Блокчейн. Принципы и основы

Как устроен биткоин

Следует признать, что при описании в предыдущих главах различных методик, подходов и технологий, применяемых для построения проектов на блокчейн, в качестве основы использовались принципы именно проекта Биткоин. Безусловно, спустя десять лет с момента своего появления Биткоин выглядит уже в какой-то степени архаичным по сравнению с более современными блокчейн-проектами. Однако именно Биткоин заложил основы для последующей эволюции технологии блокчейн. Мы не будем детально повторять технологические описания основных методов, использующихся в сети Биткоин, поскольку мы их уже рассмотрели ранее. Но вместе с тем Биткоин содержит и ряд дополнительных особенностей, которые не были предварительно описаны. И сейчас мы остановимся на них подробнее.

Для начала попробуем разобраться, каким образом в сети Биткоин формируется система адресации. Для того чтобы получить адрес в сети Биткоин, необходимо в первую очередь сгенерировать пару ключей, используя один из алгоритмов асимметричной криптографии. Биткоин, как и большинство других блокчейн-проектов, использует алгоритм дискретного логарифмирования в группе точек эллиптической кривой (ECDSA). Как известно, эллиптическая кривая описывается следующим уравнением:

Биткоин использует форму данного уравнения в виде y² = x³ + 7. Явное упрощение не должно вводить читателя в заблуждение – указанных коэффициентов вполне достаточно для того, чтобы создать значительную вычислительную сложность в части решения обратной задачи восстановления секретного ключа из публичного. Вообще данные для параметров эллиптических кривых взяты из рекомендаций консорциума SECG, который разработал «Стандарты для эффективной криптографии», использующиеся в том числе и в проекте Биткоин. Параметры рассчитаны таким образом, чтобы придать системе наименьшую уязвимость при попытке атаковать шифры, созданные на базе асимметричных криптографических методов. На текущий момент неизвестно ни об одной успешной попытке взлома алгоритма эллиптической криптографии, использующегося с параметрами, рекомендованными SECG. Возможно, эти задачи будут успешно решать квантовые компьютеры, но для этого им необходимо обзавестись достаточным количеством кубитов, а на это потребуется время, возможно, даже весьма значительное.

Вернемся к генерации ключей. Сначала случайным образом создается 256-битный закрытый ключ, а затем из него математически вычисляется публичный ключ точно такого же размера. Однако публичный ключ – это еще не совсем адрес Биткоин. Для того чтобы он стал адресом, с ним необходимо провести определенные процедуры. Сначала открытый ключ последовательно пропускают через два различных алгоритма хеширования (SHA-256 и MD5). В последнем случае его адрес укорачивается с 256 бит до 160. Затем к полученному результату в начало добавляют один байт идентификатора сети (основная сеть или тестовая), а в конец – четыре байта контрольной суммы адреса, которая также представляет собой часть хеша последнего результата. Контрольная сумма необходима для проверки, если ввод адреса осуществляется вручную: в случае ошибочного ввода система выдаст предупреждение. Транзакции в блокчейн являются безотзывными, поэтому отправитель криптосредств не имеет права на ошибку. Если адрес будет введен некорректно, средства отправителя уйдут «в никуда». А точнее – на адрес, от которого ни у кого из потенциальных пользователей сети не будет «отмычки» в виде секретного ключа. В результате никто не сможет предъявить права на эти средства, которые, таким образом, будут безвозвратно потеряны для системы.

Завершающий шаг в процедуре получения адреса Биткоин – его преобразование в более «читаемый» вид. Для этого блок данных в формате шестнадцатеричного кода (использующего цифры от 0 до 9 и буквы от A до F) преобразуется алгоритмом Base58 в строку, содержащую цифры, а также маленькие и большие латинские буквы. Данная процедура необходима, чтобы исключить из адреса символы, которые могут двояко трактоваться при ручном наборе: например, латинская маленькая l и большая латинская I или большая буква O и цифра 0. Все эти меры направлены на дополнительную защиту от ошибочного ввода адреса при совершении транзакций. По завершении всех необходимых процедур Биткоин-адрес может приобрести, например, следующий вид:

Теперь у пользователя есть свой адрес в сети Биткоин, хотя сама сеть об этом пока еще ничего не знает, поскольку пользователь осуществлял генерацию адреса на своем локальном устройстве. Но имея пару ключей и сформированный из них адрес, пользователь может получать на него криптосредства, а затем отправлять их на любой другой адрес, который пожелает. И тогда с первой транзакцией, по мере ее распространения по сети, об этом адресе начнут узнавать как о новом участнике системы. Возникает вопрос: куда именно попадет транзакция? Логично было бы предположить, что она должна быть включена в блок, который в данный момент формируется сетью. Однако это не совсем так – сначала транзакция рассылается по всей сети через прямые соединения между различными узлами. При этом каждый из узлов, получив новую транзакцию, осуществляет ее проверку на «валидность». Узлы проверяют, располагает ли в действительности отправитель той суммой, которую он желает переслать. Осуществить такую проверку возможно, вычисляя все «непотраченные выходы» по предыдущим транзакциям в пользу данного отправителя. Также математически проверяется соответствие цифровой электронной подписи отправителя указанному им своему открытому ключу. Это нужно для того, чтобы удостовериться, что отправитель транзакции обладает закрытым ключом от адреса, с которого он собирается потратить деньги. Если транзакция успешно прошла все необходимые проверки, то она попадает во временное хранилище, которое называется «мемпул» (mempool).

Мемпул – это что-то вроде очереди транзакций, ожидающих, пока их включат в блок. Каждый узел самостоятельно определяет размер мемпула, который он будет у себя хранить. Разница между обычной очередью и мемпулом состоит в различной форме приоритизации поступающих на обработку транзакций. Если в обычной очереди данные обрабатываются в зависимости от времени их поступления, то в мемпуле их ранжируют по величине комиссии, которую отправители определили для своих транзакций. Как уже упоминалось, величина транзакционной комиссии устанавливается отправителем самостоятельно, исходя из его пожеланий в отношении скорости включения данной транзакции в ближайшие создаваемые блоки. Поскольку создатель блока забирает всю комиссию по всем включенным в него транзакциям в свою пользу, логично было бы предположить, что он будет в первую очередь включать в блок транзакции с наибольшей комиссией.

Если учесть тот факт, что размер блока в сети Биткоин ограничен одним мегабайтом, а средний размер транзакции составляет около 300 байт, то в один блок можно поместить около 4000 транзакций, что само по себе достаточно немного. Сеть Биткоин настроена таким образом, что каждый новый блок создается примерно один раз в десять минут, поэтому пропускная способность всей сети составляет около семи транзакций в секунду. В периоды повышенной нагрузки на сеть, когда количество транзакций может существенно возрасти, мемпул начинает сильно увеличиваться в своих размерах, в то время как скорость включения транзакций в блоки уменьшается. Поэтому, чтобы транзакция попала в новый блок как можно быстрее, отправители начинают увеличивать комиссию. В декабре 2017 года был отмечен рекордный размер мемпула – около 140 мегабайт, при этом количество транзакций, ожидающих обработки, превысило 200 000. Однако уже спустя полгода напряжение в сети Биткоин существенно снизилось, величина мемпула упала до единиц мегабайт, а комиссия за обработку транзакций вернулась к обычным значениям.

Как уже отмечалось, каждый участник сети, являясь равнозначным по правам с остальными участниками узлов, получает на свое локальное устройство (как правило, это обычный компьютер) всю информацию обо всех блоках и транзакциях сети Биткоин. Поскольку база блоков со временем растет, объем передаваемой для синхронизации информации постоянно увеличивается в размере. Очевидно, что, если узел получил информацию о созданных блоках ранее, ему уже не нужно ее обновлять, поскольку со временем она не меняется. Тем не менее он должен продолжать получать информацию о вновь создаваемых блоках, а также хранить у себя мемпул, куда постоянно поступают новые транзакции, еще не включенные в блоки.

Все эти данные имеют существенный размер: по состоянию на весну 2019 года объем базы данных Биткоин составлял около 570 000 блоков и занимал около 250 гигабайт на дисковом пространстве. Для тех, кто не желает выделять место для хранения столь приличного объема данных, имеет смысл воспользоваться возможностью получить статус «легкого клиента», когда вместо всего объема информации он скачивает себе только заголовки блоков без списка транзакций. В этом случае ему необходимо получить на свое устройство всего лишь несколько сотен мегабайт информации, что несопоставимо легче и быстрее, чем синхронизировать себе полную базу. Однако в этом случае данный «легкий» узел сети не сможет участвовать в создании новых блоков. Впрочем, этим занимаются далеко не все участники сети – весной 2019 года в сети Биткоин насчитывалось около 10 000 полных узлов, а число уникальных активно используемых адресов составляло около 640 000.

Исследуя принципы работы блокчейн в целом и сети Биткоин в частности, необходимо представлять себе механику создания новых блоков в распределенной сети. Понятно, что в конец цепочки всегда добавляется только один блок, который создается на тот момент только одним участником сети. При этом вся остальная сеть должна с этим согласиться посредством механизмов достижения консенсуса и синхронизировать у себя базу блоков вместе с новым, последним созданным блоком. Однако, как мы могли убедиться, количество полных узлов в сети исчисляется тысячами, и потенциально каждый из них может независимо от других узлов создать свой собственный блок и предложить его всей остальной сети для включения в общую цепочку блоков. Из этого факта неизбежно следует, что в течение небольшого временного интервала, исчисляемого минутами, в сети могут возникать конфликтующие между собой блоки, претендующие на включение в общую цепочку. Причем часть узлов может включить себе один блок, а часть – совершенно другой. С этого момента в сети образуется разветвление, рассинхронизация базы блоков, иными словами – возникает проблема для всей сети в целом, которую необходимо решать.

Если мы хотим решить эту проблему, нам нужно рассмотреть процесс создания блока как такового. Чтобы создать блок, необходимо набрать из мемпула транзакций, пока хватает места в блоке, вычислить на их основе корневое значение дерева Меркла, на базе которого вместе с остальной служебной информацией будет сформирован заголовок блока. Далее следует поместить в заголовок создаваемого блока хеш заголовка предыдущего блока, чтобы продолжить непрерывность цепочки блоков, после чего новый блок готов и его можно отправить в сеть, чтобы остальные узлы включили его в свои цепочки. А теперь зададимся вопросом: а что, если достаточно большое количество узлов одновременно начнут предлагать свои блоки остальным участникам сети? Вне всякого сомнения, начнется полнейший хаос. Каналы связи будут перегружены пересылаемой для синхронизации информацией, неизбежно возникнет огромное количество различных вариантов разветвления цепочек – в общем, сеть фактически утратит целостность и, как следствие, работоспособность.