Блокчейн — це розподілена база даних, де записи («блоки») з’єднуються в незмінний ланцюг. Цей механізм лежить в основі криптовалют, децентралізованих додатків та цифрових активів. Ми розглянемо всі етапи: від створення першого генезис-блоку до динамічного зростання ланцюга, включаючи структуру блоків, механізми консенсусу, обробку форків та сучасні рішення для масштабування.
1. Генезис-блок: початок ланцюга
1.1 Що таке генезис-блок
Генезис-блок — перший блок у будь-якому блокчейні. Відрізняється від усіх наступних тим, що поле Previous Block Hash в ньому містить спеціальне значення (зазвичай 0 або інший маркер). Саме він ініціює ланцюжок і визначає початковий стан мережі.
1.2 Приклади генезис-блоків
- Bitcoin: створений 3 січня 2009 року, містить текст «The Times 03/Jan/2009 Chancellor on brink of second bailout for banks».
- Ethereum: запущений 30 липня 2015 року з попередньо визначеним набором адрес і початковим балансом.
- Litecoin: запустився 13 жовтня 2011 року як «срібло» до «золота» Bitcoin, з тим же генезис-часом і аналогічним повідомленням.
2. Структура блоку
2.1 Заголовок блоку (Block Header)
Заголовок містить ключові метадані:
| Поле | Опис |
|---|---|
| Version | Версія протоколу |
| Previous Block Hash | Хеш попереднього блоку |
| Merkle Root | Корінний хеш Merkle-дерева транзакцій |
| Timestamp | Час створення (Unix-час) |
| Difficulty Target | Цільова складність (компактизоване значення) |
| Nonce | Значення, що міняється для пошуку дійсного хешу |
2.2 Тіло блоку: транзакції та Merkle-дерево
Після заголовка йде список транзакцій, організований у Merkle-дерево:
- Хеш кожної транзакції → «листи»;
- Паралельне конкатенування й хешування → вузли вищого рівня;
- Повторюється до єдиного кореневого хешу (Merkle Root).
Це дає можливість підтверджувати належність транзакції до блоку з O(log n) доказом.
3. Ланцюг блоків та посилання
3.1 Як утворюється ланцюг
Кожен блок містить Previous Block Hash, що посилається на хеш попереднього. Це створює неперервний, незмінний ланцюг:
- Використання криптографічного хешу забезпечує односторонність.
- Найменша зміна даних блоку змінює його хеш, «ламініруючи» весь ланцюг.
3.2 Приклад сценарію атаки
Щоб успішно підробити історію, зловмисник має перерахувати PoW для всіх блоків після цільового та наздогнати мережу. Це практично неможливо при достатній децентралізації хешрейту.
4. Механізми консенсусу
4.1 Proof of Work (PoW)
У PoW-мережах (Bitcoin, Litecoin) майнери витрачають обчислювальні ресурси на пошук Nonce, що дає хеш нижче цільового. Перший знаходить рішення — отримує винагороду й додає блок.
- Коригування складності кожні N блоків (2016 в Bitcoin) для підтримки інтервалу ~10 хвилин.
- Високе енергоспоживання, але простота реалізації й перевірки.
4.2 Proof of Stake (PoS)
У PoS-системах (Ethereum 2.0, Cardano) творці блоків обираються за ставкою монет і часом блокування. Переваги:
- Низьке енергоспоживання.
- Економічна атака 51% вимагає володіння більшістю монет.
4.3 Інші моделі консенсусу
- Delegated PoS (EOS): делегати обирають блоки;
- Proof of Authority (VeChain): довірені вузли підписують блоки;
- Proof of History (Solana): ланцюг хешів як часовий доказ.
5. Форки та реорганізації
5.1 М’які та жорсткі форки
- М’який форк: зворотно-сумісне оновлення (знижує діапазон валідних блоків).
- Жорсткий форк: незворотне оновлення (дійсні тільки нові правила).
5.2 Організація довгих гілок
Якщо з’являється довша гілка, вузли перемикаються на неї, а блоки іншої стають «orphaned». Так забезпечується єдина «правильна» історія.
6. SPV і легкі клієнти
6.1 Simplified Payment Verification
SPV-клієнти зберігають тільки заголовки блоків і Merkle-докази потрібних транзакцій, економлячи дисковий простір та ресурси.
6.2 Довіра та ризики
- Потребує довіри до повної ноди для перевірки заголовків.
- Уразливість до eclipse-атак, якщо переписати місцеві заголовки.
7. Масштабування
7.1 Layer-2 рішення
- Lightning Network: платіжні канали для швидких мікроплатежів Bitcoin.
- Optimistic Rollups: періодична публікація агрегованих даних Ethereum на L1.
- zk-Rollups: криптографічні докази для оптимізації верифікації.
7.2 Sharding
У PoS-мережах (Ethereum 2.0) застосовується sharding — розподіл стану на логічні шард-ланцюги для паралельної обробки транзакцій.
8. Безпека та перспективи
8.1 Атаки 51%
У PoW атака 51% можлива, якщо зловмисник контролює більшість хешрейту. У PoS — більшість монет. Обидва сценарії економічно витратні на великих мережах.
8.2 Захист від довгих реорганізацій
- Не рекомендується приймати транзакції молодші 6 блоків у PoW.
- У PoS використовуються finality checkpoints для підтвердження незмінності.
9. Приклади: Bitcoin vs Ethereum
9.1 Порівняння параметрів
| Параметр | Bitcoin | Ethereum |
|---|---|---|
| Генезис | 3 січня 2009 | 30 липня 2015 |
| Інтервал блоку | ~10 хв | ~12–14 с |
| Консенсус | PoW (SHA-256) | PoS (Beacon Chain) |
| Масштабування | Lightning Network | Rollups, Sharding |
10. Висновок
Блокчейн — це комплексна система, що починається з генезис-блоку та розвитку через послідовне лінкування блоків, забезпечене механізмами консенсусу. Форки, SPV, Layer-2 рішення і sharding відповідають за адаптацію до зростаючих навантажень та безпеку. Розуміння внутрішньої будови блокчейнів — ключ до ефективного використання та розвитку цієї технології.
