Архитектура Bitcoin

Зачем это блокчейну?

Bitcoin — это не просто криптовалюта. Это распределённая система, где тысячи независимых узлов поддерживают общую историю транзакций без центрального сервера. Каждый узел самостоятельно проверяет каждый блок и каждую транзакцию, не доверяя другим участникам сети.

В этом модуле мы разберём, как это работает изнутри — от структуры транзакций до Lightning Network. Вы поймёте не просто что делает Bitcoin, а почему каждый компонент спроектирован именно так.

# Это то, что происходит каждые ~10 минут в сети Bitcoin:
# 1. Узлы получают транзакции от пользователей
# 2. Майнеры собирают транзакции из mempool в блок
# 3. Майнер находит nonce: SHA256d(header) < target
# 4. Блок рассылается по P2P сети
# 5. Каждый узел НЕЗАВИСИМО проверяет блок
# 6. Валидный блок добавляется в цепочку

import hashlib

def sha256d(data: bytes) -> bytes:
    """Double SHA-256 -- основная хеш-функция Bitcoin"""
    return hashlib.sha256(hashlib.sha256(data).digest()).digest()

# Пример: Genesis Block header (80 байт) -> block hash
genesis_header_hex = (
    "01000000"  # version
    "0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000"  # prev hash
    "3ba3edfd7a7b12b27ac72c3e67768f617fc81bc3888a51323a9fb8aa4b1e5e4a"  # merkle root
    "29ab5f49"  # timestamp
    "ffff001d"  # nbits
    "1dac2b7c"  # nonce
)
header_bytes = bytes.fromhex(genesis_header_hex)
block_hash = sha256d(header_bytes)
# Результат (little-endian -> display): 000000000019d6689c...
print(f"Genesis Block Hash: {block_hash[::-1].hex()[:16]}...")

Обзор архитектуры

Каждый полный узел (full node) Bitcoin состоит из нескольких ключевых компонентов. Они работают вместе, обеспечивая независимую проверку всей истории транзакций.

Компоненты полного узла

P2P Сеть — узел поддерживает TCP-соединения с 8-125 другими узлами. Через них он получает новые блоки, транзакции и адреса других узлов. Протокол использует бинарные сообщения с magic bytes, командой и чексуммой.

Mempool — пул неподтверждённых транзакций. Когда пользователь отправляет транзакцию, она попадает в mempool узла, где ждёт включения в блок. Каждая транзакция проходит полную валидацию перед попаданием в mempool.

Валидация блоков — проверка Proof-of-Work (хеш < target), структуры заголовка, всех транзакций в блоке и соблюдения правил консенсуса. Если хоть одно правило нарушено — блок отклоняется.

UTXO Set — множество всех неизрасходованных выходов (~100 миллионов записей). Это ядро Bitcoin: именно по UTXO Set проверяется, может ли транзакция тратить указанные входы.

Кошелёк — управление ключами и создание транзакций. В Bitcoin Core 30.2 используются только descriptor wallets (дескрипторные кошельки). Кошелёк отслеживает баланс как сумму UTXO, которые он может потратить.

RPC интерфейс — JSON-RPC API для взаимодействия с узлом. Через него работают bitcoin-cli, кошельки и приложения.

Bitcoin vs традиционная банковская система

Чтобы понять архитектуру Bitcoin, полезно сравнить её с привычной банковской системой.

Ключевое архитектурное отличие: банк использует account model (баланс на счёте), а Bitcoin — UTXO model (набор неизрасходованных выходов). В следующем уроке мы подробно разберём модель UTXO.

Ключевые концепции модуля

В этом модуле мы последовательно разберём:

Связь с криптографией

Всё, что мы изучили в модуле “Криптографические основы”, напрямую применяется в Bitcoin:

Endianness в Bitcoin

Важная техническая деталь, которая часто вызывает путаницу: Bitcoin использует little-endian для внутреннего хранения, но отображает хеши в big-endian (reversed).

import hashlib

# Пример: txid
raw_tx = bytes.fromhex("01000000...")  # сериализованная транзакция

# Внутренний формат (little-endian):
internal_hash = hashlib.sha256(hashlib.sha256(raw_tx).digest()).digest()
print(f"Внутренний (LE): {internal_hash.hex()[:16]}...")

# Формат отображения (big-endian / reversed):
display_hash = internal_hash[::-1]
print(f"Отображение (BE): {display_hash.hex()[:16]}...")

# bitcoin-cli возвращает в формате отображения (reversed)
# python-bitcoinlib:
# lx("abcd...")    -- из display (BE) в internal (LE)
# b2lx(bytes)     -- из internal (LE) в display (BE) строку

Запомните: то, что вы видите в bitcoin-cli — это reversed byte order. При работе с библиотеками используйте lx() для преобразования display -> internal и b2lx() для internal -> display.

Практика

Закрепите знания на практике:

1. Bash-лаб (labs/bitcoin/scripts/lab-01-transactions.sh): Создание транзакций на regtest через bitcoin-cli. Вы увидите UTXO, отправите транзакцию, соберёте raw transaction вручную.

2. Python notebook (labs/crypto/notebooks/10-bitcoin-transactions.ipynb): Программная работа с транзакциями через python-bitcoinlib. Подключение к regtest, парсинг транзакций, конструирование P2WPKH.

# Запуск лаба:
docker compose -f labs/bitcoin/docker-compose.yml up -d
docker exec bitcoin-regtest bash /scripts/init-regtest.sh
docker exec bitcoin-regtest bash /scripts/lab-01-transactions.sh

Что дальше?

В следующем уроке мы разберём модель UTXO — фундаментальную концепцию Bitcoin. Вы узнаете, почему в Bitcoin нет понятия “баланс”, как работают входы и выходы транзакций, и что такое сдача.