Что такое блокчейн и как он работает?

Приблизительное время чтения: 7 минут

Блокчейн – это система хранения данных, основанная на криптографии и децентрализации, то есть отсутствии единого центра управления. Блокчейн можно сравнить с интернетом: каждый сервер делай свой вклад в развитие сети, но его отключение не приводит к повреждению. Даже если 10 стран полностью отключат у себя интернет, он не перестанет существовать.

Изобретение блокчейна не менее важное, чем изобретение первого двигателя внутреннего сгорания или первый полёт человека в космос. Это технология, которая сильно изменит наше будущее. Чтобы понять, как устроен блокчейн на 100%, необходимо вернуться к истории человечества. 

Основы блокчейн сети: принципы работы

Чтобы понять принцип работы блокчейна, мы рассмотрим его основополагающие факторы и основные признаки блокчейна. Понимание, какую роль в системе выполняет каждый фактор, даёт понимание полное понимание о работе технологии распределённых реестров Блокчейн. Отличительными чертами блокчейна являются:

Децентрализация

На протяжении всей истории человечество для управления государством и финансов использует централизованные системы. Централизация означает, что в управлении отношения между двумя участниками всегда одна роль управляющая, вторая подчиняющаяся. Например, Сервер – Клиент. Даже президенты состоят в ООН, который регулирует отношения между президентами, всё подчиняется иерархии и централизации.

Современная банковская и государственная система за последние 10 лет существенно выросла. Во всех системах появилось множество “слоёв” в вертикальном управлении. Чем больше таких слоёв, тем сложнее и дороже система в управлении и контроле.

Принцип блокчейна о Децентрализованности подразумевает одноранговые отношения между участниками, каждый участник является и клиентом, и сервером. Такие сети называют пиринговыми, или P2P – Peer to Peer (от равному к равному). Блокчейны могут иметь несколько ролей в своей системе, но их число ограничено, а правила отношений между ролями жестко прописаны в коде блокчейна. Это называется протокол, которому следуют участники.

Участники сети называются узлами, или нодами. Каждый узел проверяет правильность выполнения условий в блокчейне другими узлами. Они полностью синхронизированы по принципу “Каждый с каждым”. В системах управления финансами или государством, чем больше связей имеет каждый узел с другими узлами, тем выше скорость передачи данных и лучше коммуникация.

Хранение данных в блокчейне похоже на загрузку своих файлов в облачное хранилище. Только хранилищем является не 1 сервер компании, а все узлы сети, которых могут быть тысячи. Каждый их этих узлов проверяет правильность данных и поддерживает доступ к этим файлам. Чтобы уничтожить доступ к ним, придётся уничтожить каждого участника сети.

История криптографии и шифрования

Криптография появилась из военной промышленности, когда люди пытались шифровать свои сообщения от врагов, например, азбука Морзе. Зашифрованные данные легко можно переводить в обратном направлении, зная алгоритм шифрования или запустив алгоритм перебора. Так работала старая симметричная система шифрования данных, которая с развитием компьютерных технологий стала неэффективной. Любой компьютер на основе машинного обучения легко может расшифровывать данные.

Блокчейн подразумевает ассиметричное шифрование – зашифрованные данные невозможно привести к начальному виду без использования приватного ключа. Алгоритмов шифрования существует много, но первым был использован SHA-256.

При создании кошелька на Биткоин генерируется пара Публичный ключ – Приватный ключ. Публичный ключ простыми словами, это кусок кода, который участвует в генерации блоков. А Приватный ключ это кусок кода, подтверждающий право владения биткоин кошельком.

Хэширование данных

Работа блокчейна происходит на основе процесса хэширования данных. Хэширование – приведение любого объёма данных к определённому виду. Например, мы можем любую художественную книгу зашифровать в одну строку длинной 20 символов. И сколько бы мы книг не привели к этому виду, хэш не повторится. Не повторяется он благодаря асимметричному шифрованию, которое подразумевает 2 в 256 степени уникальных символов, заложенных в эту строку хэша.

Больше о хэшах вы узнаете в статье про майнинг криптовалют. Именно они участвуют в создании новых блоков, благодаря вычислительным мощностям майнеров.

Консенсус в сети

Участники сети в любом блокчейне всё равно будут распределены на роли. Среди них нет главного, все равны. Но, некоторые роли обеспечивают существование сети, поэтому для сети они важнее. Чтобы обеспечивать договорённости между ролями и устанавливать обязанности каждого участника, система должна прийти к общему консенсусу, то есть единому решению.

Существует более 20 разных алгоритмов консенсуса, которые разрабатывались под разные цели: хранение данных, трансграничные переводы денег, общение в соцсетях и так далее. Блокчейн существует только при наличии общего консенсуса между участниками.

Несогласные могут создавать ответвления от основного блокчейна и переходить на них вместе со своими последователями. Как страны выходили из состава СССР, так и участники могут раскалывать один блокчейн на несколько. Но оригинальной останется та сеть, которая имеет более длинную историю. Процесс раскола блокчейна называется хардфорком.

Сообщество разработчиков каждого блокчейна работает над ускорением передачи информации и улучшением безопасности. Хардфорки случаются, когда не все соглашаются с предлагаемым решением. Также, хардфорк даёт возможность откатить весь блокчейн до определённой даты, и начать существование с нуля. Например, если кто-то смог взломать систему и украсть миллиарды долларов. Тогда сообщество приходит к консенсусу и проводит хардфорк, а хакер останется уже не с той монетой, которой он крал, а всего лишь с её “отростком”.

Так как работает блокчейн? Собираем воедино

Данные транзакций блокчейна шифруются и укладываются в блоки, каждый блок имеет дополнительную степень шифрования. Блоки укладываются поочерёдно в цепочку блоков.

Каждый новый блок содержит хэш предыдущего блока. Таким образом они связываются и синхронизируются. Так как каждый блок имеет связь со всеми остальными, подделка или ошибка в данных будет сразу замечена системой. Причём сеть блокчейн точно скажет, у какого участника произошла ошибка.

Связь криптовалюты и блокчейна

Криптовалюта, например Биткоин, является ничем иным, как теми данными, которые шифруются и передаются в блокчейне. Вместо монеты с возможностью публично смотреть список переводов и содержание кошельков, может быть закрытая система, например, с медицинскими карточками граждан страны. Использовать блокчейн можно в любой индустрии, в частности в банковской системе.

Виды блокчейнов

Блокчейны бывают двух видов:

• Открытые блокчейны публичны и видны каждому. Можно зайти на любой сайта Обозревателя блоков и посмотреть хеш-адреса, номер блока и количество подтверждений.
• Закрытые блокчейны не показывают внутренних движений криптовалют, подобно тому, как когда кладёшь деньги в банк.

Первая блокчейн платформа – проект Биткоин

Процесс хэширования у Bitcoin происходит за счёт вычислительных мощностей майнеров. После того, как в блокчейн добавляется новый блок, он проверяется по очереди всеми участниками сети Биткоин.

Именно поэтому многие биржи и кошельки зачисляют средства на кошелёк только после 6 подтверждений валидности блока другими узлами. 6 подтверждений необходимо, чтобы признать текущую ветку действительной, а не ответвлением, или форком. Это первый алгоритм консенсуса блокчейна Proof of Work, основанный на “доказательстве доли работы” майнеров и реализованный в Биткоине. Каждые 4 года происходит халвинг Биткоина, когда награда за добытый блок уменьшает вдвое, чтобы сокращать добычу по мере роста цены BTC

Блокчейн Биткоина был создан Сатоши Накомото. BTC разрабатывался в первую очередь как платёжное средство. Этому человеку удалось остаться анонимным, хотя он поддерживал контакт с некоторыми участниками сообщества до 2011 года, дальше он заявил, что имеет более важные дела и пропал насовсем. История биткоина с самого начала доступна в статье.

Распределённая сеть первой криптовалюты сильно отличается от других видов блокчейнов, которые используют другие протоколы и методы достижения консенсуса.

Недостатки Блокчейн систем

У разных типов блокчейн систем существуют свои преимущества и недостатки, мы попытаемся упомянуть только те минусы, которые присущи всем сетям. Например, у биткоин сам принцип использования электричества является минусом, но в современных сетях майнинг на видеокартах и ASIC чипах уже не применяется.

• Невозможность удаления данных – принцип работы блокчейна основан на добавлении данных в сеть, но их невозможно удалить. Отсюда вытекает постоянно растущий объём хранимых данных.
• Теоретическая возможность атаки 51%, когда более 50% мощности сети оказывается у злоумышленника или группы лиц. На практике такая атака невозможна, но такая атака на блокчейн может уничтожить сеть и доверие к ней.
• Транзакции криптовалют в блокчейне невозвратны. В случае отправки монет на несуществующий адрес, они будут навсегда утеряны, потому что ни у кого нет приватного ключа от того адреса, на который были отправлены коины.
• Структура некоторых блокчейнов не позволяет проводить достаточное количество операций в секунду. Пропускная способность блокчейнов является одной из основных проблем, которую каждый проект решает разными методами.

Выводы

Блокчейн технологии в настоящее время могут использоваться абсолютно в любой сфере, а не только в финансовых и государственных системах. Крупные корпорации давно используют частные блокчейны для своих целей.

Мы разобрали основные характеристики блокчейна и выяснили, где хранится информация в блокчейне, как передаётся и какие есть признаки блокчейна как системы.

Чтобы понять принцип работы на примере Биткоина, рекомендуем ознакомиться со статьями о том, как происходит майнинг криптовалют и обзор работы блокчейна Биткоина.