У міру того як Bitcoin дорожчає, традиційні ринки оцифровують товари та акції, а Starbucks роздає NFT лояльним користувачам, ми все частіше стикаємося з терміном “блокчейн”. І, найімовірніше, у майбутньому воно стане повсюдним, замінивши собою традиційні “сервери” і “бази даних”;
Щоб іти в ногу з часом і нарешті зрозуміти, як працюють ці ваші біткоїни (і не тільки), ми розберемося в устрої та особливостях блокчейна і пояснимо, навіщо взагалі потрібна ця технологія. Прості пояснення, наочні приклади та картинки додаються.
Що таке блокчейн і як він працює?
Блокчейн — це система зберігання і запису даних, захищена від злому, підробки або односторонньої зміни. Ключовою особливістю блокчейна є децентралізація, тобто це база даних, що зберігається одразу на десятках, сотнях або тисячах пристроїв по всьому світу, а не на якомусь конкретному сервері;
Проста аналогія — добре всім знайома гра “Морський бій”. Записи про ходи і кораблі робляться одночасно двома гравцями, і жоден з них не може підробити історію “ударів” або змінити позиції своїх кораблів без згоди другого;
При цьому блокчейн зберігає дані в чіткому хронологічному порядку — як книжка з нумерованими сторінками, що постійно додаються. Коли хтось робить новий запис, він додається в кінець книги. Утім, структуру блокчейна більш детально розберемо нижче.
Просте пояснення принципів роботи
Отже, ми вже знаємо, що блокчейн — це наче величезна цифрова книга, де записані всі важливі події. Але на відміну від звичайної книги, ніхто не може стерти або підробити записи в цій базі. Це досягається завдяки кільком ключовим принципам устрою блокчейна:
- Децентралізація
Блокчейн не належить жодній компанії або людині, це загальна база даних з однаковими правами перегляду та внесення змін для всіх користувачів. Ця база зберігається на тисячах комп’ютерів по всьому світу, званих вузлами (нодами). Якщо хакеру вдасться вивести з ладу один (або навіть кілька) таких вузлів, то базу можна відновити з копій інших нод.
- Прозорість
Усі записи в блокчейні видно всім учасникам мережі. Це означає, що будь-який користувач може зайти і перевірити справжність і правильність будь-якого запису;
- Неперервність
Кожен новий блок даних у блокчейні пов’язаний з попереднім і наступним таким самим блоком. Це означає, що ніхто не може видалити інформацію або зробити зміни в минулих записах, не порушуючи цілісність історії транзакцій.
- Консенсус
Ухвалення рішень у блокчейні засноване на консенсусі. Це означає, що всі учасники повинні погодитися з новими даними, перш ніж записати їх у базу.
Навіть якщо зловмисник зробить запис, що порушує правила, у своїй копії, решта вузлів просто не схвалять його і не додадуть у свою версію блокчейна. Це робить систему надійною і стійкою до зломів.
Структура блокчейна: ланцюг блоків
Саме поняття блокчейн (block — блок і chain — ланцюг) розкриває архітектуру децентралізованої бази даних. Буквально це перекладається як ланцюжок із блоків, тобто безперервна послідовність пакетів інформації, у якому кожен наступний блок пов’язаний із попереднім – видаліть будь-який із попередніх блоків, і ви порушите цілісність усіх даних, записаних після нього.
Отже, ключовими елементами блокчейну, як бази даних, є:
- Блоки
Кожна нова транзакція в блокчейні записується в блок — набір даних, що складається з декількох транзакцій. У блок може бути зібрано до кількох сотень транзакцій. Щойно блок формується, він “запечатується” за допомогою криптографії та отримує тимчасову мітку, після чого дані в ньому не можна змінити або посунути хронологічно;
- Ланцюг або зв’язок
Щоб гарантувати цілісність бази даних кожен наступний блок містить зашифровану інформацію про попередній. По суті це означає, що і ніщо не може бути змінено або видалено без порушення цілісності всього блокчейна;
Можна думати про це, як про стопку складених одна на одну цеглин — витягніть одну з них і всі блоки вище просто впадуть;
Така архітектура робить блокчейн надійним інструментом для запису інформації та захищеним простором для її зберігання. Це набагато безпечніше за класичні централізовані бази даних, у яких адміністратор може змінювати все на свій розсуд, незалежно від думки та наслідків для користувачів, чия інформація зберігається на сервері;
Криптографія в блокчейні
Криптографія в блокчейні використовується для створення неспростовних доказів цілісності даних;
По суті — це тонни математичних алгоритмів і правил, за якими звична нам інформація трансформується в зашифрований і захищений від злому код. Але ви можете думати про криптографію, як про магічну мову, яка забезпечує безпеку і захист записів. Ключові функції криптографії в блокчейні:
- Захист доступу
Якщо ви використовували криптовалюту, то знаєте, що для її відправки потрібен спеціальний гаманець. Право здійснювати транзакцію має тільки власник спеціального криптографічного ключа, який ще називають “закритим ключем”. Підписуючи транзакцію криптографічним ключем, ви підтверджуєте, що маєте доступ до балансу і можете переказувати криптовалюту іншим користувачам.
- Забезпечення цілісності даних
За допомогою криптографії алгоритм блокчейна перетворює звичайні дані (наприклад, транзакцію із сумою та адресами користувачів) на рядок із букв і цифр (хеш). Цей рядок і є доказом цілісності даних — якщо ви спробуєте змінити хоча б один знак у вхідній інформації, то весь хеш зміниться;
Якщо у двох копіях блокчейна хоча б один хеш не збігається, то це свідчить про внесення несанкціонованих змін, які мають бути відхилені. По суті, кожна транзакція і кожен блок трансформуються в хеш, а весь блокчейн є складною структурою хешів, яку називають деревом Меркла.
Наприклад, алгоритм SHA-256, який використовується біткоїном, трансформує будь-який обсяг вхідної інформації в хеш довжиною 256 символів. Якщо ви хочете довести справжність запису — хешуйте його за допомогою SHA-256 і надішліть іншому користувачеві сам хеш і вхідні дані. Проробивши ту саму операцію, що й ви, він виявить, що отримав ідентичний хеш. Зробити цю нескладну операцію можна онлайн, наприклад тут: посилання.
Зв’язку хеша і вихідного тексту можна передавати нескінченну кількість разів і ніхто не може підробити запис, зберігши при цьому оригінальний хеш.
Як використовується блокчейн у різних галузях
Блокчейн став практично синонімом криптовалюти. Захищені криптографією цифрові активи справді є одним із найбільш широко відомих і поширених рішень, але завдяки своїм особливостям блокчейн широко використовують одразу в кількох галузях, де важливими є цілісність і автентичність даних.
Криптовалюти та цифрові активи
У криптовалюті та цифрових активах блокчейн використовується як захищена облікова книга, де транзакції записано у вигляді блоків інформації. Кожен блок містить інформацію про угоду, таку як час, дата і сума, а також унікальний код для ідентифікації.
Це вкрай важливо, оскільки передачу цінності та платежі з використанням цифрових активів вкрай складно реалізувати без довіри будь-якому адміністратору бази. А коли справа стосується фінансів, то довіряти не можна нікому. Саме розрахунки без довіри і забезпечує блокчейн
Управління логістикою та ланцюгами поставок
У логістиці та ланцюжках поставок блокчейн використовується для створення прозорої та безпечної системи відстеження товарів на всьому шляху від виробника до споживача. Це досягається шляхом створення цифрового запису кожного переміщення товарів, починаючи з моменту їх виробництва.
Дані про виробництво і передачу товарів фіксуються в блокчейні та доступні для перегляду всім учасникам. Це дає змогу контролювати місце розташування і стан поставки аж до продажу кінцевому споживачеві, унеможливлюючи підробку або втрату даних.
У такий спосіб блокчейн дає змогу підвищити ефективність логістики, зменшити час доставки, скоротити витрати та підвищити рівень довіри між учасниками ланцюга поставок.
Використання блокчейну в охороні здоров’я та державних послугах
У медичній сфері блокчейн використовують для зберігання та обміну медичними даними, забезпечуючи конфіденційність пацієнтів і спрощуючи обмін даними між лікарями.
Що стосується державного сектору, то тут блокчейн може бути використаний для поліпшення процесів управління даними та надання послуг громадянам. Наприклад, забезпечити безпечне зберігання державних документів і юридичних даних, таких як свідоцтва про народження, шлюб та інші документи;
Крім ефективнішого обміну даними, що містяться в єдиній базі, застосування блокчейна гарантує справжність записів і суттєво ускладнює будь-які махінації або підробку юридичних документів.
Крім того, на базі блокчейна можна вибудовувати ефективні системи муніципального управління, податкового адміністрування, а також смарт-мережі IoT.
Переваги та обмеження технології
Блокчейн забезпечує безпеку, конфіденційність даних, а також можливість автоматизації угод, але на своєму нинішньому етапі розвитку має і низку обмежень, серед яких енерговитрати та низька масштабованість. Розглянемо їх докладніше, щоб зрозуміти, чому технологія все ще не отримала повсюдного впровадження.
Прозорість і безпека даних
Безпека даних у блокчейні забезпечується завдяки криптографічним методам шифрування, які захищають базу даних від несанкціонованого доступу та зміни. Це означає, що інформація, розміщена в блокчейні, не може бути підроблена або вилучена без згоди всіх вузлів, що зберігають її копію.
Прозорість даних означає, що кожен учасник мережі має доступ до ідентичної копії блокчейна, де відображаються всі транзакції, завдяки чому кожен може простежити і перевірити ланцюжок подій або операцій.
Децентралізація
Децентралізація — це один із базових принципів побудови блокчейна, який полягає в тому, що центральний контроль, влада над мережею або даними в ній просто відсутня;
Натомість інформація зберігається й управляється безліччю учасників мережі, що забезпечує рівноправний доступ і права всіх зацікавлених сторін. Це дає змогу усунути єдину точку відмови та підвищує рівень захисту від втручання або маніпуляції сторонніх осіб;
Проблеми масштабованості та енергоспоживання
Що стосується обмежень технології, то у блокчейна є 2 ключові проблеми, що перешкоджають його поширенню:
- Масштабованість:
Проблеми з масштабованістю викликані обмеженою пропускною спроможністю мережі, що сповільнюють обробку транзакцій — так, Visa може обробити кілька тисяч транзакцій за секунду, в той час як біткоїн лише близько 7. Крім того, з часом стає дедалі помітнішим неефективне управління зростанням обсягу даних, що призводить до затримок і перевантажень.
- Енергоспоживання:
Такі блокчейни, як біткоїн, працюють на морально застарілому PoW-алгоритмі, що вимагає складних і енергоємних розрахунків для підтвердження транзакцій. Зростаюче споживання енергії під час майнінгу криптовалют тягне за собою негативні екологічні наслідки через вуглецевий слід і загрожує енергетичній безпеці невеликих країн у разі високої концентрації майнерів;
Утім, блокчейни з PoW-алгоритмом, хоч і вважаються безпечнішими, зараз є технологією, що зникає. На заміну їм приходять економні PoS-системи, енергоспоживання яких на 99% нижче.
