Термин «блокчейн» в буквальном переводе означает «цепочка блоков». Это новая технология хранения информации, которая предусматривает разделение данных на блоки и объединение их в непрерывную связанную последовательность. Причем каждый последующий элемент формируется на основе предыдущего. За счет этого достигается высокая защищенность системы от взломов. Ведь чтобы изменить информацию в одном блоке придется менять все созданные до этого.
Блоки — это фундаментальный компонент блокчейна. Именно их присоединяют к общей базе данных майнеры, записывая информацию о транзакциях монет. Понимание роли этого элемента позволит разобраться, как работает децентрализованная система хранения данных, без которой было бы невозможно появление биткоина и других криптовалют.
Что такое блок в майнинге
Блок представляет собой составной элемент блокчейна, в котором хранится информация о транзакциях между участниками системы. Для биткоина речь идет о переводе монет с одного кошелька на другой. Но это могут быть и данные о перемещении грузов, передаче права собственности и других.
Структурная единица блокчейна включает в себя также служебные данные. Прежде всего, метку времени, по которой можно определить очередность перевода средств начиная от последней операции и до запуска распределенной сети в работу.
Важным элементом любого блока является криптографическая информация. В нем записана уникальная последовательность символов — хеш, которая предотвращает подделку и несанкционированное изменение данных. Этот алгоритм работает следующим образом:
- Блокчейн вычисляет хеш;
- В качестве основы для расчетов используются данные о текущем и предыдущем блоке;
- В случае изменения данных хакером хеш блока не будет соответствовать вычисленному ранее;
- Измененный блок не пройдет валидацию и будет заменен на правильный.
Также со структурой блока связан еще один важный термин, который делает возможным майнинг. Речь идет о поле nonce. Это произвольный бит, который майнер добавляет для изменения хеша блока. Программа для майнинга делает сложные вычисления до тех пор, пока полученный хеш не будет соответствовать критериям блокчейна. Тот, кто первым справился с этой задачей, получает право на добавление очередного звена цепочки и получает за это вознаграждение.
Составные элементы блока
Структурная единица блокчейна состоит из двух частей:
Заголовок
Это часть, где хранится необходимая для функционирования системы служебная информация. В том числе:
- Версия блока — указывает, какие правила используются для выполнения операций в блокчейне;
- Метка времени — время создания структурного элемента;
- Корень Меркла — данные, которые помогают суммировать транзакции внутри блока;
- Цель — сложность математической задачи, которую должны решить майнеры для получения права на добавление звена;
- nonce — случайное число, которое используется для вычисления хеша.
Список транзакций
В этой части содержатся сведения о транзакциях в рамках цепочки блоков. Она состоит из таких полей:
- адреса отправителя и получателя;
- сумма передаваемых активов;
- подписи участников сделки.
Каждая транзакция начинается с поля coinbase, с помощью которого в блокчейне появляются новые монеты. Именно их выдают в качестве вознаграждения майнеру за добавление нового элемента в базу данных.
Как блоки влияют на безопасность блокчейна
Блочная структура базы данных позволяет хранить ее на распределенных серверах и обеспечивает сохранность информации. Главную роль в этом процессе играют майнеры, без которых работа системы была бы невозможной.
Например, пользователь хочет передать хранящиеся у него в кошельке биткоины другому. Информация об этой транзакции включается в блок, который становится в очередь на обработку («мемпул») и ожидает подтверждения.
Далее за работу берутся майнеры. Они используют вычислительную мощность процессоров своего компьютера (майнинговой фермы) для решения сложной математической задачи. Тот, кто справится с ней быстрее, получает право на проверку транзакций в блоке и его присоединение к цепочке. Чтобы стимулировать работу майнеров, предусмотрена выплата им вознаграждения.
После завершения проверки блок включается в блокчейн и транслируется всем участникам распределенной базы данных. Они проверяют его подлинность на основе информации о предыдущих элементах. Если валидация прошла успешно, следующее звено становится частью цепочки. Если возникла проблема — блок считается недействительным.
Благодаря такому подходу информацию в блокчейне невозможно заменить, все переводы становятся прозрачными и могут прослеживаться до запуска в работу.
Объединение блоков в единую цепочку
Термин blockchain предусматривает объединение всех блоков в единую связанную систему. Главным связующим элементом является уникальный идентификатор или хеш. Когда майнер добавляет новый блок, при вычислении его хеша используется информация об идентификаторе предыдущего звена, добавленного в цепочку. Таким образом соседние части связываются друг с другом.
На этом основан принцип защиты информации в распределенной базе данных:
- хеш следующего блока зависит от предыдущего;
- при попытке изменить информацию в любом блоке хеш изменится;
- из-за этого произойдет разрыв с другими звеньями;
- в случае обнаружения несоответствия данных блок перестает считаться валидным.
Теоретически взломать блокчейн можно только в том случае, если изменить данные во всех блоках. Сделать это с помощью современных компьютеров невозможно. Например, в BTC включено более 820 тыс. элементов и 144 добавляется ежедневно.
Влияние размера блока на скорость транзакций
Из-за особенностей функционирования блокчейна возникает другая проблема: размер составного звена цепочки и их количество напрямую влияют на скорость выполнения операций и размер комиссионного вознаграждения.
Каждая транзакция, например, перевод денег, должна быть упакована в блок. Но в базовую структуру включается ограниченное количество переводов. Как только лимит будет достигнут, дальнейшие транзакции не обрабатываются до присоединения элемента к цепочке. Таким образом, размер «звена» может напрямую влиять на скорость выполнения запросов пользователя.
В связи с этим возникает следующая проблема:
- Блокчейны с блоками небольших размеров сложно масштабировать. Каждый блок содержит небольшое количество транзакций. Но операции проводятся быстрее.
- Крупные блоки вмещают больше данных, потому масштабировать такие базы данных проще. Однако они требуют больше места для хранения на нодах, что может привести к нарушению децентрализации. Работать с такими блокчейнами могут только участники с достаточными ресурсами.
При создании новых криптовалют разработчики пытаются найти баланс между скоростью обработки переводов, простотой масштабирования и защитой от централизации. Для этого применяются различные решения:
- корректировка размера блока в процессе работы блокчейна;
- проведение транзакций «вне сети» с помощью различных «надстроек» (систем второго уровня);
- сегментирование базы данных.
Механизмы консенсуса и проверка блоков
Большая часть блокчейнов работает на основе одного из двух видов консенсусов:
- Proof-of-Work или доказательство работы. Этот алгоритм использует, например, биткоин. Право на добавление блока получают майнеры, которые быстрее решили сложную математическую задачу. Для этого они используют мощное вычислительное оборудование (майнинговые фермы). Это гарантирует неизменность информации в цепочке, ведь для повторного расчет всех хешей для распределенной базы данных потребуется слишком много ресурсов.
- Proof-of-Stake или доказательство доли. На этот алгоритм перешел Ethereum в 2022 году. Право на добавление блока предоставляется на основе количества монет, которые валидаторы держат на своем кошельке. Такой враиант менее энергозатратный и не требует сложных вычислений, но его минус — опасность централизации из-за накопления у некоторых пользователей слишком большого количества монет.
Существуют также другие консенсусы (Poi, PoC, PoA), но они менее популярны.
Вознаграждение майнеров для добавления блоков
Децентрализованная система не может функционировать без участников, которые хранят базу данных на своих компьютерах и добавляют блоки с транзакциями к цепочке. Чтобы мотивировать людей присоединяться к проекту, предусмотрена выплата вознаграждения.
Награда за блок преследует две цели:
- Стимулирует использовать блокчейн и поддерживать его работу. Чем больше людей будет пользоваться конкретной «цепочкой блоков», тем более надежной и безопасной она будет.
- Эмитирует новые монеты в оборот. Это особенно важно для криптовалюты с ограниченной эмиссией, к которым относится биткоин.
Разберем на примере BTC. Каждый раз при добавлении нового блока майнер, который его сгенерировал, получает выплату в BTC. Разработчики этой криптовалюты заложили в алгоритм ее работы механизм «халвинга». Приблизительно раз в четыре года размер вознаграждения уменьшается вдвое. Таким образом достигается дефицит монет, который способствует поддержанию высокого курса относительно других валют.
Второй вид вознаграждения — комиссия, которую платят пользователи за переводы биткоинов между кошельками. Она перечисляется майнерам, которые обслуживают блокчейн.
После выпуска в оборот 21 млн монет BTC их эмиссия прекратится. После этого работа сети будет поддерживаться только за счет комиссионных вознаграждений. Благодаря этим выплатам майнинг останется прибыльным для владельцев мощных вычислительных ресурсов.
Проблемы блокчейнов и способы их решения
Децентрализованное хранение информации имеет много преимуществ, в том числе отсутствие контроля со стороны корпораций или правительств. Но по мере развития блокчейнов начали ярко проявляться их недостатки.
Главный из них — обратная зависимость между масштабируемостью и безопасностью базы данных, а также проблемы со скоростью обработки операций.
Увеличение размера блока повышает количество транзакций, которые можно упаковать в него. Одновременно увеличивается и скорость транзакций, и масштабируемость. Но для хранения данных нужно выделять больше дискового пространства на машинах майнеров.
Из-за этого может произойти централизация, так как не все участники могут позволить себе такие аппаратные ресурсы. В результате ставится под угрозу безопасность функционирования всего блокчейна.
Еще одна важная проблема для криптовалют, работающих на консенсусе PoW — высокое энергопотребление майнинговых ферм. Решение математических задач для добавления блоков в цепочку требует больших энергозатрат. Экологи опасаются, что работа мощных компьютеров может негативно повлиять на окружающую среду.
Сейчас разработчики работают над созданием новых и совершенствованием существующих алгоритмов. Например, Ethereum, который раньше работал на PoW, уже перешел на PoS.
Альтернативным способом может быть шардинг — разделение блокчейна на части, каждая из которых обрабатывает только свои транзакции и смарт-контракты. За счет этого можно улучшить масштабируемость и скорость без ущерба безопасности.
Заключение
В качестве итогов выделим основные моменты, касающиеся блоков:
- Они являются составными элементами блокчейна или «звеньями цепи», которые неразрывно связаны с другом с другом.
- Каждый блок содержит служебную информацию и данные о транзакциях.
- Блок теоретически невозможно взломать, так как каждый последующий элемент связан с предыдущим с помощью хеша.
- Майнеры соревнуются друг с другом за право добавить блок. Пользователь, который первым решил сложную математическую задачу, присоединяет новое звено к блокчейну и получает за это вознаграждение.
- Блочная распределенная структура имеет множество плюсов, но не лишена недостатков. Однако разработчики занимаются их устранением и дальнейшим совершенствованием алгоритмов.
13.06.2023
