Что такое блоки в блокчейне и как они работают?

Технология блокчейн изменила наше представление о финансовых транзакциях. В основе этой технологии лежит концепция блоков, которые, как следует из названия, являются элементами, из которых строится блокчейн.

Блок в блокчейне - это фундаментальный компонент, который несет важные данные о транзакциях. Когда происходит транзакция, будь то передача криптовалюты, такой как биткоин, или обмен данными в цепочке поставок, детали упаковываются в цифровую структуру, известную как блок.

Блок содержит не только данные транзакции, но и временную метку, которая отмечает момент совершения транзакции. Криптовалюта используется для гарантии того, что информация не может быть подделана. Таким образом, каждый блок содержит уникальный идентификатор, называемый «хэшем». Эта буквенно-цифровая строка действует как цифровой отпечаток пальца для блока, предоставляя способ подтверждения транзакций в блокчейне.

Хэш является результатом сложного математического процесса, и даже незначительное изменение данных транзакции сгенерировало бы совершенно другой хэш, что делает блокчейн высокозащищенным от мошенничества и манипуляций.

Другим важным термином, связанным со структурой блока, является nonce - «одноразовый номер» аббревиатура от «номер, используемый только один раз». Nonce - порядковый номер транзакций, отправленных с данного адреса. При каждой отправке транзакции значение Nonce увеличивается на единицу.  Это произвольный фрагмент текста, который майнеры добавляют, чтобы изменить хэш, генерируемый блоком. Майнеры экспериментируют с использованием различных одноразовых значений, пока не обнаружат, что результирующий хэш соответствует определенным критериям. Задача поиска подходящего хэша - это то, что делает майнинг конкурентоспособным.

Как только найден подходящий одноразовый номер, который приводит к действительному хэшу, и блок проверен, он добавляется в блокчейн.

Ключевыми компонентами блока являются его заголовок и версия в блокчейне. Заголовок состоит из версии блока, хэша предыдущего блока, корня Merkle, временной метки, цели и одноразового номера (nonce). Версия указывает набор правил проверки, которым необходимо следовать, в то время как хэш предыдущего блока связывает текущий блок с предыдущим, формируя цепочку в блокчейне.

Корень Merkle - это структура данных, используемая для эффективного суммирования всех транзакций в блоке. Временная метка фиксирует, когда был создан блок, а цель определяет сложность математической задачи, которую должны решить майнеры. Наконец, одноразовый номер - это случайное число, используемое при вычислении хэша.

С другой стороны, тело блока содержит список транзакций. Каждая транзакция включает адреса отправителя и получателя, количество переводимой криптовалюты и цифровые подписи участвующих сторон. Транзакции в блоке организованы в определенном порядке, начиная с транзакции «coinbase». Это транзакция, посредством которой в систему вводятся новые монеты, а майнер получает вознаграждение за свою работу.

Важно понимать, как проходит транзакция в системе блокчейн.

Например, если один пользователь желает перевести определенное количество криптовалюты другому пользователю, эта информация о транзакции упаковывается в блок, который затем отправляется в очередь, известную как mempool. Здесь он ожидает подтверждения.

На этом этапе в игру вступают майнеры или валидаторы. Это участники сети, которые используют свои вычислительные мощности для решения сложных математических задач, и этот процесс известен как майнинг. Затем успешные майнеры или валидаторы могут проверять транзакции блока, гарантируя, что вся информация, включая цифровые подписи и открытые ключи, является законной. Этот процесс майнинга стимулируется с помощью вознаграждений за блоки, которые представляют собой единицы криптовалюты, присуждаемые майнерам за их усилия.

Как только проверяются транзакции блока, они транслируются на все узлы или компьютеры в сети. Эти узлы перепроверяют и соглашаются с тем, что блок действителен, прежде чем он будет добавлен в блокчейн. Этот консенсус между узлами является важнейшим аспектом децентрализации и безопасности технологии блокчейн. Кульминацией процесса является добавление нового блока в цепочку, создающее неизменяемую и прозрачную запись транзакции.

Процесс начинается с создания блока, который содержит данные транзакции, временную метку и уникальный идентификатор, называемый хэшем. Этот хэш имеет решающее значение для соединения блоков вместе. Когда создается новый блок, он включает в себя хэш самого последнего блока, добавленного в цепочку. Это формирует связь между новым и предыдущим блоком, создавая цепочку блоков, отсюда и термин «блокчейн».

Хэш каждого блока зависит от информации, содержащейся в самом блоке, а также от хэша предыдущего блока. Это подразумевает, что если вдруг кто-то попытается изменить информацию в блоке, изменится хэш блока, разорвав связь со следующим блоком. Чтобы восстановить эту связь, злоумышленнику потребовалось бы изменять информацию в каждом последующем блоке, что практически невозможно, учитывая требуемую вычислительную мощность.

Этот уникальный механизм связи блоков в блокчейне обеспечивает высокий уровень безопасности и неизменности.

Размер блока и его корреляция с масштабируемостью и скоростью транзакций являются критически важным понятием в сфере технологии блокчейн. Блок, по сути, представляет собой цифровую структуру, которая содержит компиляцию транзакций. Размер блока определяется объемом данных, которые он может переносить. Это ограничение размера оказывает прямое влияние на количество транзакций, которые могут быть обработаны за блок, и, следовательно, на скорость транзакций.

Когда блок достигает своего объема данных, он должен быть добавлен в блокчейн, прежде чем можно будет обрабатывать новые транзакции. Таким образом, размер блока может напрямую влиять на скорость обработки транзакций.

Масштабируемость, или способность сети расти и управлять возросшим спросом, также зависит от размера блока. Блокчейн с меньшими блоками может с трудом масштабироваться, ведь каждый блок может содержать только ограниченное количество транзакций. Напротив, более крупные блоки могут вместить больше транзакций, потенциально улучшая масштабируемость. Однако более крупные блоки также требуют больше места для хранения, что может привести к централизации, поскольку в сети могут участвовать только майнеры с достаточными ресурсами.

Таким образом, размер блока в блокчейне - это баланс между скоростью транзакций, масштабируемостью и децентрализацией. Для решения этой проблемы были предложены различные решения, такие как транзакции «вне блокчейна», корректировка размера блока или сегментирование, хотя большая часть этих экспериментов проводится на Ethereum или других блокчейнах.

В контексте проверки блоков существуют два общих механизма консенсуса: подтверждение работы и подтверждение заинтересованности. В системе proof-of-work майнеры соревнуются друг с другом в решении сложных математических задач, и тот, кто первым решит проблему, получает право добавить новый блок в блокчейн. Этот процесс требует значительных вычислительных мощностей и, таким образом, гарантирует, что модификация блокчейна практически невозможна, поскольку для повторного выполнения работы и изменения блоков потребовалось бы огромное количество вычислительных мощностей.

С другой стороны, в системе proof-of-stake валидаторы выбираются для создания нового блока на основе их ставки или количества монет, которыми они владеют, и готовы «сделать ставку» на создание действительного блока. Эта система требует меньше вычислительной мощности и более энергоэффективна по сравнению с proof of work. Однако это может привести к централизации, поскольку те, у кого больше монет, имеют больше шансов быть выбранными в качестве валидаторов.

Блоковые вознаграждения служат двойной цели. Во-первых, они мотивируют отдельных лиц участвовать в сети, тем самым повышая ее безопасность и надежность. Без этих стимулов меньшее количество людей могло бы захотеть использовать свои ресурсы в сети, что потенциально поставило бы под угрозу ее функциональность и безопасность. Во-вторых, награды за блокировку действуют как механизм вывода новых монет на рынок. Это особенно важно для таких криптовалют, как биткоин, которые имеют ограниченный запас токенов.

В случае биткоина вознаграждение за блок уменьшается вдвое примерно каждые четыре года в результате события, известного как халвинг, что сокращает количество новых монет, поступающих в обращение, и добавляет элемент дефицита криптовалюте. Однако вознаграждение за блок не является постоянной величиной. Они могут сильно варьироваться в зависимости от различных блокчейн-проектов и могут уменьшаться с течением времени.

Например, в 2009 году вознаграждение за блок биткоина сократилось вдвое с момента запуска протокола, и оно будет продолжать уменьшаться вдвое до тех пор, пока общее количество монет в обращении не достигнет максимального запаса в 21 миллион. После этого больше не будет вознаграждений за блок, и новые монеты не поступят в обращение.

Также стоит отметить, что вознаграждения за блок - это только одна часть системы стимулирования в блокчейн-сетях. Майнеры также получают комиссию за транзакции, которая служит еще одной формой компенсации за их усилия. Поскольку со временем уменьшается количество вознаграждений за блок, эти комиссии за транзакции становятся все более важными для поддержания финансовой жизнеспособности операций майнинга.

Поскольку технология блокчейн продолжает развиваться, она не обходится без проблем. Одной из таких проблем является противоречие между масштабируемостью и безопасностью. Когда размер блока увеличивается для размещения большего количества транзакций, это может привести к увеличению скорости транзакций и улучшению масштабируемости. Однако это также требует большего объема вычислительной памяти, что может привести к усилению централизации, поскольку участвовать могут только майнеры с достаточными ресурсами. Такая централизация потенциально может поставить под угрозу безопасность и децентрализованную природу блокчейна.

Другой распространенной проблемой в блокчейнах является проблема энергопотребления, особенно в механизмах консенсуса, подтверждающих работоспособность. Процесс майнинга, который включает в себя решение сложных математических задач для проверки транзакций и добавления новых блоков в блокчейн, является очень энергоемким. Это привело к опасениям по поводу воздействия технологии блокчейн на окружающую среду, особенно в сетях, которые полагаются на доказательство работы, таких как Биткоин.

Решения для этих проблем разрабатываются. Например, механизм консенсуса proof-of-stake является более энергоэффективной альтернативой proof-of-work. 

Другим решением является шардинг, процесс, который разбивает блокчейн на более мелкие части, или «осколки», каждый из которых способен обрабатывать свои собственные транзакции и смарт-контракты. Это может значительно улучшить масштабируемость и скорость блокчейна без обязательного ущерба для его безопасности.