Основы: зачем нам блокчейн?
Блокчейн был описан в статье Сатоши Накамото «Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System». Там всего на восьми страницах автор описал основы криптовалюты Биткоин, в основе которой лежал как раз алгоритм Блокчейна.
Блокчейн появился вместе с биткоином, но может использоваться независимо от него и даже модифицироваться. Любой может сделать свой блокчейн хоть у себя на ноутбуке.
Список, который нельзя изменить
Блокчейн — цепочка блоков или другими словами связный список. В таком списке каждая следующая запись ссылается на одну предыдущую и так по цепочке до самой первой. Как вагоны поезда, каждый тащит за собой следующий. По поводу списков есть годная статья Никиты Лихачева на TJ, где то же самое объяснено для совсем новичков. Аналогии отчасти взяты оттуда.
Разберем на примере.
Друзья Олега постоянно занимают у него деньги. Олег добр, но крайне забывчив. Через неделю он уже не помнит кто не вернул ему долг, но стесняется всех об этом расспрашивать. Потому однажды он решил положить этому конец, заведя у себя дома на доске список друзей, которым он занимал денег.
Теперь Олег всегда может подойти к доске и убедиться, что Макс всё вернул, а вот Ваня не отдает уже 700 рублей. Однажды Олег приглашает Ваню выпить к себе домой. Пока Олег отходит в туалет, Ваня стирает запись «Занял Ване 200 рублей» и вписывает вместо неё «Ваня отдал 500 рублей».
Доверявший своему списку Олег забывает про долг и теряет 700 рублей. Он решает как-то с этим бороться.
В прошлом году Олег ходил на курсы по программированию, где ему рассказали про хеширование. Он помнит, что любую строку можно превратить в однозначный набор символов — хеш, и изменение любого символа строки полностью изменит его.
Добавление точки в конце изменило итоговый хеш до неузнаваемости — этим можно воспользоваться.
Олег берет общеизвестный хеш SHA-256 и хеширует им каждую запись, дописывая результат в конце. Теперь Олег может удостовериться, что его записи никто не изменял, захешировав их заново и сравнив с зелёненьким.
Но ЗЛОЙ РЮСЬКИЙ ИВАН тоже умеет в SHA-256 и легко может изменить запись вместе с её хешем. Особенно, если хеш написан прямо рядом на доске.
Потому для большей безопасности Олег решает хешировать не саму только запись, а складывать её вместе с хешем от прошлой записи. Теперь все следующие записи зависят от предыдущих. Если изменить хотя бы одну строчку, то придется пересчитать хеши всех остальных ниже по списку.
Так у Олега появляется личный связный список.
Но однажды Иван прокрадывается ночью, изменяет нужную ему запись и обновляет хеши для всего списка до конца. У него это занимает несколько часов, но Олег всё равно крепко спит и не слышит. На утро Олег обнаруживает абсолютно верный список — все хеши совпадают. Но Иван всё равно его обманул, хоть и потратил на это бессонную ночь. Как еще можно защититься от Ночного Ивана?
Олег решает как-то усложнить ему жизнь. Теперь для добавления новой записи в список, Олег будет решать связанную с ней сложную задачку, например математическое уравнение. Ответ он будет добавлять в итоговый хеш.
Олег силен в математике, но даже у него на добавление записи уходит по десять минут. Несмотря на это, потраченное время того стоит, ведь если Иван опять захочет что-то изменить, ему придется заново решать уравнения для каждой строки, а их могут быть десятки. На это уйдет куча времени, ведь уравнения каждый раз уникальны и связаны с конкретной записью.
Зато проверить список всё так же просто: сначала нужно как раньше сравнить хеши, а потом проверить решения уравнений простой подстановкой. Если всё сходится — список не изменен.
В реальности же с уравнениями не всё так хорошо: компьютеры слишком хорошо их решают, да и где хранить столько уникальных уравнений. Потому авторы блокчейна придумали более красивую задачу: нужно найти такое число (nonce), чтобы итоговый хеш всей записи начинался на 10 нулей. Такой nonce сложно найти, зато результат всегда можно проверить просто глазами.
Мини-игра с хешами
Можете попробовать. Вручную искать начинающийся на 10 нулей хеш слишком долго, так что давайте для интереса поищем на два. В поле «Nonce» ниже пишите что угодно. Как только хеш введенного вами будет начинаться на «00» — игра останавливается.
Вводите любые символы, пока их хеш не будет начинаться на «00»:
Теперь Олег сверяет все хеши и дополнительно убеждаются, чтобы каждый начинался на оговоренное количество нулей. Хитрый Иван, даже вооружившись мощным ноутбуком, не успеет за ночь пересчитать все хеши так, чтобы они удовлетворяли условию — не хватит времени.
Такой список по сути и есть домашний блокчейн на коленке. Его безопасность гарантирована математиками, которые доказали, что эти хеши нельзя вычислить как-то быстрее, кроме как перебором. Такой перебор хешей к каждой записи и есть майнинг, о котором сегодня будет много и подробно.
Централизация доверия
Идея вести неподделываемый список «кто кому занимал» понравилась нашим друзьям. Они тоже не хотят запоминать кто за кого заплатил в баре и сколько еще остался должен — всё записано на стене. Вы обсудили идею и решили, что теперь вам нужен единый список на всех.
Но кому доверить вести столь важную бухгалтерию? Ведь когда дело касается денег — доверие выходит на первый план. Мы не доверим хранить свои деньги неизвестному. Наши предки для этого придумали банки, которым со временем стали доверять, потому что они подкреплёны лицензией, законами и страховкой Центрального Банка.
В кругу друзей все доверяют друг другу и можно просто выбрать на эту роль самого ответственного. Но что если вопрос касается незнакомых людей? Целого города, страны, или всего мира, как в случае с биткоином? Там вообще никто никому не может доверять.
Децентрализация: никто не доверяет никому
Так придумали альтернативный подход: хранить копию списка у каждого. Таким образом злоумышленнику придется не просто переписать один список, но и прокрасться в каждый дом и переписать списки там. А потом выяснится, что кто-то хранил у себя дома аж несколько списков, о чем никто не догадывался. Это и есть децентрализация.
Минусом такого подхода является то, что для внесения новых записей придется обзванивать всех остальных участников и сообщать каждому из них свежие изменения. Но если эти участники — бездушные машины, это перестаёт быть хоть какой-то проблемой.
В такой системе не существует единой точки доверия, а значит и возможности подкупа и жульничества. Все участники системы действуют согласно единому правилу: никто не доверяет никому. Каждый верит только той информации, которой располагает сам. Это главный закон любой децентрализованной сети.
Транзакции
Покупая доширак в магазине, вы вводите пин-код от своей карты, разрешая магазину спросить у банка есть ли у вас на счету 35 рублей. Другими словами, вы подписываете своим пин-кодом транзакцию на 35 рублей, которую банк подтверждает или отклоняет.
Наши записи типа «Занял Ване 500 рублей» — тоже транзакции. Но у нас нет банка, авторизующего автора транзакций. Как нам проверить, что Иван втихую не добавил запись «Макс должен Олегу 100500 рублей»?
В блокчейне для этого используется механизм публичных и приватных ключей, айтишники давно используют их для авторизации в том же SSH. Коротко о том, как работает эта сложная, но красивая математика: вы у себя на компьютере генерируете пару длинных простых чисел — публичный и приватный ключ. Приватный ключ считается супер-секретным, потому что может расшифровать то, что зашифровано публичным. Но наоборот тоже работает. Если вы расскажете публичный ключ всем друзьям, они смогут зашифровать им любое сообщение так, что прочитать его сможете только вы, так как владеете приватным. Но кроме этого у публичного ключа есть полезный эффект — с помощью него можно проверить, что данные были зашифрованы именно вашим приватным ключом, не расшифровывая при этом сами данные. Обо всех этих свойствах хорошо рассказано в «Книге Шифров» по ссылке выше.
Мы находимся в децентрализованном интернете, где никому нельзя доверять. Транзакция подписывается приватным ключом и вместе с публичным ключом отсылается в специальное хранилище — пул неподтвержденных транзакций. Так любой участник сети может проверить, что именно вы были её инициатором, а не кто-то еще хочет расплатиться вашими деньгами.
Этим достигается открытость и безопасность сети. Если раньше за это отвечали банки, то в блокчейне за это отвечает математика.
Ваш публичный ключ и является номером крипто-кошелька. То есть вы можете завести кошелек любой криптовалюты вообще не выходя в сеть.
Простым пользователям, не желающим разбираться как выпускать и хранить приватные ключи, помогут сервисы онлайн-кошельков. Чтобы копировать длинные публичные ключи, там делают удобные QR-коды. Лично я пользуюсь Blockchain Wallet, потому что у него есть удобное мобильное приложение и он поддерживает две главные криптовалюты — BTC и ETH.
Отсутствие понятия «баланса»
Как и наша доска, блокчейн по сути состоит только из истории транзакций. Он не хранит баланс каждого кошелька, иначе бы нам пришлось изобретать дополнительные способы защиты.
Владение кошельком подтверждает только приватный ключ. Но как другие участники сети убедятся, что у меня есть достаточно денег для покупки?
Раз у нас нет баланса — это должны доказывать вы. Потому в транзакцию блокчейна входит не только ваша подпись и сколько вы хотите потратить, но и ссылки на предыдущие транзакции, в которых вы получили нужное количество денег. То есть если вы хотите потратить 400 рублей вы пробегаете по всей своей истории доходов и расходов, и прикрепляете к своей транзакции те доходы, где вам дали 100 + 250 + 50 рублей, тем самым доказывая, что у вас есть эти 400 рублей.
Каждый участник сети еще раз обязательно проверит, что вы не прикрепляли доходы дважды. Что те 300 рублей, что дал Макс на прошлой неделе, вы действительно еще не потратили.
Такие прикрепленные к транзакции доходы в блокчейне называются инпутами (input), а все получатели денег — аутпутами (output). Сумма всех инпутов редко бывает ровно такой, сколько вы хотите перевести за раз — потому один из аутпутов чаще всего будете вы сами. Другими словами транзакция в блокчейне выглядит как «мне дали 3 и 2 BTC, я хочу из них перевести 4 BTC и оставшийся 1 BTC вернуть себе обратно».
Забегая немного вперед: дополнительно из этой «сдачи» еще можно указать комиссию за транзакцию, чтобы майнеры активнее её добавляли в блоки. Тогда майнер получит копеечку, а вы немного меньше сдачи назад. О майнинге рассказано ниже.
Красота блокчейна еще и в том, что инпуты не обязательно должны быть с одного кошелька. Проверяется ведь только ключ. Если вы знаете приватный ключ всех инпутов, то вы без проблем сможете прикрепить их к своей транзакции и расплатиться этими деньгами. Как если бы вы в супермаркете платили сразу с нескольких карт, от которых знаете пин-код.
Однако если вы потеряете свой приватный ключ, ваш диск умрет или украдут ноутбук, ваши биткоины будут потеряны навсегда. Никто не сможет использовать их в качестве инпутов для новых транзакций. Эта сумма будет недоступна для всего мира навсегда — как если бы вы сожги пачку банкнот. Здесь нет единого банка, куда можно написать заявление с копией паспорта, и он еще напечатает. Для этого нужен еще дополнительный выпуск новых биткоинов «из воздуха».
Проблема двойной траты
Выше я сказал, что транзакции добавляются в специальный «пул неподтвержденных транзакций». Зачем нам какая-то промежуточная сущность, если у нас уже есть по сути готовые подписанные транзакции? Почему не писать их сразу в блокчейн?
Потому что сигналы из пункта А в пункт Б всегда идут с задержкой. Две транзакции могут пойти абсолютно разными путями. И транзакция, которая была инициирована первой, может дойти до получателя позже, потому что шла более длинным путём. Так получается двойное расходование, когда одни и те же деньги были отправлены сразу двум адресатам, о чем они даже не догадаются. Это вам не купюры из рук в руки передавать.
Для децентрализованной сети, в которой никому нельзя доверять, эта проблема стоит особенно остро. Вот как вы убедитесь, что одна транзакция точно была раньше другой? Попросите отправителя вшивать в неё время отправки, не так ли? Но вспомните — никому нельзя доверять, даже отправителю. Время на всех компьютерах обязательно будет отличаться и нет способа их гарантировано синхронизировать. Копия блокчейна хранится на каждом компьютере сети и каждый участник доверяет только ей.
Как же убедиться, что одна транзакция была раньше другой?
Ответ прост: это невозможно. Нет способа подтвердить время транзакции в децентрализованной сети. И вот в решении этой проблемы и заключается третья важная идея блокчейна, которую придумал Сатоши и которая, как ни странно, прописана прям в его названии — блоки.
Блоки — основа блокчейна
Каждый работающий компьютер в сети выбирает из общего пула любые транзакции, которые ему нравятся. Обычно просто по самой высокой комиссии, которую он может на ней заработать. Так он набирает себе транзакции, пока их суммарный размер не достигнет обговорённого лимита. В Биткоине этот лимит на размер блока равен 1 Мб (после SegWit2x будет 2 Мб), а в Биткоин Кеше — 8 Мб.
А вот в сетях типа Ethereum всё немного сложнее, там количество транзакций на блок зависит от вычислительной сложности включенных в них смарт-контрактов. Но суть не меняется — есть определенный лимит.
Весь блокчейн по сути и есть список таких блоков, где каждый ссылается на предыдущий. По нему можно отследить любую транзакцию за всю историю, разматывая блокчейн хоть до самой первой записи. Именно этот список и весит сейчас сотни гигабайт и должен быть полностью скачан на все компьютеры, которые хотят принимать участие в работе сети (но чтобы просто создавать транзакции и переводить деньги, это не обязательно). Скачивается он так же со всех ближайших компьютеров сети, как будто вы качаете сериал с торрентов, только новые новые серии в нём выходят каждые 10 минут.
Набрав себе транзакций из пула компьютер начинает составлять из них такой же неподделываемый список, как мы в начале поста на доске у себя дома. Только делает он его в виде дерева — хеширует записи попарно, потом результат еще раз попарно и так пока не останется лишь один хеш — корень дерева, который и добавляется в блок. Почему именно деревом — ответа я не нашел, но предполагаю, что так просто быстрее. Подробнее есть на вики: Дерево Меркла.
В комментариях пояснили почему именно дерево. Потому что появляется возможность удалять ненужные (потраченные) транзакции из блока. Т.е. например есть две транзакции, объединённые хэшом, одна или обе уже не нужны т.к. это уже всё давно отдано другими транзакциями — так вот эти старые можно удалить, а хэш оставить, в итоге ничего не нарушается. См.пункт «7. Reclaiming Disk Space» в оригинальной статье Стоши.
Так как актуальный блокчейн уже скачан, наш компьютер точно знает какой в нём сейчас последний блок. Ему остается только добавить ссылку на него в заголовок блока, захешировать всё это и сообщить всем остальным компьютерам сети «смотрите, я сделал новый блок, давайте добавим его в наш блокчейн».
Остальные должны проверить, что блок построен по всем правилам и что мы не добавили туда лишних транзакций, а затем добавить к себе в цепочки. Теперь все транзакции в нём подтверждены, блокчейн увеличен на один блок и всё идет хорошо, не так ли?
А вот и нет. В сети одновременно работают тысячи компьютеров, и как только они соберут новый блок, они почти одновременно ринутся сообщать всем, что их блок был создан первым. А из предыдущего раздела мы уже знаем, что в децентрализованной сети невозможно доказать кто действительно был первым.
Поэтому для включения блока в цепочку компьютеры должны решить какую-то сложную задачку, которая займет у них определенное время.
Как в школе, когда все решали сложную контрольную, очень редко бывало так, что даже отличники сдавали ответы абсолютно одновременно.
Но если для человека сложная задача — это спланировать отпуск, чтобы и на майские праздники попал, и билеты на море недорого, то для компьютера — это добавить в конец блока такое число (nonce), чтобы в результате хеш SHA-256 для всего блока начинался, скажем, на 10 нулей. Это и есть та задача, которую надо решить, чтобы добавить блок в сеть Bitcoin. Для других сетей задачи могут отличаться.
Так мы приходим к понятию майнинга, на котором все так помешаны в последние годы.
Майнинг
Майнинг биткоина — не какое-то там священное таинство. Майнинг не связан с поиском новых биткоинов где-то в глубинах интернета. Майнинг — это когда тысячи компьютеров по всему миру гудят по подвалам, перебирая миллионы чисел в секунду, пытаясь подобрать хеш, начинающийся на 10 нулей. Им даже не обязательно для этого находиться в сети.
Видеокарты с их сотнями параллельных ядер, решают эту задачу быстрее любого CPU
Почему именно на 10 нулей? А просто так, в этом нет никакого смысла. Так придумал Сатоши. Потому что это одна из тех задач, на которую точно всегда есть решение, но оно точно не может быть найдено быстрее, чем долгим монотонным перебором вариантов.
Сложность майнинга напрямую зависит от размера сети, то есть её суммарной мощности. Если вы создадите свой блокчейн и запустите его себя дома на двух ноутбуках, то задача должна быть попроще. Например чтобы хеш начинался только с одного нуля, или чтобы сумма четных разрядов была равна сумме нечетных.
Чтобы найти начинающийся на 10 нулей хеш, у одного компьютера уйдет несколько десятков лет. Но если объединить тысячи компьютеров в единую сеть и искать параллельно, то по теории вероятностей эта задача решается в среднем за 10 минут. Это и есть время появления нового блока в блокчейне биткоина. Каждые 8-12 минут кто-то на земле находит такой хеш и получает привилегию анонсировать свою находку на всех, избежав тем самым проблемы кто был первым.
За нахождение ответа компьютер (по данным на 2017 год) получает 12.5 BTC — это сумма вознаграждения, которая генерируется системой биткоин «из воздуха» и уменьшается каждые четыре года. Технически это означает, что каждый майнер всегда добавляет в свой блок еще одну транзакцию — «создать 12.5 BTC и отправить их на мой кошелек». Когда вы слышите «количество биткоинов в мире ограничено 21 млн, сейчас наймайнили уже 16 млн» — это и есть такие генерируемые сетью вознаграждения.
Сходите посмотрите на настоящий живой блок Биткоина на одном из специальных сайтов. Там есть и транзакции с инпутами и аутпутами, и аж 18 нулей в начале и все описанные выше хеши.
Любой блокчейн существует только пока существуют его майнеры.
Именно майнеры добавляют появляющиеся транзакции в блокчейн. Так что если кто-то рассказывает вам, что он «сделает блокчейн для X», первый вопрос, на который он должен ответить — кто и зачем будет майнить на нём. Чаще всего правильный ответ — «будут все, потому что за майнинг мы даём наши коины, которые будут расти и майнерам это выгодно». Но это применимо не для всех проектов. Например какой-нибудь Минздрав завтра создает свой закрытый блокчейн для докторов (а они хотят), кто его будет майнить? Терапевты по выходным?
Но какая выгода майнерам будет потом, когда вознаграждения исчезнут или станут мизерными?
По задумке Создателя, к тому времени люди должны будут поверить в реальность биткоина и майнинг начнет окупаться суммой комиссий, включенных в каждую транзакцию. К этому всё и идет: еще в 2012 году все комиссии были нулевые, майнеры майнили только за вознаграждения от блоков. Сегодня же транзакция с нулевой комиссией может провисеть в пуле несколько часов, потому что появилась и конкуренция, и люди готовы платить за скорость.
То есть суть майнинга в решешии бессмысленных задачек. Разве нельзя пустить все эти мощности на что-то более полезное — поиск лекарства от рака, например?
Суть майнинга — решить любую вычислительную задачу. Эта задача должна быть достаточно простой, чтобы у участников сети была стабильная вероятность найти ответ — иначе транзакции будут подтверждаться вечность. Представьте, что на кассе в магазине вам надо каждый раз ждать по пол часа, пока банк подтвердит вашу транзакцию. Никто не будет пользоваться таким банком.
Но задача должна быть одновременно и сложной, чтобы ответ не нашли сразу все пользователи сети. Потому что в таком случае они анонсируют в сеть много блоков с одинаковыми транзакциями и будет вероятность «двойной растраты», о которой я говорил. Или еще хуже — разделения единого блокчейна на несколько веток, в которых уже никто не сможет разобраться какая транзакция подтверждена, а какая нет.
Если награда в 12.5 BTC вручается лишь раз в 10 минут и только одному нашедшему блок, получается мне надо впустую жечь видеокарты несколько лет в надежде, что однажды мне упадет $40000 (по текущему курсу)?
Для биткоина именно так. Но так было не всегда. Раньше сеть была меньше, сложность ниже, а значит и выше вероятность единолично найти хеш для нового блока. Но и биткоин тогда стоил не так дорого.
Сейчас биткоины в одиночку уже никто не майнит. Теперь участники объединяются в специальные группы — майнинг пулы, где все вместе пытаются найти правильный хеш. Если хоть один из группы находит, то всё вознаграждение делится между участниками в зависимости от их вклада в общую работу. Получается, что ты майнишь и тебе еженедельно падает копеечка от общей доли.
Но одиночный майнинг вполне возможен в других сетях. Вот еще недавно было легко майнить Ethereum, где блоки находятся каждые 10 секунд. Вознаграждение за блок там намного ниже, но вероятность заработать копеечку получается выше.
Значит мы так и будем сжигать тысячи видеокарт впустую и никакого выхода нет?
Да, но есть идеи. Тот майнинг, что я описал, является классическим и называется Proof-of-Work (доказательство работы). То есть каждая машина доказывает, что она работала на благо сети тем, что решает бессмысленные задачки с заданной вероятностью.
Но некоторые ребята начинают делать блокчейны с другими видами майнинга. Сейчас вторая по популярности концепция — это Proof-of-Stake (доказательство доли владения). В таком виде майнинга, чем больше «коинов» на счету у участника сети, тем больше его вероятность вставить в блокчейн свой блок. Как самый громкий парень на деревне.
Можно придумать и другие виды майнинга. Как уже предлагали, все компьютеры в сети могут искать лекарство от рака, только нужно придумать как в таком случае зафиксировать их вклад в систему. Ведь я могу заявить, что я тоже участвую, но отключить свою видеокарту и ничего не считать. Как выразить количественный вклад каждого участника в поиск лекарства от рака? Придумаете — дерзайте пилить свой CancerCoin, хайп в СМИ вам обеспечен.
Блокчейн
Представим ситуацию, в которой несмотря на всю нашу теорию вероятностей, два майнера всё равно умудрились одновременно найти правильный ответ. Они начинают рассылать два абсолютно верных блока по сети. Эти блоки гарантировано отличаются, ведь даже если они чудом выбрали одинаковые транзакции из пула, составили абсолютно идентичные деревья и угадали одинаковое рандомное число (nonce), их хеши всё равно будут разными, так как каждый пропишет в блок свой номер кошелька для вознаграждения.
Теперь у нас есть два валидных блока и снова возникает проблема кого считать первым. Как поведет себя сеть в таком случае?
В алгоритме блокчейна прописано, что участники сети просто принимают первый правильный ответ, который до них дошел. Дальше они живут исходя из собственной картины мира. Оба майнера получат своё вознаграждение, а все остальные начинают майнить, опираясь на последний ими лично полученный блок, отбрасывая все остальные повторно-верные. В сети появляется две версии правильного блокчейна. Такой вот парадокс.
Это штатная ситуация, в которой снова помогает теория вероятностей. Сеть функционирует в таком вот раздвоенном состоянии, пока кто-то из майнеров не находит следующий блок к одной из этих цепочек. Как только такой блок находится и вставляется в цепочку, она становится длиннее и включается одно из соглашений сети блокчейн: при любых условиях, самая длинная цепочка блоков принимается как единственно верная для всей сети.
Короткая цепочка, несмотря на всю свою правильность, отвергается всеми участникам сети. Транзакции из неё возвращаются в пул (если они не были подтверждены в другой), а их обработка начинается заново. У майнера пропадает его вознаграждение, потому что его блока больше не существует.
С ростом сети такие совпадения из «очень маловероятных» переходят в разряд «ну иногда бывает». Старожилы рассказывают, что бывали случаи, когда отбрасывалась цепочка сразу из четырех блоков.
Из-за этого были придуманы три правила безопасности хвоста блокчейна (end of chain insecurity):
Вознаграждениями за майнинг, можно пользоваться только спустя еще 20 подтвержденных блоков после получения. Для биткоина это около трёх часов.
Если вам переслали биткоины, использовать их в качестве инпутов в новых транзакциях можно только спустя 1-5 блоков.
Правила 1 и 2 всего лишь прописаны в настройках каждого клиента. Никто не следит за их соблюдением. Но закон о самой длинной цепочке всё равно уничтожит все ваши транзакции, если вы попытаетесь обмануть систему, не соблюдая их.
> Правила 1 и 2 всего лишь прописаны в настройках каждого клиента. Никто не следит за их соблюдением. Но закон о самой длинной цепочке всё равно уничтожит все ваши транзакции, если вы попытаетесь обмануть систему, не соблюдая их.
А не получится так обмануть условную пиццерию?
Допустим я использовал полученные битки сразу, купив себе пиццу. Транзакция попала в ближайший блок, крипто-касса на той стороне увидела пришедшие деньги и отправила пиццу с курьером.
А за это время блокчейн перестроился и транзакция получения мною денег (а значит и оплате пиццы) уничтожилась. В итоге пиццерия потеряла деньги, ну а я свою пиццу уже съел. 🤔
Пытаемся обмануть блокчейн
Теперь, когда вы знаете всё о майнинге, устройстве блокчейна и правиле самой длинной цепочки, у вас мог возникнуть вопрос: а можно ли как-то специально обогнать блокчейн, составив самую длинную цепочку самому, тем самым подтвердив свои фейковые транзакции.
Предположим у вас есть самый мощный компьютер на Земле. Датацентры Google и Amazon вместе взятые в вашем распоряжении и вы пытаетесь просчитать такую цепочку, которая станет самой длинной в сети блокчейн.
Вы не можете взять и сразу просчитать несколько блоков цепочки, ведь каждый следующий блок зависит от предыдущего. Тогда вы решаете как можно быстрее считать каждый блок на своих огромных датацентрах параллельно с тем, как все остальные участники продолжают увеличивать основной блокчейн. Возможно ли их обогнать? Вероятно, да.
Если ваша вычислительная мощность будет составлять больше 50% от мощности всех участников сети, то с вероятностью 50% вы сможете построить более длинную цепочку быстрее всех остальных вместе взятых. Это теоретически возможный способ обмануть блокчейн, просчитав более длинную цепочку транзакций. Тогда все транзакции настоящей сети будут считаться неверными, а вы соберете все вознаграждения и начнете новую веху в истории криптовалюты, которая называется «разделение блокчейна». Однажды из-за бага в коде так было с Ethereum.
Но в реальности ни один датацентр не сравнится по мощности со всеми компьютерами в мире. Полтора миллиарда китайцев с айсиками, еще полтора миллиарда голодных индусов с фермами для майнинга и дешевым электричеством — это огромная вычислительная мощность. Никто в мире пока не может составить им конкуренцию в одиночку, даже Google.
Это примерно как выйти на улицу и пытаться убедить каждого человека в мире, что доллар теперь стоит 1 рубль и успеть до того, как в СМИ вас разоблачат. И вот если вы умудритесь убедить всех, то сможете обвалить мировую экономику. В теории ведь это возможно? Но на практике почему-то ни у кого не получалось.
На этой вероятности держится и блокчейн. Чем больше участников-майнеров — тем больше безопасность и доверие сети. Потому когда в Китае накрывают очередную крупную майнинг-ферму, курс и обваливается. Все боятся, что где-то в мире сидел злой гений, который уже собрал пул майнеров на ~49% мощности.
По факту такое было несколько раз годах в 2014-х, когда один из пулов для майнинга временно стал мощнее остальной сети. Но манипуляций тогда замечено не было.
Заключение
Блокчейн не только для криптовалют
Блокчейн — не строго определенный набор алгоритмов. Это структура построения неподделываемой сети между участниками, где никто никому не может доверять. Во время прочтения наверняка у вас ни раз проскакивала мысль, что «можно же вот так переделать и будет еще полезнее». Это значит, что вы поняли блокчейн, поздравляю.
Некоторые ребята в мире тоже его поняли и захотели улучшить или адаптировать под какие-то специфические задачи. Не криптовалютами же едиными, хотя их тоже развелось немало. Вот краткий список некоторых идей и проектов, которые набрали определенную популярность благодаря переосмыслению идеи блокчейна.
Ethereum
«Эфиры» — второе по популярности слово, которое вы слышите в новостях о криптохайпе, после биткоина. Для обывателей это еще одна криптовалюта и способ делать моднейшую штуку под названием ICO. Разработчики на сайте описывают Ethereum как «конструктор блокчейнов для ваших нужд». Так тоже можно, да.
Но если копнуть еще глубже, эфиры — это не просто сеть с монетками. Это огромная общемировая вычислительная машина, где пользователи исполняют код чужих программ (смарт-контрактов), получая за каждую выполненную строчку вознаграждение. И всё это децентрализованно, неубиваемо и со всеми гарантиями блокчейна.
О Ethereum и смарт-контрактах можно рассказывать так долго, что хватит еще на один такой пост. Потому поступим в стиле топ-блогеров: если этот пост будут активно репостить и ретвитить, и до пятницы он наберет хотя бы 1500 уникальных просмотров, я напишу продолжение про Ethereum и смарт-контракты.
upd: просмотры набрали, держите продолжение: «Как устроен Ethereum и смарт-контракты»
IPFS и Filecoin
IPFS сам по себе не имеет отношения к блокчейну. Это протокол распределенного файлового хранилища, в котором каждый участник хранит только те файлы, которые уже скачивал. Похоже на симбиоз BitTorrent и HTTP. На файлы в IPFS можно в интернете ссылочки давать через специальные гейты или даже примонтировать как обычный диск себе на компьютер, потому что он FUSE-совместимый.
Идея с IPFS весьма богатая на самом деле, почитайте на официальном сайте, его уже можно прям брать и использовать. Надо только придумать где. У меня вот сразу возникает идея сделать на нём архив пиратской музыки и навернуть поверх сервис стриминга. Napster 2.0.
Но так как денежек за опенсорс не платят, создатели IPFS решили сделать Filecoin — криптовалюту, которую можно зарабатывать, сдавая в аренду место на своем HDD. Ну или тратить, арендуя сторадж у других. Как по мне — идея технически мёртвая, но на ICO они подняли $257 млн. Теперь вся команда может бухать и не работать всю оставшуюся жизнь.
Труъ диверсификация хранения 
Можно теперь дублировать свои данные не только в городах/странах, где есть ДЦ твоего провайдера, а буквально распределить и задублировать свои данные по всему миру.
И даже если пожар случится одновременно в Токио, Берлине и Москве, то твои данные всё ещё останутся в Индии, Китае, Чили или ещё где, где ДЦ возможно даже и не строят.
Остаётся вопрос, разве что, с тем, что интернет-соединение (особенно шифрованный трафик), плюс ещё шифрование на самих носителях — это достаточно медленно 
Steemit, Golos, Indorse и другие
Платформы для постинга и репостинга контента с вознаграждением авторов. Больше всего напоминают Reddit, где заработанные плюсики конвертируются в местную криптовалюту. Как и в любой криптовалюте, её ценность берется из воздуха, но благодаря криптохайпу она может быть сконвертирована в реальные деньги, потому что вокруг появляется спрос.
Свои мысли по этому поводу написать не могу, потому что у людей свыше снова появится повод забанить пост. Подумайте сами, идея-то красивая.
Место для ваших идей
Медицинские карточки, Википедия с донатами, распределенный суперкомпьютер и еще где-то проскакивал проект организации открытых выборов на блокчейне. Если вам попадались еще какие-то интересные проекты или пришли в голову свои идеи, пишите их в комментарии прямо здесь.
Разновидность сетей блокчейна
Блокчейн — на простом языке, это такая открытая база данных, в которой содержится информация обо всех транзакциях биткоинов между разными пользователями.
Несколько записей о переводах денег объединяются в блок и прикрепляются к другим, отсюда и название блокчейн, которое можно перевести как «цепочка блоков».
Новые блоки в блокчейн добавляются после решения сложной криптографической задачи, для чего нужны огромные вычислительные мощности.
Первая сеть в которой на тот момент использовали уникальную разработку — блокчейн, в сети Bitcoin нету смарт контрактов
Основной токен сети: Bitcoin (BTC)
Обозреватель сети: Blockchair
Ethereum — это децентрализованная блокчейн-платформа, основанная в 2014 году Виталиком Бутериным. Как и биткойн, Ethereum — это проект с открытым исходным кодом, у которого нет единого владельца или управляющего. Это означает, что кто угодно и где угодно может загрузить его программное обеспечение и начать взаимодействие с сетью.
В отличие от биткойновой сети, основная цель Ethereum — не предложить еще одну форму валюты, а позволить тем, кто взаимодействует с сетью Ethereum, составлять смарт-контракты и управлять ими без необходимости искать доверенного контрагента или привлекать посредников.
Основной токен сети: Ethereum (ETH)
Обозреватель сети: Etherscan
- Binance Smart Chain
Binance Smart Chain опирается на систему из 21 валидатора с консенсусом Proof of Staked Authority (PoSA), который может поддерживать короткое время блокировки и более низкие комиссии. Наиболее связанные валидаторы-кандидаты на стейкинг станут валидаторами и будут производить блоки.
Binance Smart Chain также поддерживает смарт-контракты и протоколы, совместимые с EVM. Передача между сетями и другие виды связи возможны благодаря встроенной поддержке взаимодействия.
Основной токен сети: Binance Coin (BNB)
Обозреватель сети: Bscscan
Блокчейн с открытым исходным кодом, предназначенный для поддержки масштабируемых децентрализованных приложений
В отличии от Polkadot, Ethereum и других Solana — это блокчейн первого уровня, в котором нет сайдчейнов или парачейнов. Представители Solana заявляют, что их блокчейн основан на алгоритме консенсуса PoS (Proof of Stake)
Основной токен сети: Solana (SOL)
Обозреватель сети: Solscan
Кошельки: Phantom, Math Wallet
Cardano – первая в мире децентрализованная платформа, созданная на базе научных исследований и эмпирических данных. Платформа также известна как «убийца Ethereum» но так и не смогла стать убийцей
Основной токен сети: Cardano (ADA)
Обозреватель сети: Cardanoscan
Polkadot – пожалуй, главный конкурент Polygon (MATIC). Как и Полигон, платформа Polkadot направлена на масштабирование сети Ethereum. Экосистема платформы состоит из сабчейнов, также известных как парачейны. Основное направление Polkadot – создать сеть Ethereum-совместимых блокчейнов, которые могли бы взаимодействовать между собой, обмениваться транзакциями и данными.
Основной токен сети: Polkadot (DOT)
Обозреватель сети: Polkascan
Кошельки: Polkadot, Trust Wallet, Math Wallet
это децентрализованная блокчейн платформа, которая привнесла в крипторынок несколько уникальных концепций и идей. Уникальность платформы в том, что она представляет собой полноценную экосистему, включающую в себя механизм обеспечения монет (стейблкоинов) и поддержания курса, блокчейн-оракулов и смарт-контракты, которые автоматически обрабатывают операции на платформе
Цель Terra — создать глобальную и эффективную платежную систему, основанную на децентрализованных технологиях, чтобы обеспечить быстрые и дешевые транзакции, в том числе, трансграничные платежи.
Основной токен сети: Terra (LUNA)
Обозреватель сети: Terra Finder
Платформа для исполнения смарт-контрактов Avalanche.Используя функционал Avalanche разработчики могут создать публичный или приватный блокчейн, выбрать нужный язык программирования и те виртуальные машины, включая EVM Ethereum, с которыми будет взаимодействовать конкретный блокчейн.
Avalanche состоит из нескольких блокчейнов, три из которых составляют основную сеть:
- Exchange Chain (X-Chain) предназначен для выпуска и обмена криптоактивов, включая нативный токен сети Avalanche (AVAX)
- Contract Chain (C-Chain) совместим с Ethereum и предназначен для взаимодействия с этой сетью и выполнения смарт-контрактов
- Platform Chain (P-Chain) предназначен для стекинга и координации валидаторов.
Основной токен сети: Avalanche (AVAX)
Обозреватель сети: Avascan
Кошельки: Metamask, Math Wallet, Avax Wallet (X,C,P — Chain)
Polygon Network, ранее известный как Matic, – масштабируемая децентрализованная сеть, которая предоставляет фреймворки для создания мультичейновой экосистемы блокчейнов, совместимых с Ethereum.
Платформа Polygon основана на Ethereum
Основной токен сети: Polygon (Matic)
Обозреватель сети: Polygonscan
Кошельки: Metamask, Trust Wallet, Math Wallet
Tron – блокчейн с собственной развитой экосистемой, но с большей пропускной способностью
Проект Tron в 2018 году запустил свой блокчейн, который стал одним из первых альтернатив для Ethereum. Эмитент стейбкойна USDT Tether выпустил первые монеты на этом чейне в 2019 году.
Основной токен сети: Tron (TRON)
Обозреватель сети: Tronscan
Кошельки: Tronlink, Trust Wallet, Math Wallet
Cosmos – это децентрализованная сеть или экосистема параллельных блокчейнов, основанных на алгоритме консенсуса Tendermint, которые взаимосвязаны между собой, но могут функционировать независимо друг от друга
Основной токен сети: Cosmos (ATOM)
Обозреватель сети: Atomscan
Кошельки: Keystation, Math Wallet
Блокчейн сети между собой не как не связаны
Так как блокчейн сети не связаны друг с другом вы не сможете отправить ETH с сети эфира в сеть Tron используя адресс кошелька Tron
Но альтернатива существует в виде мостов когда вы сможете отправить из одной сети токен в другую, но самое главное что бы та сеть в которую вы хотите отправить токен, поддерживала этот токен.
Это можно проверить в обозреватели сети или же узнать у проекта на каких сетях их монета функционирует
Как работают криптовалюты. С картинками
Добрый день, меня зовут Павел Поляков, я Principal Engineer в каршеринг компании SHARE NOW, в Гамбурге в 🇩🇪 Германии. А еще я автор телеграм канала Хороший разработчик знает, где рассказываю обо всем, что обычно знает хороший разработчик.
Сегодня я хочу поговорить про блокчейн и криптовалюты. Мы слышим про это везде, но понимаем ли мы базовые принципы их работы? Давайте разберемся. Это перевод оригинальной статьи.
Как работают криптовалюты. С картинками.
В 2008 году Lehman Brothers Holdings Inc. подало прошение о банкротстве. Это ударило по вере общества в банки так сильно, что появилась новая категория активов, которая управляется без формальной банковской активности. Первая криптовалюта, bitcoin , появилась в 2008 году. Автором было неизвестное лицо или группа лиц под именем Сатоши Накамото. Идея заключалась в том, чтобы создать децентрализованную цифровую валюту с открытым исходным кодом, без центрального банка или центрального администрирования. Вот ссылка на оригинальную белую книгу (white paper).
В этой статье мы рассмотрим как криптовалюты работают в принципе, начиная с транзакций и заканчивая хранением данных. Так как bitcoin является первой и наиболее известной криптовалютой, то в этой статье я сфокусируюсь на нем.
Bitcoin ≠ Blockchain
Когда люди используют слова Bitcoin и blockchain как синонимы это не верно. Но люди все еще делают так, это популярное заблуждение.
Bitcoin это не просто монета, а еще и протокол, который основывается на технологии блокчейн. Протокол это набор правил, с помощью которых участники сети общаются друг с другом. Например, часть Bitcoin протокола регулирует как должны управляться приватные и публичные ключи, как происходит майнинг, чтобы подтверждать транзакции и тому подобное. Ethereum , waves , neo , ripple и некоторые другие криптовалюты имеют похожий на Bitcoin протокол.
Этот протокол, как, например, Bitcoin и Ethereum , включает в себя определение монеты, которая, как правило, названа в честь протокола. Эта монета и делает использование протокола интересным для людей. Она используется, чтобы вознаградить людей, которые “добывают” или майнят (mine), чтобы добавить блоки к блокчейну и, что еще более важно, чтобы покупать что-то друг у друга.
Токены, в свою очередь, находятся на третьем слое архитектуры. Они существуют благодаря смарт контрактам, которые, в свою очередь, работают благодаря протоколам (второй слой). Ethereum на данный момент, это наиболее популярный протокол для создания смарт контрактов и токенов. А вот протокол Bitcoin , в итоге, не позволяет создание токенов, потому что он не поддерживает создание смарт контрактов.
Безопасная альтернатива традиционным банкам 🤔
Чтобы хорошо понять криптовалюты, давайте сперва разберемся как работает блокчейн и обычная клиент-серверная архитектура.
Клиент-серверная архитектура
Базовая концепция этой архитектуры в том, что клиент (пользователь) делает http запрос к серверу, и, если все в порядке, то сервер, в качестве ответа, отправляет клиенту вебстраницу. Сама вебстраница, как правило, содержит в себе данные из какой-то централизованной базы данных.
Сам факт, что вся информация хранится централизованно, на одном (условно) сервере, который контролируется банком или компанией, это огромная проблема. Даже больше, из-за того, что вся информация хранится на одном сервере, повышается шанс, что сервер взломают. А это, в свою очередь, ставит под угрозу приватность ваших данных.
Blockchain
Блокчейн решает два больших недостатка, которые присущи традиционной клиент-серверной архитектуре — приватность и безопасность данных. Блокчейн это распределенное и неизменяемое хранилище, в дополнение все операции в нем можно проконтролировать.
Давайте разберем это определение по кусочкам. Распределенное означает, что информация хранится в сети компьютеров. Это исключает необходимость иметь централизованные сервера. Вы можете представить это хранилище как бухгалтерскую книгу, где хранится список всех транзакций, которые происходят в блокчейне. Это хранилище неизменяемое, когда информация попадает в него, ее невозможно оттуда удалить или изменить.
Транзакции в блокчейн являются псевдонимными, вы можете видеть транзакции других людей, но вы не знаете кто именно стоит за ними, вы не можете изменять данные, которые содержаться в транзакции. Некоторые криптовалюты разрешают вам шифровать данные в транзакции или даже требуют этого.
Майнинг bitcoin
Теперь, когда мы обсудили как основы блокчейн, давайте посмотрим как в протоколе bitcoin происходят транзакции. К примеру, Боб хочет послать 1 BTC Алисе.
Боб проводит транзакцию, чтобы послать деньги Алисе. Транзакция, которую инициировал Боб, изначально сохраняется в Mempool (место, где содержатся все неподтвержденные транзакции). Для того чтобы транзакция из Mempool попала в Bitcoin блокчейн, майнеры, сперва, должны решить математическую проблему. Ее решение, как правило, занимает 9 минут. Майнер, который решит эту проблему первым, заявляет другим участникам сети, что он успешно ее решил. Теперь другие майнеры проверят, является ли добытый блок действительно тем, что хочет добавить Боб, или это хакеры пытаются взломать сеть. После того как все будет проверено, транзакция будет успешно размещена в блокчейне и Алиса получит 1 BTC от Боба.
Отметим, что майнер, который первым решит математическую проблему, получит вознаграждение или комиссию за транзакцию в виде bitcoin .
Математическая проблема
Теперь, когда мы, в целом, понимаем, что такое майнинг, давайте разберемся с математической проблемой, которую решают майнеры, чтобы добавить блок в Bitcoin сеть.
Когда Боб с Алисой совершили транзакцию, то она выглядела как та, что на картинке ниже. Каждая транзакция содержит номер блока, одноразовое значение (nonce), данные, предыдущий хэш и собственный хэш.
Номер блока, как и сообщает нам имя, это номер текущего блока, который предстоит добавить в блокчейн. Данные содержат детали транзакции, которую совершили Боб и Алиса. В блокчейне хэши это как отпечатки пальцев, они используются, чтобы ссылаться на предыдущие блоки. Предыдущий хэш содержит значение хэш предыдущего блока, который уже содержится в блокчейне.
Одноразовое значение это число, которое майнер может изменять, чтобы получить определенный хэш. Все остальные данные в блоке, т.е. номер блока, данные и предыдущий хэш являются неизменяемыми по своей природе. Никто не может их изменить.
Алгоритм SHA 256
Представим, что у нас есть файл. Мы можем обработать этот файл с помощью алгоритма SHA 256. На выходе мы получим хэш — 64 символа, каждый из которых может быть любым шестнадцатеричным символом. 4 бита на символ.
Хэш, который является частью блока, генерируется, когда мы обрабатываем номер блока, данные, предыдущий хэш и одноразовое значение с помощью алгоритма SHA 256. Хэши можно сравнивать друг с другом. Bitcoin протокол дает майнерам целевое значение хэша.
Хэш, который генерируется майнерами, должен быть меньше или равен целевому значению, которое предоставил Bitcoin протокол. В таком случае, блок будет добавлен в блокчейн. Майнеры могут менять одноразовое значение, чтобы генерировать новые хэши. Майнер, который первым сгенерирует хэш, который меньше или равен целевому значению, получает награду за успешное решение математической проблемы.
На этом вебсайте вы можете попробовать сами.
Выше демонстрация транзакции, которую мы обсуждали. Попробуйте сами. Обратите внимание на то, как изменяется хэш, когда вы изменяете номер блока, одноразовое значение или данные в блоке. Именно это поведение не позволяет хакерам взламывать блокчейн. Мы обсудим это в следующих разделах.
Цепь блоков
Теперь, когда у нас есть базовое понимание о том, как добывается bitcoin и как в этом участвует алгоритм SHA 256, давайте посмотрим, как успешно намайненый блок добавляется в блокчейн.
Первый блок в блокчейне так же известен как блок Зарождения (Genesis block). Значение предыдущего хэша в этом блоке — 0 . Наша транзакция, та что между Бобом и Алисой, находится в третьем блоке, который был успешно добавлен. Значение предыдущего хэша в этом блоке это значение хэша в блоке номер два.
Распределенные P2P сети
Теперь давайте немного уменьшим масштаб и посмотрим, как блокчейн вообще существует в децентрализованной распределенной peer to peer (P2P) сети.
Если участнику в распределенной P2P нужна информация, он контактирует других участников, у которых есть эта информация. Преимущество P2P сети, в том что она не может быть взломана хакерами, поскольку информация хранится во многих местах. И если одно место взломано, то другие остаются в безопасности. Давайте посмотрим, как успешно намайненый блок Боба и Алисы хранится в P2P сети.
На изображении ниже приведен пример P2P сети с майнерами и пользователями.
Представим что A это майнер, который успешно решил математическую проблему для транзакции между Бобом и Алисой и он добавляет блок в свой локальный блокчейн. Блок под номером 3. Как только блок будет помещен в блокчейн, об этом будет сообщено другим пользователям сети. Протокол скажет им добавить этот блок в их копию блокчейна. Ниже анимация, которая поможет вам это визуализировать.
Другой пользователь сперва проверит все ли в порядке с блоком, который намайнил A , а потом добавит этот блок в свой блокчейн.
Когда блок будет успешно добавлен, то P2P сеть будет иметь следующий вид.
Завершаем
Вот и все. Это было быстрое введение в то как работают криптовалюты. Я надеюсь вы научились чему-то, когда читали этот пост.
Если вы хотите дополнительно разобраться в вопросе, я рекомендую ресурсы ниже:
А еще.
Здесь говорю опять я, Павел. В конце еще раз приглашу вас в свой Telegram-канал. На канале Хороший разработчик знает я минимум три раза в неделю простым языком рассказываю про свой опыт, хард скиллы и софт скиллы. Я 15+ лет в IT, мне есть чем поделиться. Все это нужно разработчику, чтобы делать свою работу хорошо, работать в удовольствие, быть востребованным на рынке и получать высокую компенсацию.
Источник https://vas3k.ru/blog/blockchain/
Источник https://vc.ru/crypto/356557-raznovidnost-setey-blokcheyna
Источник https://habr.com/ru/post/649597/
