Що таке технологія блокчейн? Як вона працює?

Блокчейн — це розподілені (тобто без єдиного сховища) і децентралізовані цифрові реєстри, які є стійкими до підробок і підробок. На найпростішому рівні вони дозволяють користувачам записувати транзакції в загальний реєстр в межах групи. В результаті жодна транзакція не може бути змінена після того, як вона була опублікована в рамках стандартного функціонування мережі блокчейн.

У 2008 році концепція блокчейну була інтегрована з багатьма іншими технологіями та комп’ютерними концепціями для створення сучасних криптовалют: електронних грошей, які захищені криптографічними процесами, а не центральним сховищем або органом влади.

Реалізації блокчейну часто створюються з конкретною метою або функцією на увазі. Криптовалюти, смарт-контракти та системи розподілених реєстрів для бізнесу є прикладами функціональних можливостей.

Біткойн був першою криптовалютою на основі блокчейну, що дозволила користувачам публічно обмінюватися даними, щоб учасники могли незалежно перевіряти дійсність транзакції. Криптовалюти побудовані на технології блокчейн, яка отримала свою назву завдяки інтенсивному використанню криптографічних функцій.

Для цифрового підпису та безпечного проведення транзакцій у системі користувачі використовують публічні та приватні ключі. Користувачі можуть розв’язувати головоломки, використовуючи криптографічні хеш-функції, в надії отримати фіксовану суму грошей у криптовалютних блокчейн-мережах, що базуються на майнінгу.

Технологія блокчейн постійно розвивається, регулярно з’являються нові платформи — середовище постійно змінюється. Окрім криптовалют, технологію блокчейн можна використовувати для створення постійної, публічної та прозорої системи обліку для збору даних про продажі, відстеження цифрового використання та здійснення платежів творцям контенту, наприклад, музикантам.

Ця стаття пояснює технологію блокчейн і дає огляд того, як вона працює.

Щоб дізнатися більше про різні типи мереж блокчейн, натисніть тут.

Як працює блокчейн?

Основна мета блокчейну — дозволити людям, особливо тим, хто не довіряє один одному, обмінюватися життєво важливими даними у безпечний, захищений від підробки спосіб.

Хеш-функція, блоки, вузли, майнери, гаманці, цифрові підписи та протоколи — ось основні поняття блокчейну.

Хеш-функція

Уявімо, що 10 людей в одній кімнаті вирішили створити нову валюту. Їм потрібно стежити за потоком коштів, щоб забезпечити дійсність монет у їхній новій грошовій екосистемі. Одна людина — назвемо її Боб — вирішила вести список усіх дій у щоденнику. Однак інша людина — назвемо її Джек — вирішила вкрасти гроші. Щоб приховати це, він змінив записи в щоденнику.

Одного дня Боб помітив, що хтось втрутився в його щоденник. Він вирішив змінити формат свого щоденника, щоб унеможливити втручання в майбутньому. Він використав програму під назвою хеш-функція, яка перетворює текст на набір цифр і букв, як показано в таблиці нижче.

Цей процес використовує безпечний алгоритм хешування, або SHA, який перетворює літери на рядки символів. Боб може вибирати різні типи SHA, кожен з яких відрізняється за складністю і слугує різним потребам.

Хеш — це рядок цифр і букв, створений за допомогою хеш-функції. Хеш-функція — це математична функція, яка перетворює змінну кількість символів у рядок з фіксованою кількістю символів.

Лише невелика зміна рядка створює абсолютно новий хеш. Після кожного запису у щоденнику Боб вставляв хеш. Але потім Джек вирішив знову змінити записи. Він дістався до щоденника, змінив запис і згенерував новий хеш.

Боб помітив, що хтось знову переглянув щоденник. Він вирішив ускладнити запис кожної транзакції. Після кожного запису він вставляв новий хеш, згенерований на основі останнього записаного хешу. Таким чином, кожен наступний запис залежить від попереднього.

Якщо Джек спробує змінити запис, йому доведеться змінити хеш у всіх попередніх записах. Джек, однак, був затятим злодієм, тому він провів цілу ніч, підраховуючи всі хеші.

Боб не хотів здаватися, тому після кожного запису він додавав інше, випадкове число. Це число називається "nonce". Нонце слід вибирати таким чином, щоб згенерований хеш закінчувався двома нулями.

Щоб підробити записи з оновленою системою введення Боба, Джеку тепер доведеться витрачати години і години на визначення nonce для кожного рядка.

Навіть комп’ютеру складно вирахувати нонси, але це завдання можливе, оскільки майнери змагаються за їх виявлення в рамках процесу майнінгу блокчейну.

Блоки

Початкова таблиця Боба з 5 000 транзакцій називається генезисним блоком — відправною точкою для цього блокчейну. Прийняття цієї валюти поширилося, тому транзакції надходять швидко і часто. Створюються нові блоки, які також можуть містити до 5 000 транзакцій і мають коди, які співвідносяться з попередніми блоками, що робить їх неможливими для підробки.

Припустимо, що цей блокчейн оновлюється кожні 10 хвилин новим блоком. Це відбувається автоматично. Жоден головний або центральний комп’ютер не дає комп’ютерам інструкцій, як це робити.

Як тільки таблиця, книга або реєстр оновлюється, її вже не можна змінити. Таким чином, їх неможливо підробити. До нього можна лише додати нові записи. Реєстр оновлюється на всіх комп’ютерах в мережі одночасно. Зміни в блокчейні вимагають консенсусу більшості учасників мережі.

Одним з потенційних ризиків для блокчейну є "атака 51%", під час якої одна зі сторін перевершує більшість хеш-статусу блокчейну, що дозволяє їй диктувати правила в мережі.

Загалом, блок містить позначку часу, посилання на попередній блок, транзакції та обчислювальну задачу, яку потрібно було вирішити, перш ніж блок потрапив у блокчейн. Розподілена мережа вузлів, які повинні досягти консенсусу, робить шахрайство в блокчейні майже неможливим.

Ноди

Боб вів щоденник у такий спосіб недовго. Однак, оскільки нові транзакції продовжували відбуватися, він незабаром став обтяжений кількістю записів, побачивши, що його поточна система нежиттєздатна. Тому, як тільки його щоденник досяг 5 000 транзакцій, він перетворив його на односторінкову електронну таблицю. Мері перевірила точність усіх транзакцій.

Потім Боб відправив свій щоденник у вигляді таблиці на 3 000 різних комп’ютерів, кожен з яких розташований у різних регіонах світу. Ці комп’ютери називаються вузлами. Щоразу, коли відбувається транзакція, вона має бути схвалена цими вузлами, кожен з яких перевіряє достовірність транзакції. Після того, як кожен вузол перевірив транзакцію, відбувається, по суті, своєрідне електронне голосування. Деякі вузли можуть вважати транзакцію дійсною, в той час як інші можуть вважати її шахрайською.

Кожен вузол має копію щоденника в електронній таблиці. Кожен вузол перевіряє дійсність кожної транзакції. Якщо більшість вузлів вважають, що транзакція дійсна, то вона записується в блок.

Тепер, якщо Джек захоче змінити один запис в електронній таблиці щоденника, всі інші комп’ютери матимуть оригінальний хеш. Вони не дозволять змінити запис.

Майнери

Майнінг — це процес, за допомогою якого майнери додають нові блоки до ланцюжка. Кожен блок у блокчейні має свій унікальний нонче і хеш, але він також посилається на хеш попереднього блоку в ланцюжку, що ускладнює майнінг блоків, особливо у великих ланцюжках.

Майнери використовують спеціалізоване програмне забезпечення для вирішення надзвичайно складної математичної задачі генерації прийнятного хешу за допомогою нонче. Оскільки nonce має довжину лише 32 біти, а хеш — 256 біт, потрібно перебрати близько чотирьох мільярдів комбінацій nonce-хеш, перш ніж знайти правильну.

Вважається, що майнер знайшов "золотий нонче", коли це відбувається, і його блок додається до ланцюжка. Внесення змін до будь-якого блоку на початку ланцюжка вимагає повторного майнінгу не тільки відповідного блоку, але й усіх наступних блоків.

Ось чому маніпулювати технологією блокчейн так складно. Вважайте це "безпекою в математиці", тому що виявлення золотих нонсів займає багато часу і вимагає великих обчислювальних ресурсів. Коли блок успішно видобуто, всі вузли мережі підтверджують зміну, а майнер отримує фінансову компенсацію.

Детальніше читайте в статті "Як майнити біткоїн?".

Гаманці, цифрові підписи та протоколи

Продовжуючи той самий приклад, Боб зібрав 10 людей разом (10 людей, які спочатку були зібрані і є частиною нової валюти). Йому потрібно було пояснити їм нову систему цифрових монет і бухгалтерських книг.

Джек визнав свої гріхи перед групою і вибачився. Щоб довести свою щирість, він повернув Енн і Мері їхні монети.

Після цього Боб пояснив, чому це ніколи не повинно повторитися. Він вирішив запровадити так званий цифровий підпис для підтвердження кожної транзакції. Але спочатку він роздав кожному по гаманцю.

Що таке гаманець?

Якщо ви володієте цифровими грошима, то вам потрібен цифровий гаманець або онлайн-платформа чи біржа для їх зберігання.

Гаманець — це рядок цифр і букв, наприклад 18c177926650e5550973303c300e136f22673b74. Це адреса, яка буде з’являтися в різних блоках блокчейну під час проведення транзакцій. Вона не містить жодних імен чи персональних даних — лише номер гаманця.

Адреси публічних гаманців — це рядки символів, на які можна надсилати певні активи. Адреса кожного конкретного гаманця генерується з публічного ключа.

Цифровий підпис

Щоб здійснити транзакцію, вам потрібні дві речі: гаманець, тобто адреса, і приватний ключ. Приватний ключ — це рядок випадкових чисел. Однак, на відміну від адреси, приватний ключ повинен зберігатися в таємниці. Приватний ключ контролює кошти, що зберігаються у відповідному гаманці.

Коли хтось вирішує відправити монети комусь іншому, він повинен використовувати свій приватний ключ для підписання повідомлення, що містить транзакцію. Система двох ключів — приватного і публічного — лежить в основі шифрування і криптографії, і її використання задовго передувало існуванню блокчейну. Вперше вона була запропонована в 1970-х роках.

Після відправлення повідомлення воно транслюється в мережу блокчейн. Потім мережа вузлів працює над повідомленням, щоб переконатися, що транзакція, яка в ньому міститься, є дійсною. Якщо вона підтверджує дійсність, транзакція поміщається в блок. Після цього ніяка інформація про неї не може бути змінена.

Що таке криптографічні ключі?

Криптографічний ключ — це рядок цифр і букв. Криптографічні ключі створюються генераторами ключів, або кейгенами. Ці генератори ключів використовують дуже просунуту математику з використанням простих чисел для створення ключів. Такі ключі можна використовувати для шифрування або розшифрування інформації.

Протоколи

Технологія блокчейн складається з окремих специфікацій поведінки, великого набору правил, які в неї запрограмовані. Ці специфікації називаються протоколами. Реалізація конкретних протоколів, по суті, робить блокчейн тим, чим він є — розподіленою, одноранговою, захищеною інформаційною базою даних.

Протоколи блокчейну гарантують, що мережа працює так, як задумали її творці, хоча вона повністю автономна і ніким не контролюється.

Ось кілька прикладів протоколів, реалізованих у блокчейні:

• Вхідна інформація для кожного хеш-числа повинна включати хеш-число попереднього блоку.
• Винагорода за успішний видобуток блоку зменшується вдвічі після видобутку 210 000 блоків. Для Bitcoin (BTC) це називається халвінг. При витраті 10 хвилин на блок, видобуток 210 000 блоків займає близько чотирьох років; отже, халвінг Біткоїна відбувається кожні чотири роки.

• Що таке біткойн і як він працює?

  Біла книга описує біткойн (BTC) як пірингову електронну грошову систему . Але звідки береться біткойн? Відповідно до алгоритмів, нові біткоїни…

• Що таке Bitcoin Cash і як працює BCH? Посібник для початківців

  Bitcoin Cash (BCH) — це перевірена блокчейн-мережа і криптовалюта, яка швидше і дешевше у використанні, ніж Bitcoin (BTC). Цей актив був створений за…

• Що таке смарт-контракт і як він працює?

  Смарт-контракти — це контракти, які кодуються і зберігаються на блокчейні. Вони автоматизують угоди між творцем і одержувачем, роблячи їх незмінними і…

• Що таке віртуальна машина Ethereum (EVM) і як вона працює?

  Будучи основою блокчейну Ethereum, EVM надає розробникам середовище виконання для створення DApps та інших додатків. Ефір (ETH), друга за ринковою…

• Посібник для початківців про різні типи мереж блокчейн

  Блокчейн — це розподілений, незмінний реєстр, який робить запис транзакцій та управління активами (як матеріальними, так і нематеріальними) в…

• Щоб час, необхідний для майнінгу одного блоку, не перевищував 10 хвилин, складність майнінгу перераховується кожні 2,016 блоків. Складність майнінгу по суті збалансовує мережу відповідно до кількості майнерів. Більше майнерів означає більш конкурентну атмосферу, що робить блоки складнішими для видобутку. Менша кількість майнерів означає, що видобувати блоки порівняно легше, що приваблює майнерів до участі.

Технологія блокчейн: Плюси та мінуси

Більшість блокчейнів побудовані як децентралізована база даних, яка діє як розподілена книга. Ці блокчейн-бухгалтерії відстежують і зберігають дані в блоках, які розташовані в хронологічному порядку і пов’язані між собою криптографічними доказами.

Розвиток технології блокчейн призвів до численних переваг у широкому спектрі сфер бізнесу, включаючи підвищення безпеки в ситуаціях, що не викликають довіри. Однак децентралізованість технології має й суттєві недоліки. Наприклад, блокчейн має обмежену ефективність у порівнянні з зазвичай централізованими базами даних і вимагає більше місця для зберігання.

Ось такі плюси і мінуси має блокчейн:

Що таке децентралізація в блокчейні і чому вона важлива?

Блокчейн — це, по суті, різновид розподілених баз даних. База даних — це блокчейн, і кожен вузол блокчейну має доступ до всього ланцюжка. Жоден вузол чи комп’ютер не контролює інформацію, що міститься в ній. Кожен вузол може перевіряти записи в блокчейні. Все це робиться без одного або декількох посередників, які контролюють все.

Він є архітектурно децентралізованим, і не існує єдиної точки відмови, яка могла б зруйнувати блокчейн, що робить його критично важливим компонентом блокчейн-систем. Однак вузли блокчейну логічно централізовані, оскільки весь блокчейн є розподіленою мережею, що виконує певні запрограмовані дії.

Однорангова передача даних

При децентралізованій одноранговій передачі (P2P) комунікація завжди відбувається безпосередньо між одноранговими вузлами, а не через центральний вузол. Інформація про те, що відбувається в блокчейні, зберігається на кожному вузлі, а потім передається сусіднім вузлам. Таким чином, інформація поширюється по всій мережі.

Прозорість технології блокчейн

Будь-хто, хто перевіряє блокчейн, може бачити кожну транзакцію та її хеш-значення. Той, хто використовує блокчейн, може діяти псевдонімічно, якщо бажає, або може надати свою ідентифікацію іншим. Все, що видно в блокчейні, — це запис транзакцій між адресами гаманців.

Після того, як транзакція записана в блокчейні і блокчейн оновлюється, зміна запису цієї транзакції стає неможливою. Чому? Тому що запис цієї транзакції пов’язаний із записом усіх попередніх, що робить його незмінним. Записи в блокчейні постійні, вони впорядковані в хронологічному порядку і доступні для всіх інших вузлів.

Вимкнути мережу майже неможливо. Оскільки численні вузли існують і працюють у всьому світі, одна сторона не може взяти під свій контроль всю мережу.

Підробити блок також майже неможливо, оскільки дійсність кожного блоку і, відповідно, його включення в блокчейн визначається електронним консенсусом вузлів. Таких вузлів тисячі, розкиданих по всьому світу. Як наслідок, для захоплення мережі потрібен комп’ютер з практично неможливою потужністю.

Однак використання технології блокчейн як звичайної бази даних виявилося б складним. Чи можете ви зберігати три гігабайти файлів у блокчейні так само, як за допомогою платформ баз даних, таких як Microsoft Access, FileMaker або MySQL? Це не дуже гарна ідея. Більшість блокчейнів не підходять для цього за своєю конструкцією або просто не мають необхідної потужності.

Традиційні онлайн-бази даних зазвичай використовують мережеву архітектуру клієнт-сервер. Це означає, що користувачі з правами доступу можуть змінювати записи, що зберігаються в базі даних, але загальний контроль залишається за адміністраторами. Коли мова йде про базу даних блокчейн, кожен користувач відповідає за підтримку, обчислення та оновлення кожного нового запису. Кожен вузол повинен працювати разом, щоб переконатися, що всі вони приходять до однакових висновків.

Архітектура технології блокчейн також означає, що кожен вузол повинен працювати незалежно і порівнювати результати своєї роботи з рештою мережі, тому досягнення консенсусу може зайняти дуже багато часу. Через це мережі блокчейн історично вважалися повільними у порівнянні з традиційними технологіями цифрових транзакцій. Досягнення в деяких випадках збільшили швидкість транзакцій, пов’язаних з блокчейном, як це видно на прикладі деяких криптовалют, проектів і рішень.

Тим не менш, проводяться експерименти зі створення баз даних з використанням технології блокчейн. Ці платформи мають на меті взяти розподілену базу даних корпоративного класу і надбудувати її, додавши три ключові атрибути блокчейну: децентралізованість, незмінність і можливість реєструвати і передавати активи.

Наскільки безпечна технологія блокчейн?

Хоча блокчейн не застрахований від злому, його децентралізована природа забезпечує йому сильнішу лінію безпеки. Хакеру або злочинцю знадобиться контроль над більш ніж половиною всіх машин у розподіленому реєстрі, щоб змінити його.

Найвідоміші та найбільші блокчейн-мережі, такі як Bitcoin та Ethereum (ETH), відкриті для всіх, хто має комп’ютер та підключення до Інтернету. Більша кількість учасників у мережі блокчейн, як правило, підвищує безпеку, а не створює проблеми з безпекою. Більша кількість вузлів означає, що більше людей перевіряють роботу один одного і повідомляють про недобросовісних учасників. Це одна з причин, чому приватні блокчейн-мережі, які потребують запрошення для приєднання, можуть бути більш вразливими до хакерських атак і маніпуляцій, хоч це і здається інтуїтивно зрозумілим.

Крім того, блокчейн корисний у боротьбі з атаками "подвійних витрат" при здійсненні платежів і грошових переказів. Атаки на криптовалюту є значним джерелом занепокоєння. Користувач витратить свою криптовалюту більше одного разу в результаті атаки подвійних витрат. Це проблема, якої не існує при роботі з готівкою.

Якщо ви витратили $3 на чашку кави, у вас більше не залишиться $3, щоб витратити їх на щось інше. Однак, коли мова йде про криптовалюту, існує ймовірність того, що користувач витратить криптовалюту багато разів, перш ніж мережа це помітить.

Це те, з чим може допомогти блокчейн. У блокчейні криптовалюти вся мережа повинна узгодити послідовність транзакцій, підтвердити останню транзакцію і опублікувати її публічно, що допомагає зберегти безпеку мережі.

Біткойн vs блокчейн

Давайте розберемося, чим біткойн і блокчейн відрізняються один від одного:

Де можна використовувати технологію блокчейн?

В останній частині цієї статті ми обговоримо деякі з численних застосувань блокчейну. Технологія блокчейн особливо ідеальна для так званих "розумних контрактів". Отже, що таке смарт-контракти?

Смарт-контракти визначають правила та санкції щодо конкретної угоди, подібно до функції традиційних контрактів. Однак велика різниця полягає в тому, що смарт-контракти автоматично забезпечують виконання цих зобов’язань. Завдяки своєму кодуванню смарт-контракти спрацьовують при виконанні певних критеріїв.

Децентралізовані фінанси

Децентралізовані фінанси (DeFi) — це використання технології блокчейн, яка дозволяє учасникам отримати доступ до функцій, подібних до тих, що поширені у звичайному фінансовому світі, але в децентралізованому вигляді. Використовуючи різні рішення DeFi, учасники можуть позичати кошти — а також отримувати доступ до інших можливостей — під управлінням блокчейну, поза контролем централізованого органу.

Не взаємозамінні токени

Невзаємозамінні токени (NFT) — це застосування технології блокчейн з величезним потенціалом у кількох різних сферах використання. Такі токени є унікальними і не можуть бути обміняні один на один з іншими токенами з однаковою вартістю. Одним із потенційних варіантів використання NFT є автентифікація творів мистецтва, коли твори мистецтва прив’язуються до NFT, що дозволяє підтвердити їхню автентичність і право власності на них.

Ланцюги поставок

Застосування технології блокчейн до ланцюжка поставок може надати можливість відстежувати інгредієнти, продукти харчування, матеріали та інше аж до джерела, щоб довести їх походження, а також надати іншу необхідну інформацію про будь-який ланцюжок поставок.

Гарантійні претензії

Врегулювання гарантійних претензій може бути дорогим, трудомістким і часто складним для тих, хто пред’являє претензії. Можна впровадити смарт-контракти з використанням технології блокчейн, що неминуче зробить цей процес значно простішим.

Страхові виплати

За допомогою смарт-контрактів можна встановити певний набір критеріїв для конкретних ситуацій, пов’язаних зі страхуванням. Теоретично, з впровадженням технології блокчейн, ви можете просто подати страхову заяву онлайн і отримати миттєву автоматичну виплату — звісно, за умови, що ваша заява відповідає всім необхідним критеріям.

Перевірка особи

Завдяки блокчейну та його аспекту децентралізації, перевірка особи в Інтернеті може бути набагато швидшою і потенційно безпечнішою. Зберігання ідентифікаційних даних в центральному місці з використанням блокчейну може відійти в минуле, а це означає, що комп’ютерні хакери більше не матимуть централізованих точок вразливості для атак.

Інтернет речей (IoT)

Об’єднаний через Інтернет для взаємодії, IoT — це екосистема програмно керованих предметів, таких як транспортні засоби та пристрої, які включають певні технологічні специфікації, що роблять таку взаємодію можливою.

Технологія блокчейн може відіграти певну роль у майбутньому IoT, частково надаючи потенційні методи захисту від хакерів. Оскільки блокчейн створений для децентралізованого контролю, схема безпеки, заснована на ньому, повинна бути достатньо масштабованою, щоб охопити розширення IoT.

Архівування та зберігання файлів

Google Drive, Dropbox та інші ретельно розробили електронне архівування документів з використанням централізованих методів. Централізовані сайти є спокусливими для хакерів. Блокчейн та його смарт-контракти пропонують способи суттєво зменшити цю загрозу.

Боротьба зі злочинністю

Оскільки ця технологія привертає все більше уваги, блокчейн і його смарт-контракти можуть допомогти в боротьбі з тактикою відмивання грошей.

Блокчейн забезпечує більш комплексний аналіз системи, а не лише моніторинг точок входу і виходу. Оскільки блокчейн є децентралізованою мережею, в якій кожен користувач або вузол відповідає за перевірку оновлень, це підвищує безпеку мережі.

Голосування

Голосування на виборах і подібні процеси можуть бути значно покращені за допомогою смарт-контрактів і блокчейну. З часом з’явилися різні пов’язані з ними додатки.

Майбутнє технології блокчейн

Потенціал технології блокчейн практично безмежний, а останні досягнення наблизили нас до децентралізованого, надійного інтернету, прозорості транзакцій тощо.

У міру того, як ми відходимо від періоду пандемії і вступаємо в еру "нової нормальності", блокчейн, ймовірно, буде в авангарді нашого прогресу у вирішенні цих нових суспільних викликів і переосмисленні справжнього значення багатства в чудовому новому світі цифрових грошей.

Майбутнє технології блокчейн видається яскравим, і, враховуючи, що вона вже демонструє потенціал майже в кожній сфері, здається, що найкраще ще попереду.

Тим часом, буде інтригуюче побачити, куди технологія блокчейн піде в майбутньому, особливо в сфері банківських послуг, грошових переказів, децентралізованих ринків та інших сферах.