Блокчейн. Принципы и основы

Блоки и их структура

В описании общих принципов построения структуры блокчейна архитектура децентрализованной базы данных была сравнена с бухгалтерской книгой, страницы которой являлись блоками, куда записывались финансовые транзакции. Было отдельно указано, что эти «страницы» упорядочены в строгой последовательности, которую нельзя поменять, так как они математически крепко сцеплены между собой специальными «криптографическими замками». Теперь, когда мы ознакомились с основными технологическими элементами блокчейн-сетей, включая криптографию, мы можем раскрыть более подробно, каким образом поддерживается целостность структуры блоков и как это влияет на общую безопасность хранения информации в распределенных системах. Очевидно, что каждая блокчейн-система в отдельности имеет свои особенности структурного дизайна, и когда мы будем изучать самые популярные реализации различных проектов, мы эти особенности выявим и внимательно рассмотрим. Однако почти все системы, созданные на базе технологии блокчейн, имеют единые принципы формирования структуры и ее элементов. Поэтому целесообразно их рассматривать в рамках общего описания, так как в большинстве практических случаев они присутствуют в проектах в очень схожей технологической форме, без существенных различий.

Идея хранить информацию в виде связных списков возникла достаточно давно – гораздо раньше, чем появились сами компьютерные технологии. А именно – более 4000 лет назад у индейской цивилизации инков и их предшественников примерно в III тысячелетии до нашей эры. Речь идет о способе сохранения информации в виде так называемых «кипу» – хитросплетений нитей, нанизанных на единую веревочную основу и связанных между собой в зависимости от контекста записываемой информации. Каждая нить могла иметь свой цветовой код, а также специальные узлы, форма и количество которых являлись важными маркерами, определяющими значения и типы хранимой информации. Прослеживая начало и конец каждой из нитей, можно было определить весь путь формирования цепочки данных – от базовой веревки и до окончания ответвления. Общее число нитей в одном кипу могло достигать 2500. При помощи кипу инки как правящий класс всего союза индейских племён Центральных Анд могли учитывать все необходимые подконтрольные им ресурсы – войска, запасы продовольствия, численность населения и объем взимаемых налогов.

Появившиеся в тех местах в первой половине XVI века испанские конкистадоры далеко не сразу постигли утилитарный смысл этих странных веревочно-узловых конструкций, при помощи которых инки фактически управляли своей империей. Для того чтобы сломать установившийся порядок управления, испанцам пришлось навязать завоеванным территориям европейские принципы письменности и учета данных. Кипу были полностью вытеснены из обращения и забыты, и только в начале XIX века ученые начали их изучать на относительно системной основе. Им удалось расшифровать достаточно много информации, содержащейся в сохранившихся экземплярах. Поняв основные принципы логики построения подобной системы учета, ученые были весьма удивлены, что такая древняя цивилизация, будучи изолированной от более прогрессивного мира, сумела найти столь эффективный способ компактной записи и хранения данных, подчиняющийся логике связных информационных блоков.

Во второй половине XX века, когда информационные технологии начали медленно, но верно завоевывать мир, возникла необходимость в создании различных форм записи и хранения информации. Одной из таких форм стали связные списки – специальные структуры данных, каждая из которых содержала не только данные как таковые, но и специальные ссылки на подобные же структуры, как на предыдущие, так и на последующие. Это позволяло игнорировать естественный порядок хранения данных на различных носителях и руководствоваться при этом исключительно той информационной логистикой, принцип которой был заложен в наборе внутренних связей между блоками. В зависимости от логики решения поставленных задач формы списков данных в большинстве случаев могли быть односвязными (однонаправленными) или двусвязными (двунаправленными). Также обе формы списков могли иметь кольцевую структуру, когда последний элемент ссылается на первый или наоборот. Пример простого односвязного списка показан на рисунке:

Собственно, в своем классическом виде блокчейн представляет собой односвязный список, когда каждый следующий блок в системе ссылается на предыдущий. Вопрос в том, что значит «ссылается»: каким образом это технологически реализовано, а главное, зачем он вообще это делает? Ответ прост – для поддержания целостности базы данных. Блок состоит из двух основных частей – заголовка, содержащего служебную информацию, и списка транзакций для передачи цифровых активов между участниками системы или просто записи фактов. Все это – набор данных, который можно отобразить в виде хеша стандартной длины. Вычислив хеш данных заголовка, мы фиксируем состояние всего блока, и любое вмешательство в его целостность немедленно приведет к тотальному изменению общего хеша. А что, если каждый новый блок будет содержать хеш от данных предыдущего блока как один из элементов своего заголовка? Тогда получится, что, хешируя данные одного заголовка, мы автоматически включаем туда хеш заголовка предыдущего блока, и таким образом получается форма сцепления блоков. Нам известно, что любое малейшее изменение в прообразе меняет его хеш до неузнаваемости. Это означает, что если мы вмешаемся в любой бит данных любого из блоков в середине цепочки, это приведет к пересчету всех хешей последующих блоков. Другими словами, изменятся данные всей цепочки.

О чем в первую очередь нам говорит связная структура блоков? О том, что блокчейн – это система, куда можно только добавлять информацию, но нельзя менять или удалять. При этом добавить информацию возможно только в виде новых блоков и только в конец цепочки. Это, безусловно, порождает определенное неудобство при управлении информацией, помещаемой в блокчейн, но, с другой стороны, создает исключительную безопасность хранения данных в распределенном виде. Ведь вся база блоков копируется каждому участнику системы, и каждый из них имеет возможность записать туда что угодно. Другое дело, что эти изменения, будучи сделаны с нарушением правил системы, не будут приняты другими участниками сети. А соответствие правилам проверяется участниками системы чисто математически, поэтому подсунуть им искаженную информацию никак не удастся. Алгоритмы проверки информации, содержащейся в блоках, сразу же просигнализируют о нарушении целостности данных, и данный блок будет считаться неприемлемым для всей сети.

Есть и еще одно неудобство: поскольку данные можно только добавить, но нельзя удалить, даже если они в какой-то момент утратили свою актуальность, общая база с момента образования самого первого блока постоянно растет. Ее размер зависит от разных параметров – скорости создания новых блоков, количества транзакций, содержащихся в них, размеров самих транзакций. В зависимости от этих параметров, а также «возраста» базы данных ее размер уже через несколько лет активной работы может исчисляться сотнями гигабайт информации, которая постоянно копируется и синхронизируется между участниками системы. Решение задачи оптимизации размера базы данных в блокчейн должно стать приоритетом для разработчиков популярных систем, в противном случае это может создать дополнительные препятствия для развития перспективной технологии. Впрочем, предложения по решению этой проблемы уже существуют, и мы коснемся их в разделе, посвященном вопросам масштабирования технологии блокчейн.

Давайте рассмотрим структуру заголовка блока подробнее, чтобы понять, какого рода служебная информация в нем содержится. Понятно, что в разных практических реализациях структура блоков всегда отличается, но у них есть ряд общих элементов, которые встречаются в том или ином виде почти в каждом проекте. Как правило, первое, с чего начинается любой блок – это его порядковый номер. Самый первый блок называется «генезисным», он отличается от прочих тем, что не содержит ссылки на предыдущий блок по причине отсутствия такового. Обычно в блоке есть информация о номере его версии – это бывает необходимо, если впоследствии структура блока претерпит изменения, и в зависимости от номера версии алгоритмы программного обеспечения должны будут их по-разному обрабатывать. Затем, как отмечалось ранее, в заголовке содержится хеш заголовка предыдущего блока для поддержания целостности данных всей цепочки.

Важным элементом заголовка также является время создания блока. Оно записывается в виде числа, равного количеству секунд, прошедших с 1 января 1970 года – формат, принятый в многопользовательских и многозадачных операционных системах, таких, например, как Unix и совместимых с ней. Отдельно заметим, что число это достаточно велико, и через пару десятков лет должно произойти переполнение 32-битной ячейки памяти, обычно выделяемой для переменных, хранящих это значение в различном программном обеспечении. В случае если разработчики этих программ не внесут необходимые исправления, увеличив размер переменной, хранящей значения времени до 64 бит, то 19 января 2038 года по всему миру могут произойти массовые программные сбои. Произойдет это потому, что значения этого числа в силу специфики построения компьютерной архитектуры при выполнении программ будут интерпретироваться как имеющие отрицательные значения – со всеми вытекающими из этого алгоритмическими последствиями.

И, наконец, переходим к части заголовка, посвященной содержащимся в блоке транзакциям. Одним из значений в заголовке является число транзакций в блоке, а вот второе значение имеет загадочное название «корень Меркла». Это не что иное, как совокупный хеш всех транзакций, находящихся в данном блоке, вычисленный определенным образом. В 1979 году американский криптограф Ральф Меркл запатентовал алгоритм вычисления результирующего хеша для набора данных, построенных в виде двоичного дерева:

Согласно логике алгоритма Меркла, все транзакции в блоке делятся попарно, хешируются, и их хеши суммируются между собой. Если общее число транзакций изначально было нечетным и последней транзакции не хватает пары, то в этом случае ее собственный хеш просто удваивается. На следующем уровне «дерева» количество хешей уже вдвое меньше и их число уже гарантированно четное. Хеши опять разбиваются по парам, эти пары суммируются, и так далее, пока из них не останется только одно конечное число. В итоге на вершине дерева образуется результирующий, или корневой хеш, который и называется «корнем Меркла» и является фактически единым совокупным отпечатком всех транзакций блока. Понятно, что при изменении любой из транзакций в блоке все хеши дерева Меркла сразу же пересчитаются заново, и результирующий хеш также изменится, что будет являться маркером события, соответствующего вмешательству в данные блока. Таким образом, значение корня Меркла является «представителем» транзакционной части блока в его собственном заголовке. Будучи «подхешированным» к общим данным заголовка и, таким образом, опосредованно включенным в заголовок следующего блока, корень Меркла играет роль дополнительной гарантии неизменности транзакций, ранее записанных в блокчейн.