Lohkoketju

Lohkoketju yhdellä kuvalla

Ajattele pöytäkirjaa, jonka kopio on tuhansilla ihmisillä. Kun uusi sivu lisätään, jokainen tarkistaa sen ja lisää sen omaan kopioonsa. Uusi sivu sisältää tiivisteen edellisestä sivusta. Jos joku yrittää muuttaa vanhaa sivua, tiiviste ei enää täsmää, ja muut huomaavat sen heti.

Miten lohkot linkittyvät

Bitcoinin kehittäjädokumentaation mukaan jokainen lohko tallentaa edellisen lohkon otsikon tiivisteen, ja näin lohkot ketjuuntuvat. Lohkon tapahtumista muodostetaan myös yksi yhteenvetotiiviste, jota kutsutaan merkle-juureksi. Jos yksikin tapahtuma muuttuu, tiiviste muuttuu ja kaikki sitä seuraavat lohkot menevät epäkelvoiksi.

Muutoksen tekeminen vaatisi siksi sen lohkon ja kaikkien sen jälkeisten lohkojen uudelleenlaskemista. Bitcoinin dokumentaatio toteaa, että kustannus kasvaa jokaisen uuden lohkon myötä. Siksi vanhat tapahtumat ovat sitä varmempia, mitä enemmän lohkoja on kertynyt niiden päälle. Bitcoin.orgin mukaan kuutta vahvistusta pidetään usein riittävänä.

Miten solmut sopivat keskenään: konsensus

Kun kirjanpitoa ei hallinnoi kukaan, tarvitaan sääntö, jolla verkko päättää seuraavasta lohkosta. NIST käy raportissaan läpi useita konsensusmalleja. Kaksi tunnetuinta ovat:

• Proof of work. Osallistujat kilpailevat laskentateholla, ja voittaja saa lisätä lohkon. Bitcoin käyttää tätä. Louhinta on selitetty sivulla kryptovaluuttojen louhinta.
• Proof of stake. Lohkon vahvistajat sitovat omia kolikoitaan vakuudeksi, ja vilpillinen toiminta voi johtaa niiden menettämiseen. Ethereum siirtyi tähän malliin syyskuussa 2022. Ethereumin dokumentaation mukaan vahvistajaksi ryhtyminen vaatii 32 ETH:n talletuksen. Lisää: steikkaus.

Bitcoinin dokumentaatio mainitsee myös teoreettisen 51 prosentin hyökkäyksen: enemmistön laskentatehon hallitseva taho voisi muokata historiaa. Hyökkäys vaatisi keskimäärin saman verran työtä kuin koko verkko on tehnyt siitä lohkosta lähtien.

Julkinen ja yksityinen lohkoketju

NIST jakaa lohkoketjut kahteen ryhmään. Julkiseen eli permissionless-lohkoketjuun kuka tahansa voi liittyä, lukea sen ja lähettää siihen tapahtumia. Bitcoin ja Ethereum ovat tällaisia. Rajattuun eli permissioned-lohkoketjuun pääsy on vain hyväksytyillä osapuolilla, ja sellaista voi käyttää esimerkiksi yritysten keskinäinen kirjanpito.

Mihin lohkoketjua käytetään

• Kryptovaluutat. Bitcoinin ja muiden kolikoiden siirtojen kirjanpito. Esimerkki: Bitcoin.
• Älysopimukset. Ethereumin kaltaisilla ketjuilla voi ajaa sovelluksia, jotka toimivat sääntöjen mukaan ilman välikättä. Näistä kasvaa esimerkiksi hajautettu rahoitus eli DeFi.
• Omistuksen kirjaus. Digitaalisten esineiden omistus voidaan kirjata ketjuun, mikä on NFT-ilmiön perusta.

Esimerkki: mitä tapahtuu, kun lähetät Bitcoinia

1. Lompakkosi luo siirron ja allekirjoittaa sen yksityisellä avaimellasi.
2. Siirto lähetetään verkkoon, jossa solmut tarkistavat allekirjoituksen ja sen, ettei rahaa ole jo käytetty.
3. Louhija kokoaa siirron muiden kanssa uuteen lohkoon ja kilpailee sen lisäämisestä ketjuun.
4. Kun lohko on hyväksytty, siirto on ensimmäisessä vahvistuksessa. Jokainen uusi lohko lisää vahvistuksia.
5. Vastaanottaja näkee siirron osoitteessaan, ja koko ketju voi tarkistaa sen myöhemminkin.

Bitcoinin lohko syntyy keskimäärin noin kymmenen minuutin välein, ja louhinnan vaikeutta säädetään 2 016 lohkon välein, jotta tahti pysyy samana. Muilla ketjuilla lohkoväli ja säännöt voivat olla erilaiset.

Tiivisteet selitettynä

Tiiviste on funktio, joka muuttaa mielivaltaisen pituisen datan kiinteän pituiseksi tunnisteeksi. Pienikin muutos syötteessä tuottaa täysin erilaisen tiivisteen, ja tiivisteestä ei voi päätellä alkuperäistä dataa. NIST luettelee kryptografiset tiivistefunktiot yhdeksi lohkoketjun peruskomponenteista yhdessä tapahtumien, avainparien ja osoitteiden kanssa.

Tämän vuoksi lohkoketjusta voi tarkistaa, onko jokin lohko muuttunut, vertaamalla tiivisteitä. Ei tarvitse käydä läpi koko sisältöä.

Lohkoketju ja kryptovaluutat

Lohkoketju ja kryptovaluutta eivät ole sama asia. Lohkoketju on tekniikka, ja kryptovaluutta on yksi sen sovellus. Kryptovaluutat ovat lohkoketjun natiivi omaisuus: ne palkitsevat ketjun ylläpitäjiä ja toimivat siirtojen maksuna. Esimerkiksi Bitcoin-lohkoketjun natiivi omaisuus on bitcoin ja Ethereumin ether. Eri ketjuihin liittyvät kolikot löytyvät osiosta kurssit.

Lohkon sisältö

Lohkossa on otsikko ja tapahtumalista. Bitcoinin dokumentaation mukaan otsikkoon kuuluu muun muassa edellisen lohkon tiiviste, ja lohkon tapahtumista lasketaan yksi yhteenvetotiiviste, merkle-juuri. Dokumentaation mukaan louhinnassa tiivistetään vain 80 tavun otsikko, joten suuren tapahtumamäärän sisällyttäminen lohkoon ei hidasta tiivistämistä.

Rakenne tekee tarkistamisesta tehokasta: tapahtuman kuulumisen lohkoon voi todeta merkle-juuren avulla ilman, että kaikki lohkon tapahtumat käydään läpi.

Haarautumat ja ristiriidat

NIST käsittelee raportissaan ledgerin ristiriitoja ja niiden ratkaisua sekä forkkeja eli haarautumia. Periaate on, että kun verkossa syntyy kaksi kilpailevaa versiota, osallistujien täytyy sopia, kumpi on voimassa. Bitcoinin kohdalla konsensussääntö suosii ketjua, johon on käytetty eniten työtä. Siksi yksi vahvistus ei ole vielä yhtä varma kuin useampi, ja kuutta vahvistusta pidetään usein riittävänä.

Haarautuma voi syntyä myös tahallisesti. Kun ketjun sääntöjä muutetaan, verkko voi jakautua kahteen versioon, jos osa käyttäjistä ei hyväksy muutosta.

Hajautus käytännössä

Hajautus tarkoittaa, että kirjanpidon kopioita pitävät monet toisistaan riippumattomat tahot. Jos yksi solmu sammuu, verkko jatkaa. Jos solmu yrittää kirjata virheellisen tapahtuman, muut hylkäävät sen, koska tarkistavat jokaisen lohkon itse. Tämä on lohkoketjun keskeinen ero tavalliseen tietokantaan, jonka ylläpitäjä voi muuttaa tietoja ja jonka kaatuessa palvelu pysähtyy.

Hajautuksella on hintansa: kirjanpidon päivittäminen on hitaampaa kuin keskitetyssä järjestelmässä, ja jokaisen osallistujan on tallennettava tai tarkistettava tietoja.

Uudet ja vanhat ketjut

Bitcoinin jälkeen on syntynyt satoja uusia lohkoketjuja, joilla on erilaisia ominaisuuksia. Jotkut painottavat nopeutta, toiset sovelluksia ja toiset yksityisyyttä. Niiden välillä on oleellisia eroja, ja jokaisella on oma kolikkonsa, jolla siirtokulut maksetaan. Ethereum-ketjun kolikon hinnan ja taustan löydät sivulta Ethereum kurssi.

Mitä lohkoketju ei tee

NIST toteaa omassa raportissaan, että lohkoketju ei ole taikuutta eikä ratkaise kaikkia ongelmia. Muutama asia kannattaa pitää mielessä:

• Lohkoketju ei takaa, että kirjattu tieto on totta. Se takaa vain, että tieto säilyy muuttumattomana, kun se on kirjattu.
• Siirtoa ei voi perua. Väärään osoitteeseen lähetetty summa pysyy siellä.
• Ei-hajautettu tietokanta on usein järkevämpi valinta, jos kaikki osapuolet luottavat samaan ylläpitäjään.
• Kryptovaluuttojen hinnat voivat heilahdella voimakkaasti, vaikka alla oleva teknologia toimisi moitteettomasti.

Mistä jatkaa

Jos haluat tietää, miten lohkoketjua käyttävä raha toimii käytännössä, lue Mikä on Bitcoin. Ajantasaisen Bitcoin-hinnan näet sivulta Bitcoin kurssi, ja toisen suuren ketjun kolikko löytyy sivulta Ethereum kurssi.