Принципы работы блокчейна

Блокчейн — специальная система, лежащая в основе многих криптовалют и в других разработках. Это цифровая база данных, которая надежно хранит информацию, защищает данные от взлома и изменений.

Технология стала популярной благодаря растущему использованию криптовалют. Но блокчейн имеет большой потенциал и в других областях: совершение сделок с недвижимостью, заключение юридических контрактов, ведение медицинских записей и другие отрасли, для которых актуально защищенное хранение данных.

«Блокчейн — это технология. Биткоин — просто первая широкомасштабная реализация её потенциала» — Виталик Бутерин, сооснователь Ethereum и Bitcoin Magazine.

Основные принципы работы блокчейна

• Каждый блок данных связывается с предыдущим, формируя неразрывную последовательность, защищенную криптографическими алгоритмами.
• Участники сети равноценны между собой и могут осуществлять передачу данных напрямую, без посредников.
• Информация хранится децентрализовано, что обеспечивает сохранность данных, даже если один или несколько узлов выйдет из строя.
• Данные почти невозможно изменить или подделать, что создает доверие между людьми.
• Блокчейн не может быть изменен заинтересованным лицом или организацией в своих целях, это независимая система алгоритмов.

Принципы работы блокчейна на примере биткоина

В журнале MIT Technology Review, принадлежащему Массачусетскому технологическому институту, написано: «Весь смысл использования блокчейна заключается в том, чтобы позволить людям, в частности, тем, кто не доверяет друг другу, обмениваться ценными данными безопасным и защищенным от несанкционированного доступа способом». В этом состоит основная суть технологии, но как же это всё работает «изнутри»?

Блоки

Блок — это единица хранения информации в блокчейне. Каждый блок надежно связан с предыдущим при помощи хэша, и если внести в один блок изменения, то придётся менять все последующие блоки. Такой способ хранения обеспечивает неизменяемость информации.

Каждый блок состоит из нескольких основных элементов:

• Nonce (от англ. «number that can only be used once», рус. «однократно используемое число») — целое число, которое подбирается таким образом, чтобы хэш блока начинался с определенного количества нулей.
• Хэш предыдущего блока.
• Данные о транзакциях (в случае с биткоином они упакованы в виде дерева Меркла).
• Хэш — это 256-битное число, идентификатор блока. Хэш рассчитывается из трех предыдущих элементов. Он начинается с заданного количества нулей, в зависимости от текущей сложности сети.

Хэш

Хэш — это криптографическое отображение набора информации. Независимо от первоначального объема на выходе получится строка фиксированной длины.

В блокчейне биткоина используется алгоритм хэширования SHA-256 с 256-битной последовательностью на выходе. Некоторые блокчейны отличаются от других используемым алгоритмом хэширования, что приводит к интересному разнообразию различных криптографических решений.

Обязательные свойства хэша:

• Принцип «малое изменение на входе дает большое изменение на выходе» — достаточно заменить один символ и хэш полностью изменится.
• Один и тот же хэш никогда не повторится дважды.
• Необратимость — невозможность получения исходного сообщения из хэша.
• Детерминированность — одно и то же сообщение на выходе всегда будет давать одинаковый хэш.

Узлы

Узел (или нода, от лат. nodus) — это устройство в блокчейн-сети, хранящее копии транзакций, выполняющее их проверку и подтверждение. По сути, нодой может быть любой компьютер, подключенный к Интернету. Узлы передают информацию о транзакциях и блоках с использованием протокола одноранговой сети (P2P).

Архитектура блокчейна устроена таким образом, что любой человек может получить абсолютно беспрепятственный доступ к записям о транзакциях. Благодаря такой системе, пользователи могут легко отслеживать транзакцию в блокчейне с помощью ее идентификатора.

Благодаря узлам сохраняются и распространяются копии данных, это критически важный компонент для работы сети. Некоторые узлы хранят базы данных блокчейна, они называются полными. Другие - только принимают и передают транзакци, их называют легкими. Ноды, которые участвуют в подтверждении транзакций, называются майнерами.

Майнинг

Новые блоки появляются в цепочке в результате процесса, называемого майнингом. Когда пользователь хочет отправить кому-то средства, он формирует новую транзакцию и отправляет ее в сеть. Далее ему необходимо дождаться пока другие пользователи сети (узлы) проверят и подтвердят её. Майнеры отвечают за сбор таких транзакций и группировку их в новый блок.

Майнеры используют специальное ПО и оборудование для поиска значения хэша. Для подтверждения нового блока майнеру необходимо найти хэш блока, который бы соответствовал требованиям сети — так называемой сложности.

Что такое майнинг криптовалют

В криптовалютном мире майнингом называется процесс создания блоков в блокчейне и выплаты наград людям, которые вкладывают в этот процесс свои вычислительные ресурсы

Читать дальше

Сложность добычи блока зависит от количества нулей в начале его хэша. Чем их больше, тем больше вычислительной мощности потребуется. В блокчейне биткойна каждые две недели производится корректировка сложности майнинга таким образом, чтобы каждые 10 минут появлялся один новый блок. То есть, если к сети подключится много майнеров, блоки будут добываться быстрее. Поэтому через некоторое время сложность увеличится и скорость нахождения новых блоков стабилизируется. Эта схема работает и в обратную сторону. Иногда майнеров становится меньше, блок добывается дольше 10 минут, следовательно, сложность уменьшается.

Примерный вид хэша:

«0000000000000000000b39e10cb246407aa676b43bdc6229a1536bd1d1643679»

Чтобы добыть новый блок, майнеру нужно собрать хэш предыдущего блока, данные своего блока-кандидата и nonce. После этого необходимо сгенерировать из полученной информации хэш-сумму, которая будет соответствовать заявленным требованиям сети. Но так как изначально не известно, какая комбинация даст необходимое количество нулей в начале хэша, майнеры случайным образом перебирают значение nonce до тех пор, пока не обнаружится нужная последовательность.

Когда комбинация подобрана, блок добавляется в цепочку, и информация о нём рассылается другим узлам для проверки. Таким образом вся сеть получает информацию о новом элементе цепи.

Такая сложная система добычи делает сеть устойчивой к хакерским атакам. Для внесения изменений в любой блок потребуется очень много времени и вычислительной мощности. При этом хакерам придется вносить изменения не только в целевой блок, но и во все последующие.

Вознаграждение за добытый блок состоит из двух элементов: субсидии от самой сети и комиссии за транзакции. Субсидия за блок — это новые сгенерированные монеты, они являются основной частью вознаграждения. Другая часть состоит из комиссий за транзакции, которые включены в блок.

Каждая новая транзакция попадает в мемпул, где ожидает подтверждения от майнеров. Обычно это занимает около 10 минут, но время может меняться, в зависимости от загруженности сети и майнеров. При формировании майнеры чаще выбирают транзакции, у которых выше комиссия. То есть чем выше комиссия транзакции, тем быстрее она подтвердится. Подробнее о подтверждении транзакций можно прочитать в нашей отдельной статье.

Что такое подтверждения биткоина и сколько их ждать?

Проведение транзакций в сети биткоин отличается от классических банковских операций или переводов между электронными кошельками

Читать дальше

Майнеры выполняют сразу несколько функций, что позволяет сети существовать:

• объединяют транзакции в блок;
• подтверждают транзакции;
• защищают сеть от атаки 51%.

Кошельки

Чтобы совершить транзакцию, необходимо иметь кошелек. При создании биткоин-кошелька создаются приватный и публичный ключи. Приватный ключ генерируется случайным образом и доступен только владельцу кошелька. Публичный ключ хэшируется на основе приватного, а затем по определенному алгоритму генерирует адрес. Приватный ключ используется в качестве электронной подписи и необходим для подтверждения владения биткоинами.

Принцип работы ключей:

• Отправитель получает открытый ключ адресата.
• Отправитель создаёт транзакцию.
• Отправитель использует свой закрытый ключ для подтверждения транзакции.
• Адресат использует свой закрытый ключ как электронную подпись для получения монет.

Как блокчейн изменит экономику и весь остальной мир

«Мы наблюдаем постепенную трансформацию запросов от бизнеса, который раньше говорил: нам нужно понять, куда я могу внедрить блокчейн. Теперь это запрос вида: есть определенная проблема, мы думаем, что технология блокчейн может стать решением» — Артем Толкачев, основатель и генеральный директор Tokenomica и Sputnik DLT.

Cтраны и компании уже начали использовать огромные возможности блокчейна. Технология начала трансформировать различные отрасли, она позволяет небольшим компаниям торговать на международном уровне, а большим упрощает процессы хранения и передачи данных. Уже имеется ряд тенденций развития блокчейна.

К 2021 году многие страны пришли к принятию и регулированию криптовалют. Так, согласно данным отчета Управления глобальных правовых исследований Юридической библиотеки Конгресса США (GLRD), 103 государства уже ввели законодательное регулирование криптовалют, налогообложение и AML-программы.

Финансовый сектор будет лидером в применении блокчейн-технологий

Банковский и финансовый секторы не нуждаются в радикальных изменениях существующих процессов для внедрения новых технологий. Финансовые учреждения уже готовы использовать блокчейн не только для обычных банковских операций, но и для фиксирования залогов, эмиссии, торговли акциями и документооборота. Согласно недавнему исследованию, такие решения помогут снизить затраты финансовых предприятий почти на 20 млрд долларов в год к 2023.

Вырастет спрос на экспертов в области блокчейна

По мере признания потенциала блокчейна, растёт спрос на специалистов в этой области. Онлайн-платформа для фрилансеров Upwork недавно сообщила о значительном росте вакансий, связанных с блокчейн-технологией. Дефицит кадров также означает повышенную заработную плату. Это даст начинающим специалистам стимул и новые карьерные возможности.

Появятся новые способы применения

Благодаря удобному децентрализованному способу хранения информации и надежной защите, блокчейн уже применяется и за пределом финансового сектора: в здравоохранении и медицине, логистике, земельных кадастрах, государственном и корпоративном документообороте.

Блокчейн — это универсальная технология для хранения, защиты и передачи данных

Блокчейн — универсальная разработка. Его структура позволяет хранить и передавать информацию безопасным способом, что делает транзакции между незнакомыми людьми в сети более прозрачными. Но блокчейн тоже имеет свои недостатки, которые препятствуют его массовому распространению. Блокчейн тяжело масштабировать, он хранит тысячи мелких и ненужных транзакций. Размер полного узла биткоина сейчас составляет более 300 Гб, что затрудняет майнинг и обслуживание узлов. Из-за нехватки квалифицированных специалистов могут возникнуть сложности с разработкой и внедрением технологии. Тем не менее, с увеличением интереса к блокчейну, появится больше ресурсов для его развития.

История технологии блокчейна: с 1991 года до наших дней

Блокчейн сегодня — это различные криптовалюты, NFT-токены, криптообменники и кошельки, а также биржи, на которых торгуются виртуальные активы, и многое другое.

Читать дальше

Стоит помнить, что блокчейн — это не только биткоин: криптовалюта лишь один из способов применения. Его функционал используют крупные компании (Google, Amazon) и правительства разных стран. Уже не все протоколы работают по одному принципу, а понятие «блокчейн» стало гораздо шире, чем просто онлайн-транзакции.