Блокчейн: переопределение инфраструктуры цифровых交易

Итоговое резюме

• Блокчейн — это распределенный цифровой реестр, который безопасно записывает данные о транзакциях в глобальной компьютерной сети и имеет революционное значение по сравнению с традиционными банковскими системами.
• Благодаря криптографии и механизму консенсуса, блокчейн обеспечивает неизменяемость данных: как только информация записана, она не может быть изменена.
• Блокчейн не только поддерживает экосистему криптовалют, такую как биткойн и эфир, но и широко применяется в таких областях, как управление цепочками поставок, здравоохранение, системы голосования и приносит прозрачность, безопасность и доверие в различные отрасли.

Начало технической революции

Технология блокчейн глубоко изменила множество отраслей, особенно финансовую сферу. По сравнению с централизованной моделью управления традиционных банков, блокчейн вводит совершенно новую парадигму: децентрализованную, прозрачную и безопасную систему управления данными и транзакциями. Хотя эта технология изначально была разработана как инфраструктура для криптовалют, таких как биткойн, ее область применения значительно выходит за рамки финансового сектора, охватывая такие области, как отслеживание цепочки поставок, медицинские записи и электронное голосование.

Суть блокчейна

Что такое блокчейн?

Блокчейн по своей сути является особой системой баз данных. Это децентрализованный цифровой реестр, который поддерживается глобальной распределенной сетью компьютеров. Данные блокчейна организованы в блоки, которые упорядочены по времени и защищены с помощью криптографических технологий. Эта структура обеспечивает прозрачность, безопасность и неизменность данных.

Как только блок подтверждается и добавляется в блокчейн, данные, хранящиеся в нем, практически невозможно изменить. Это отличается от традиционных банковских систем - традиционные банки полагаются на центральные власти для управления и проверки транзакций, в то время как децентрализованная архитектура блокчейна устраняет зависимость от единого органа власти. В блокчейне участники могут напрямую совершать сделки без участия третьих лиц.

Хотя существует несколько типов блокчейнов с различной степенью децентрализации, термин “блокчейн” обычно относится к децентрализованной цифровой книге учета, используемой для записи криптовалютных транзакций.

От технической истории к прикладной реальности

Концепция блокчейна не возникла из криптовалют. Еще в начале 90-х годов XX века компьютерный ученый Стюарт Хабер (Stuart Haber) и физик У. Скотт Сторнета (W. Scott Stornetta) использовали криптографические технологии для создания блокчейна, который защищал цифровые документы от подделки данных. Эта основополагающая работа вдохновила многих исследователей в области криптографии и компьютерных экспертов, что в конечном итоге привело к созданию первой криптовалюты, использующей технологии блокчейна, — биткойна.

С тех пор скорость принятия блокчейна демонстрирует экспоненциальный рост, криптовалюта стала основной явлением по всему миру. Хотя блокчейн-технология в основном используется для записи транзакций с криптовалютой, она также подходит для различных других форм записи цифровых данных и может быть расширена для применения в множестве реальных сценариев.

Основные характеристики блокчейна

Децентрализованный

Информация хранится в сети, состоящей из множества компьютеров (называемых “узлами”), а не на одном центральном сервере. Масштабные децентрализованные сети, такие как Биткойн, обладают высокой устойчивостью к атакам. В отличие от этого, традиционные банковские системы полагаются на централизованные серверы, что делает их потенциальным источником единой точки отказа.

Прозрачность

Большинство блокчейн-сетей являются открытыми, что означает, что все участники имеют доступ к одной и той же базе данных. Информация о транзакциях видна каждому участнику сети, и эта прозрачность делает мошеннические действия трудно скрываемыми.

Невозможность изменения данных

Как только данные добавляются в блокчейн, они не могут быть изменены без достижения большинства согласия в сети. Это контрастирует с традиционными банковскими системами, где администраторы могут иметь право изменять историю транзакций.

Защита данных

Криптография и механизмы консенсуса обеспечивают надежную защиту данных, значительно снижая риск их подделки и изменения.

Операционная эффективность

Благодаря устранению промежуточных этапов, блокчейн может обеспечить более быструю скорость транзакций и более низкие затраты. Обработка транзакций в основном происходит в реальном времени, в то время как традиционные банковские трансакции между странами могут занять несколько дней.

Значение децентрализации в блокчейне

В контексте блокчейна децентрализация означает, что контроль и право принятия решений в сети распределены между множеством участников, а не сосредоточены в руках единого субъекта (например, правительства, банков или компаний).

В децентрализованной блокчейн-сети нет центральных органов власти или посредников, управляющих потоком данных или процессами транзакций. Вместо этого транзакции проверяются и записываются распределенной сетью компьютеров, которые работают вместе для поддержания целостности сети. Эта структура кардинально отличается от традиционной банковской системы.

Механизм работы блокчейна

Основные принципы

Блокчейн по своей сути является цифровым реестром, который безопасно фиксирует транзакции между двумя участниками в необратимом формате. Эти данные о транзакциях записываются и проверяются глобальной сетью компьютеров (узлов).

Когда Алиса отправляет Биткойн Бобу, эта транзакция транслируется по всей сети. Каждый узел проверяет цифровую подпись и другие данные транзакции для аутентификации этой транзакции. После завершения проверки транзакция будет добавлена в блок вместе с другими транзакциями. Каждый блок можно рассматривать как страницу цифровой бухгалтерии.

Эти блоки связаны друг с другом с помощью криптографических методов, формируя цепочку блоков (то есть цепь блоков). Процесс проверки транзакций и добавления блоков осуществляется через механизм согласия, который представляет собой набор правил, определяющих, как узлы сети достигают согласия по состоянию блокчейна и действительности транзакций.

Полный процесс сделки

Первый шаг: Инициализация и распространение сделки

Когда транзакция инициирована (например, перевод криптовалюты), она транслируется в сеть узлов. Каждый узел использует предопределенные правила для проверки этой транзакции.

Шаг второй: Состав блока

Проверенные транзакции объединяются в блок. Каждый блок содержит:

• Данные о транзакциях (например, детали перевода)
• временная метка
• Криптографическое хэш-значение (уникальный идентификатор, созданный с помощью хэш-алгоритма)
• Хэш-значение предыдущего блока (это ключ к соединению блоков в цепь)

Шаг третий: Проверка консенсуса

Чтобы добавить новый блок в блокчейн, участники сети должны достичь консенсуса по его действительности. Этот процесс проверки осуществляется с использованием определенных алгоритмов консенсуса, наиболее важными из которых являются доказательство работы (PoW) и доказательство доли (PoS).

Шаг 4: Цепочная структура блокчейна

После завершения проверки блок добавляется в блокчейн. Каждый последующий блок ссылается на предыдущий блок, в результате чего формируется неразрушимая структура. Любой, кто хочет изменить блок, должен одновременно изменить все последующие блоки, что технически практически невозможно и крайне дорого.

Шаг пятый: Открытость и прозрачность

Другой ключевой особенностью блокчейна является его открытость. Обычно любой может проверить данные в блокчейне через открытые платформы, такие как блок-эксплореры, включая все данные о транзакциях и детали блоков. Например, вы можете просмотреть все транзакции, зафиксированные в сети Биткойн, включая адреса кошельков отправителей и получателей, суммы переводов и другую информацию. Вы даже можете отслеживать все блоки Биткойна до генезис-блока (первого блока).

Криптография: Основной камень безопасности блокчейна

Криптография имеет решающее значение для обеспечения безопасности, прозрачности и неизменности записей о транзакциях в блокчейне. Хеш-функция является одним из ключевых криптографических методов в блокчейне. Это криптографический процесс, который преобразует входные данные произвольной длины в строку фиксированной длины.

Хеш-функции, используемые в блокчейне, обычно обладают свойством стойкости к коллизиям, что означает, что вероятность нахождения двух различных данных, которые дают одинаковый вывод, практически равна нулю.

Эффект лавины

Еще одной важной криптографической особенностью блокчейна является эффект лавины, который означает, что небольшие изменения во входных данных могут привести к совершенно различным результатам на выходе. Например, в случае функции SHA256, используемой в биткойне, даже изменение регистра букв приведет к фундаментальным изменениям в выходном результате.

Хеш-функция является односторонней функцией, то есть вычислить исходные входные данные по полученному хеш-значению невозможно.

Каждый блок в блокчейне безопасно содержит хеш-значение предыдущего блока, создавая прочную цепочку блоков. Любой, кто хочет изменить блок, должен изменить все последующие блоки, что технически крайне сложно и дорого.

открытая криптография

Другой широко используемый в блокчейне метод криптографии — это криптография с открытым ключом (также известная как асимметричная криптография), которая помогает устанавливать безопасные и проверяемые транзакции между пользователями. Принцип работы следующий: каждый участник имеет пару уникальных ключей, включая секретный приватный ключ и открытый ключ, который делится с другими.

Когда пользователь инициирует транзакцию, он подписывает ее своим приватным ключом, создавая цифровую подпись. Другие пользователи в сети могут использовать публичный ключ отправителя для проверки подлинности транзакции. Этот способ обеспечивает безопасность транзакций, так как только законный владелец приватного ключа может авторизовать транзакцию, в то время как любой может проверить подпись с помощью публичного ключа.

Механизм консенсуса: ядро сетевой координации

Алгоритм консенсуса — это механизм, позволяющий пользователям или машинам координировать действия в распределенной среде. Он должен гарантировать, что все участники системы могут согласовать единственный истинный источник, даже если некоторые участники выходят из строя.

Механизм консенсуса обеспечивает наличие одинаковых копий реестра у всех узлов в сети, в котором записаны все транзакции. Когда десятки тысяч узлов имеют копии данных блокчейна, быстро возникают различные проблемы, такие как проблема согласованности данных и угроза со стороны злонамеренных узлов.

Чтобы обеспечить целостность блокчейна, существуют различные механизмыConsensus, которые определяют, как узлы сети приходят к согласию относительно состояния блокчейна.

Доказательство работы (PoW)

Доказательство работы — это механизм консенсуса, используемый во многих блокчейн-сетях для проверки транзакций и поддержания целостности сети. Это оригинальный механизм консенсуса, принятый в биткойне.

В рамках PoW майнеры соревнуются друг с другом, чтобы решить сложную математическую задачу, чтобы выиграть право добавить следующий блок в блокчейн. В процессе, называемом майнингом, первый майнер, решивший задачу, получает вознаграждение в криптовалюте. Майнеры должны использовать мощные компьютеры для решения математических задач, добычи новой криптовалюты и защиты безопасности сети. Именно поэтому процесс майнинга требует значительных вычислительных ресурсов и энергии.

Доказательство доли (PoS)

Доказательство доли (PoS) — это механизм консенсуса, предназначенный для решения некоторых недостатков доказательства работы. В системах PoS валидаторы блоков не должны конкурировать друг с другом в решении сложных математических задач, а выбираются на основе количества криптовалюты, которую они “заблокировали” (ставили) в сети.

Количество криптовалюты, которую валидаторы держат в качестве залога. Валидация PoS обычно выбирается случайным образом на основе размера их доли для создания новых блоков и проверки транзакций. Они получают вознаграждение, взимая комиссию за транзакции, что побуждает их действовать в интересах сети. Если они ведут себя неправильно, они рискуют потерять свои заложенные криптовалюты.

Другие механизмы консенсуса

Доказательство работы и доказательство доли - это самые распространенные алгоритмы консенсуса, но существует множество других типов. Некоторые из них являются гибридными системами, которые объединяют элементы обоих методов, в то время как другие используют совершенно разные подходы.

Например, делегированное доказательство доли (DPoS) похоже на PoS, но отличается тем, что не все валидаторы имеют право создавать новые блоки, а вместо этого токенодержатели избирают меньшую группу делегатов, которые представляют их для осуществления этой власти.

В отличие от этого, в авторитетном доказательстве (PoA) валидаторы выбираются на основе своей репутации или идентификации, а не на основе количества удерживаемой криптовалюты. Валидаторы выбираются в зависимости от их надежности, и если они ведут себя неподобающе, их могут исключить из сети.

Классификация типов блокчейн-сетей

публичная блокчейн

Публичная блокчейн является открытой децентрализованной сетью, к которой может присоединиться любой желающий. Эти сети обычно являются открытыми, прозрачными и не требуют разрешений, что означает, что любой может получить доступ и использовать их. Биткойн и Эфириум являются типичными представителями публичных блокчейнов.

частный блокчейн

Как следует из названия, частный блокчейн — это блокчейн-сеть, не доступная для широкой публики. Частный блокчейн обычно управляется единым субъектом (например, компанией) и предназначен для внутренних целей и конкретных задач. Частный блокчейн представляет собой среду, требующую разрешения, с четко установленными правилами, определяющими, кто может просматривать и записывать данные в цепочке. Это не децентрализованные системы, поскольку существует четкая иерархия управления. Тем не менее, поскольку многие узлы хранят копии цепочки, эти системы могут быть распределенными.

Альянс Блокчейн

Объединённая блокчейн-технология является гибридом публичного и частного блокчейнов. В объединённом блокчейне несколько организаций объединяются для создания общего блокчейн-сети, которая управляется и контролируется несколькими сторонами. Эти сети могут быть открытыми или закрытыми, в зависимости от потребностей членов альянса.

В полностью открытой системе (где любой может проверять блоки) или полностью закрытой системе (где одно лицо назначает производителей блоков) альянсные блокчейны занимают промежуточную позицию: несколько равноправных участников выступают в роли валидаторов. Правила системы гибкие: видимость блокчейна может быть ограничена только валидаторами, уполномоченными лицами или всеми. Если валидаторы достигнут консенсуса, изменения можно легко внедрить. Пока определенный процент валидаторов в альянсе ведет себя честно, система будет функционировать без проблем.

Реальные сценарии применения блокчейна

Несмотря на то, что технология блокчейн всё ещё находится на относительно ранней стадии, она уже нашла практическое применение в различных областях. На данный момент наиболее распространённые применения включают:

Криптовалютная торговля

Технология блокчейн изначально была разработана для поддержки создания криптовалют и служит безопасной и децентрализованной книгой для записи транзакций. Традиционные трансакции через границу включают множество посредников и высокие сборы, тогда как блокчейн обеспечивает более быстрые, менее затратные и более прозрачные международные переводы. Кроме того, помимо того, что она служит средством хранения ценности, многие люди используют биткойн и другие криптовалюты для глобальных переводов.

Умный контракт

Умный контракт — это самовыполняющийся контракт, который можно запрограммировать на автоматическое выполнение при выполнении определенных условий. Технология блокчейн позволяет создавать и выполнять умные контракты безопасным и децентрализованным образом. Одно из самых популярных приложений умных контрактов — это децентрализованные приложения (DApps) и автономные организации (DAOs), которые составляют важную часть платформ децентрализованных финансов (DeFi). Платформы DeFi используют технологии блокчейн для предоставления финансовых услуг, таких как кредитование, финансирование и торговля, без необходимости полагаться на традиционные финансовые учреждения, тем самым демократизируя использование финансовых инструментов.

Токенизация активов

Физические активы (такие как недвижимость, акции или произведения искусства) могут быть токенизированы (преобразованы в цифровые токены на блокчейне). Это может повысить ликвидность активов и расширить возможности для инвестиций.

цифровая идентификация

Блокчейн можно использовать для создания безопасной и защищенной от подделки цифровой идентификации, которая может использоваться для проверки личной информации и других конфиденциальных данных. Поскольку наша личная информация и активы становятся все более цифровыми, важность таких приложений будет постоянно расти.

Электронная система голосования

Благодаря предоставлению децентрализованной и защищенной от подделок записи всех голосований, технологии блокчейн могут использоваться для создания безопасной и прозрачной системы голосования, устраняя возможность мошенничества на выборах и обеспечивая целостность голосования.

Управление цепочками поставок

Блокчейн может использоваться для создания полного учета всех транзакций в цепочке поставок. Каждая транзакция (или группа транзакций) может быть записана как блок в блокчейне, создавая неизменяемую и прозрачную запись всего процесса цепочки поставок.

Перспективы будущего блокчейна

Технология блокчейн предоставляет безопасный и прозрачный способ записи транзакций и хранения данных. Это технология, которая меняет множество отраслей, принося новое доверие и уровень безопасности в цифровой мир.

Будь то реализация одноранговых сделок, создание новых форм цифровых активов или продвижение развития децентрализованных приложений, технология блокчейн открывает мир бесконечных возможностей. С постоянным развитием этой технологии и более широким распространением её применения, мы можем ожидать появления большего количества инновационных сценариев использования в ближайшие годы.