Przechowywanie danych transakcji

Budowanie i utrzymywanie historii danych transakcji

W oparciu o poprzednie pi�� krok�w powiniene� teraz by� w stanie �ledzi� w�asno�� na podstawie ca�ej historii danych transakcji i opisywa� poszczeg�lne przeniesienia w�asno�ci w bezpieczny spos�b, autoryzuj�c transakcje z podpisami cyfrowymi i jednoznacznie identyfikuj�c konta u�ytkownik�w. Nie zastanawia�em si� jednak, jak bezpiecznie przechowywa� wszystkie dane transakcji, kt�re sk�adaj� si� na histori� transakcji. To jest punkt, w kt�rym struktura danych blockchain wchodzi do dyskusji. Ten krok wprowadza struktur� danych blockchain i wyja�nia, jak jest skonstruowana.

Metafora Czy pami�tasz ostatni� wizyt� w bibliotece i skorzysta�e� z jednego z tradycyjnych katalog�w kart? Katalogi biblioteczne s� rejestrami wszystkich ksi��ek b�d�cych w�asno�ci� biblioteki. Niekt�re tradycyjne biblioteki nadal u�ywaj� katalog�w kart do zarz�dzania swoimi zapasami. Ka�da karta w jednym z tych katalog�w reprezentuje jedn� ksi��k�, a na karcie znajduj� si� najwa�niejsze informacje o tej ksi��ce, takie jak imi� i nazwisko autora, tytu� ksi��ki, data publikacji oraz lokalizacja ksi��ki w bibliotece takie jak numer pod�ogi, pokoju, p�ki i rega�u. Aby zidentyfikowa� ksi��ki, karty katalogowe cz�sto zawieraj� unikalne numery referencyjne, kt�re s� r�wnie� wy�wietlane na grzbietach ksi��ek. Wi�kszo�� bibliotek prowadzi wi�cej ni� jeden katalog kart, kt�re r�ni� si� w zale�no�ci od kryterium u�ytego do zam�wienia kart. Na przyk�ad w katalogu autora karty s� sortowane alfabetycznie wed�ug nazwisk autor�w, natomiast w katalogu tytu��w karty s� sortowane alfabetycznie wed�ug tytu��w. Mo�na r�wnie� wymy�li� katalog zam�wie�, w kt�rym karty s� sortowane wed�ug kolejno�ci, w kt�rej ksi��ki zosta�y dodane do biblioteki. W tym kroku wyja�niono, w jaki spos�b blockchain przechowuje dane transakcji w spos�b podobny do biblioteki z katalogiem zam�wie�.

Cel

Celem blockchain jest utrzymanie ca�ej historii danych transakcji w uporz�dkowany spos�b.

Wyzwanie

Wyzwanie polega na przechowywaniu wszystkich danych transakcji, kt�re kiedykolwiek mia�y miejsce, w spos�b, kt�ry zachowuje kolejno��, w jakiej transakcje mia�y miejsce, oraz w spos�b, kt�ry szybko i �atwo wykrywa wszelkie zmiany danych. Szybkie wykrywanie zmian jest wa�ne, poniewa� stanowi podstaw� zapobiegania manipulacjom lub fa�szowaniu historii transakcji.

Pomys�

Chodzi o stworzenie biblioteki danych transakcji i utrzymanie katalogu zam�wie�, kt�ry zachowa kolejno�� dodawania transakcji do biblioteki. Aby wykry� wszelkie zmiany dokonane w katalogu zam�wie� lub w danych poszczeg�lnych transakcji, dane musz� by� przechowywane w spos�b wra�liwy na zmiany za pomoc� odwo�a� do skr�t�w.

Przekszta�canie ksi��ki w struktur� danych Blockchain

Ta sekcja wyja�nia, jak zamieni� ksi��k� w ma�� bibliotek� z katalogiem zam�wie�, kt�ry okazuje si� by� uproszczon� wersj� struktury blok�w danych.

Punkt pocz�tkowy: ksi��ka

Przez wiele stuleci pisemne informacje by�y przechowywane na niepor�cznych szpulach pergaminu, zwanych zwojami. W dzisiejszych czasach jeste�my przyzwyczajeni do przechowywania zapisanych informacji w kodeksach: oprawionych w tward� opraw� stron numerowanych, kt�re nazywamy ksi��kami. Poniewa� ksi��ki s� tak powszechne, mo�emy uzna� ich innowacje za pewnik. Niekt�re z ich wa�nych w�a�ciwo�ci obejmuj�:

• Przechowywanie tre�ci: Ksi��ki przechowuj� zawarto�� na swoich stronach.
• Zamawianie: zdania na stronach oraz strony w ksi��ce s� uporz�dkowane.
• ��czenie stron: Strony s� fizycznie po��czone poprzez kr�gos�up ksi��ki i logicznie po��czone poprzez ich zawarto�� i numery stron.

W wyniku tych w�a�ciwo�ci mo�emy przegl�da� ksi��ki do przodu i do ty�u, kartkuj�c strony lub mo�emy przej�� bezpo�rednio do okre�lonych stron, korzystaj�c z numer�w stron. Zobaczmy, co mogliby�my osi�gn��, gdyby�my zmienili niekt�re z tych w�a�ciwo�ci.

Transformacja 1: Wyja�nienie zale�no�ci strony

Rycina przedstawia schematyczn� ilustracj� dw�ch stron z bardzo prostej ksi��ki.

Ka�da strona zawiera g�rny margines, kt�ry przedstawia numer strony i obszar zawarto�ci, kt�ry zawiera tylko jedno s�owo. Numery stron s�u�� wa�nemu celowi: mo�esz dowiedzie� si�, czy kto� usun�� stron� z ksi��ki, sprawdzaj�c, czy numery stron s� kontynuowane bez pomijania numeru. Wyobra� sobie, �e obecnie czytasz stron� numer 42 naszej uproszczonej ksi��ki. Jaki numer strony powinna mie� poprzednia strona? Jest to bardzo proste: poprzednia strona powinna mie� liczb� 41, kt�ra r�wna si� 42 minus 1. Aby sprawdzi�, czy rzeczywi�cie nikt nie usun�� poprzedniej strony, por�wnujemy liczb� wy�wietlan� na poprzedniej stronie z oczekiwanym numerem strony, czyli liczba bie��cej strony minus 1. Je�li obie liczby s� r�wne, mo�emy stwierdzi�, �e poprzednia strona nie zosta�a usuni�ta. Dlaczego wiemy, �e liczba poprzedniej strony powinna by� r�wna liczbie bie��cej strony minus 1? Odpowied� jest taka, �e zak�adamy, �e wszystkie ksi��ki s� zgodne z konwencj� oznaczania stron kolejnymi liczbami naturalnymi. Ale co, je�li to za�o�enie nie jest prawdziwe, poniewa� autor lub wydawca ksi��ki zdecydowa� si� u�y� innego schematu numeracji stron (np. u�ywaj�c tylko liczb parzystych lub wielokrotno�ci trzech)? W takim przypadku nasze podej�cie do sprawdzenia, czy poprzednia strona nie zosta�a usuni�ta, ko�czy si� niepowodzeniem. Aby u�atwi� sprawdzenie, czy �adna strona nie zosta�a usuni�ta z ksi��ki, mogliby�my wyra�nie wskaza� po��czenie ka�dej strony z jej poprzednikiem. Rysunek pokazuje, jak to si� robi w naszym przyk�adzie

Ka�da strona pokazuje nie tylko sw�j numer, ale tak�e numer poprzedniej strony. Ten schemat numeracji stron wyra�nie okre�la zale�no�� mi�dzy dowoln� stron� a poprzedni� stron�. Bezpo�rednie odwo�anie do poprzedniej strony sprawia, �e sprawdzenie, czy �adna strona nie zosta�a usuni�ta, jest bardzo �atwe, poniewa� nie opiera si� ju� na domniemanych za�o�eniach

Transformacja 2: Outsourcing tre�ci

Strony naszej ksi��ki zawieraj� tre�� i informacje niezb�dne do utrzymania ich kolejno�ci: numery stron. Mo�emy sprawi�, by nasza ksi��ka by�a wygodniejsza, zlecaj�c jej outsourcing i pozwalaj�c skupi� si� wy��cznie na zadaniu utrzymania porz�dku. Rysunek pokazuje, jak wygl�daj� strony naszej schematu po zleceniu nam outsourcingu tre�ci.

Strony nie zawieraj� ju� �adnej tre�ci, lecz zawieraj� numery referencyjne wskazuj�ce na tre��, kt�r� mo�na przechowywa� w dowolnym miejscu (np. W pude�ku, na p�ce lub gdzie indziej). Osi�gni�cie tego kroku jest nast�puj�ce: Zamienili�my nasz� ksi��k� w ma�� bibliotek�. Ksi��ka, kt�ra kiedy� zawiera�a zawarto�� i numery stron, zosta�a zamieniona w katalog, kt�rego jedynym celem jest utrzymanie kolejno�ci tre�ci, podczas gdy tre�� jest przechowywana na oddzielnych stronach, kt�re s� oznaczone unikalnymi numerami referencyjnymi.

Transformacja 3: Zast�powanie numer�w stron

Nasza ksi��ka, kt�ra jest teraz katalogiem zam�wie�, zachowuje porz�dek swoich stron na dwa r�ne sposoby: Po pierwsze, poprzez fizyczn� lokalizacj� stron w ksi��ce utrwalon� w grzbiecie ksi��ki; po drugie, wed�ug numer�w stron i wyra�nego odwo�ania do poprzedniej strony. Z uwagi na fakt, �e fizyczna konstrukcja ksi��ki zachowuje porz�dek stron, mo�emy eksperymentowa� z innym schematem numeracji stron. Mo�emy faktycznie zast�pi� liczby naturalne u�yte do oznaczenia stron numerami referencyjnymi. Rysunek pokazuje wynik tej transformacji.

Na przyk�ad strona poprzednio oznaczona numerem 42 jest teraz identyfikowana za pomoc� numeru referencyjnego strony 8118E736. W podobny spos�b strona, kt�ra poprzednio nosi�a numer strony 41, jest teraz identyfikowana za pomoc� numeru referencyjnego strony B779E800. Zauwa�, �e odniesienia do poprzedniej strony r�wnie� zosta�y zaktualizowane. Strona o numerze referencyjnym 8118E736 zawiera poprawny numer referencyjny do poprzedniej strony.

Transformacja 4: Tworzenie numer�w referencyjnych

W poprzedniej transformacji zast�pili�my numery stron w naszej ksi��ce numerami referencyjnymi. Nie dyskutowa�em jednak o tym, jak zostan� stworzone. Najlepszym sposobem tworzenia unikalnych numer�w referencyjnych jest u�ycie kryptograficznych warto�ci skr�tu. W zwi�zku z tym mo�emy zidentyfikowa� strony w naszym katalogu, a tak�e odpowiadaj�ce im strony zawarto�ci z ich kryptograficznymi warto�ciami skr�tu, kt�re s� cyfrowymi odciskami palc�w ich tre�ci. Dla uproszczenia, zar�wno Rysunki powy�sze u�ywaj� skr�conych warto�ci skr�tu. Na przyk�ad strona zawarto�ci zawieraj�ca s�owo Hello jest identyfikowana przez skr�con� warto�� skr�tu Hello, kt�ra wynosi 185F8DB3. Obliczana jest warto�� referencyjna naszych stron ksi��ek na podstawie ich tre�ci, kt�ra jest numerem referencyjnym tre�ci i numerem referencyjnym poprzedniej strony. Na przyk�ad numer referencyjny strony B779E800 to warto�� skr�tu 011C01C1185F8DB3.

Transformacja 5: Pozbycie si� grzbietu ksi��ki

Nasz katalog zam�wie� jest niezwyk�� ksi��k�, poniewa� ka�da z jego stron zawiera w�asny numer referencyjny, numer referencyjny poprzedniej strony oraz numer referencyjny odpowiedniej strony z tre�ci�. Jednak nasz katalog porz�dkowy jest nadal tradycyjn� ksi��k�, kt�rej strony s� utrwalone w grzbiecie ksi��ki. Co si� stanie, je�li pozb�dziemy si� grzbietu i zamienimy nasz� ksi��k� zam�wie� na stos lu�nych stron? W ten spos�b niszczymy fizyczne po��czenie stron, w wyniku czego tracimy r�wnie� fizyczne uporz�dkowanie naszych stron. Na szcz�cie uporz�dkowanie stron nie zosta�o ca�kowicie utracone. Ka�da strona zawiera numer referencyjny poprzedniej strony. W rezultacie mo�emy przechodzi� od strony do strony wstecz, post�puj�c zgodnie z numerami stron na poprzedniej stronie. Je�li rozdzielimy ostatni� stron� katalogu porz�dkowego, zawsze mo�emy przegl�da� wszystkie strony w odwrotnej kolejno�ci.

Cel osi�gni�ty: Docenianie wyniku

Podsumujmy, co osi�gn�li�my w tym przyk�adzie. Klasyczn� ksi��k� zamienili�my w dwa fizycznie nieuporz�dkowane stosy lu�nych stron, kt�re s� po��czone z unikalnymi numerami referencyjnymi. Jeden stos stron zawiera tre��, a drugi stos stron utrzymuje porz�dek. Dla uproszczenia nazywamy ten ostatni stos stron katalogiem porz�dkowym. Ka�da strona katalogu porz�dkowefo zawiera numer referencyjny na poprzedniej stronie oraz numer referencyjny odpowiedniej strony z tre�ci�. W rezultacie oddzielili�my kolejno�� od przechowywania informacji i logicznej lokalizacji (kolejno�ci) od fizycznej lokalizacji stron. Z uwagi na fakt, �e u�yli�my warto�ci skr�tu jako numer�w referencyjnych, ka�dy mo�e zweryfikowa� ich poprawno��, po prostu przeliczaj�c je ponownie. Poniewa� strony katalogu porz�dkowego nie s� ju� ustalony na grzbiecie ksi��ki, mo�emy przegl�da� go wstecz w kolejno�ci strona po stronie, pod��aj�c za numerami stron wskazuj�cymi na poprzedni� stron�.

Struktura danych Blockchain

Co to jest struktura danych blockchain? W�a�ciwie znasz ju� odpowied�, poniewa� w poprzednim przyk�adzie opracowano uproszczon� struktur� danych blockchain. U�ywali�my jednak innej terminologii. Ta sekcja ko�czy analogi�, ��cz�c elementy przekszta�conej ksi��ki z terminologi� stosowan� w kontek�cie �a�cucha blok�w. Nasza przekszta�cona ksi��ka sk�ada si� z:

* Jednostki mentalnej sk�adaj�cej si� ze strony katalogu zamawiaj�cego i jego strony odpowiedniej strony z tre�ci�
* Stos lu�nych stron zwany katalogiem zam�wie�
* Stos lu�nych stron zawieraj�cych tre��
* Numery referencyjne stron do identyfikacji i ��czenia stron z katalogu porz�dkowego
* Numery referencyjne tre�ci do identyfikacji i ��czenia stron tre�ci

Jednostka mentalna strony katalogu zam�wie� i odpowiadaj�ca jej tre��

Jednostka mentalna strony katalogu zamawiania i odpowiadaj�cej jej strony tre�ci dotyczy jednego bloku w strukturze danych blockchain. Wszystkie te bloki razem tworz� struktur� danych blockchain. Nale�y zauwa�y�, �e jednostka strony zamawiaj�cej i odpowiadaj�cej jej strony tre�ci jest tylko jednostk� mentaln�, poniewa� strony katalogu porz�dkowego i strony tre�ci s� fizycznie odr�bnymi jednostkami. Pierwsze odnosz� si� do drugich za pomoc� skr�t�w, kt�re w rezultacie stanowi� jedno�� umys�u.

Katalog porz�dkowy

Katalog porz�dkowy naszej przekszta�conej ksi��ki odpowiada �a�cuchowi nag��wk�w blok�w w strukturze danych �a�cucha blok�w. Ka�da strona katalogu porz�dkowego odpowiada jednemu nag��wkowi bloku w strukturze danych blockchain. Poniewa� nag��wki blok�w s� po��czone ze sob� za pomoc� odniesie� w spos�b liniowy, podobnie jak ogniwa �a�cucha, tworz� one �a�cuch nag��wk�w bloku. Podobnie jak w naszym katalogu porz�dkowym, �a�cuch nag��wk�w blok�w nie przechowuje bezpo�rednio danych transakcji, a jedynie przechowuje odwo�ania do odpowiednich danych transakcji. To jest punkt, w kt�rym jednostka mentalna katalogu zam�wie� i tre�ci staje si� wa�na.

Strony z tre�ci�

Tre�� przekszta�conej ksi�gi jest r�wnowa�na z danymi transakcji obs�ugiwanymi przez blockchain. S� one specyficzne dla naszego obszaru aplikacji, kt�ry zarz�dza w�asno�ci�. W rzeczywistych aplikacjach blockchain nie ma stron z tre�ci�; Z powod�w dydaktycznych stworzy�em termin strony z tre�ci�. Rzeczywiste aplikacje blockchain przechowuj� dane tre�ci (np. dane transakcji) bezpo�rednio w bazie danych, a my nazywamy je drzewami Merkle, kt�rych korzenie s� przechowywane w nag��wkach blok�w.

Numery referencyjne stron katalogu

Numery stron naszej przekszta�conej ksi��ki u�ywane do identyfikacji stron katalogu poz�dkowego odpowiadaj� kryptograficznym warto�ciom skr�tu poszczeg�lnych nag��wk�w blok�w w strukturze danych �a�cucha blok�w. S� one odpowiednio nazywane skr�tem blokowym lub skr�tem poprzedniego bloku. S�u�� do jednoznacznej identyfikacji ka�dego nag��wka bloku i odnosz� si� do poprzedniego nag��wka bloku. Rzeczywiste odniesienie z jednego nag��wka bloku do jego poprzednika odbywa si� za pomoc� odwo�ania skr�tu.

Numery referencyjne tre�ci

Numery referencyjne tre�ci w naszej przekszta�conej ksi��ce u�ywane do identyfikowania stron tre�ci s� r�wnowa�ne referencjom skr�tu w �a�cuchu nag��wk�w blok�w wskazuj�cych na powi�zane dane transakcji. M�wi�c �ci�lej, numer referencyjny zawarto�ci przechowywany w nag��wku bloku jest katalogiem g��wnym drzewa Merkle danych transakcji przechowywanych w bazie danych. Jest to punkt, w kt�rym tworzona jest jednostka mentalna katalogu zamawiania (nag��wek bloku) i odpowiadaj�ca jej zawarto�� (drzewo Merkle z danymi transakcji).

Przechowywanie transakcji w strukturze danych Blockchain

Rysunek podsumowuje to, czego si� nauczy�e�, schematycznie przedstawiaj�c struktur� danych blockchain, kt�ra przechowuje cztery transakcje.

Ilustracja podana powy�ej pokazuje uproszczon� struktur� danych �a�cucha blok�w, kt�ra sk�ada si� z dw�ch blok�w oznaczonych BLOK 1 i BLOK 2. Aby podkre�li� mentaln� natur� blok�w, s� one rysowane liniami przerywanymi. Oba bloki zawieraj� nag��wki blok�w odpowiednio oznaczone jako Nag��wek bloku 1 i Nag��wek bloku 2. BLOK 1 jest pierwszym blokiem w tej strukturze danych, dlatego nie ma poprzedniego bloku, a zatem nag��wek bloku 1 nie zawiera �adnego odniesienia do poprzedniego nag��wka bloku. Poniewa� BLOK 2 ma poprzednika, Nag��wek bloku 2 zachowuje odniesienie skr�tu do poprzedniego nag��wka bloku oznaczonego jako B1. Przedstawiona struktura danych blockchain zachowuje odniesienie skr�towe do dw�ch r�nych drzew Merkle, kt�rych korzenie s� oznaczone odpowiednio R12 i R34. Etykiety korzeni Merkle daj� nam ju� wskazanie danych transakcji, kt�re zawieraj� (np. Drzewo Merkle z korzeniem R12 zawiera dwie pierwsze transakcje oznaczone jako Transakcja 1 i Transakcja 2 oraz odpowiadaj�ce im skr�ty R1 i R2, kt�re wskazuj� im). Je�li do��czy�e� do rozproszonego systemu peer-to-peer, kt�ry utrzymywa� struktur� danych blockchain, jak pokazano na rysunku, otrzymasz wszystkie dane transakcji, wszystkie warto�ci referencyjne skr�t�w i wszystkie nag��wki blok�w. Na podstawie tych danych komputer lokalny utworzy�by struktur� danych blockchain, w tym odwo�ania do skr�t�w wskazuj�ce dane przechowywane na komputerze lokalnym. Wyposa�ony w te dane i w odniesieniu do najbardziej aktualnego nag��wka bloku mo�na przegl�da� histori� wszystkich danych transakcji, kt�re kiedykolwiek zosta�y przes�ane do systemu od momentu ich utworzenia w odwrotnej kolejno�ci, co w naszym przypadku to tylko cztery transakcje. Zauwa�, �e odniesienie do najcz�ciej dodawanego nag��wka bloku nazywa si� nag��wkiem struktury danych blockchain, poniewa� jest to miejsce, w kt�rym zostanie dodany nast�pny blok. Czasami zar�wno ostatnio dodawany nag��wek bloku, jak i odno�nik wskazuje na to, �e nazywa si� g�ow� struktury danych blockchain. Na rysunku odno�nik oznaczony jako B2 jest g�ow� struktury danych blockchain. Wa�ne jest, aby nie miesza� termin�w "g�owa" i "nag��wek": struktura danych blockchain sk�ada si� z wielu blok�w, z kt�rych ka�dy ma sw�j w�asny nag��wek, ale ca�a struktura danych blockchain ma tylko jedn� g�ow�.

Uwaga

Struktura danych blockchain om�wiona na tym etapie i zilustrowana na rysunku zosta�a uproszczona z powod�w dydaktycznych. Wiele szczeg��w dotycz�cych informacji przechowywanych w nag��wkach blok�w zosta�o celowo pomini�tych. Niekt�re z nich zostan� om�wione w nast�pnych krokach, gdy sko�czysz rozumie� blockchain.

Perspektywy

W tym kroku wprowadzono struktur� danych blockchain i wyja�niono jej budow�. Spos�b, w jaki struktura danych blockchain w znacznym stopniu wykorzystuje odwo�ania do skr�t�w, sprawia, �e jest to magazyn danych bardzo wra�liwy na zmiany. Nast�pny krok wyja�nia t� w�a�ciwo�� bardziej szczeg�owo, poniewa� jest to klucz do zrozumienia, w jaki spos�b �a�cuch blok�w jest bezpieczny.

PODSUMOWANIE

• Struktura danych blockchain to szczeg�lny rodzaj struktury danych, kt�ry sk�ada si� z uporz�dkowanych jednostek zwanych blokami.
• Ka�dy blok struktury danych blockchain sk�ada si� z nag��wka bloku i drzewa Merkle zawieraj�cego dane transakcji.
• Struktura danych blockchain sk�ada si� z dw�ch g��wnych struktur danych: uporz�dkowanego �a�cucha nag��wk�w blok�w i drzew Merkle.
• Mo�na sobie wyobrazi� uporz�dkowany �a�cuch nag��wk�w blok�w jako cyfrowy odpowiednik staromodnego katalogu kart bibliotecznych, w kt�rym poszczeg�lne karty katalogowe s� sortowane zgodnie z kolejno�ci�, w jakiej zosta�y dodane do katalogu.
• Posiadanie ka�dego nag��wka bloku odnosz�cego si� do poprzedniego nag��wka bloku zachowuje kolejno�� odpowiednio poszczeg�lnych nag��wk�w blok�w i blok�w, kt�re tworz� struktur� danych blockchain.
• Ka�dy nag��wek bloku w strukturze danych blockchain jest identyfikowany przez jego kryptograficzn� warto�� skr�tu i zawiera odwo�anie do poprzedniego nag��wka bloku oraz odwo�anie do danych specyficznych dla aplikacji, kt�rych kolejno�� zachowuje.
• Odwo�anie skr�tu do danych specyficznych dla aplikacji jest zwykle korzeniem drzewa Merkle, kt�re utrzymuje odniesienia skr�tu do danych specyficznych dla aplikacji.

Blockchain dla Nie-Technik�wNew Economy

Przechowywanie danych transakcji