Как формируется блокчейн и из чего состоит блок?
Общая структура блокчейна
Блокчейн представляет собой последовательную цепочку блоков, где каждый блок содержит набор данных и связан с предыдущим блоком с помощью криптографических механизмов. Такая структура обеспечивает целостность и согласованность данных во всём реестре.
Добавление новых блоков происходит строго последовательно, что позволяет однозначно определить порядок всех записей и исключает незаметное изменение данных в прошлом.
Что такое блок?
Блок — это базовая структурная единица блокчейна. Он служит контейнером для хранения данных и включает как пользовательскую информацию, так и служебные элементы, необходимые для функционирования сети.
Каждый блок формируется по заранее заданным правилам, которые зависят от конкретного блокчейна и используемого механизма консенсуса.
Основные элементы блока
Типичный блок блокчейна включает следующие компоненты:
-
Данные (payload)
Как правило, это транзакции или иные записи, которые необходимо зафиксировать в распределённом реестре. -
Корень Меркла (Merkle Root)
Хэш, представляющий собой зашифрованное сводное значение всех транзакций, включённых в блок. -
Хэш предыдущего блока
Криптографическое значение, однозначно идентифицирующее предыдущий блок в цепочке и обеспечивающее связанность блоков между собой. -
Служебная информация
Может включать временную метку, параметры консенсуса и дополнительные технические данные. -
NONCE (в блокчейнах с Proof-of-Work)
Специальное число, подбираемое майнерами для нахождения допустимого хэша блока.
Совокупность этих элементов используется в качестве входных данных для вычисления собственного хэша блока. Подробнее процесс хэширования описан в параграфе 1.3.
Роль NONCE и формирование хэша блока
В блокчейнах, использующих механизм Proof-of-Work, в процессе создания блока участвует параметр NONCE (Number Used Once — число, используемое однократно).
Майнеры перебирают значения NONCE, комбинируя их с хэшем транзакций и хэшем предыдущего блока, пока не будет найден хэш блока, удовлетворяющий заданному условию сложности. После нахождения корректного значения блок считается подтверждённым и добавляется в блокчейн.
В публичных блокчейнах этот процесс сопровождается экономическим вознаграждением в виде криптовалюты. В частных или специализированных блокчейнах механизм подбора NONCE и система вознаграждений могут отсутствовать.
Дерево Меркла (Merkle Tree)
Для эффективного хранения и проверки большого количества транзакций в блоке используется структура данных, называемая деревом Меркла.
Процесс формирования корня Меркла включает следующие этапы:
- Для каждой транзакции вычисляется её хэш на основе входных данных (адреса, суммы, времени и т.д.).
- Хэши транзакций объединяются попарно и результат их объединения хэшируется.
- Полученные хэши группируются и хэшируются на следующем уровне.
- Процесс повторяется до тех пор, пока не останется один хэш — корень Меркла.
Дерево Меркла имеет бинарную структуру. Если количество транзакций нечётное, последний хэш дублируется, чтобы обеспечить корректное построение дерева.
Корень Меркла включается в блок и участвует в формировании его итогового хэша. В результате изменение любой транзакции приводит к изменению корня Меркла, затем хэша блока и всех последующих блоков в цепочке.
Ограничения размера блока и пропускная способность
Во многих блокчейнах размер блока ограничен. Это напрямую влияет на количество транзакций, которые могут быть включены в один блок, и, следовательно, на пропускную способность сети. Пропускная способность блокчейна обычно измеряется количеством транзакций в секунду (TPS) и зависит от ряда параметров:
- Размер блока - то есть сколько транзакций может быть включено в блок.
- Скорость создания блоков — сколько блоков создаётся в единицу времени.
Пропускная способность Bitcoin на текущий момент около 6-7 транзакций в секунду, что стало одной из причин развития решений второго уровня. При этом существуют более современные экспериментальные решения с заявленной пропускной способностью до 10 тыс. транзакций в секунду, например Monad.
Краткий вывод
Блокчейн формируется как последовательная цепочка блоков, где:
- каждый блок содержит данные и криптографическую ссылку на предыдущий блок,
- хэширование обеспечивает целостность и защиту от подделки,
- дерево Меркла позволяет эффективно агрегировать и проверять транзакции,
- изменение данных в прошлом невозможно без нарушения всей цепочки.
Понимание структуры блока и механизмов его формирования является основой для дальнейшего изучения консенсуса, безопасности и экономических стимулов в блокчейне.