Как на самом деле работает блокчейн: блоки, хеши и почему подделка обходится дорого

Большинство объяснений блокчейна начинаются с метафоры и на ней же и застревают. Цепочка блоков, цифровой реестр, машина без доверия. Ничто из этого не говорит, что на самом деле происходит при совершении транзакции. Этот материал разбирает механику по порядку: что содержит блок, что делает хеш, как сеть договаривается об одной истории и почему изменить эту историю дорого, а не невозможно.

Блок — это пакет транзакций со ссылкой назад

Блокчейн не записывает транзакции по одной. Он группирует их в блоки, и каждый блок публикуется как единое целое. Внутри типичного блока вы найдёте набор транзакций, метку времени, служебные данные протокола и одно поле, которое важнее остальных: ссылку на блок, который был до него.

Эта ссылка назад — не порядковый номер. Это криптографический хеш заголовка предыдущего блока. Поскольку хеш зависит от всего содержимого того более раннего блока, ссылка одновременно служит отпечатком. Если в раннем блоке что-то меняется, меняется и отпечаток, и связь перестаёт совпадать.

Свяжите такие ссылки в цепочку — и получите структуру, в которой каждый блок неявно фиксирует всю предшествующую историю. Именно это здесь и означает слово «цепочка». Это не метафора про звенья. Это конкретная структура данных, где каждый элемент несёт проверяемую сводку всего, что было до него.

Хеширование: то, что делает подделку заметной

Криптографическая хеш-функция принимает данные любого размера и выдаёт результат фиксированной длины. Полезными здесь её делают три свойства. Одни и те же входные данные всегда дают один и тот же результат. Малейшее изменение входных данных даёт совершенно другой результат, ничем не похожий на исходный. И движение в обратную сторону — от результата к входным данным, которые его порождают, — вычислительно нереализуемо.

Вместе эти свойства дают пломбу, по которой видно факт вскрытия. Нельзя подделать хеш так, чтобы он совпал с изменёнными данными, и нельзя изменить данные достаточно незаметно, чтобы их хеш остался прежним. Любой, у кого есть копия цепочки, может сам пересчитать хеши и сразу увидеть, внутренне ли непротиворечива полученная им история.

Большинство блокчейнов также используют хеш-дерево, часто называемое деревом Меркла, чтобы свести транзакции внутри блока к одному значению. Транзакции хешируются попарно, затем полученные хеши снова хешируются попарно — и так далее, пока не останется единственный корневой хеш. Этот корень помещается в заголовок блока. Практическая польза в том, что лёгкий клиент может доказать наличие конкретной транзакции в блоке, не скачивая блок целиком, — именно это делает возможными мобильные кошельки. Подробнее о терминологии — в нашем глоссарии.

Консенсус: выбор того, какая история считается настоящей

Хеширование говорит, непротиворечива ли цепочка внутри себя. Оно не говорит, какая из двух непротиворечивых цепочек настоящая. Это и есть задача консенсуса, и она сложнее.

В Proof of Work (доказательство работы) право опубликовать следующий блок зарабатывается нахождением хеша ниже целевого значения. Поскольку выходные значения хеш-функции по сути непредсказуемы, единственный способ найти нужное — перебрать огромное число кандидатов. Именно этим перебором и занимается майнинговое оборудование, и он потребляет электроэнергию. Когда майнер находит верное решение, он рассылает блок по сети, и все остальные могут мгновенно проверить его, вычислив хеш один раз.

Эта асимметрия — ядро всей конструкции: дорого произвести, тривиально проверить. Дальше узлы следуют простому правилу. Если существуют две валидные цепочки, принимается та, у которой накоплено больше работы. Поскольку накопленная работа соответствует реально затраченной энергии, правило по сути гласит: верь той истории, которую было дороже всего построить.

Сложность со временем подстраивается так, чтобы блоки появлялись примерно с целевым интервалом независимо от того, сколько оборудования направлено на сеть. Если майнеров становится больше, сложность обычно растёт, и каждая машина зарабатывает меньшую долю. Именно поэтому хешрейт и сложность несут информацию для тех, кто следит за сетью, а не только за ценой, и поэтому мы публикуем их на панели майнинга.

Proof of Stake (доказательство доли) достигает той же цели иными средствами, привязывая право создавать блоки к капиталу, размещённому в протоколе, а не к энергии, потраченной вне его. Ни один из подходов не является безусловно лучшим во всех условиях, и компромиссы каждого стоит понимать по существу. Мы сравниваем их в материале Proof of Work против Proof of Stake.

Почему переписывание истории стоит денег

Допустим, кто-то хочет стереть платёж, совершённый несколько блоков назад. Ему придётся создать блок-замену, не содержащий этот платёж, что изменит хеш блока и разорвёт все последующие связи. Значит, придётся перестроить и каждый следующий блок. А тем временем честная сеть продолжает наращивать настоящую цепочку.

Чтобы победить, атакующий должен строить быстрее, чем все остальные вместе взятые, и достаточно долго, чтобы обогнать их. В устоявшейся цепочке на Proof of Work это означает приобрести и запустить большинство оборудования, оплатить электроэнергию и смириться с тем, что успех, скорее всего, обесценит тот самый актив, на который направлена атака. Защита не в том, что атака запрещена. Она в том, что атака — невыгодная сделка.

Отсюда важное следствие, которое рекламные материалы обычно опускают: безопасность масштабируется вместе со стоимостью атаки. Небольшую цепочку со скромным хешрейтом реорганизовать заметно проще, чем крупную. Считать все блокчейны одинаково неизменяемыми — ошибка.

Чего блокчейны не гарантируют

Блокчейн гарантирует, что записанные данные не были незаметно изменены и что участники согласны в отношении их порядка. Он не гарантирует, что данные были правдивы в момент записи. Если кто-то записывает, что в морском контейнере находится определённый груз, цепочка добросовестно сохранит это утверждение — в том числе если оно было ложным. Это проблема оракула, и она ограничивает многие сценарии применения в цепочках поставок, которые продвигают с большим энтузиазмом.

Блокчейн также не делает программное обеспечение корректным. В коде, развёрнутом в сети, могут быть ошибки, и та же неизменяемость, которая защищает реестр, способна сделать эти ошибки постоянными. Это отдельная и важная тема.

Читать сеть, а не нарратив

Когда механика становится понятной, некоторые наблюдаемые величины начинают что-то значить. Интервал между блоками и сложность описывают, насколько высока конкуренция за создание блоков. Хешрейт показывает, сколько оборудования задействовано. Глубина мемпула описывает загруженность сети и, следовательно, давление на комиссии. Ничто из этого не предсказывает цену, и любой, кто утверждает обратное, преувеличивает. Но эти величины описывают состояние системы так, как заголовки обычно не делают.

Если хотите копнуть глубже, наш обучающий раздел разбирает смежные понятия, а страница методологии объясняет, откуда берутся наши данные и чего мы не претендуем знать. Ничто здесь не является инвестиционным советом; это рассказ о том, как устроен механизм.