Как это работает. Блокчейн. Крипта

Я изучил херову тучу объяснений того, как работает блокчейн. Проблемы две: либо эксперт держит читателей за идиотов и объясняет это так примитивно, что суть процесса остаётся за кадром, либо текст рассчитан на айтишника с деревьями Меркла и подписями Шнорра, и простой человек его уже не воспринимает. Самое лучшее объяснение встретилось мне в блоге Лаборатории Касперского . Его я и взял за основу, но постарался сделать ещё понятней.

Сначала изучим несколько основных понятий, первое из которых – цифровая подпись. Зачем нужна обычная подпись? Она удостоверяет того, кто подписал документ. Цифровая в этом плане даже лучше – она делает то же самое, только её нельзя (точнее, невероятно трудно) подделать. То есть автор документа определяется однозначно, и подписать его мог только он. При этом один человек (или фирма) может сгенерировать несколько вполне законных пар имя-подпись – для разных целей.

Второй термин, который нам потребуется, – это хэширование. С подписью понятно: если мы видим подпись, мы точно знаем, что автор документа (транзакции, программы) – именно тот, кто свою подпись под документом поставил. Но что, если в документе подменили что-то важное? Например, количество отправленных денег (приписали нолик в конце?). Стало быть, крайне важно проверять не только автора документа, но и его целостность и неизменность. (попробуйте сами поиграться с этим хешированием по ссылке ниже).

Есть много способов это сделать, начиная с простых, которые легко обойти. Например, пересчитать все буквы в сообщении и потом проверить это количество. Если цифра не сходится, то сообщение было изменено какими-то злодеями, либо не дошло до нас целиком. Но этот метод легко обходится, если злоумышленник знает, какого рода проверку мы будем применять.

Простейший пример такой антиподделочной проверки находится в бланке ОСАГО об аварии. Там внизу нужно отметить, сколько квадратиков заполнены галочками (типа «я выезжал со стоянки», «я стоял на светофоре»). Это чтоб кто-то после получения подписанной копии не натыкал новых, нужных ему вариантов происшествия. Но криптографическая проверка, или, иначе говоря, «хэш», гораздо круче. В нашем (примитивном) варианте при перестановке букв в сообщении контрольная сумма не изменится. А в правильно сделанном хэше при малейшем изменении сразу понятно: это не оригинал. При этом сам хэш занимает одну строчку даже для очень больших файлов или документов.

У хэша есть одно очевидное свойство: он односторонний. То есть по хэшу невозможно подобрать изначальное сообщение (только перебором всех вариантов – так и работает майнинг; но об этом позже). Да, у некоторых типов хэшей была такая проблема, что у разных сообщений мог получиться одинаковый хэш, но сейчас это либо уже решено, либо не играет особой роли. Главное – вы поняли, что эта функция работает только в одну сторону.

Теперь к самому блокчейну. Как использовать подписи и хэши? Представим себе одноклассников, которые хотят завести виртуальную валюту. Они ведут запись на школьной доске: сколько у кого было монет и кто кому сколько отправил, ставят подписи для подтверждения сделок, и все эту доску видят. Потом приходит учитель и говорит: «Вы тут совсем распоясались, поди уже и клей друг другу толкаете втихаря». Стирает все записи мокрой тряпкой и насаждает веру в светлое будущее.

Ученикам такая херня не нравится. Им нужна своя валюта, и так, чтобы с доски никто не мог ничего стереть. И на одной общей бумажке тоже писать нельзя – тот, у кого она находится, может там наисправлять всего. Поэтому у каждого бумажка будет своя, но у всех одинаковая. На перемене все сверяют записи и добавляют новые – кто кому сколько передал и сколько теперь монет у каждого.

Как понять, хватает ли у Васи денег на передачу Маше? Надо перечитать весь журнал, и станет понятно: вот 10 монет Вася получил от Пети на прошлой неделе, а 40 ему вчера перечислил Олег. После этого сделок не было, поэтому вписываем в журнал новую строчку: «забрать 50 монет у Васи и добавить 50 монет Маше», заверяем васиной подписью и дописываем хэш. Да, проверять всё – это долго, но у каждого же есть компьютер! Он сразу поймёт, если подпись не та или история неправильная. Испорченную сделку он в журнал записывать не станет, а просто выкинет как фальшивую.

Совокупность сделок на одной странице назовём блоком, допишем в конец хэш всего блока (например: хеш-voefvnevjv546vevjnekjvf) , чтоб не проверять страницу заново (а сверить только хэш), и начнём новую страницу-блок. Цепочка таких блоков – это и есть блокчейн.

Осталось только понять, кто заполняет страницу на перемене, чтобы раздать всем остальным (просто для справки – у биткоина эта «перемена» каждые 10 минут). Для этого все решают задачку по нахождению «красивого» хэша с нулями впереди. Если вы ещё помните, что такое хэш, то станет ясно, что задача это не просто трудная, но и абсолютно бессмысленная (ведь для подтверждения подлинности не имеет значения, как именно выглядит подпись и красива ли она, а речь именно об этом). Решение требуется лишь для того, чтобы случайно определить победителя. Ведь если блок будет всё время оформлять кто-то один, он сможет, например, чьи-то сделки подло не учитывать.

Сложность задачи при этом настолько высока, что решается она только перебором всех вариантов и хэшированием каждого из них, а перебирают варианты участники одновременно. У кого-то компьютер помощней, ну у того и шансов побольше. Если участников становится слишком много и красивый хэш находится слишком быстро, то новая задачка выбирается потруднее (и наоборот); об этом все договорились заранее.

Заглянем немного глубже. Чтобы получить «красивый» хэш, ребята добавляют в заголовок каждого блока какое-то случайное число и только потом подсчитывают контрольную сумму. Число это называется nonce. Из-за того, что хэширование выдаёт фактически случайную цифру из блока данных, изменив всего лишь одну цифру (или букву) в блоке, мы получим совершенно новый его хэш. Целью майнинга и является подбор этого (случайного) числа таким образом, чтобы хэш блока начинался с определённого количества нулей. Другими словами, хэш должен быть меньше нужного нам параметра target (цель), который и определяет сложность соревновательного процесса. Ведь чем меньше эта цель, тем меньше должно быть искомое число – и тем больше у него нулей впереди. Таким образом, сложность регулируется очень легко.

Все желающие решать эту задачу называются майнерами, а решение записывается на страницу вместе со всеми операциями. Это делается для того, чтобы в будущем какой-нибудь хитроумный китаец не пришёл и не сказал: «Ребята, вот на самом деле правильный журнал, у меня всё подсчитано», – тогда ему придётся предъявить решения всех подделанных задачек сразу, а это нереально. Хотя будем честны: если у него под контролем большинство компьютеров в сети – то возможно.

В итоге мы имеем новую крутую систему децентрализованных операций, где все доверяют всем – потому что все всегда могут всё проверить. Историю сделок нельзя переписать и исправить что-то задним числом. Участников может быть очень много, и надёжность системы от этого только вырастет. По подписи нельзя вычислить её владельца – если только он сам не заявит о её принадлежности. А если не учитывать траты сил на постоянное дописывание журнала сделок, всё ещё и бесплатно.

Но есть и занимательные побочные эффекты. Во-первых, становится удобно торговать оружием и давать взятки, потому что схему трудно отследить и прикрыть, никаких саквояжей с меченой колбасой тут нет. Во-вторых, любую сделку невозможно оспорить или отменить – если ты выслал кому-то свою крипту по ошибке, то это навсегда. И в-третьих, вся информация дублируется 100500 раз, что немного перебор. Это только то, что на поверхности.

Подробнее про хеш в статье "Схема работы хеширования".