Блокчейн основи: від принципів до практичного застосування

Підсумок основних пунктів

• Блокчейн - це розподілена система запису даних, яка забезпечує незмінність даних про транзакції за допомогою криптографії та механізмів консенсусу.
• Воно заклало технологічну основу для цифрових активів, таких як біткойн, ефір та змінює багато галузей, включаючи фінанси, постачання, голосування та ін.
• Децентралізація, прозорість і безпека є трьома основними характеристиками цієї технології

Як блокчейн змінив сучасні фінанси

Поява технології блокчейн порушила традиційну модель управління даними. На відміну від інших інтернет-технологій, вона вводить абсолютно новий механізм довіри — більше не покладається на центральні органи, а підтримує цілісність даних через співпрацю кількох учасників у розподіленій мережі.

Ця зміна спочатку проявила свою силу в галузі криптовалют, але її застосування вже розширилося на безліч інших сфер, таких як відстеження постачання, управління медичними записами, системи ідентифікації, а також механізми голосування. Незалежно від галузі, блокчейн обіцяє забезпечити вищу прозорість, більшу безпеку та нижчі витрати на транзакції.

Яка сутність блокчейну?

З технічної точки зору, блокчейн є розподіленим реєстром, який спільно підтримується комп'ютерною мережею, що охоплює весь світ. Цей реєстр організовує всю інформацію про транзакції в хронологічному порядку в “блоки”, кожен з яких пов'язаний один з одним за допомогою криптографічних алгоритмів.

На відміну від традиційних баз даних, які керуються єдиним органом, децентралізований дизайн блокчейну означає, що ніхто не може одноосібно контролювати систему. Торгівля між учасниками може відбуватися безпосередньо, без посередницьких установ. Ця архітектура радикально змінює логіку управління даними.

Слід зазначити, що, хоча існує кілька типів блокчейнів, зазвичай ми говоримо про ті, що використовуються для запису транзакцій криптоактивів у розподілених реєстрах.

Розвиток блокчейну

Поява сучасної концепції блокчейну восходить до початку 90-х років XX століття, коли двоє дослідників — комп'ютерний вчений та фізик — розробили набір блокчейн-моделей на основі криптографії, щоб запобігти підробці цифрових документів. Їхня робота надихнула велику кількість ентузіастів криптографії та програмістів, що в кінцевому підсумку призвело до створення першої справжньої блокчейн-застосунку — біткоїну.

Відтоді вплив цієї технології зростає з кожним днем. Глобальне впровадження цифрових активів та постійне розширення сценаріїв їх використання перетворили блокчейн з нішевої концепції на технологічну силу, що викликає промислові зміни.

Основні переваги блокчейн-технології

Децентралізована архітектура Інформація розподілена і зберігається на численних вузлах у мережі, а не централізовано на одному сервері. Такий розподілений спосіб зберігання надає великомасштабним децентралізованим мережам (таким як біткойн) надзвичайну стійкість до атак.

Повна прозорість Більшість публічних блокчейнів дозволяють усім учасникам переглядати одну й ту ж повну історію транзакцій. Кожна транзакція перебуває під публічним наглядом, і будь-хто може її перевірити.

Постійність даних Якщо дані записані в блокчейн, їх майже неможливо змінити, якщо не буде отримано згоду всього мережі.

Механізм захисту криптографії За допомогою криптографічних алгоритмів та механізмів консенсусу в мережі дані в системі отримують багаторазовий захист, що значно знижує ризик їх зміни.

Підвищення ефективності торгівлі Завдяки усуненню проміжних ланок, блокчейн може забезпечити швидшу і дешевшу обробку транзакцій, розрахунок транзакцій може проводитися практично в реальному часі.

Децентралізація: душа блокчейну

У системі блокчейн децентралізація означає, що влада та прийняття рішень розподіляються серед усіх учасників мережі, а не зосереджуються в руках якогось урядового органу чи компанії.

У цій архітектурі немає єдиного контролера або посередника. Всі транзакції проходять перевірку та запис через розподілену мережу, усі учасники мережі спільно несуть відповідальність за підтримку цілісності системи. Це кардинально змінило розуміння людьми “довер'я”.

Механізм роботи блокчейну

Роль бухгалтерської книги Блокчейн виступає як безпечна цифрова книга обліку, надійно фіксуючи угоди між різними учасниками та запобігаючи несанкціонованому доступу.

Розподілений реєстр Коли відбувається транзакція (наприклад, користувач A переказує цифрові активи користувачу B), ця транзакція транслюється по всій комп'ютерній мережі світу. Кожен комп'ютер у мережі перевіряє транзакцію, перевіряючи дійсність цифрового підпису та інші дані транзакції.

Після завершення верифікації ця транзакція упаковується в новий блок разом з іншими верифікованими транзакціями. Цей процес схожий на запис нової сторінки в книзі обліку.

Кілька блоків з'єднуються за допомогою криптографічних засобів, формуючи безперервно зростаючий ланцюг. Кожен блок містить криптографічні характеристики попереднього блоку, що гарантує, що будь-яка спроба підробки історії буде негайно виявлена.

Щоб забезпечити досягнення консенсусу серед усіх учасників щодо стану блокчейну, система використовує механізм консенсусу. Це набір правил, що дозволяє вузлам у мережі координувати дії та досягати консенсусу щодо дійсності нових транзакцій та стану системи.

Від торгівлі до запису: покроковий розбір

Перший крок: ініціювання та перевірка транзакції

Коли користувач ініціює транзакцію, ця транзакція надсилається до кожного вузла в мережі. Кожен вузол перевіряє її відповідно до попередньо встановлених правил, підтверджуючи законність транзакції.

Другий крок: елементи складу блоку

Перевірені транзакції об'єднуються в новий блок. Кожен блок містить:

• Дані交易 — конкретна інформація про交易
• Часова позначка — фіксує точний момент створення блоку
• Дані відбитки — унікальний ідентифікатор, згенерований за допомогою хеш-алгоритму
• Відбиток попереднього блоку — це посилання з'єднує всі блоки разом

Третій крок: досягнення мережевої згоди

Щоб додати новий блок до ланцюга, учасники мережі повинні дійти згоди щодо його дійсності. Це досягається за допомогою алгоритму консенсусу, найбільш поширеними з яких є доказ роботи (PoW) та доказ частки (PoS):

Модель доказу робочого обсягу У цьому механізмі (біткойн використовує цей спосіб) валідатори повинні використовувати обчислювальні потужності для розв'язання складних математичних задач. Перший, хто розв'яже задачу, отримує право додати новий блок і отримує криптоактиви як винагороду. Цей процес потребує значних обчислювальних ресурсів та електроенергії.

Модель доказу участі Нові покоління блокчейнів (як-от Ethereum) використовують цей більш енергоефективний підхід. Тут немає конкурентного майнінгу, натомість валідатори ставлять криптоактиви для участі. Вузли випадковим чином обирають одного з валідаторів із пулу в залежності від суми ставки, щоб згенерувати новий блок. Валідатори отримують винагороду за рахунок комісій за транзакції, а в разі неналежної поведінки стикаються з ризиком конфіскації ставлених активів.

Четвертий крок: розширення ланцюга

Блоки додаються до блокчейну після підтвердження. Кожен наступний блок посилається на інформацію свого попереднього блоку, що забезпечує міцність структури всієї ланцюга, роблячи його стійким до будь-яких форм несанкціонованих змін.

П'ятий крок: Перевірність інформації

Іншою рисою блокчейну є його повна перевірюваність. Завдяки відкритим інструментам для перегляду блоків будь-хто може переглядати дані в ланцюгу, включаючи всю інформацію про транзакції та детальні записи блоків.

Наприклад, на мережі біткойн користувачі можуть відстежувати кожну транзакцію біткойна, перевіряти адресу відправника, адресу отримувача, суму переказу та іншу інформацію. Навіть можна простежити до першого блоку системи — генезис блоку.

Криптографія: Основи безпеки блокчейну

Щоб забезпечити автентичність, прозорість і стійкість до підробок торгових записів, блокчейн покладається на криптографію. Найважливішою технологією є хеш-функція — алгоритм, який перетворює вхідні дані довільної довжини в рядок фіксованої довжини.

У системах блокчейн хеш-функції мають властивість опору колізіям, тобто ймовірність знайти два різних вхідних значення, які дають один і той же вихід, є надзвичайно малою. Але ключовою рисою є те, що навіть якщо вхід змінюється трохи (наприклад, змінюється регістр однієї літери), вихід буде абсолютно іншим.

Як приклад алгоритму SHA256 (який широко використовується в кількох блокчейнах), будь-яка незначна зміна вхідних даних призведе до зовсім іншого хеш-значення.

Крім того, хеш-функції є односторонніми — неможливо зворотно вивести оригінальний вхід на основі виходу.

Оскільки кожен блок містить хеш-значення попереднього блоку, це створює міцну структуру блокчейну. Якщо хтось намагатиметься змінити якийсь блок, йому доведеться перерахувати всі блоки після цього, що є не лише надзвичайно складним з обчислювальної точки зору, але й дуже дорогим.

Інша важлива криптографічна технологія - криптографія з відкритим ключем (асиметричне шифрування). Вона забезпечує безпечну та підтверджувану взаємодію між сторонами угоди.

Принцип його роботи такий: кожен користувач має пару ключів - приватний ключ, який потрібно зберігати в секреті, і публічний ключ. Коли користувач ініціює угоду, він підписує угоду своїм приватним ключем, створюючи цифровий підпис. Інші учасники в мережі можуть перевірити цей підпис за допомогою публічного ключа ініціатора. Цей механізм гарантує, що тільки справжній власник приватного ключа може авторизувати угоду, але будь-хто може перевірити дійсність підпису.

Детальний опис механізму консенсусу

Алгоритм консенсусу є набором механізмів координації, що дозволяє учасникам розподіленої мережі працювати спільно. Він забезпечує досягнення згоди щодо стану даних навіть у випадку, якщо частина вузлів виходить з ладу.

Цей механізм забезпечує збереження всіма вузлами в розподіленій мережі однієї і тієї ж версії книги обліку, що фіксує всі виконані транзакції.

Коли тисячі вузлів зберігають однакову копію даних, легко виникають проблеми з несинхронізацією або зловмисними вузлами. Тому виникають різні механізми консенсусу, які визначають, як вузли повинні координувати свої дії для досягнення згоди.

Основні типи механізмів консенсусу

Доказ роботи (PoW) Це початкова модель консенсусу, яка досі виконує свою роль у мережах, таких як Bitcoin. У PoW учасники змагаються за розв'язання складних математичних задач, щоб отримати право на верифікацію та винагороду. Це вимагає використання високопродуктивних обчислювальних пристроїв та витрачання великої кількості енергії, тому має дуже високу вартість.

Доказательство долі (PoS) PoS був розроблений для подолання деяких слабкостей PoW. У цій моделі немає конкуренції за видобуток. Натомість система вибирає їх залежно від обсягу цифрових активів, які були внесені в заставу валідаторами. Стейк є формою застави. Обрані валідатори отримують комісійні за транзакції як стимул, а у разі злочинних дій можуть втратити свою заставу.

Інші моделі консенсусу Окрім PoW та PoS, на ринку є безліч інших алгоритмів консенсусу. Деякі поєднують характеристики обох основних методів, а деякі створили абсолютно нові шляхи досягнення консенсусу.

Доказ права на делегування (DPoS) Цей механізм подібний до PoS, але має одну ключову різницю: власники монет не беруть безпосередню участь у верифікації, а голосують за обрану групу представників, які створюють блоки від їхнього імені.

Авторитетне підтвердження (PoA) Цей підхід враховує репутацію або ідентичність валідаторів, а не кількість активів, які вони мають. Валідатори обираються на основі довіри, а у разі неналежної поведінки можуть бути видалені з мережі.

Три форми блокчейн-мережі

публічний ланцюг

Публічний блокчейн є повністю відкритою децентралізованою мережею, до якої може вільно приєднатися будь-хто. Такі мережі зазвичай використовують відкритий код і працюють у прозорий спосіб, не покладаючись на довіру третіх сторін. Bitcoin та Ethereum належать до цієї категорії.

приватний ланцюг

Приватний блокчейн є контрольованою закритою мережею, зазвичай належить і управляється єдиною організацією. Він обмежує учасників і встановлює правила, які визначають, хто може переглядати та записувати транзакції. Хоча приватний блокчейн не є децентралізованим, він може бути розподіленим, дозволяючи кільком вузлам зберігати копії даних.

Альянс-ланка

Ланцюг альянсу знаходиться між публічним ланцюгом і приватним ланцюгом, створюється та управляється кількома організаціями. Ця мережа може бути як відкритою, так і обмежувати доступ залежно від потреб учасників. На відміну від повністю відкритого публічного ланцюга або ланцюга з єдиним контролем, права на верифікацію в ланцюзі альянсу знаходяться в руках кількох рівноправних учасників. Якщо ці учасники можуть досягти консенсусу, оновлення системи буде легше просувати. Поки більшість членів продовжують діяти чесно, система може залишатися стабільною.

Реальні застосування блокчейну

Хоча блокчейн все ще знаходиться на початковій стадії розвитку, він вже знайшов застосування в кількох галузях.

торгівля цифровими активами

Блокчейн підтримує створення та записи транзакцій криптоактивів. На відміну від традиційних міжнародних переказів (які залучають безліч посередників та мають високу вартість), блокчейн може забезпечити швидший, дешевший та прозоріший переказ коштів. Багато користувачів використовують такі активи, як біткоїн, для глобальних переказів.

Розумні контракти та децентралізовані додатки

Смарт-контракти - це програми коду, які можуть виконуватися автоматично, коли виконуються певні умови, автоматично виконуючи заздалегідь визначені дії. Блокчейн забезпечує безпечне децентралізоване середовище для створення та виконання цих контрактів.

Вони широко використовуються в децентралізованих додатках (DApp) та автономних організаціях (DAO), які є важливими складовими екосистеми децентралізованих фінансів (DeFi). Платформи DeFi пропонують фінансові послуги, такі як позики, кредитування, торгівля тощо, через блокчейн, не покладаючись на традиційні фінансові установи, тим самим демократизуючи доступ до фінансових інструментів.

Цифровізація реальних активів

Фізичні активи (такі як нерухомість, акції, мистецькі твори) можуть бути “токенізовані” — перетворені на цифрові представлення на блокчейні. Цей спосіб може поліпшити ліквідність активів і розширити канали отримання інвестиційних можливостей.

Система управління ідентичністю

Блокчейн може бути використаний для створення безпечних та незмінних цифрових ідентифікаційних систем для перевірки особистості та захисту чутливих даних. Оскільки життя стає все більш цифровим, попит на такі застосунки буде постійно зростати.

демократичне голосування

Блокчейн робить можливим безпечне та прозоре голосування, усуваючи можливості шахрайства. Він пропонує децентралізовану, захищену від підробок систему запису голосування.

Прозорість ланцюга постачання

Блокчейн може створити книгу обліку всіх транзакцій у ланцюгу постачання. Таким чином, кожна транзакція фіксується як блок на ланцюгу, що забезпечує незмінність і прозорість всього процесу ланцюга постачання.

Висновок

Блокчейн представляє собою парадигмальну зміну в записі та зберіганні даних. Він приносить не лише технологічні досягнення, але й новий спосіб встановлення довіри в цифрову епоху. Від однорангових транзакцій до інноваційних форм цифрових активів і до розробки децентралізованих додатків — блокчейн відкриває двері до нових можливостей.

З розвитком цієї технології ми можемо очікувати, що в фінансовій сфері, ланцюгах постачання, ідентифікації та інших галузях з'явиться більше креативних випадків використання.