Łańcuchy skrótów i łączenie bloków

Łańcuch skrótów łączy bloki danych, tak aby każdy blok zawierał skrót poprzedniego bloku. Modyfikacja dowolnego bloku zmienia jego skrót, co unieważnia wszystkie kolejne bloki. W ten sposób powstaje odporny na manipulacje, dołączany tylko w trybie dopisywania rejestr.

Każdy blok zawiera: (1) dane (transakcje), (2) skrót poprzedniego bloku (wskaźnik do wcześniejszego bloku), (3) znacznik czasu, (4) nonce (dla PoW), (5) korzeń Merkle'a transakcji. Pierwszy blok (genesis) ma wartość previous_hash = "0"*64.

import hashlib, json class Block: def __init__(self, data, prev_hash): self.data = data self.prev_hash = prev_hash self.hash = hashlib.sha256( json.dumps({'data':data,'prev':prev_hash}).encode() ).hexdigest()

Jeśli atakujący zmodyfikuje dane bloku 3, zmieni się skrót bloku 3. Blok 4 odwołuje się do starego skrótu bloku 3 — łańcuch zostaje przerwany w bloku 4. Atakujący musi ponownie obliczyć skróty bloków 3, 4, 5, ... aż do końca łańcucha. W połączeniu z PoW jest to niewykonalne obliczeniowo.

Łańcuchy skrótów zapewniają wykrywanie manipulacji, ale same w sobie nie zapewniają niezmienności. Bez dodatkowych mechanizmów (PoW, podpisów cyfrowych, dystrybucji) atakujący kontrolujący łańcuch może go przepisać. To rozproszony konsensus sprawia, że blockchain jest w praktyce odporny na manipulacje.

Zasada najdłuższego łańcucha w Bitcoinie: kanoniczny jest prawidłowy łańcuch z największą skumulowaną ilością dowodu pracy. Jeśli atakujący rozwidli łańcuch, uczciwi górnicy szybciej wydłużają uczciwy łańcuch (założenie 51%). Rozwidlenie atakującego jest krótsze i zostaje odrzucone.

Klienci SPV (Simple Payment Verification) Bitcoina pobierają tylko 80-bajtowe nagłówki bloków (zawierające poprzedni skrót, korzeń Merkle'a, nonce, znacznik czasu i bits). Pełne węzły przechowują wszystkie transakcje. Klienci SPV weryfikują transakcję za pomocą dowodu Merkle'a względem korzenia Merkle'a w nagłówku.

Blok genesis Bitcoina (blok 0, 3 stycznia 2009 r.) ma wartość prev_hash = 0x000...0. Satoshi umieścił nagłówek „The Times 03/Jan/2009 Chancellor on brink of second bailout for banks” w transakcji coinbase jako dowód daty.

Łańcuchy skrótów powstały wcześniej niż blockchain. Zastosowania: listy unieważnień certyfikatów (połączone skrótami), integralność logów (skrót poprzedniego wpisu w logu), łańcuch zaufania DNSSEC. Koncepcję można uogólnić: jest to dowolna struktura dołączana wyłącznie w trybie dopisywania, w której każdy wpis zatwierdza wszystkie wcześniejsze wpisy.

Aby przyspieszyć początkową synchronizację, Bitcoin Core ma na stałe zapisane punkty kontrolne: znane prawidłowe skróty bloków na określonych wysokościach. Klient rozpoczynający synchronizację może pominąć weryfikację PoW bloków wcześniejszych niż punkt kontrolny, ufając zapisanemu na stałe skrótowi. Kompromis: mniejsze ograniczenie zaufania.

Git wykorzystuje tę samą zasadę: każdy commit jest identyfikowany przez SHA-1/SHA-256 swojej zawartości oraz skrót nadrzędnego commita. Wymeldowanie konkretnego commita na podstawie jego skrótu daje dokładnie ten stan. Cała historia Gita jest drzewem obiektów połączonych skrótami.

Dlaczego po zmodyfikowaniu jednego bloku atakujący musi ponownie obliczyć skróty wszystkich kolejnych bloków?

Łańcuchy skrótów łączą bloki za pomocą wskaźników kryptograficznych. Modyfikacja rozprzestrzenia się na wszystkie kolejne bloki. W połączeniu z PoW i rozproszonym konsensusem sprawia to, że blockchain jest w praktyce niezmienny. Następny temat: drzewa Merkle'a zapewniające wydajną weryfikację integralności transakcji.