Что такое блокчейн: как работают блоки, узлы и консенсус

Блоки и цепочка

Блокчейн — это список записей, сгруппированных в пакеты, которые называются блоками. Каждый блок содержит набор транзакций, отметку времени и специальный код, который называется хешем.

Хеш работает как отпечаток пальца для данных. Если пропустить любую информацию через хеш-функцию, получится короткий код фиксированной длины. Стоит изменить во входных данных хотя бы один символ, и отпечаток станет совершенно другим. Каждый блок содержит хеш предыдущего блока, и именно это связывает блоки в цепочку.

В этой связке и заключается главная хитрость. Если кто-то изменит старую транзакцию, отпечаток этого блока поменяется, и связь со следующим блоком разорвется, а за ним — со следующим и так далее до самого последнего. Подделка сразу становится заметна.

Узлы: множество копий одного реестра

Блокчейн не хранится в одном месте. Он скопирован на множество компьютеров, которые называются узлами (нодами). Часто их запускают независимые люди и организации в разных странах. Каждый узел хранит собственную копию реестра и проверяет новые транзакции и блоки на соответствие правилам сети.

Поскольку копий так много, не существует единого сервера, который можно отключить или незаметно отредактировать. Если один узел уходит в офлайн или пытается жульничать, остальные просто его игнорируют. В публичных блокчейнах, таких как биткоин и Ethereum, запустить узел обычно может любой, у кого есть подходящее оборудование.

Консенсус: как сеть приходит к согласию

Когда в работе участвуют тысячи компьютеров, сети нужен честный способ решать, какой блок будет следующим и какая версия реестра настоящая. Этот процесс называется консенсусом. Два самых распространенных метода:

• Доказательство работы (proof of work). Майнеры с помощью вычислительной мощности наперегонки решают задачу. Победитель добавляет следующий блок и получает награду. Этот метод использует биткоин. У него долгая история, но он потребляет много электроэнергии.
• Доказательство доли (proof of stake). Валидаторы блокируют часть монет сети в качестве залога. Протокол выбирает валидаторов, которые предлагают и подтверждают блоки, а за нечестное поведение они могут лишиться части залога. Ethereum использует этот метод с 2022 года. Он потребляет гораздо меньше энергии, хотя критики считают, что он может давать преимущество тем, у кого уже много монет.

Оба метода стремятся к одному и тому же: сделать жульничество дорогим и вознаграждать тех, кто соблюдает правила.

Почему историю трудно изменить

Чтобы переписать прошлую транзакцию в крупной сети на доказательстве работы, злоумышленнику пришлось бы заново проделать работу для этого блока и всех последующих быстрее, чем все честные майнеры вместе взятые. На практике это означает контроль над большей частью вычислительной мощности сети, что в крупной сети обошлось бы невероятно дорого. Такой сценарий называется атакой 51%.

В сетях на доказательстве доли атакующему нужно контролировать значительную часть всех застейканных монет, а правила позволяют лишать нечестных валидаторов части залога. В обеих системах чем старше транзакция, тем труднее ее отменить. Поэтому и говорят о том, что нужно дождаться подтверждений.

Небольшие блокчейны с малым числом майнеров или валидаторов — более легкая цель, и несколько из них уже пострадали от успешных атак такого рода. Размер сети и степень децентрализации имеют значение.

Ограничения и компромиссы

• Скорость и стоимость. Каждый узел проверяет каждую транзакцию, поэтому публичные блокчейны медленнее и зачастую дороже в пересчете на одну транзакцию, чем обычная платежная база данных.
• Трилемма. Разработчики часто говорят о балансе между безопасностью, децентрализацией и масштабируемостью. Улучшение одного обычно требует немного пожертвовать другим.
• Мусор на входе — мусор на выходе. Блокчейн может показать, что запись не изменялась, но не может доказать, что она была правдивой в момент внесения.
• Ошибки навсегда. То же свойство, которое защищает от подделок, мешает и исправлениям. Платеж на неверный адрес, как правило, так и останется ошибочным.
• Блокчейн нужен не везде. Для многих бизнес-задач обычная база данных, которую ведет надежная компания, проще и дешевле.

Когда проект утверждает, что ему нужен блокчейн, полезно спросить: кому иначе пришлось бы доверять и стоит ли отказ от этого доверия дополнительных затрат и сложности?