Введение в криптовалюты. Как работает блокчейн

Блокчейн — это технология распределенного хранения и передачи данных, гарантирующая прозрачность и неизменность информации, записанной в нем.

Это основная особенность блокчейна, что делает его незаменимой технологией для криптовалют. Для них важна достоверность данных, невозможность подделки и отсутствие централизованного контроля (единой точки отказа). Технология может применяться и в других сферах, где это также важно.

Изначально данную технологию придумал и реализовал в биткоине Сатоши Накамото, но не выделял ее как отдельную от биткоина идею. Многие эксперты до сих пор считают, что применение блокчейна вне мира криптовалют избыточно.

Как устроен блокчейн

Устройство блокчейна довольно простое и элегантное. Он состоит из последовательной цепочки блоков, каждый из которых содержит определенную информацию. Если кратко, то в этом и есть основная суть структуры данной технологии.

Чтобы обеспечить прозрачность, неизменность и безопасность данных, в блокчейне используются механизм консенсуса и криптография, а также каждому блоку добавляется хэш предыдущего блока и временная метка. Они — необходимые элементы механизма работы блокчейна.

Разберем, как это работает схематически. Когда кто-то хочет добавить новые данные в блокчейн (например, совершить транзакцию на 1 биткоин), он передает свою транзакцию в сеть через узел (ноду) с использованием криптографии. Сеть блокчейна состоит из множества таких узлов, и эта транзакция пересылается им всем.

Далее специальные участники сети формируют новый блок, в который попадает ваша транзакция. Этот блок опять отправляется всем узлам, и если он сформирован правильно (не нарушает правил протокола), они принимают его и добавляют в свою копию цепочки блоков.

Таким образом, ваша транзакция попадает в блок, который становится частью общей цепочки, и теперь все участники сети знают, что вы совершили транзакцию. Соответственно, все также знают, что ваш 1 биткоин теперь находится на другом кошельке, и вы не сможете повторно его использовать.

Пример. Ниже описан принцип работы каждого элемента блокчейна более детально.

1. Новые данные поступают в цепочку блоков, например – о том, что пользователь А переводит средства пользователю В.
2. Эти данные о транзакции записываются в отдельный блок.
3. Информация в блоке распространяется среди всех участников сети.
4. Участники (ноды) проверяют и подтверждают транзакцию
5. Информация о транзакции добавляется в цепочку блоков.

Блоки

Блок — это контейнер для хранения данных. Обычно они хранят транзакции криптовалют, но могут использоваться для хранения практически любой информации. Надежная передача и хранение данных и является сутью этой технологии.

Сам блокчейн — это связанная последовательность таких блоков: от самого первого (генезис-блока) до самого последнего на текущий момент.

Каждый блок состоит из:

• Данных (в криптовалютах это транзакции).
• Хэша текущего блока.
• Хэша предыдущего блока.
• Временной метки (timestamp).
• Технической информации (например, nonce — случайное число, используемое при майнинге).

Суть в том, чтобы хранить и передавать информацию, которая содержится в блоке, а все остальные его параметры необходимы исключительно для обеспечения достоверности и надежности этого процесса.

Процесс формирования нового блока можно условно разделить на три этапа:

1. Новые транзакции проходят проверку (валидацию) и, если соответствуют правилам, собираются в один блок.
2. На основе всех данных блока вычисляется его уникальное хэш-значение, которое связывает его с предыдущим блоком в цепочке.
3. Новый блок рассылается другим узлам в сети, где проходит проверку и окончательно добавляется в общую цепь, становясь частью блокчейна.

Цепочка блоков

Каждый блок связан с предыдущим, что делает блокчейн единым и последовательным хранилищем данных. Для связывания используются хэш-значения.

Применяя математическую функцию, для каждого блока формируется уникальное значение (хэш). Оно является его идентификатором и гарантирует связь со всеми предыдущими блоками, так как при вычислении хэша нового блока используется хэш предыдущего.

Это обеспечивает строгую последовательность всех блоков, что делает данные в них неизменными. Например, если вы попытаетесь изменить историю транзакций в одном из старых блоков, хэш этого и всех последующих блоков изменится. Такое изменение будет сразу же замечено другими узлами сети, и поддельная версия цепочки будет отклонена.

Распределенный реестр (DLT)

DLT (Distributed Ledger Technology), или распределенный реестр, — это база данных, копия всего блокчейна, которая хранится на множестве независимых устройств. Каждый желающий может скачать себе копию этой базы и синхронизировать ее в реальном времени.

Все узлы сети хранят на своем устройстве полную базу данных блокчейна. Это гарантирует, что каждый пользователь сможет самостоятельно проверить данные и не принимать те, что не совпадают с его версией.

Если данные хранятся на одном компьютере или даже на серверах одной компании, они уязвимы к потере или изменению. Например, государственные органы могут заставить владельца сервера изменить или удалить неугодные данные. В такой ситуации доверять информации невозможно. Для решения этой проблемы и был создан биткоин и технология блокчейн, а для ее обеспечения используется DLT.

Когда множество узлов во многих странах хранят одну и ту же базу данных, даже если заставить часть из них изменить свой блокчейн, узлы в других странах сохранят верную, неизменную копию.

Механизм консенсуса

Достижение согласия между участниками сети обеспечивается через механизм консенсуса. Он определяет, по каким правилам в сеть добавляются новые блоки. Самые известные — Proof-of-Work (PoW) в биткоине и Proof-of-Stake (PoS) в Ethereum и других криптовалютах.

• В PoW майнерам необходимо решить сложную математическую задачу, затратив много вычислительных ресурсов. Это гарантирует, что добавление нового блока было реальным, затратным действием, а не спамом. Чем больше майнеров в сети, тем она устойчивее.
• В PoS вероятность создать новый блок зависит от количества монет, которыми владеет и которые готов «заморозить» участник (валидатор).

Временные метки (Timestamps)

Каждому блоку присваивается своя уникальная временная метка — это время, когда блок был создан. Это необходимо для поддержания хронологического порядка данных в блокчейне. Также метки помогают отслеживать транзакции и упрощают проверку данных. Если мы отправим что-то в блокчейн, временная метка будет гарантировать, что мы сделали это действие именно в указанное время.

Ключевые преимущества технологии блокчейн

Постоянный рост стоимости биткоина и идеи интегрировать блокчейн в другие сферы жизни вызваны важными преимуществами этой технологии.

Децентрализация. Отсутствие единой точки отказа — невозможно отключить один сервер, закрыть компанию или даже на государственном уровне запретить биткоин, чтобы он перестал существовать. Его поддерживает множество независимых узлов почти во всех странах мира. Хотя теоретически и существуют определенные типы атак на децентрализованные блокчейны, все они невероятно дороги и вряд ли будут успешными против таких сетей, как биткоин.

Неизменность (Immutability). Любые данные, которые однажды были записаны в блокчейн, практически невозможно удалить или изменить. Любая модификация сразу же нарушит криптографическую целостность блокчейна и будет отклонена другими узлами. Изменение даже одного символа приведет к полному изменению хэша этого и всех последующих блоков.

Прозрачность и аудит. Каждый участник сети может проверить всю историю данных в публичном блокчейне. Такие сети, как биткоин или Ethereum, позволяют видеть, откуда, куда и какие данные (транзакции) отправлялись. Существуют и анонимные блокчейны (например, Monero), которые скрывают эти детали, что полезно для максимально конфиденциальных транзакций. Прозрачные блокчейны по своей сути подтверждают получение вами транзакций в определенное время и в определенном размере, что может быть полезно для отчетности.

Безопасность. Криптография создает неразрывную связь между блоками. Распределенность делает сеть неуязвимой к атакам на отдельные узлы. Механизм консенсуса позволяет доверять новым данным без необходимости доверять тому, кто их добавил.

Повышение эффективности и снижение затрат. Классические системы, например онлайн-банкинг, требуют доверия к банку, открытия счетов и верификации. В биткоине ничего из этого не нужно — надежность и безопасность создаются математическими алгоритмами, а не доверием третьей стороне. Это значительно снижает расходы на услуги посредников и применимо к любым другим продуктам на основе блокчейна.

Риски и недостатки технологии блокчейн

Несмотря на все преимущества, у технологии блокчейн есть и потенциальные недостатки, или, скорее, особенности.

• Масштабируемость. В биткоине каждый блок имеет ограниченный размер и создается примерно раз в 10 минут, что снижает скорость обработки транзакций. Существуют более быстрые блокчейны, но часто они жертвуют для этого децентрализацией (например, при переходе на PoS).
• Энергопотребление. Майнинг в сетях PoW требует огромных затрат электроэнергии. В этом и заключается его защитный механизм — атака на сеть стоит очень дорого. Консенсус PoS потребляет значительно меньше энергии, но безопасность в нем зависит от крупных держателей монет, что может снижать уровень децентрализации.
• Сложность внедрения. Существует большое количество разных блокчейнов со своими особенностями. Отсутствие единого стандарта усложняет процесс их внедрения. Часто компании хотят внедрить блокчейн на волне хайпа, даже не понимая, зачем он им нужен.
• Регулирование и правовой статус. Как и многие быстро развивающиеся интернет-технологии, блокчейн слабо регулируется, так как еще не выработаны единые нормы. С другой стороны, возникает вопрос, зачем регулировать то, что спроектировано для работы без доверия к третьей стороне.
• Порог входа. Чтобы воспользоваться всеми преимуществами технологии, нужно понимать хотя бы ее основы. Например, для получения полного контроля над своим биткоин-кошельком необходимо самостоятельно запустить и настроить свою ноду, что является непростой технической задачей.

Где используется блокчейн?

Криптовалюты и финансы

Самое известное и успешное применение блокчейн нашел в криптовалютах. Фактически, блокчейн — это основа архитектуры любой криптовалюты.

Позже на блокчейнах с поддержкой смарт-контрактов (в первую очередь Ethereum) появились децентрализованные биржи (DEX). Они работают на основе программных алгоритмов, без необходимости доверять централизованной компании.

Вслед за DEX появились и другие DeFi-продукты (децентрализованные финансы). Они также работают на блокчейне и предоставляют различные финансовые услуги: кредитование, стейкинг, фарминг доходности и многое другое.

Еще один сценарий использования блокчейна — создание NFT (невзаимозаменяемых токенов), которые представляют собой уникальные цифровые объекты, чаще всего предметы искусства или коллекционирования.

Примеры не из мира криптовалют

Но криптовалюты и финансовые продукты на их основе не единственная сфера применения блокчейна. Есть много других вариантов использования этой технологии:

• Управление цепочками поставок. Блокчейн можно использовать для отслеживания движения товаров от производителя до конечного покупателя, что усложняет подделку и подтверждает подлинность продукции.
• Системы голосования. Одно из самых перспективных направлений. Прозрачность и неизменность блокчейна делают фальсификации практически невозможными, что уже применяется в управлении децентрализованными проектами (DAO).
• Здравоохранение. В блокчейне можно хранить медицинские карты пациентов, делая невозможной подделку данных и отслеживая всю историю болезней.
• Защита интеллектуальной собственности. Регистрация авторских прав и патентов в блокчейне может сделать процесс более прозрачным и позволит легко доказать, кто первым заявил о праве собственности.
• Цифровая идентификация. Проекты по созданию цифровой личности на блокчейне позволяют пользователям контролировать свои данные, открывая лишь необходимую часть информации и обеспечивая устойчивость к утечкам.
• Смарт-контракты (Smart Contracts). Это самоисполняющиеся программы, работающие на блокчейне. Они могут иметь почти любую логику, что позволяет создавать самые разные сценарии, от финансовых услуг в DeFi до автоматизации юридических договоров. Условия и ход исполнения заранее известны, абсолютно прозрачны и записаны в коде. Это снижает возможности для мошенничества и устраняет посредников (например, банки или юристов).

Будущее блокчейна: Прогнозы

Блокчейн активно развивается с момента своего появления. С каждым годом появляются новые поколения (реализации) блокчейнов, решающие проблемы классических сетей, таких как биткоин или Ethereum. Все чаще используется шардинг (разделение сети для увеличения масштабируемости) или архитектура DAG.

Многие проекты переходят или сразу разрабатываются на консенсусе PoS, так как он значительно уменьшает энергопотребление и увеличивает масштабируемость. Но это не значит, что PoW, лежащий в основе биткоина, исчезнет — наоборот, это делает первую криптовалюту более ценной в плане надежности и децентрализации.

Существует большой потенциал для интеграции ИИ и блокчейна. Эта ниша выглядит наиболее перспективной, особенно ввиду быстрого развития ИИ-технологий. Блокчейн может помочь решить как минимум три важные проблемы в сфере ИИ:

1. Децентрализация. ИИ на блокчейне может стать общедоступным и устойчивым к цензуре со стороны корпораций.
2. Распределенное обучение. Вычислительные мощности блокчейн-сетей можно направить на обучение ИИ-моделей, решая проблему нехватки ресурсов.
3. Распределенное хранение данных. Блокчейн-проекты по хранению данных могут стать основой для сбора и хранения датасетов для обучения ИИ.

Можно также ожидать появления первых CBDC — цифровых валют центральных банков. Их плюс в том, что все транзакции будут прозрачны, но минус — в том, что все финансовые потоки станут подконтрольны государству, и исчезнет понятие банковской тайны. Это вызывает большой скепсис как у крипто-сообщества, так и у правозащитников.

В целом, наиболее перспективные направления для блокчейна вне криптовалют в долгосрочной перспективе — это искусственный интеллект (децентрализация ИИ) и системы голосования (прозрачные и нефальсифицируемые).

Основные термины технологии блокчейн

• Блокчейн (Blockchain) — распределенная база данных, состоящая из последовательной цепочки блоков. Изменить единожды внесенные данные в блокчейн практически невозможно.
• Блок (Block) — главный элемент блокчейна, хранящий данные и техническую информацию.
• Транзакция (Transaction) — запись о передаче данных (например, цифрового актива) между участниками сети, хранящаяся в блоке.
• Хэш (Hash) — результат работы криптографической функции, которая преобразует любой объем данных в уникальную строку фиксированной длины. Хэши связывают блоки между собой в единую цепь.
• Децентрализация (Decentralization) — отсутствие единого центра управления или принятия решений. В контексте блокчейна это означает, что сеть работает благодаря множеству независимых узлов.
• Распределенный реестр (DLT) — база данных, которая распределенно хранится и синхронизируется между участниками сети (нодами). Блокчейн является наиболее известной реализацией DLT.
• Консенсус — алгоритм, по которому участники сети договариваются о добавлении нового блока в цепочку. Основные виды — PoW и PoS.
• Proof of Work (PoW) — алгоритм консенсуса, требующий от участников (майнеров) решения сложной вычислительной задачи для добавления блока. Используется в биткоине.
• Proof of Stake (PoS) — альтернативный алгоритм консенсуса, где вероятность добавить новый блок зависит от количества монет, удерживаемых участником (валидатором).
• Майнинг (Mining) — в сетях PoW это процесс решения вычислительной задачи для создания нового блока. За успешное решение майнеры получают вознаграждение.
• Нода (Узел, Node) — участник сети блокчейна (компьютер со специальным ПО), который хранит копию блокчейна, проверяет и передает транзакции.
• Смарт-контракт (Smart Contract) — запрограммированный алгоритм на блокчейне, который автоматически выполняет определенные действия при наступлении заранее определенных условий.
• Криптовалюта (Cryptocurrency) — цифровой актив, который используется в блокчейне для транзакций и в качестве вознаграждения за поддержание работы сети.
• Форк (Fork) — изменение правил протокола блокчейна. Бывает хардфорк (создается новая, несовместимая с прошлой версия) и софтфорк (обновление с сохранением обратной совместимости).
• Газ (Gas) — в сетях со смарт-контрактами (например, Ethereum) это комиссия, которую пользователи платят за выполнение операций (транзакций, вызовов контрактов).

FAQ