichzeitig zu erfüllen, ist auch als „Zooko’s Dreieck“ bekannt [28] und galt vor der Blockchain als unlösbares Problem. Dies wiederum führt zu weiteren grundlegenden Funktionen und Anwendungen der Blockchain, wie den Nachweis des Eigentums (Proof of Ownership) und den Nachweis von Vermögenswerten (Proof of Asset), womit unbürokratische und direkte Eigentumsüberträge und Zahlungen ermöglicht werden. Die zuvor beschriebenen Eigenschaften werden ergänzt durch sogenannte Smart Contracts. Dies sind computerbasierte Transaktionsprotokolle, welche einen definierten vertraglichen Sachverhalt oder Ablauf abbilden und automatisiert ausführen können [29]. Implementiert in eine Blockchain, können so automatisiert Entscheidungen getroffen werden, wenn hinterlegte Konditionen erfüllt sind. Hierbei können auch externe Informationen als Input verwendet werden [10]. Übertragung der Blockchain-Fähigkeiten auf-die Logistik Dokumenten-Blockchains Dokumenten-Blockchains ermöglichen es, Dokumente unternehmensübergreifend sicher zu übertragen und zu speichern. Teilnehmer der Dokumenten-Blockchain können Dokumente lesen bzw. schreiben oder ändern, je nach Berechtigung. Hierbei entspricht jedes Anlegen bzw. jede Änderung einer Blockchain-Transaktion, durch die der Entstehungsverlauf, das Entstehungs- und Veränderungsdatum sowie die Ersteller eines Dokuments festgehalten sind und dessen Echtheit und Unmanipuliertheit jederzeit nachweisbar ist. Die Anwendbarkeit von Dokumenten-Blockchains ist leicht vorstellbar für die Bereiche der Logistik und des Supply Chain-Managements, in denen heute noch Papier bedruckt wird. Dies ist heute noch in vielen überbetrieblichen Prozessen der Fall, insbesondere im Transportmanagement. Werden gebrochene Transporte nicht innerhalb eines Unternehmensnetzwerks durchgeführt, sondern über mehrere Frachtführer bzw. Transportmodi hinweg, ist elektronischer Dokumentenfluss per EDI in vielen Fällen nicht möglich und erfordert daher zeitraubende manuelle Administration. Die Nutzung von Dokumenten-Blockchains eignet sich zur Erstellung und Weitergabe von Frachtbriefen und frachtbegleitender Dokumentation. Diese schließt insbesondere die Erstellung und Weitergabe begehbarer Dokumente, wie z. B. Konnossemente ein. Smart Monitoring Smart Monitoring bezieht sich auf die Verknüpfung eines Blockchain-Protokolls mit einem Objekt. In einer Logistikkette oder Supply Chain kann diese auf Item- Level, SKU-Level oder auch Sendungslevel stattfinden. Die Verknüpfung kann unter Verwendung vorhandener Identifikationstechnik (z. B. Barcode, QR, NFC) über ein ERP System oder ein internetfähiges Lesegerät hergestellt werden. Hierbei können logistische Daten wie Sendungsgröße, Gewicht, Artikelanzahl, etc. und Daten, die über zusätzliche Sensorik erfasst werden, in der Blockchain abgelegt werden (Bild 5). Tracking und Tracing ist in dieser Hinsicht zwar keine Neuheit. Jedoch liegt der Vorteil des blockchain-basierten Trackings in seiner Unmittelbarkeit und ermöglicht somit unternehmensübergreifendes Tracking und Tracing in Echtzeit. Im Rahmen der zuvor schon beschriebenen Authentifizierungseigenschaft eines Blockchain-Protokolls wird in Verbindung mit entsprechender Identifikationstechnik auch eine leicht implementierbare Echtheitsprüfung von Objekten möglich. Dies ist insbesondere für eine fälschungssichere Gestaltung von Supply Chains relevant. Auch das Monitoring von Beständen über eine gesamte Supply Chain ist in diesem Zusammenhang vorstellbar (Bild 6). Eine besondere Rolle wird in dieser Hinsicht Blockchain-Protokollen in Verbindung mit dem Internet of Things (IoT) vorhergesagt [16, 10]. Sie könnten die Lösung für die Herstellung der Interoperabilität zwischen IoT-Objekten darstellen. Prozessteuerung mit Hilfe von Smart Contracts Die zuvor beschriebenen Eigenschaften von Blockchains, insbesondere der Smart Contracts, ermöglichen Bild 5: Smart Monitoring [31] Bild 5: Smart Monitoring [30] Internationales Verkehrswesen (70) 2 | 2018 86 TECHNOLOGIE Wissenschaft grundsätzlich eine Autonomisierung und damit eine Beschleunigung unternehmensübergreifender Informations- und Warenflussprozesse. Ein entsprechender Impuls signalisiert hierbei den Abschluss eines Prozesses und setzt aufgrund dessen den nächsten Prozess in Gang. Die entsprechende Beziehung zwischen den Prozessen und die Bedingungen, unter welchen der nächste Prozess in Gang gesetzt werden kann, wird im entsprechenden Blockchain-Protokoll hinterlegt. Nach dem Vorbild ereignisgesteuerter Prozessketten können hierbei auch Prozessalternativen hinterlegt werden. Wie schon zuvor wird eine blockchain-gestützte Prozesssteuerung vor allem unternehmensübergreifende Prozesse beschleunigen und diese auch kostengünstiger machen. Die Benutzung von Smart Contracts unterstützt die indirekte Steuerung von Objekten durch die Autonomisierung von Steuerungsprozessen und ermöglicht die direkte Steuerung von Objekten, wenn diese direkt mit dem Internet verbunden sind (Bild 7). Nicht zuletzt können durch die Hinterlegung entsprechender Wenn-Dann-Beziehungen im Blockchain-Protokoll Zahlungen ausgelöst werden. Dies könnte würde sowohl die Einhaltung vereinbarter Zahlungsziele manifestieren als auch den administrativen Aufwand für Frachtabrechnungen senken. ■ LITERATUR  [1] Nakamoto, S. Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System. https: / / bitcoin.org/ bitcoin. pdf  [2] Skwarek V.: Was ist Blockchain - Strategien und Möglichkeiten. In: TeleTrusT - Bundesverband IT-Sicherheit e.V. (Hrsg.). 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Die Beiträge müssen „Originalbeiträge“ sein, die in dieser Form und Zusammenstellung erstmals publiziert werden sollen. Sie durchlaufen nach formaler redaktioneller Prüfung ein standardisiertes Begutachtungsverfahren, bei dem ein Manuskript zwei, in besonderen Fällen weiteren Gutachtern (Referees) aus dem betreffenden Fachgebiet vorgelegt wird. Die Kernpunkte des Peer Review-Verfahrens: • Angenommene Manuskripte gehen an jeweils zwei Gutachter der entsprechenden Fachrichtung anonymisiert zur Begutachtung. • Gutachter nehmen ihre Begutachtung anhand eines standardisierten Bewertungsbogens vor, kommentieren die Bewertung schriftlich und empfehlen danach die uneingeschränkte Annahme zur Veröffentlichung, die Überarbeitung in bestimmten Punkten oder die Ablehnung. • Die Redaktionsleitung teilt den Autoren die Entscheidung der Gutachter umgehend mit, bei Bedarf zusammen mit den Überarbeitungsauflagen. 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