3.1. Что такое блокчейн и чем он так ценен?

Технология блокчейна (blockchain – англ. «цепочка блоков») и, в более широком понимании, технология распределенных реестров (distributed ledger technology – DLT) является ключевой для понимания особенностей криптовалют как нового класса активов, а также перспектив их практического применения. Чтобы объяснить преимущества и недостатки блокчейна придется начать издалека.

В настоящее время основой мировой экономики являются централизованные реестры и базы данных. В бумажных и электронных реестрах государственных и коммерческих организаций хранится информация обо всех сферах жизни страны: личные данные граждан, сведения о предприятиях и уплачиваемых ими налогах, данные о праве собственности на землю, недвижимость и транспортные средства, записи о финансовых активах, таких как акции, облигации, банковские вклады. Свои базы данных есть у любой компании, что позволяет упорядочивать экономические взаимоотношения с клиентами и поставщиками, следить за движением продукции и товаров и контролировать прочие аспекты коммерческой деятельности.

Такие централизованные базы данных удобны при том условии, если они надежны и защищены от внесения несанкционированных изменений. Однако регулярно возникают ситуации, когда данные теряются из-за аппаратных и программных сбоев, хакерских атак, случайно утрачиваются или изменяются из-за человеческих ошибок, целенаправленно фальсифицируются по корыстным мотивам.

Даже государственные реестры бессильны перед вмешательством в интересах отдельных лиц. Хрестоматийным примером является редактирование или удаление из Росреестра сведений о недвижимости высших российских чиновников и их родственников.

Особо критично надежное ограничение доступа к внесению и редактированию информации в системах электронных платежей, в том числе, на уровне Центробанков. Ведь в данном случае несанкционированный доступ может привести к появлению фальшивых платежных единиц, записей о платежах, которые никогда не проводились, к многократным тратам одних и тех же сумм.

Решением проблемы надежности баз данных является их децентрализация и многократное резервирование, когда копии хранятся во многих местах, а история изменений может быть отслежена всеми заинтересованными сторонами. Еще 15—20 лет назад это было технически нереализуемо, так как у подобной системы были бы большие трудности со своевременной синхронизацией разных копий. Однако развитие облачных технологий хранения данных и распространение каналов связи с большой пропускной способностью сделало возможным синхронизацию распределенных реестров буквально за секунды.

Для защиты баз данных от несанкционированного редактирования было предложено использовать криптографические алгоритмы. Одна из известных статей о применении криптографии для защиты электронных платежей «How to make a mint: the cryptography of anonymous electronic cash» была опубликована в 1996 году исследователями из Агентства национальной безопасности США. Позднее это стало основным аргументом конспирологов в пользу того, что биткойн является разработкой американских спецслужб.

Именно совмещение этих подходов – децентрализации и использования криптографии, – привело к появлению в 2009 году первой криптовалюты – биткойна, в основу которого легла технология блокчейна. Годами позже появились другие криптовалюты, построенные по той же технологии. С 2014—2015 годов крупнейшие мировые IT-корпорации разрабатывают собственные блокчейн-решения, не связанные с криптовалютами.

Как следует из самого называния, блокчейн представляет собой цепочку криптографически защищенных (зашифрованных) блоков, каждый из которых содержит хэш-сумму (свернутое сообщение) о предыдущем блоке и о данных, хранящихся в самом блоке. Также каждый блок может содержать любую другую информацию в цифровом виде: список переводов (транзакций), произвольный текст или бинарный код.

Блокчейн постоянно растет за счет того, что с определенной частотой генерируются новые блоки. Например, в блокчейне биткойна это происходит каждые 9—10 минут, в блокчейне криптовалюты Dogecoin – каждые 60 секунд, а в сети EOS – два раза в секунду. В середине 2019 года в блокчейне биткойна был сгенерирован блок №600000, в других блокчейнах счет уже идет на многие миллионы блоков. Чем выше скорость генерации блоков, тем быстрее обрабатываются транзакций и тем больше пропускная спрособность сети, которая характеризуется количеством проведенных транзакций в секунду.

Еще один параметр, влияющий на пропускную способность сети – размер блоков, который определяет, сколько информации (транзакций) может вместить один блок. Например, в одном блоке биткойна размером 1 Мб может быть записано около 2700 транзакций, а максимальная пропускная способность сети составляет 5—6 транзакций в секунду. Блокчейн EOS при том же размере блока, но крайне малом времени генерации новых блоков имеет пропускную способность до 3 тысяч транзакций в секунду.

Одним из следствий частой генерации блоков является быстрое разрастание блокчейна. Так, блокчейн биткойна, который функционирует и непрерывно растет с января 2009 года, на середину 2019 года занимал дисковый объем более 270 гигабайт и продолжал расти со скоростью 153 Мб в сутки. Блокчейн EOS, который был запущен в июне 2018 году, уже спустя год достиг объема более 200 Гб и продолжает расти со скоростью около 500 Мб в сутки.

Блокчейн может быть запущен на одном-единственном компьютере, который будет генерировать блоки и записывать в них любую информацию – например, записи из вашего ежедневника или прогнозы погоды. Но весь потенциал блокчейна раскрывается, только когда создается децентрализованная сеть из независимых вычислительных узлов (нод), которые выполняют функции хранения и актуализации собственных копий блокчейна, генерации и проверки новых блоков, а также записи в них транзакций. В зависимости от архитектуры блокчейна, эти функции могут совмещаться в одной ноде или распределяться на разные типы узлов.

Процесс генерации очередного блока в цепочке представляет собой решение математической задачи по одному из криптографических алгоритмов (SHA-256, Script, Ethash, X11, CryptoNight и др.). В децентрализованной сети, состоящей из множества вычислительных узлов, право генерировать очередной блок предоставляется по определенному принципу, который называется алгоримом консенсуса. На данный момент используется до двух десятков различных алгоритмов консенсуса, но мы разберем лишь базовые, с которых всё начиналось.

В сети биткойна, Litecoin, Ethereum и десятков других криптовалют генерация новых блоков происходит в рамках свободной конкуренции по принципу «кто быстрее». Этот алгоритм (метод) консенсуса получил название PoW (Proof-of-Work – «доказательство работы»). Фактически в данном случае вычислительные узлы доказывают свое право сгенерировать новый блок и получить за это награду в обмен на затраченное машинное время и электричество.

Процесс генерации новых блоков методом PoW называется «майнинг» (от англ. mine – «добывать»), а оборудование и его владельцы, соответственно, «майнеры». В качестве майнингового оборудования могут выступать персональные компьютеры, серверы или ASIC-устройства, разработанные специально для решения определенной криптографической задачи.

Для криптовалют, работающих на алгоритме консенсуса PoW, одна из острейших проблем – это привлечение достаточного количества сторонних майнеров и их вычислительных мощностей, чтобы обеспечить децентрализацию и постоянную работоспособность блокчейна.

Малая вычислительная мощность сети приводит к возможности проведения «атаки 51%», когда злоумышленники получают контроль над более чем половиной вычислительных мощностей сети и генерацией блоков и таким образом могут переписывать транзакции в последних блоках и многократно тратить одни и те же монеты. Такие атаки регулярно проводятся на малопопулярные криптовалюты, что наносит им сильный репутационный ущерб и снижает доверие к ним. Себестоимость организации «атаки 51%» на криптовалюты с низкой вычислительной мощностью сети может составлять всего несколько сотен долларов в час – это затраты на покупку облачных вычислительных мощностей или ботнета (сети компьтеров, зараженных определенным вирусом).

У метода PoW есть еще один очевидный недостаток: чем больше вычислительных узлов (майнеров) ищут новые блоки, тем больше увеличивается сложность добычи. То есть с подключением новых майнинговых мощностей и ростом сложности майнинга требуется потратить больше суммарного машинного времени и электроэнергии для достижения того же результата – нахождения нового блока. В результате конкуренции объем вычислительных мощностей (хэшрейт), занятых майнигом биткойна, начинает стремительно расти.

В настоящее время суммарная вычислительная мощность всех майнеров в мире многократно превышает вычислительную мощность всех суперкомпьютеров, а объем годового энергопотребления сети биткойна достигает 60—70 ТВт*ч или 0,25% всей вырабатываемой электроэнергии в мире. То есть на поддержание сети биткойна сейчас тратится больше электроэнергии, чем расходуют такие страны как Израиль, Греция или Швейцария.

Чтобы снизить энергоемкость работы блокчейна, в других криптовалютах были реализованы более энергоэффективные алгоримы консенсуса. Так, второй по популярности алгоритм основан на количестве криптовалюты, которое есть в наличии у данного вычислительного узла. Чем больше его доля, тем больше вероятность, что он первым найдет новый блок и получит награду. Этот алгоритм называется PoS (Proof-of-Stake – «доказательство владения»). Он не предъявляет больших требований к мощности вычислительных узлов. Например, некоторые из них могут быть реализованы на базе смартфона, микрокомпьютера Raspberry Pi или вовсе в виде виртуального сервера на облачном сервисе.

Также есть криптовалюты, которые используют гибридный метод консенсуса на основе совмещения PoW и PoS:. Например, в криптовалюте Decred блоки генерируются методом PoW, но поступают на подтверждение децентрализованной сетью «избирателей», которые должны владеть определенным количеством монет.

Один из минусов PoS состоит в том, что владельцы больших объемов криптовалюты получают почти полный контроль над производством новых блоков, из-за чего страдает главный принцип криптовалют – децентрализация. Чтобы исправить этот недостаток были разработаны компромиссные алгоритмы консенсуса, которые предполагают, что владельцы небольшого количества монет также смогут опосредованно влиять на генерацию блоков, отдавая свой голос тому или другому доверенному узлу.

На этих принципах основан метод Delegated Proof of Stake (DPoS) – «делегированное доказательство владения». Право генерировать блоки предоставляется лишь нескольким десяткам или сотням доверенных узлов, которые не только обязаны владеть определенным числом монет и подходящими вычислительными мощностями c надежным каналом связи, но и должны быть избраны большинством пользователей сети. Например, в сети EOS таких узлов всего 21, в сети Tron – 27, в сетях Lisk и Bitshares – по 101, а в блокчейне Tezos – 400.

До сих пор речь шла о публичных блокчейнах, к которым может присоединиться каждый желающий: читать и вносить записи или участвовать в генерации блоков. В них за открытие нового блока и обработку транзакций выдается награда монетами данного блокчейна. Однако сейчас получают всё большее распространение частные корпоративные блокчейны (Hyperledger, Corda, Waves Enterprise, IBM Blockchain), где награда не выдается, а доступ к генерации блоков и записанной в них информации имеет лишь узкий круг клиентов.

Вне зависимости от того, является ли блокчейн публичным или приватным, сама архитектура распределенного реестра обеспечивает целый ряд преимуществ перед централизованными базами данных:

– целостность и стабильное функционирование блокчейна гарантируется сетью независимых узлов, которые могут физически находиться в разных частях планеты;

– любая информация, единожды записанная в блокчейн, не может быть изменена или удалена;

– платежные единицы и транзакции не могут быть подделаны (сфальсифицированы);

– все транзакции могут быть отслежены всеми заинтересованными сторонами.

Перечисленные преимущества блокчейна были признаны настолько ценными, что данная технология начала активно применяться не только в электронных платежных системах, но и в корпоративном и даже государственном управлении.