Блокчейн: принцип работы, сферы применения и перспективы

Криптовалюты и смарт-контракты, Web 3.0 и NFT – все эти символы XXI века основаны на технологии блокчейн. Ее называют главным изобретением человечества и будущим цифрового мира. А кое-кто даже видит в основе идеального государственного устройства. Но многие ли смогут объяснить, как работает эта инновация?

Редакция MC.today выяснила, что такое блокчейн и блокчейн кошелек, какой принцип работы технологии, ее виды, и перспективы. 

Что такое блокчейн

Термин блокчейн переводится с английского, как «цепь блоков». Это способ шифрования, передачи и хранения данных в распределенной сети. Название наглядно отражает суть концепции, ведь информацию в блокчейне действительно хранят в виде цепочки цифровых блоков. При этом каждый последующий блок неразрывно связан с предыдущим, а все блоки сохраняются в узлах компьютерной сети, которые называют нодами. 

Другими словами, блокчейн – это распределенный цифровой реестр, который содержит записи о всех транзакциях участников системы. У этой базы данных нет единого центра и управляющих органов. Каждую операцию в ней документируют и подтверждают все участники сети, поэтому подделать или удалить записи практически невозможно. Это позволяет обойтись без посредников, таких как банки, и открывает новые горизонты в электронной коммерции, кибербезопасности, государственном управлении и других сферах.

История возникновения блокчейна

В представлении большинства людей история блокчейна началась 21 октября 2008 года, когда разработчик (или группа разработчиков) под псевдонимом Сатоши Накамото упомянул технологию в «Белой книге» – базовом документе биткоина. 

Однако еще в 1991 году математики Скотт Сторнетта и Стюарт Хабер описали криптографически защищенную цепочку блоков. А спустя год они же добавили в нее систему хешей – уникальных идентификаторов, позволяющих эффективно проверять подлинность транзакций.

В 1995 году Скотт и Стюарт запустили первый в истории блокчейн под названием Surety. Интересно, что его направленность никак не была связана с криптовалютами. Задачей своего детища пионеры блокчейна видели подтверждение достоверности цифровых документов. А делать это они собирались путем внесения в них временных отметок. 

«Решение Сатоши сосредоточиться на денежной системе было потрясающей идеей. – говорит Сторнетта. – Но я рассматривал это как один из многих возможных вариантов использования технологии, хоть и весьма интересный. Однако для нас главным было просто обеспечение целостности записей». 

Хабер соглашается с коллегой: «Я вижу, как наше изобретение… уже сейчас обеспечивает целостность записей, гарантируя невозможность их изменения, и это можно использовать для самых разных целей. Это поможет сохранить достоверность записей для истории. Вспомните хотя бы Александрийскую библиотеку… Мы многое потеряли, когда она сгорела». Заметим, что ту же цель преследовали создатели  цифрового архива Всемирной паутины, о котором мы уже писали ранее.

Сегодня изобретатели блокчейна находятся в весьма необычном положении. С одной стороны, их детище опередило время, сыграло важнейшую роль в появлении рынка цифровых активов и обрело всемирную популярность. С другой стороны, для широких масс история блокчейна неразрывно связана с биткоином Сатоши, а Сторнетта и Хабер остаются в тени создателя первой криптовалюты.

Как работает блокчейн

Децентрализация

Банк Англии определяет блокчейн, как «технологию, позволяющую людям, которые не знают друг друга, доверенно и совместно использовать запись событий». Совместно – значит, без единого управляющего центра. Чтобы это стало возможным, понадобилось создать несколько новых технологий.

Одна из таких составляющих блокчейна – «распределенная сеть». Разберемся что это такое. До изобретения блокчейна существовало две системы передачи данных: централизованная и децентрализованная. Централизованную сеть можно представить в виде звезды со множеством лучей. Так, например, выглядит рабочий сервер с подключенными к нему компьютерами. 

Самым известным примером децентрализованной сети является Интернет. Каждый компьютер в нём подключен к определенному узлу – серверу или провайдеру. А этот узел, в свою очередь, подключается к другим узлам. В результате любые два устройства могут взаимодействовать через несколько промежуточных узлов. 

Но и в первом и во втором случае информация хранится на каком-то сервере. Например, эта статья хранится на сервере, где арендует место сайт MC.today. А значит администратор этого сервера теоретически мог бы ее удалить или изменить. Как же хранить данные, чтобы можно было их совместно использовать, но нельзя было изменить? 

Для этого нужна распределенная сеть. Каждый компьютер в ней подключается не к нескольким, а ко всем узлам сети. Более того, любой из этих компьютеров хранит всю информацию, которая опубликована в сети. Система функционирует без центральных узлов, так как все устройства в ней сами являются такими узлами. В результате изменить данные, которые попали в сеть и хранятся в тысячах компьютеров, практически невозможно. Можно сказать, что доверие становится частью самой системы.

Хеш-функция

Следующая технология, без которой невозможно понять работу блокчейна, – это криптографическая хеш-функция, или просто хеш. Его можно представить как черный ящик, на вход которого мы подаем любую информацию, а на выходе получаем уникальную строку из 64 символов. При этом неважно введешь ли ты слово «блокчейн» или полный текст Библии – результат всё равно будет состоять из 64 знаков. Убедиться в этом можно тут.

Что-то подобное происходит, когда мы вставляем длинный URL-адрес страницы в сервис коротких ссылок вроде Bitly. Только в отличие от сокращателей ссылок, хеш-функция в блокчейне действует только в одну сторону. Поэтому восстановить по хешу исходные данные невозможно. У хешей есть три интересных особенности:

• Одинаковые данные всегда дают одинаковый результат. Это открывает целый ряд возможностей. Можно реализовать проверку целостности файлов, подлинности документов
• Из хеша невозможно получить первоначальное сообщение.
• Стоит изменить хотя бы один символ в исходном сообщении и результат изменится до неузнаваемости. Если, к примеру, убрать из слова «блокчейн» букву «н», то в хеше изменится не один символ, а почти все.

Важнейшими качествами распределенного цифрового реестра являются неизменность и анонимность данных. Получается, что данные нужно регулярно проверять, и в то же время их никто не должен видеть. Это как проверить подлинность золотых украшений, не вынимая их из запертого сейфа. На первый взгляд кажется, что задача не имеет решения. Но криптографические хеш-функции творят чудеса.

Они преобразуют данные в код, чем обеспечивают их анонимность. С другой стороны, позволяют четко идентифицировать любую информацию по хешу. Хеш в этом примере можно сравнить с отпечатками пальцев, которые не раскрывают всей информации о человеке, но позволяют его идентифицировать. Так и хеш-функция вычисляет цифровой отпечаток текста, картинок, музыки, видео и любых других данных.

Пример работы блокчейна

Рассмотрим работу блокчейна на примере. Представим Сашу, который решил перевести кому-то определенную сумму в криптовалюте.

• Транзакция. Саша переводит Маше 1 биткоин.
• Шифрование. Система шифрует транзакцию и помещает в очередь ожидания.
• Создание блока. Компьютеры в сети, или ноды, собирают транзакции в блоки и рассылают их всем участникам системы блокчейн на проверку.
• Структура блока. Каждый блок состоит из заголовка и списка транзакций. В заголовке указано время создания блока, а также хеш этого и предыдущего блока.
• Хеш. В соответствии с алгоритмом сети, блокчейн преобразует данные транзакции в хеш-сумму, или хеш – особую последовательность знаков длиной 64 символа. Даже если изменить в данных хотя бы один символ, хеш станет совсем другим. Поэтому последовательность связанных хешей создает неразрывную цепочку блоков.
• Проверка. Перед добавлением блоков в цепочку их проверяют на соответствие правилам проекта. Эти правила называются консенсусом. Если нет ошибок, каждый участник сети записывает новый блок в свою базу данных.
• Результат. Блок занимает место в цепочке блоков. Биткоин переходит от Саши к Маше.
• Встроенная защита. Допустим какой-то хакер решил переписать один из блоков. Это автоматически меняет хеш в заголовке этого блока и все последующие блоки цепочки. В результате ноды находят несоответствие и удаляют поддельный блок из цепи блокчейна за нарушение консенсуса. 

Преимущества блокчейна

Прозрачность

Все данные блокчейна находятся в открытом доступе, значит любой пользователь может отследить цепь транзакций с самого начала существования сети.

Надежность

Данные записаны на компьютерах множества пользователей. Это снижает риски хакерских атак и компьютерных сбоев. Даже если из строя выйдут десятки компьютеров одновременно, информация не пострадает.

Безопасность

Система добавляет блоки в хронологическом порядке и связывает общим хешем. Поэтому они образуют неразрывную цепочку, звенья которой невозможно удалить или изменить. 

Минимальные комиссии

Вместо централизованных посредников, например банков, транзакции регистрируют майнеры. Обычно майнеров много и конкуренция между ними очень высокая. Это позволяет сохранять комиссии на низком уровне.

Независимость

В блокчейне транзакции проходят без посредников. То есть в процесс не могут вмешаться компании, банки и государства.

Недостатки блокчейна

Низкая энергоэффективность

Напомним, что данные хранятся на компьютерах всех участников. Поэтому для регистрации операций приходится обрабатывать огромные массивы информации. Это требует высокой мощности компьютера и ведет к значительным энергозатратам в системе. 

Так в 2021 году затраты на майнинг биткоина составили 0.5% мирового потребления электричества – больше, чем тратит в год Аргентина с населением в 45 млн. человек.

Чтобы сократить расход энергии, Еврокомиссия рассматривает меры по запрету майнинга. А Илон Маск заявляет, что главная криптовалюта «дорого обходится окружающей среде» и прекращает продавать свои машины за биткоины.

Атака 51%

В гипотетической ситуации, когда злоумышленник сосредоточит в своих руках 51% и более вычислительной мощности блокчейна, он сможет нарушить работу сети. Успешная атака не способна заполучить ваш приватный ключ или подделать подпись, но позволяет, например, дважды продать одни и те же монеты.

Виды блокчейна

В рамках технологии блокчейна можно реализовать разные уровни доступа к информации. По этому признаку создатель криптовалюты Ethereum Виталий Батерин предложил свою классификацию блокчейн-платформ. 

1. 1. Публичный, полностью децентрализованный, или общедоступный блокчейн содержит цепочку блоков, которые может просматривать каждый, кто установит необходимую программу. Любой желающий может свободно присоединиться к сети и принимать участие в ее работе. Транзакции никем не контролируются. Самыми известными примерами публичного блокчейна являются биткоин и Ethereum.
   2. Блокчейн консорциума, или частично децентрализованный блокчейн состоит из ряда организаций, которые могут контролировать процесс согласования транзакций. Право на просмотр блоков может быть общедоступным или ограниченным кругом участников. Чтобы блок был действительным, его должно подписать определенное количество членов консорциума. Например, блокчейн Corda R3 объединяет более 40 крупных банков для совместных биржевых операций с облигациями. 
   3. Полностью приватный блокчейн устанавливает правила, по которым право на создание блоков принадлежит одной организации. Публика может читать информацию, но проводить аудит и управлять системой могут только узлы, которые определили владельцы. По сравнению с общедоступными приватные блокчейны имеют ряд преимуществ: меньшую стоимость транзакций, больший показатель транзакций в секунду, простоту обновления программной части. 

Роль майнеров в блокчейне

Майнеры, или владельцы узлов сети выполняют в блокчейне несколько функций. В зависимости от своей роли они могут подтверждать или отклонять транзакции, шифровать и сохранять информацию в блоке, связываться с другими блоками. 

Чем больше майнеров в сети, тем сложнее ее «обмануть» и тем выше ее устойчивость. В публичной сети блокчейна майнерами могут стать все желающие. За поддержание работы сети они получают награду: комиссии от участников транзакций и вознаграждение от самой сети. Для примера сумма вознаграждения майнеров биткоина по всему миру может достигать $0,5–1 млн в день.

Блокчейн кошелек

Чтобы совершать транзакции, пользователи блокчейн сети используют особое программное обеспечение, которое называют кошельком. В кошельке хранится запись о текущем состоянии счета участника и всех его транзакциях. Кошельки бывают онлайн, десктопными, мобильными и аппаратными. 

Онлайн кошелек можно открыть за несколько минут. Для этого нужна только регистрация на специализированном финансовом портале. Из наиболее популярных онлайн кошельков можно выделить Cryptopay, Xapo, Blockchain, Coinkite, Bitcoin Core, Matbea, Coinbase и другие.

Десктопные и мобильные кошельки требуют установки приложений на соответствующие платформы. Их делят на «толстые» и «тонкие». Первые обеспечивают полный набор функция, в том числе возможность майнинга. При этом занимают на диске более 200 Гб и требуют большего времени на проведение транзакций. «Тонкие» кошельки имеют ограниченный набор функций, но могут предложить более быструю обработку операций.

Аппаратные блокчейн кошельки – это специальные флешки для хранения данных. Они считаются самыми надежными, так как ключи в них генерируются локально и не передаются в интернет. Популярность заслужили решения от производителей Trezor, Digital Box, Cool Wallet, Ledger. Стоимость таких устройств лежит в пределах $50–200.

Применение блокчейн технологии

«Цепочки блоков» востребованы в самых разных сферах человеческой деятельности – от финансов и коммерции до образования, медицины, информационных технологий, государственного управления  и развлечений. 

Криптовалюта

Технология блокчейна лежит в основе всех криптовалют – от биткоина до малоизвестных альткоинов. Пока криптовалюту чаще покупают, чтобы заработать на росте ее стоимости. Некоторые люди используют криптовалюту, чтобы отправлять деньги родственникам за границу. Но не за горами использование технологии, например, в розничной торговле.

Цифровая валюта

Ряд государств экспериментирует с созданием цифровых валют, которые будут работать на основе блокчейна. Впереди всей планеты в этой сфере Китай, где миллионы людей используют цифровой юань. Эксперты считают, что со временем цифровой юань может составить конкуренцию доллару. Его преимущество в оперативности сделок и меньших комиссиях.

Смарт-контракты

Благодаря смарт-контрактам блокчейн сможет сохранить и сделать доступной потребителям всю цепочку поставок – от сырья до готового продукта на прилавке. Этой технологией заинтересовалась популярная в США сеть супермаркетов Walmart. 

В блоках распределенного цифрового регистра планируют прозрачно хранить данные о сертификатах качества, сроках поставок, условиях хранения и транспортировки, производителе и даже о том, какое влияние производство оказало на окружающую среду. Это позволит исключить возможность подделок, проверить качество товара и точно определить, например, состав пищевых продуктов.

NFT

Невзамозаменяемые токены, или NFT – это сертификаты, которые подтверждают ваши права на объекты цифрового искусства: фото, картины, музыку, компьютерную графику. Объем торговли NFT быстро растет и по отдельным прогнозам через три года может составить до 20% всего оборота криптоиндустрии. 

Игровая индустрия

Ярким примером использования блокчейна в игровой индустрии является  компьютерная игра Axie Infinity от вьетнамской студии Sky Mavis. Игру уже окрестили «покемоном на блокчейне». Игроки должны выращивать персонажей и использовать их в сражениях с другими персонажами. За это они получают виртуальные земли в виде NFT и цифровые деньги SLP, которые можно обменять на криптовалютной бирже.

Появился даже новый термин – GameFi, – это блокчейн проекты, которые позволяют монетизировать игровой опыт. Персонажи, земельные участки и оружие в таких играх становятся игровыми активами. А право собственности на них позволяет закрепить технология NFT. По разным оценкам аудитория GameFi сегодня насчитывает более одного миллиарда человек. Дальнейший ее рост часто связывают с мирами метавселенной от Facebook.

Перспективы технологии

Технология блокчейна еще очень молода, но уже добилась ощутимых успехов. Инвесторы вкладывают в связанные с блокчейном стартапы миллиарды долларов, потому что уверены, что однажды «цепочки блоков» найдут применение повсюду. Государство, например, сможет напрямую без посредничества банков перечислять гражданам пенсии и другие выплаты. Да и останется ли в будущем само государство в привычном нам виде? 

Вот как на это смотрит миллиардер и сооснователь Ethereum Виталий Бутерин: «В будущем, когда блокчейн будет использоваться повсеместно, роль государства поменяется – так же, как и других посредников. Они, скорее всего, будут формировать правила игры, но будет программный код, который будет следить за выполнением правил. И вмешательство человека, например, чиновника, будет минимизировано».

Первые шаги в этом направлении уже сделала Эстония. Там работает блокчейн система электронного гражданства е-Estonia, в которой проходят выборы и можно оплатить налоги. Применение такой технологии позволяет ежегодно экономить до 2% ВВП. 

Конечно, пример страны с населением меньше двух миллионов человек не может служить гарантией, что подобная модель приживется в других странах. Но у нас на глазах распределенные цифровые реестры становятся всё популярнее. И возможно уже близок тот день, когда блокчейн кардинальным образом изменит окружающий мир.