Цепная реакция
Блокчейн — одна из самых надежных технологий на планете. Его нельзя выключить и практически невозможно взломать. «Цифровой океан» разобрался, как работает блокчейн на примере первой и главной цепочки блоков — биткойна
Блоки
Биткойн и другие криптовалюты работают на технологии блокчейн. Это слово переводится как «цепочка блоков». В каждом блоке содержится информация о переводе: кто, когда, кому и в каком количестве передал деньги. Но кроме финансовых данных в блоке есть еще две строчки: хеш-сумма предыдущего блока и новая хеш-сумма.
Слово hash в переводе с английского означает «фарш» — тот самый, который нельзя провернуть назад. Производством «фарша» занимается функция свертки, которая умеет превращать данные любого объема в строку относительно небольшой длины. К примеру, можно пропустить четыре тома «Войны и мира» через функцию свертки и получить на выходе 20 символов. Это и есть хеш-сумма, или просто хеш. Если изменить в романе хоть одну букву, хеш станет другим.
Хеш-функции используются для контроля сохранности данных. К примеру, если вам по сети прислали роман «Война и мир» и хеш-сумму к нему, компьютер может легко «пробежать» текст и проверить, соответствует ли он хешу. И если не соответствует, значит, по пути файл повредился или кто-то намеренно внес в него изменения.
Подытожим. Блок — это кусочек информации, который содержит хеш предыдущего блока, информацию о финансовой транзакции и новый, свой хеш. Блоки выстраиваются друг за другом, образуя большую «бухгалтерскую книгу» — блокчейн.
Схема: цепочка блоков
Защита от взлома
Блокчейн надежно защищен от взлома. Во-первых, если злоумышленник попытается переписать информацию внутри одного из блоков, цепочка разорвется. У взломанного блока изменится хеш, и следующий блок к нему уже не подойдет, ведь он содержит старый хеш предыдущего блока. Если открыть следующий блок и переписать в нем «входной» хеш, то «выходной» тоже изменится. Получается, единственный способ изменить блок в цепочке — переписать и все последующие блоки за ним.
Но и это не поможет, потому что кроме «во-первых» есть еще «во-вторых». Блокчейн — это пиринговая система, как BitTorrent*. Она не имеет единого центра — сервера, который можно было бы взломать или отключить. Копии блокчейна содержатся на всех компьютерах, подключенных к сети. Выходит, чтобы приписать себе биткойн-другой, необходимо «задним числом» переписать множество блоков почти на четырех миллионах компьютеров.
* BitTorrent — протокол для обмена файлами через интернет. Пользователи сети BitTorrent скачивают фрагменты нужных файлов с компьютеров таких же пользователей, а не со специальных серверов.
И первое, и второе гипотетически возможно, если злоумышленник сумеет получить контроль больше чем над половиной компьютеров в сети. Такой механизм взлома называется атакой 51 %.
Майнинг
Итак, в сети Биткойн почти 4 млн равноправных компьютеров. И когда кто-то отправляет кому-то монеты, все эти компьютеры принимаются делать блоки и вычислять хеши. Но в блокчейн нужно записать всего один блок, и только один компьютер удостоится этой чести. Это своего рода лотерея, которая проходит по определенным правилам.
Хеш-сумма — это буквально сумма, то есть число. И особенность хеш-функции такова, что на один и тот же роман «Война и мир» можно получить бесконечное количество корректных хешей. Сама сеть Биткойн постоянно устанавливает некий «целевой хеш» — произвольное число. Первый компьютер, которому удастся «выбить» хеш меньше целевого, получает право записать блок в цепочку. А его владельцу достанется награда — определенная сумма новых биткойнов. Процесс создания блоков с целью получить вознаграждение называется майнингом.
Алгоритм вычисления хеш-функции специально устроен так, чтобы посчитать хеш было сложно. На то есть две причины. Первая — защита от взлома. Если бы хеш вычислялся быстро, злоумышленник мог бы легко переписать все блоки, следующие за фальшивым.
Вторая причина связана с тем, что биткойн — это деньги. Если «печатать» их слишком много, они обесценятся. Сеть постоянно варьирует целевой хеш так, чтобы новые биткойны рождались примерно раз в 10 минут. Когда на рынок приходят новые майнеры и подключают более мощные компьютеры, целевой хеш уменьшается, и получить награду становится сложнее.
Доказательство работы
Высокая сложность вычисления хеш-функции надежно защищает блокчейн от взлома, а заодно обеспечивает ценность валюты ограниченным вычислительным ресурсом компьютеров. Поэтому этот механизм, получивший название Proof of Work (доказательство работы), сегодня используется в большинстве криптовалют. Но у него есть очевидный недостаток: миллионы машин расходуют электричество и коптят небо, не производя никакой полезной работы. Поэтому у Proof of Work появились конкуренты.
Новая криптовалюта Chia использует сразу два механизма: Proof of Space (доказательство дискового пространства) и Proof of Time (доказательство времени). Пользователи жертвуют свободным местом на жестких дисках, размещая на них большие массивы информации — к сожалению, бессмысленной. Процесс создания этих массивов называется плоттингом, он довольно ресурсоемкий и требует быстрых твердотельных накопителей, которые к тому же стремительно выходят из строя. Зато сами плоты можно хранить на любых дисках. Сеть задает целевой хеш, и пользователь, чей массив позволит «выбить» наиболее близкую хеш-сумму, получает награду. Так работает механизм Proof of Space, который не требует большого расхода электричества и вычислительных мощностей.
Механизм Proof of Time связан с простыми вычислениями, которые, однако, должны происходить синхронно на разных машинах. Результат опирается в большей степени на случайность, чем на вычислительную мощность.
Глоссарий: Главные слова
Хешрейт — показатель вычислительной мощности оборудования, который измеряется в H/s (хешей в секунду). Например, хешрейт видеокарты NVIDIA Geforce RTX 2060 при добыче криптовалюты Etherium — около 30 MH/s.
Сложность майнинга — характеристика сети, которая показывает, сколько хешей нужно вычислить всем подключенным устройствам, чтобы появилась новая монета. Измеряется в H/s (хешей в секунду).
Халвинг — периодическое двукратное уменьшение вознаграждения майнера за запись блока. В сети Биткойн производится через каждые 210 тыс. блоков, чтобы не допустить инфляции криптовалюты.
Перспектива: Делайте ставки
Механизм Proof of Stake (доказательство доли владения) обсуждается в криптосообществе как наиболее перспективная альтернатива Proof of Work. Он вообще не предполагает ни майнинга, ни привязки ценности валюты к какому-либо техническому ресурсу. Подтверждение блоков и распределение наград разыгрывается случайным образом между участниками, которые внесли депозит. С увеличением депозита шанс получить вознаграждение увеличивается. Но если участник выполнил свою работу недобросовестно и подтвердил фальшивый блок, его «ставка» сгорает. Так система страхует себя от взлома.