Блокчейн: принцип роботи, сфери застосування та перспективи

Криптовалюти та смарт-контракти, Web 3.0 та NFT – усі ці символи XXI століття засновані на технології блокчейн. Її називають головним винаходом людства та майбутнім цифрового світу. А дехто навіть бачить основу ідеального державного устрою. Але чи зможе хтось пояснити, як працює ця інновація?

Редакція MC.today з’ясувала, що таке блокчейн і блокчейн гаманець, який принцип роботи технології, її види та перспективи. 

Що таке блокчейн

Термін блокчейн перекладається з англійської як «ланцюг блоків». Це спосіб шифрування, передачі та зберігання даних у розподіленій мережі. Назва наочно відображає суть концепції, адже інформацію у блокчейні дійсно зберігають у вигляді ланцюжка цифрових блоків. У ньому кожен наступний блок нерозривно пов’язані з попереднім, а всі блоки зберігаються у вузлах комп’ютерної мережі, які називають нодами. 

Іншими словами, блокчейн – це розподілений цифровий реєстр, який містить записи про всі транзакції учасників системи. Ця база даних не має єдиного центру і керуючих органів. Кожну операцію в ній документують та підтверджують усі учасники мережі, тому підробити чи видалити записи практично неможливо. Це дозволяє обійтися без посередників, таких як банки, і відкриває нові горизонти в електронній комерції, кібербезпеці, державному управлінні та інших галузях.

Історія виникнення блокчейну

У поданні більшості людей історія блокчейну розпочалася 21 жовтня 2008 року, коли розробник (або група розробників) під псевдонімом Сатоші Накамото згадав технологію у «Білій книзі» – базовому документі біткоїну. 

Однак ще в 1991 році математики Скотт Сторнетта та Стюарт Хабер описали криптографічно захищений ланцюжок блоків. А через рік вони додали до неї систему хешей – унікальних ідентифікаторів, які дозволяють ефективно перевіряти справжність транзакцій.

У 1995 році Скотт і Стюарт запустили перший в історії блокчейн під назвою Surety . Цікаво, що його спрямованість не була пов’язана з криптовалютами. Завданням свого дітища піонери блокчейна бачили підтвердження достовірності цифрових документів. А робити це вони збиралися шляхом внесення до них тимчасових позначок. 

«Рішення Сатоші зосередитися на грошовій системі було приголомшливою ідеєю, – каже Сторнетта. – Але я розглядав це як один із багатьох можливих варіантів використання технології, хоч і дуже цікавий. Однак для нас головним було просто забезпечення цілісності записів». 

Хабер погоджується з колегою: «Я бачу, як наш винахід… вже зараз забезпечує цілісність записів, гарантуючи неможливість їх зміни, і це можна використовувати для різних цілей. Це допоможе зберегти достовірність записів для історії. Згадайте хоча б Олександрійську бібліотеку… Ми багато чого втратили, коли вона згоріла» . Зауважимо, що ту ж мету мали творці  цифрового архіву Всесвітньої павутини , про яку ми вже писали раніше.

Сьогодні винахідники блокчейну перебувають у вельми незвичайному становищі. З одного боку, їхнє дітище випередило час, відіграло найважливішу роль у появі ринку цифрових активів і набуло всесвітньої популярності. З іншого боку, для широкого загалу історія блокчейна нерозривно пов’язана з біткоіном Сатоші, а Сторнетта і Хабер залишаються в тіні творця першої криптовалюти.

Як працює блокчейн

Децентралізація

Банк Англії визначає блокчейн як «технологію, яка дозволяє людям, які не знають один одного, довірено та спільно використовувати запис подій». Спільно – отже, без єдиного керуючого центру. Щоб це стало можливим, знадобилося створити кілька нових технологій.

Одна з таких складових блокчейна – розподілена мережа. Розберемося, що це таке. До винаходу блокчейна існувало дві системи передачі даних: централізована та децентралізована. Централізовану мережу можна у вигляді зірки з безліччю променів. Так, наприклад, виглядає робочий сервер із підключеними до нього комп’ютерами. 

Найвідомішим прикладом децентралізованої мережі є Інтернет. Кожен комп’ютер у ньому підключений до певного вузла – серверу чи провайдеру. А цей вузол у свою чергу підключається до інших вузлів. В результаті будь-які два пристрої можуть взаємодіяти через декілька проміжних вузлів. 

Але й у першому і другому випадку інформація зберігається на якомусь сервері. Наприклад, ця стаття зберігається на сервері, де орендує місце сайт MC.today. Отже адміністратор цього сервера теоретично міг би її видалити або змінити. Як же зберігати дані, щоб їх можна було спільно використовувати, але не можна було змінити? 

Для цього потрібна розподілена мережа. Кожен комп’ютер в ній підключається не до кількох, а до всіх вузлів мережі. Більше того, будь-який з цих комп’ютерів зберігає всю інформацію, опубліковану в мережі. Система функціонує без центральних вузлів, оскільки всі пристрої у ній є такими вузлами. В результаті змінити дані, які потрапили до мережі та зберігаються у тисячах комп’ютерів, практично неможливо. Можна сказати, що довіра стає частиною самої системи.

Хеш-функція

Наступна технологія, без якої неможливо зрозуміти роботу блокчейна, – це криптографічна хеш-функція або просто хеш. Його можна уявити як чорну скриньку, на вхід якої ми подаємо будь-яку інформацію, а на виході отримуємо унікальний рядок із 64 символів. При цьому неважливо введеш ти слово «блокчейн» чи повний текст Біблії – результат все одно складатиметься з 64 знаків. Переконатися в цьому можна тут.

Щось подібне відбувається, коли ми вставляємо довгу URL-адресу сторінки в сервіс коротких посилань на кшталт Bitly. Тільки на відміну від скорочувачів посилань, хеш-функція у блокчейні діє лише в один бік. Тому відновити вихідні дані по хешу неможливо. Хеші мають три цікаві особливості:

• Однакові дані завжди дають однаковий результат. Це відкриває цілу низку можливостей. Можна реалізувати перевірку цілісності файлів, автентичності документів
• З хешу неможливо отримати початкове повідомлення.
• Варто змінити хоча б один символ у вихідному повідомленні та результат зміниться до невпізнання. Якщо, наприклад, прибрати зі слова “блокчейн” букву “н”, то в хеші зміниться не один символ, а багато.

Найважливішими якостями розподіленого цифрового реєстру є незмінність та анонімність даних . Виходить, що дані потрібно регулярно перевіряти і водночас їх ніхто не повинен бачити. Це як перевірити справжність золотих прикрас, не виймаючи їх із замкненого сейфа. На перший погляд, здається, що завдання не має рішення. Але криптографічні хеш-функції творять чудеса.

Вони перетворюють дані на код, чим забезпечують їх анонімність. З іншого боку, дозволяють чітко ідентифікувати будь-яку інформацію з хешу. Хеш у цьому прикладі можна порівняти з відбитками пальців, які не розкривають усієї інформації про людину, але дозволяють її ідентифікувати. Так і хеш-функція обчислює цифровий відбиток тексту, картинок, музики, відео та інших даних.

Приклад роботи блокчейну

Розглянемо роботу блокчейна з прикладу. Уявімо Сашка, який вирішив перевести комусь певну суму в криптовалюті.

• Транзакція . Сашко перекладає Маші 1 біткоін.
• Шифрування . Система шифрує транзакцію та поміщає в чергу очікування.
• Створення блоку . Комп’ютери в мережі або ноди збирають транзакції в блоки і розсилають їх усім учасникам системи блокчейн на перевірку.
• Структура блоку . Кожен блок складається із заголовка та списку транзакцій. У заголовку вказано час створення блоку, а також хеш цього та попереднього блоку.
• Хеш. Відповідно до алгоритму мережі, блокчейн перетворює дані транзакції на хеш-суму, або хеш – особливу послідовність знаків довжиною 64 символи. Навіть якщо змінити даних хоча б один символ, хеш стане зовсім іншим. Тому послідовність пов’язаних хешей створює нерозривний ланцюжок блоків.
• Перевірка . Перед додаванням блоків у ланцюжок їх перевіряють на відповідність до правил проекту. Ці правила називають консенсусом. Якщо немає помилок, кожен учасник мережі записує новий блок до своєї бази даних.
• Результат . Блок займає місце у ланцюжку блоків. Біткоїн переходить від Саші до Маші.
• Вбудований захист . Допустимо якийсь хакер вирішив переписати один із блоків. Це автоматично змінює хеш в заголовку цього блоку та всі наступні блоки ланцюжка. В результаті ноди знаходять невідповідність і видаляють підроблений блок ланцюга блокчейна за порушення консенсусу. 

Переваги блокчейну

Прозорість

Всі дані блокчейна знаходяться у відкритому доступі, отже будь-який користувач може відстежити ланцюг транзакцій із самого початку існування мережі.

Надійність

Дані записані на комп’ютерах багатьох користувачів. Це знижує ризики атак хакерів і комп’ютерних збоїв. Навіть якщо з ладу вийдуть десятки комп’ютерів одночасно, інформація не постраждає.

Безпека

Система додає блоки у хронологічному порядку та пов’язує загальним хешем. Тому вони утворюють нерозривний ланцюжок, ланки якого неможливо видалити або змінити. 

Мінімальні комісії

Замість централізованих посередників, наприклад, банків, транзакції реєструють майнери. Зазвичай майнерів багато, і конкуренція між ними дуже висока. Це дає змогу зберігати комісії на низькому рівні.

Незалежність

У блокчейні транзакції відбуваються без посередників. Тобто у процес не можуть втрутитися компанії, банки та держави.

Недоліки блокчейну

Низька енергоефективність

Нагадаємо, що дані зберігаються на комп’ютерах усіх учасників. Тож реєстрації операцій доводиться обробляти величезні масиви інформації. Це вимагає високої потужності комп’ютера та веде до значних енерговитрат у системі. 

Так, у 2021 році витрати на майнінг біткоїну склали 0.5% світового споживання електрики – більше, ніж витрачає на рік Аргентина з населенням 45 млн. осіб.

Щоб скоротити витрати енергії, Єврокомісія розглядає заходи щодо заборони майнінгу. А Ілон Маск заявляє, що головна криптовалюта «дорого коштує довкіллю» і припиняє продавати свої машини за біткоїни.

Атака 51%

У гіпотетичній ситуації, коли зловмисник зосередить у своїх руках 51% і більше обчислювальної потужності блокчейну, він зможе порушити роботу мережі. Успішна атака не здатна отримати ваш приватний ключ або підробити підпис, але дозволяє, наприклад, двічі продати ті самі монети.

Види блокчейну

У рамках технології блокчейну можна реалізувати різні рівні доступу до інформації. За цією ознакою автор криптовалюти Ethereum Віталій Батерін запропонував свою класифікацію блокчейн-платформ. 

1. Публічний, повністю децентралізований або загальнодоступний блокчейн містить ланцюжок блоків, які може переглядати кожен, хто встановить необхідну програму. Будь-який бажаючий може вільно приєднатися до мережі та брати участь у її роботі. Транзакції ніхто не контролює. Найвідомішими прикладами публічного блокчейна є біткоін та Ethereum.
2. Блокчейн консорціуму, або частково децентралізований блокчейн, складається з низки організацій, які можуть контролювати процес узгодження транзакцій. Право перегляду блоків може бути загальнодоступним або обмеженим колом учасників. Щоб блок був дійсним, його має підписати певну кількість членів консорціуму. Наприклад, блокчейн Corda R3 об’єднує понад 40 великих банків спільних біржових операцій із облігаціями. 
3. Повністю приватний блокчейн встановлює правила, якими декларація про створення блоків належить однієї організації. Публіка може читати інформацію, але проводити аудит та керувати системою можуть лише вузли, які визначили власники. Порівняно із загальнодоступними приватні блокчейни мають ряд переваг: меншу вартість транзакцій, більший показник транзакцій за секунду, простоту оновлення програмної частини. 

Роль майнерів у блокчейні

Майнери або власники вузлів мережі виконують у блокчейні кілька функцій. Залежно від своєї ролі, вони можуть підтверджувати або відхиляти транзакції, шифрувати та зберігати інформацію в блоці, зв’язуватися з іншими блоками. 

Чим більше майнерів у мережі, тим складніше її «обдурити» і тим вища її стійкість. У громадській мережі блокчейна майнерами можуть стати всі охочі. За підтримку роботи мережі вони отримують нагороду: комісії від учасників транзакцій та винагороду від самої мережі. Наприклад, сума винагороди майнерів біткоїну по всьому світу може досягати $0,5–1 млн на день.

Блокчейн гаманець

Щоб здійснювати транзакції, користувачі блокчейн мережі використовують спеціальне програмне забезпечення, яке називають гаманцем. У гаманці зберігається запис про поточний стан рахунку учасника та всі його транзакції. Гаманці бувають онлайн, десктопними, мобільними та апаратними. 

Онлайн гаманець можна відкрити за кілька хвилин. Для цього потрібна лише реєстрація на спеціалізованому фінансовому порталі. З найбільш популярних онлайн гаманців можна виділити Cryptopay , Xapo, Blockchain, Coinkite, Bitcoin Core, Matbea, Coinbase та інші.

Десктопні та мобільні гаманці вимагають встановлення додатків на відповідні платформи. Їх ділять на «товсті» та «тонкі». Перші забезпечують повний набір функція, у тому числі можливість майнінгу. При цьому займають на диску понад 200 Гб і потребують більшого часу проведення транзакцій. “Тонкі” гаманці мають обмежений набір функцій, але можуть запропонувати більш швидку обробку операцій.

Апаратні блокчейн гаманці – це спеціальні флешки для зберігання даних. Вони вважаються найнадійнішими, тому що ключі в них генеруються локально і не передаються до інтернету. Популярність заслужили рішення від виробників Trezor , Digital Box, Cool Wallet, Ledger . Вартість таких пристроїв лежить у межах $50–200.

Застосування блокчейн технології

«Ланцюжки блоків» затребувані в різних сферах людської діяльності – від фінансів та комерції до освіти, медицини, інформаційних технологій, державного управління та розваг. 

Криптовалюта

Технологія блокчейна лежить в основі всіх криптовалют – від біткоїну до маловідомих альткоїнів. Поки що криптовалюту частіше купують, щоб заробити на зростанні її вартості. Деякі люди використовують криптовалюту, щоб надсилати гроші родичам за кордон. Але не за горами використання технології, наприклад, у роздрібній торгівлі.

Цифрова валюта

Ряд держав експериментують зі створенням цифрових валют, які працюватимуть на основі блокчейну. Попереду всієї планети у цій сфері Китай, де мільйони людей використовують цифровий юань. Експерти вважають, що згодом цифровий юань може скласти конкуренцію долару. Його перевага в оперативності угод та менших комісіях.

Смарт-контракти

Завдяки смарт-контрактам блокчейн зможе зберегти та зробити доступним споживачам весь ланцюжок поставок – від сировини до готового продукту на прилавку. Цією технологією зацікавилася популярна у США мережа супермаркетів Walmart . 

У блоках розподіленого цифрового регістру планують прозоро зберігати дані про сертифікати якості, терміни поставок, умови зберігання та транспортування, виробника і навіть про те, який вплив виробництво вплинуло на навколишнє середовище. Це дозволить унеможливити підробки, перевірити якість товару і точно визначити, наприклад, склад харчових продуктів.

NFT

Незамінні токени, або NFT – це сертифікати, які підтверджують ваші права на об’єкти цифрового мистецтва: фото, картини, музику, комп’ютерну графіку. Обсяг торгівлі NFT швидко зростає і за окремими прогнозами через три роки може становити до 20% всього обороту криптоіндустрії. 

Ігрова індустрія

Яскравим прикладом використання блокчейна в ігровій індустрії є гра Axie Infinity від в’єтнамської студії Sky Mavis. Гра вже охрестила «покемоном на блокчейні». Гравці повинні вирощувати персонажів та використовувати їх у битвах з іншими персонажами. За це вони одержують віртуальні землі у вигляді NFT та цифрові гроші SLP, які можна обміняти на криптовалютній біржі.

З’явився навіть новий термін – GameFi , – це блокчейн-проекти, які дозволяють монетизувати ігровий досвід. Персонажі, земельні ділянки та зброя у таких іграх стають ігровими активами. А право власності на них дає змогу закріпити технологія NFT. За різними оцінками, аудиторія GameFi сьогодні налічує більше одного мільярда людей. Подальше її зростання часто пов’язують зі світами метавсесвіту від Facebook.

Перспективи технології

Технологія блокчейна ще дуже молода, але вже досягла відчутних успіхів. Інвестори вкладають у пов’язані з блокчейном стартапи мільярди доларів, бо впевнені, що одного разу «ланцюжки блоків» знайдуть застосування усюди. Держава, наприклад, зможе безпосередньо без посередництва банків перераховувати громадянам пенсії та інші виплати. Та й чи залишиться в майбутньому сама держава у звичному для нас вигляді? 

Ось як на це дивиться мільярдер та співзасновник Ethereum Віталій Бутерін: «У майбутньому, коли блокчейн використовуватиметься повсюдно, роль держави зміниться – так само, як і інших посередників. Вони, швидше за все, формуватимуть правила гри, але програмний код, який стежитиме за виконанням правил. І втручання людини, наприклад чиновника, буде мінімізовано» .

Перші кроки у цьому напрямі вже зробила Естонія. Там працює блокчейн система електронного громадянства е-Estonia , в якій проходять вибори та можна сплатити податки. Застосування такої технології дозволяє щорічно заощаджувати до 2% ВВП. 

Звичайно, приклад країни з населенням менше двох мільйонів людей не може бути гарантією, що подібна модель приживеться в інших країнах. Але у нас на очах розподілені цифрові реєстри стають все популярнішими. І можливо вже близький той день, коли блокчейн кардинально змінить навколишній світ.