Блокчейн

Блок транзакций — специальная структура для записи группы транзакций в системе Биткойн и аналогичных ей[7]. Транзакция считается завершённой и достоверной («подтверждённой»), когда проверены её формат и подписи, и когда сама транзакция объединена в группу с несколькими другими и записана в специальную структуру — блок. Содержимое блоков может быть проверено, так как каждый блок содержит информацию о предыдущем блоке. Все блоки выстроены в одну цепочку, которая содержит информацию обо всех совершённых когда-либо операциях в базе. Самый первый блок в цепочке — первичный блок (англ. genesis block) — рассматривается как отдельный случай, так как у него отсутствует родительский блок[8].

Блок состоит из заголовка и списка транзакций. Заголовок блока включает в себя свой хеш, хеш предыдущего блока, хеши транзакций и дополнительную служебную информацию. В системе Биткойн первой транзакцией в блоке всегда указывается получение комиссии, которая станет наградой майнеру за созданный блок[7]. Далее идёт список транзакций, сформированный из очереди транзакций, ещё не записанных в предыдущие блоки. Критерий отбора из очереди задаёт майнер самостоятельно. Это не обязательно должна быть хронология по времени. Например, могут включаться только операции с высокой комиссией или с участием заданного списка адресов. Для транзакций в блоке используется древовидное хеширование[9], аналогичное формированию хеш-суммы для файла в протоколе BitTorrent. Транзакции, кроме начисления комиссии за создание блока, содержат внутри параметра input ссылку на транзакцию с предыдущим состоянием данных (в системе Биткойн, например, даётся ссылка на ту транзакцию, по которой были получены расходуемые биткойны). Операции по передаче майнеру комиссии за создание блока не имеют «входных» транзакций, поэтому в данном параметре может указываться любая информация (для них это поле носит название англ. Coinbase parameter).

Созданный блок будет принят остальными пользователями, если числовое значение хеша заголовка равно или меньше определённого целевого числа, величина которого периодически корректируется. Так как результат хеширования функции SHA-256 считается необратимым, на данный момент нет алгоритма получения желаемого результата, кроме случайного перебора. Если хеш не удовлетворяет условию, то в заголовке изменяется параметр nonce и хеш пересчитывается. Обычно (статистически) требуется большое количество пересчётов. Когда вариант найден, узел рассылает полученный блок другим подключенным узлам, которые проверяют блок. Если ошибок нет, то блок считается добавленным в цепочку и следующий блок должен включить в себя его хеш[7].

Величина целевого числа, с которым сравнивается хеш, в системе Биткойн корректируется через каждые 2016 блоков. Запланировано, что вся сеть системы Биткойн должна тратить на генерацию одного блока примерно 10 минут, на 2016 блоков — около двух недель. Если 2016 блоков сформированы быстрее, то цель немного уменьшается и достичь её становится труднее, в противном случае цель увеличивается. Изменение сложности вычислений не влияет на надёжность сети Биткойн и требуется лишь для того, чтобы система генерировала блоки почти с постоянной скоростью, не зависящей от вычислительной мощности участников сети[10].

Основная последовательность блоков (чёрные) является самой длинной от начального (зелёный) до текущего. Побочные ветви (фиолетовые) отсекаются.

Блоки одновременно формируются множеством «майнеров». Удовлетворяющие критериям блоки отправляются в сеть, включаясь во все репликации распределённой базы блоков. Регулярно возникают ситуации, когда несколько новых блоков в разных частях распределённой сети называют предыдущим один и тот же блок, то есть цепочка блоков может ветвиться. Специально или случайно можно ограничить ретрансляцию информации о новых блоках (например, одна из цепочек может развиваться в рамках локальной сети). В этом случае возможно параллельное наращивание различных ветвей. В каждом из новых блоков могут встречаться как одинаковые транзакции, так и разные, вошедшие только в один из них. Когда ретрансляция блоков возобновляется, майнеры начинают считать главной цепочку с учётом уровня сложности хеша и длины цепочки. При равенстве сложности и длины предпочтение отдаётся той цепочке, конечный блок которой появился раньше. Транзакции, вошедшие только в отвергнутую ветку (в том числе по выплате вознаграждения), теряют статус подтверждённых. Если это транзакция по передаче биткойнов, то она будет поставлена в очередь и затем включена в очередной блок. Транзакции получения вознаграждения за создание отсечённых блоков не дублируются в другой ветке, то есть «лишние» биткойны, выплаченные за формирование отсечённых блоков, не получают дальнейших подтверждений и «утрачиваются»[9].

Таким образом, цепочка блоков содержит историю владения, с которой можно ознакомиться, например, на специализированных сайтах[11].

Блокчейн формируется как непрерывно растущая цепочка блоков с записями обо всех транзакциях. Копии базы или её части одновременно хранятся на множестве компьютеров и синхронизируются согласно формальным правилам построения цепочки блоков. Информация в блоках не шифрована и доступна в открытом виде, но отсутствие изменений удостоверяется криптографически через хеш-цепочки[12] (элемент цифровой подписи).

База публично хранит в незашифрованном виде информацию о всех транзакциях, подписываемых с помощью асимметричного шифрования. Для предотвращения многократной траты одной и той же суммы используются метки времени[13], реализованные путём разбиения БД на цепочку специальных блоков, каждый из которых, в числе прочего, содержит в себе хеш предыдущего блока и свой порядковый номер. Каждый новый блок осуществляет подтверждение транзакций, информацию о которых содержит и дополнительное подтверждение транзакций во всех предыдущих блоках цепочки. Изменять информацию в блоке, который находится в цепи, не практично, так как в таком случае пришлось бы редактировать информацию во всех последующих блоках. Благодаря этому успешная double-spending атака (повторная трата ранее израсходованных средств) на практике крайне маловероятна[14].

Чаще всего умышленное изменение информации в любой из копий базы или даже в достаточно большом количестве копий не будет признано истинным, так как не будет соответствовать правилам. Некоторые изменения могут быть приняты, если будут внесены во все копии базы (например, удаление нескольких последних блоков из-за ошибки в их формировании).

Для более наглядного объяснения механизма работы платёжной системы Сатоси Накамото ввёл понятие «цифровая монета»[13], определив его как цепочку цифровых подписей. В отличие от стандартизированных номиналов обычных монет, каждая «цифровая монета» имеет свой собственный номинал. Каждому биткойн-адресу может сопоставляться любое количество «цифровых монет». При помощи транзакций их можно делить и объединять, при этом сохраняется общая сумма их номиналов за вычетом комиссии.

До версии 0.8.0 для хранения цепочки блоков основной клиент использовал Berkeley DB, начиная с версии 0.8.0 разработчики перешли на LevelDB[15].

Пока транзакция не включена в блок, система считает, что количество биткойнов на некоем адресе остаётся неизменным. В это время есть техническая возможность оформить несколько разных транзакций по передаче с одного адреса одних и тех же биткойнов разным получателям[16]. Но как только одна из подобных транзакций будет включена в блок, остальные транзакции с этими же биткойнами система будет уже игнорировать. Например, если в блок будет включена более поздняя транзакция, то более ранняя будет считаться ошибочной. Есть небольшая вероятность, что при ветвлении две подобные транзакции попадут в блоки разных ветвей. Каждая из них будет считаться правильной, лишь при отмирании ветви одна из транзакций станет считаться ошибочной. При этом не будет иметь значения время совершения операции.

Таким образом, попадание транзакции в блок является подтверждением её достоверности вне зависимости от наличия других транзакций с теми же биткойнами. Каждый новый блок считается дополнительным «подтверждением» транзакций из предыдущих блоков. Если в цепочке 3 блока, то транзакции из последнего блока будут подтверждены 1 раз, а помещённые в первый блок будут иметь 3 подтверждения. Достаточно дождаться нескольких подтверждений, чтобы вероятность отмены транзакции стала очень низкой.

Для уменьшения влияния подобных ситуаций на сеть существуют ограничения на распоряжение только что полученными биткойнами. Согласно сервису blockchain.info, до мая 2015 года максимальная длина отвергнутых цепочек была 5 блоков[17]. Необходимое число подтверждений для разблокирования полученного зависит от программы-клиента либо от указаний принимающей стороны. Клиент «Bitcoin-qt» для отправки не требует наличия подтверждений, но у большинства получателей по умолчанию выставлено требование 6 подтверждений, то есть реально воспользоваться полученным обычно можно через час. Различные онлайн-сервисы часто устанавливают свой порог подтверждений.

Биткойны, полученные за создание блока, протокол разрешает использовать после 100 подтверждений[18], но стандартная программа-клиент показывает комиссию через 120 подтверждений, то есть обычно воспользоваться комиссией можно примерно через 20 часов после её начисления.

Если контролировать более 50 % суммарной вычислительной мощности сети, то существует теоретическая возможность при любом пороге подтверждений одни и те же биткойны передать два раза разным получателям[19] — одна из транзакций будет публичной и подтверждаться в общем порядке, а вторая не будет афишироваться, её подтверждения будут происходить блоками скрытой параллельной ветви. Лишь через некоторое время сеть получит сведения о второй транзакции, она станет подтверждённой, а первая утратит подтверждения и будет игнорироваться. В результате не произойдёт удвоения биткойнов[20], но изменится их текущий владелец, при этом первый получатель утратит биткойны без каких-либо компенсаций.

Открытость цепочки блоков позволяет внести в произвольный блок изменения. Но тогда потребуется пересчёт хеша не только изменённого блока, но и всех последующих. Фактически, для такой операции потребуется мощность не меньше той, которая была использована для создания изменённого и последующих блоков (то есть всей текущей мощности), что делает такую возможность крайне маловероятной.

На 1 декабря 2013 года суммарная мощность сети превысила 6000 THash/s[21]. С начала 2014 года объединение майнеров (пул) Ghash.io длительное время контролирует свыше 40 % суммарной мощности сети «Биткойн», а в начале июня 2014 года в нём кратковременно концентрировалось более 50 % мощности сети[22].

Двойное расходование биткойнов на практике не было зафиксировано ни разу. На май 2015 года параллельные цепочки никогда не превышали 5 блоков[17].

За требование к хешам блоков отвечает специальный параметр, называемый «сложность». Так как вычислительные мощности сети непостоянны, этот параметр пересчитывается клиентами сети через каждые 2016 блоков таким образом, чтобы поддерживать среднюю скорость формирования блокчейна на уровне 2016 блоков в две недели. Таким образом, 1 блок должен создаваться примерно раз в десять минут. На практике, когда вычислительная мощность сети растёт — соответствующие временные промежутки короче, а когда снижается — длиннее[23]. Перерасчёт сложности с привязкой ко времени возможен благодаря наличию в заголовках блоков времени их создания. Оно записывается в Unix-формате по системным часам автора блока (если блок создается в пуле, то по системным часам сервера этого пула)[24].

Публичные блокчейны общедоступны. Любой может читать блоки, отправлять в них информацию и участвовать в механизме консенсуса. При этом пользователи могут оставаться анонимными. Такие блокчейны обычно полностью децентрализованы, то есть не имеют администраторов или центров доверия. Неизменность и целостность информации обеспечивают экономические стимулы и криптографические проверки с использованием таких механизмов, как доказательство выполнения работы или доказательство доли владения[28].

Публичные блокчейны обычно имеют существенные ограничения в объёме и скорости размещения данных в блоках[28].

Пользователи публичных блокчейнов во многом защищены от произвола разработчиков: разработчики изначально отказались от действий без согласования с представителями пользователей. С одной стороны, это увеличивает уверенность, что программа не будет иметь скрытых от пользователей функций. С другой стороны, при давлении со стороны государственных органов, разработчики искренне могут говорить, что у них нет полномочий сделать это, даже если бы они хотели[28]. При этом изменения в работе сети могут стать проблемой, поскольку не менее половины участников должны согласиться с нововведениями, но и это не защищает от разделения блокчейна на параллельные проекты, поддерживающие разные протоколы.

Криптовалюты используют публичные блокчейны.

В частных блокчейнах правом записи информации обладает только один участник или узлы, уполномоченные этим единственным администратором. Это централизованные персонифицированные системы, поскольку существует иерархия полномочий. Сбои можно быстро исправить вручную. Нет смысла применять доказательство выполнения работы или доказательство доли владения — информация без задержки попадает в блоки, формируемые по мере необходимости, и не требует дополнительного подтверждения, что максимизирует скорость работы сети и минимизирует стоимость транзакций. Однако сохраняется распределённый характер хранения данных, при котором узлы содержат полные копии в формате взаимосвязанных цепочек блоков. Доступ к информации может быть общедоступным или иметь произвольные ограничения. Чаще всего речь идёт о системе передачи информации внутри одной компании, что не требует общего доступа ко всей информации, но может предусматривать общедоступную возможность аудита[28].

Несмотря на внутреннюю персонализацию, но ограничения доступа к информации могут обеспечить в частных блокчейнах более высокий уровень конфиденциальности[28].

В частном блокчейне легко реализуются не только изменения правил, но и отмены транзакции, изменения информации и т. д. Это необходимо, например, в земельных кадастрах — без возможности исправить ошибки подобные системы могут стать неуправляемыми и утратить легитимность[28].

Если узлы начинают действовать злонамеренно, это легко обнаружить и заблокировать им доступ к сети.

В консорциумных блокчейнах процесс согласования обеспечивается несколькими заранее оговоренными равноправными узлами. Например, консорциум из 15 банков договаривается считать действительным блок с мультиподписью не менее 10 участников консорциума. Скорость появления новых блоков может быть весьма высокой. При этом участники концерна доступ к информации из блокчейна могут сделать как общедоступным, так и ограничить избранным кругом или ввести иные количественные, содержательные или временны́е ограничения[28]. Эти блокчейны можно считать «частично децентрализованными».

Ограниченное количество доверенных узлов позволяет модернизировать систему гораздо проще, чем при публичном блокчейне. Но работа такой сети возможна только при условии, что основная часть узлов работает добросовестно.

Консорциумные блокчейны наиболее полезны для нескольких организаций, которым требуется единая платформа проведения транзакций или обмена информацией[28].

В российском банковском секторе к технологии проявляют интерес такие компании как ВТБ[29] и Сбербанк[30].

О разработках и планах использования технологии блокчейн заявили платёжные системы VISA[31][32], Mastercard[33][34], Unionpay[35] и SWIFT[36][37].

Лондонское подразделение Дойче Банка Innovation Lab разрабатывает систему инвестиций на основе блокчейн-технологии, ускоряющую, упрощающую и удешевляющую процесс инвестирования за счёт исключения или сокращения роли посредников, адвокатов (поверенных), аудиторов и клиринговых агентов[38].

В июле 2017 года S7 Airlines и Альфа-банк запустили в эксплуатацию[39] блокчейн-платформу автоматизации торговых операций с агентами на базе Ethereum.

В 2019 году Сбербанк получил премию Finaward в номинации «Пилот в блокчейне», за организацию и успешное размещение коммерческих облигаций мобильного оператора МТС с помощью смарт-контрактов на базе блокчейн-платформы Национального расчётного депозитария. Покупателем выступил Sberbank CIB (корпоративно-инвестиционный бизнес Сбербанка). Это первая в России сделка полного цикла, включая денежные расчёты по механизму «поставка против платежа», реализованная с использованием технологии распределённого реестра. Одной из задач размещения было «доказательство опытным путем преимуществ данного формата над классическим размещением облигаций»[40][41].

Швеция[42], Украина[43] и ОАЭ[44] планируют вести земельный реестр при помощи технологии блокчейн.

Правительство Индии борется с земельным мошенничеством при помощи блокчейн[45]. Андхра-Прадеш стал первым индийским штатом, где правительство предприняло шаги по внедрению блокчейн-решений[46]. Для этого в городе Вишакхапатнам будет создан технологический парк при участии блокчейн-компаний Apla, Phoenix и Oasis Grace[47].

В первом полугодии 2018 года будет проводиться эксперимент по использованию технологии блокчейн в целях мониторинга достоверности сведений Единого государственного реестра недвижимости (ЕГРН) на территории Москвы[48].

В 2014 году основана компания Bitnation, предоставляющая услуги традиционного государства, такие как удостоверение личности, нотариат и ряд других[49].

В июне 2017 Accenture и Microsoft представили систему цифровых удостоверений личности на блокчейне[50].

В августе 2017 правительство Бразилии начало тестирование системы удостоверений личности на блокчейне[50].

Финляндия идентифицирует беженцев при помощи блокчейн-технологий[51].

В Эстонии работает блокчейн-система электронного гражданства[52].

Всемирная продовольственная программа использует технологию блокчейн для обеспечения беженцев продовольствием через существующие на местах торговые точки и сети вместо непосредственной раздачи продовольствия или выдачи беженцам наличных денег для покупки продуктов. Идея принадлежит Хуману Хададу (Houman Haddad). Для идентификации получателей продовольствия используется биометрия (сканирование радужной оболочки глаза). Экономия в 2018 году за счёт применения этой технологии только в Иордании составила 150 000 долларов в месяц[38].

На основе технологий блокчейн и умных контрактов можно игровые предметы представить в форме уникальных невзаимозаменяемых токенов (NFT).

Технология блокчейн может использоваться для проведения онлайн-голосований. Такие голосования могут проводиться как частными лицами, компаниями, так и на государственном уровне[53][54]. Для обеспечения анонимности и при этом гарантии отсутствия двойного голосования может применяться алгоритм прослеживаемой кольцевой подписи.