Введение в технологию Блокчейн

Тимур Сергеевич Машнин, 2021

Эта книга познакомит вас с технологией блокчейн, которая позволяет осуществлять передачу и хранение цифровых активов децентрализованным способом. Вы получите понимание и знание базовых концепций технологии блокчейн, познакомитесь с методами разработки приложений для блокчейн сетей. Эта книга объясняет основные компоненты блокчейна, такие как транзакция, блок, заголовок блока и цепочка блоков, операции блокчейна, такие как верификация, валидация и достижение консенсуса, а также алгоритмы, лежащие в основе блокчейна.

Блоки Bitcoin

До сих пор мы рассматривали, как создаются и потребляются отдельные транзакции.

Но, как мы видели раньше, транзакции сгруппированы в блоки.

Зачем это нужно?

В принципе, это ничто иное как оптимизация.

Если бы майнеры должны были бы приходить к консенсусу по каждой транзакции отдельно, скорость, с которой новые транзакции принимались бы системой, была бы намного ниже.

Кроме того, хеш-цепочка блоков намного короче, чем хеш-цепочка транзакций, поскольку в каждый блок может быть помещено большое количество транзакций.

Это позволяет повысить эффективность проверки структуры цепочки блоков.

Каждый блок должен включать одну или несколько транзакций.

Первая из этих транзакций должна быть транзакцией coinbase или транзакцией генерации, которая собирает и тратит вознаграждение за блок, состоящее из вознаграждения за сам блок и любых транзакционных сборов, оплаченных транзакциями, включенными в этот блок.

Цепочка блоков — это умная комбинация двух разных структур данных на основе хэшей.

Первая структура — это хеш-цепочка блоков.

Каждый блок имеет заголовок блока с хэш-указателем на транзакции и хэш-указателем на предыдущий блок в последовательности.

Вторая структура данных — это дерево всех транзакций для каждого блока, которые включены в этот блок.

Все транзакции, включая транзакцию coinbase, кодируются в блоке в бинарном формате.

Этот формат хэшируется для создания идентификатора транзакции.

Из этих идентификаторов строится дерево merkle путем спаривания каждого идентификатора с одним другим идентификатором и последующим их объединением.

Если существует нечетное число идентификаторов, идентификатор без партнера хешируется с копией самого себя.

Затем результирующие хеши объединяются по парам и хэшируются вместе.

Любой хеш без партнера хэшируется сам с собой.

Процесс повторяется до тех пор, пока не останется только один хеш, или корень merkle.

Таким образом, это дерево Merkle позволяет нам иметь дайджест всех транзакций в блоке эффективным образом.

Как мы видели ранее, чтобы доказать, что транзакция включена в конкретный блок, мы можем предоставить путь через дерево, длина которого — это логарифм числа транзакций в блоке.

Для повторения, блок состоит из заголовка с данными, за которыми следует список транзакций, расположенных в древовидной структуре.

Заголовок блока содержит информацию, связанную с майнингом.

Вспомните, что хеш заголовка блока должен начинаться с большого количества нулей для того, чтобы блок был действительным.

Доказательство работы подразумевает, что хэш заголовка блока должен быть меньше указанного.

Другой способ сказать это, что хэш заголовка блока должен начинаться с определенного количества нулей.

Любой блок, заголовок которого не создает хэш, который меньше целевого значения, будет отклонен сетью.

Целевое значение настраивается каждые две недели, чтобы поддерживать среднее время создания нового блока 10 минут.

Заголовок также содержит значение «nonce», которое изменяется майнером, чтобы хэш заголовка блока был меньше целевого значения.

Заголовок содержит отметку времени и целевое значение, которое определяет трудность нахождения этого блока.

Таким образом, если после того, как вы обработали каждую транзакцию и нашли корень дерева Merkle, добавили его в заголовок блока с хешем предыдущего блока и nonce, хэшировали заголовок и создали значение, которое с правильным количеством нулей не попадает в указанный целевым значением диапазон, тогда изменяется значение nonce, заголовок блока снова хэшируется и так до тех пор, пока хэш заголовка блока не будет меньше целевого значения.

Заголовок — это единственное, что хэшируется во время майнинга.

Чтобы проверить цепочку блоков, нам нужно только посмотреть на заголовки.

Единственными данными транзакций, включенными в заголовок, является корень дерева транзакций — поле «mrkl_root».

Как я уже сказал, блок содержит специальную транзакцию в дереве Merkle, называемую транзакцией «coinbase».

Здесь происходит создание новых монет в Биткойне.

Эта транзакция выглядит как обычная транзакция, но имеет несколько отличий:

Она всегда имеет один вход и один выход, при этом вход не тратит предыдущий выход и, следовательно, содержит нулевой хэш указатель, так как он чеканит новые биткойны и не тратит существующие монеты.

Также стоимость выхода в настоящее время составляет около 6,25 биткойнов.

Выходное значение — это доход майнера от блока.

Оно состоит из двух компонентов: награды за добычу блока, которая устанавливается системой, и которая делится пополам каждые 210 000 блоков (около 4 лет) и комиссионных сборов, взимаемых с каждой транзакции, включенной в блок.

Также coinbase транзакция содержит специальный параметр coinbase, который абсолютно произволен — майнеры могут записывать туда все, что захотят.

Известно, что в самом первом блоке, добытом в Биткойне, параметр coinbase ссылался на историю в газете Times of London, в которой участвовал канцлер, спасающий банки.

Это интерпретировалось как политический комментарий о мотивации для запуска биткойн.

Это также служит доказательством того, что первый блок был добыт после того, как газета вышла 3 января 2009 года.

Также параметр coinbase может использоваться для уведомления майнерами о поддержке различных новых функций.

Чтобы лучше понять формат блока и формат транзакции, лучше всего изучить цепочку блоков.

Есть много веб-сайтов, которые делают эти данные доступными, например, blockchain.info.

Вы можете посмотреть графики транзакций, посмотреть, какие транзакции тратят другие транзакции, искать транзакции со сложными сценариями и просматривать структуру блоков и видеть, как блоки ссылаются на другие блоки.

Поскольку цепочка блоков представляет собой структуру публичных данных, разработчики создали красивые инструменты для ее графического анализа.