logo

4. Bitcoin in a nutshell — Блокчейн

meme

 

Blockchain - это технология, на базе которой построен Bitcoin. И если пару лет назад вся слава доставлась криптовалюте, то сегодня все чаще можно слышать смелые фразы вроде: “Forget Bitcoin, Long Live Blockchain”. Активно развиваются платформы вроде Ethereum, IPFS или Overstock, которые рассматривают блокчейн не как инструмент для создания еще одной платежной системы, а как совершенно обособленную технологию, сравнимую по своей инновационности разве что с Интернетом.

В этой главе я расскажу вам, что из себя представляет блокчейн Bitcoin. Даже по сравнению с Ethereum, это жуткий анахронизм, но понимание принципов его работы вам сильно поможет, если вы решите разобраться с более сложными проектами.

 

Table of content

  1. Blockchain for dummies
  2. Structure
  3. Merkle tree
  4. Timestamp
  5. Raw block
  6. Links

Blockchain for dummies

Сам по себе блокчейн - это крайне простая штука. Его проще всего проиллюстрировать на примере книги бухгалтерского учета, в которую записываются все транзакции в сети Bitcoin. Более того, такая книга присутствует у каждого участника сети, а значит любой, при желании, может проверить, была та или иная транзакция в реальности или нет.

Public ledger

И если блокчейн целиком - это книга, то отдельные блоки можно представлять как страницы, на которых “записываются” транзакции. Кажый блок “ссылается” на предыдущий и так до самого первого блока (genesis block). Именно это и создает такую интересную особенность блокчейна, как неизменяемость. Нельзя взять и изменить блок #123 так, чтобы этого никто не заметил. Потому что блокчейн устроен таким образом, что это повлечет изменение блока #124, потом #125 и так далее, до самого верха.

Structure

Привычным движением руки открываем спецификацию протокола и смотрим на структуру блока.

  • version - версия блока
  • prev_block - хэш предыдущего блока (parent block)
  • merkle_root - если упрощенно, то это хэш всех транзакций в блоке
  • timestamp - дата и время создания блока
  • bitsnonce - про эти параметры я подробно расскажу в главе Bitcoin in a nutshell - Mining
  • txn_counttxns - число транзакций в блоке и их список

Первые шесть параметров (все кроме txn_count и txns) образуют заголовок блока (header). Именно хэш заголовка называют хэшем блока, то есть сами транзакции непосредственного участия в хэшировании не принимают.

Вместо этого они заносятся в особую структуру - дерево Меркла, про которую я расскажу ниже.

Merkle tree

Technical side

merkle

Дерево Меркла - это структура данных, также известная как бинарное дерево хэшей. В случае Bitcoin оно строится следующим образом:

  1. Сначала считаются хэши всех транзакций в блоке hash_A = SHA256(SHA256(A))

  2. Потом считаются хэши от суммы хэшей транзакций hash_AB = SHA256(SHA256(hash_A + hash_B))

  3. Точно также считаем хэши от суммы получившихся хэшей hash_ABCD = SHA256(SHA256(hash_AB + hash_CD)) и далее по рекурсии. Лирическое отступление - так как дерево бинарное, то на кажом шаге должно быть четное число элементов. Поэтому если, например, у нас только три транзакции, то последняя транзакция просто дублируется:

    Double txn

  4. Процесс продолжается до тех пор, пока не получится один единственный хэш - он и называется merkle_root (третье поле в header блока)

Ниже приведена реализация дерева Меркла, можете проверить ее на каком-нибудь блоке.

import hashlib

# Hash pairs of items recursively until a single value is obtained
def merkle(hashList):
    if len(hashList) == 1:
        return hashList[0]
    newHashList = []
    # Process pairs. For odd length, the last is skipped
    for i in range(0, len(hashList)-1, 2):
        newHashList.append(hash2(hashList[i], hashList[i+1]))
    if len(hashList) % 2 == 1: # odd, hash last item twice
        newHashList.append(hash2(hashList[-1], hashList[-1]))
    return merkle(newHashList)

def hash2(a, b):
    # Reverse inputs before and after hashing
    # due to big-endian / little-endian nonsense
    a1 = a.decode('hex')[::-1]
    b1 = b.decode('hex')[::-1]
    h = hashlib.sha256(hashlib.sha256(a1 + b1).digest()).digest()
    return h[::-1].encode('hex')
[/code]

Immutability

Теперь о том, зачем это нужно в Bitcoin. Я думаю, вы понимаете, что если изменить хотя бы одну транзакцию, то merkle_root также изменится. Поэтому такая структура данных позволяет обеспечить “неподделываемость” транзакций в блоке. То есть не может произойти следующей ситуации:

Кто-то из майнеров нашел новый блок и начал раскидывать его по сети. В это время злоумышленник перехватывает блок и, например, удаляет из блока какую-нибудь транзакцию, после чего распостраняет уже измененный блок.

Для проверки достаточно посчитать merkle_root самостоятельно и сравнить его с тем, что записан в header блока.

SPV

Но здесь можно резонно возразить, что, во-первых, такие сложности совершенно ни к чему. Достаточно просто посчитать хэш от суммы всех транзакций в блоке txns_hash = SHA256(SHA256(sum(txns))) - он точно также изменится после любых манипуляций с транзакциями. А, во-вторых, что мешает злоумышленнику подменить merkle_root в блоке? На второй вопрос отвечу сразу: на самом деле в блоке вообще нельзя ничего изменить, потому что блок тут же станет невалидным (это вы поймете после прочтения следующей главы Bitcoin in a nutshell - Mining).

А дерево Меркла нужно на самом деле для того, чтобы иметь возможность создавать SPV nodes (Simplified Payment Verification). Такие ноды синхронизируют только заголовки блоков, без самих транзакций. В результате блокчейн занимает на порядок меньше места (для красоты возьмем высоту в 500.000 блоков, размер header фиксирован - 80 байт):

500.000 * 80 / 1024 / 1024 ≈ 40 Мб

Такой блокчейн уже можно без проблем уместить на телефоне, планшете или каком-нибудь IoT. Что в перспективе должно дать большую децентрализацию, безопасность сети и так далее.

Суть упрощенной верификации платежей в следующем: пусть у вас есть SPV нода. У меня же есть весь блокчейн целиком и мне нужно вас убедить, что какая-нибудь транзакция действительно была (на картинке это транзакция K). В этом случае, мне достаточно всего лишь предоставить вам несколько хэшей: H_L, H_IJ, H_MNOP, H_ABCDEFGH, они еще называются authentication path.

Auth path

После чего вы сначала считаете H_K = SHA256(SHA256(K)), потом H_KL = SHA256(SHA256(H_K + H_L)) и так до самого верха. Если в итоге вы находите у себя блок с таким же merkle_root, то факт существования транзакции считается подтвержденным.

BTW Ральф Меркл даже запатентовал свою структуру данных, о чем свидетельствует патент US4309569 A.

Timestamp

Еще один интересный вопрос. Представим, что где-то в сети появился появился новый блок и ноды начинают передавать его друг-другу. Каждая нода должна убедиться в том, что блок корректен. Для этого она:

  • проверяет синтаксис и структуру блока
  • проверяет на валидность каждую транзакцию в блоке
  • хэширует транзакции и сравнивает merkle root
  • проверяет несколько критериев, связанных с майнингом, и так далее

Но как можно проверить timestamp? Понятно, что время на разных компьютерах может различаться, так что даже если у нового блока timestamp отличается от вашего текущего времени на час вперед, это еще не значит, что блок “неправильный”, может у майнера просто часы спешат.

Поэтому для проверки timestamp на валидность было придумано два критерия. Во-первых, он должен быть больше, чем среднее арифметическое timestamp-ов предыдущих 11 блоков. Это делается для того, чтобы не получилось так, что блок #123 вышел 12 марта 2011 года, а #124 - 13 февраля 1984. Но в тоже время допускается некоторая погрешность.

Во-вторых, timestamp должен быть меньше чем network adjusted time. То есть нода, при получении нового блока, интересуется текущим временем у своих “соседей” по сети, считает среднее арифметическое и если block timestamp меньше получившегося значения + 2 часа, то все в порядке.

BTW как вы видите, timestamp нового блока может оказаться даже меньше, чем timestamp более раннего блока. Это не такая уж и редкость, например #145045#145046 и #145047.

145044: 2011-09-12 15:46:39     
145045: 2011-09-12 16:05:07 
145046: 2011-09-12 16:00:05 // ~5 minutes before prior block
145047: 2011-09-12 15:53:36 // ~7 & ~12 minutes before 2 prior blocks
145048: 2011-09-12 16:04:06 // after 2 prior blocks but still before 145045
[/code]

Raw block

Если у вас до сих остались какие-то вопросы по структуре блока, то предлагаю вам посмотреть на них в “сыром” виде. Самый очевидный способ это сделать - запустить на пару часов bitcoind --daemon , а потом исследовать уже скачанные блоки. Но, во-первых, не у всех есть время / желание синхронизировать блокчейн. Во-вторых, в Bitcoin блоки хранятся в крайне специфической базе данных LevelDB, еще и довольно странным образом. А так как книга расчитана не только на опытных разработчиков, то я пойду уже проверенным путем и снова использую протокол в его первозданном виде.

Для получения блока отправим сообщение getdata, в котором укажем type : MSG_BLOCK и hash : 000000000003ba27aa200b1cecaad478d2b00432346c3f1f3986da1afd33e506 - это хэш блока #100.000. Весь код целиком можете посмотреть здесь.

def getdataMessage():
    block_hash = '000000000003ba27aa200b1cecaad478d2b00432346c3f1f3986da1afd33e506'

    count = struct.pack("<B", 1)
    inventory = struct.pack("<L", 2) # type : MSG_BLOCK
    inventory += block_hash.decode('hex')[::-1]

    return count + inventory
[/code]

Wireshark block

Уважаемый посетитель, Вы зашли на сайт как незарегистрированный пользователь. Мы рекомендуем Вам зарегистрироваться либо зайти на сайт под своим именем.

комментариев

Ваше имя: *
Ваш e-mail: *
Введите два слова, показанных на изображении:

Последнее на сайте

04:31
Блокчейн форки вызывают массовое раздражение. Есть ли решение такой проблемы
21:44
Похищение биткойнов / Bitcoin Heist / Sieu Trom (2016)
14:51
Okolofutbola-ICO для съемок сиквела
11:48
Создатели фильма «ОколоФутбола» проводят ICO для съемок сиквела
09:41
Криптовалютная биржа Tidex.com - обзор биржи с waves-ассетами
22:22
Закономерно или нет: надвигающийся форк биткоина влияет на его курс
22:11
12 октября состоится вечерняя лекция «Криптовалюты: от сотворения Биткоина до наших дней»
16:02
Криптовалютная биржа HitBTC - краткая информация
08:24
Документальный фильм Bitcoin — Shape The Future
обновлено
04:09
Великое Криптослияние: как криптовалюты учат «говорить» друг с другом
20:26
Russian Вlockchain Week: интервью со спикерами
обновлено
12:15
Цифровое наследство: реальность?
20:18
PAYFAIR - децентрализованная платформа условного депонирования
21:31
Lescoin - DAO по заготовке, обработке и международной торговле древесиной.
19:55
Инвестиционная система «Восход» приняла на рассмотрение проект развития ЛПК Дальнего Востока
12:26
Интервью В.Бутерина южнокорейским СМИ
21:31
Скрытый JS-майнинг криптовалюты на сайте: альтернатива рекламе или новая чума
17:03
DomRaider - платформа для проведения блочных аукционов в режиме реального времени.
13:09
Zonto.world - многофункциональная социальная сеть
04:17
Криптовалютная биржа Bitfinex.com - обзор одной из крупнейших криптобирж
Все обновления