هدر بلاک (Block Header) چیست و چگونه کار می کند؟

هدر بلاک چیست؟

هدر بلاک یا بلاک هدر (Block Header) بخش مهمی از ساختار هر بلاک در شبکه بلاکچین است که اطلاعات کلیدی درباره یک بلاک را در خود حفظ می‌کند. هدر بلاک در واقع مانند شناسنامه‌ای برای هر بلاک عمل است؛ شناسنامه‌ای که نه‌تنها هویت منحصر‌به‌فرد بلاک را تعریف می‌کند، بلکه آن را به بلاک‌های قبلی متصل می‌کند. اتصال زنجیره‌ای به کمک همین فناوری صور می‌گیرد و همین موضوع باعث می‌شود بلاکچین خاصیت غیرقابل تغییر (immutability) داشته باشد. به‌طور کلی Block Header حاوی هش است و به عنوان معیار اعتبار بلاک استفاده می‌شود. از همین رو کوچک‌ترین تغییر در اطلاعات داخل هدر، منجر به تغییر کامل هش بلاک می‌شود.

البته اگر در خصوص هش اطلاعات زیادی ندارید توصیه می‌کنیم ابتدا مقاله “هش چیست” را مطالعه کنید تا درک بهتری از هدر بلاک پیدا کنید. با این حلب بهتر است بدانید که هدر بلاک نقش اساسی در امنیت، اجماع و شفافیت شبکه ایفا می‌کند. از همین رو بدون وجود آن، هیچ روشی برای تشخیص اعتبار یا ترتیب زمانی بلاک ها وجود ندارد و سازوکار بلاکچین به کلی مختل می‌شود.

اجزای تشکیل دهنده بلاک هدر

اکنون که با مفهوم هدر بلاک آن شدید، بهتر است بدانید که اجزای متعددی فناوری بلاک هدر را تشکیل داده‌اند که هر کدام کنار هم، به منحصربه‌فرد بودن، حفظ امنیت و قابل پیگیری هر بلاک کمک می‌کنند. با در نظر داشتن این موضوع اجزای تشکیل دهنده بلاک هدر شامل:

• مهر زمان (Timestamp)
• شماره نسخه یا ورژن (Version)
• ریشه مرکل (Merkle Root)
• سختی شبکه (Difficulty Target)
• هش بلاک قبلی (Previous Block Hash)
• نانس (Nonce)

Timestamp (مهر زمان)

مهر زمان (Timestamp) نشان می‌دهد که یک بلاک دقیقا در چه زمانی ایجاد شده است. این زمان به‌صورت یک عدد اعشاری نمایش داده می‌شود که نشان‌دهنده تعداد ثانیه‌های گذشته از تاریخ مرجع جهانی (Epoch Time)، یعنی یکم ژانویه ۱۹۷۰، است. این روش، استانداردی جهانی برای ثبت زمان در سیستم‌های دیجیتال، از جمله بلاکچین، است.

وجود Timestamp در هدر بلاک نقش حیاتی در حفظ ترتیب زمانی بلاک‌ها دارد. به کمک آن، شبکه می‌تواند بررسی کند که آیا بلاک‌ها در زمان صحیح ایجاد شده‌اند یا خیر. همچنین مهر زمان برای تنظیم سختی شبکه (Difficulty) در دوره‌های زمانی مشخص و کنترل نرخ تولید بلاک ها نیز استفاده می‌شود. به‌طور کلی اگر مهر زمان امن و قابل‌اعتماد نباشد یا دستکاری شود، ممکن است کل ساختار زنجیره‌ای بلاکچین دچار اختلال شود. بنابراین، مهر زمان یکی از پایه‌های حفظ نظم، شفافیت و امنیت در بلاکچین است.

Version (نسخه بلاک)

نسخه بلاک (Version)، عددی است که نشان می‌دهد بلاک براساس کدام نسخه از قوانین شبکه بلاکچین ایجاد شده است. در واقع، هر زمان که توسعه‌دهندگان شبکه تغییرات یا به‌روزرسانی‌هایی در ساختار یا قوانین بلاکچین اعمال می‌کنند، این عدد نیز به‌روز می‌شود. وجود این نسخه در هدر بلاک باعث می‌شود که گره‌های شبکه یا همان نودها تشخیص دهند که آیا بلاک با نسخه فعلی سازگار است یا خیر. چنانچه بلاکی با نسخه قدیمی ایجاد شود، ممکن است دیگر با قوانین جدید شبکه مطابقت نداشته باشد و رد شود.

برای مثال، اگر یک الگوریتم جدید برای تایید تراکنش‌ها معرفی شود، نسخه بلاک ها نیز باید تغییر کند تا نودها بدانند این بلاک مطابق با سیستم جدید ایجاد شده است. بنابراین، نسخه بلاک ابزاری مهم برای حفظ هماهنگی، سازگاری و اجماع در کل شبکه بلاکچین است. اکنون ممکن است این سوال برایتان ایجاد شود که گره یا نود چیست؟
نودها یا گره‌ها، کامپیوترهایی هستند که به یک شبکه متصل بوده و وظایف مختلفی را در شبکه بلاکچین ایفا می‌کنند.

Merkle Root (ریشه مرکل)

ریشه مرکل (Merkle Root) یک هش منحصر‌به‌فرد است که از تمام تراکنش‌های موجود در یک بلاک تولید می‌شود. برای درک بهتر این بخش مهم از هدر بلاک، تصور کنید تراکنش‌ها مانند برگ‌های یک درخت هستند. ابتدا هر تراکنش به‌صورت جداگانه به یک هش تبدیل می‌شود (یعنی به یک رشته عددی رمزنگاری‌شده). سپس این هش‌ها به‌صورت دوتایی با هم ترکیب شده و دوباره به یک هش جدید تبدیل می‌شوند. این فرآیند آن‌قدر ادامه می‌یابد تا در نهایت فقط یک هش باقی بماند که به آن ریشه مرکل می‌گویند.

به‌طور کلی ریشه مرکل کاربردهای متعددی در بلاکچین دارد و ساختار درختی آن به ارزیابی صحت یک تراکنش خاص بدون بررسی تمام بلاک های تایید شده کمک می‌کند. برای مثال، اگر کسی بخواهد مطمئن شود یک تراکنش خاص در بلاک وجود دارد، کافی‌ است مسیر مربوط هش آن تراکنش تا ریشه مرکل بررسی شود.
به همین دلیل، Merkle Root سرعت تایید تراکنش‌ها را افزایش می‌دهد و نیاز به ذخیره‌سازی حجم زیادی از داده را می‌کاهد. این ویژگی، یکی از عناصر کلیدی در افزایش کارایی و امنیت بلاکچین است.

Difficulty Target (سختی شبکه)

همانطور که پیش‌تر به آن اشاره شد سختی شبکه یکی از مهم‌ترین اجزای تشکیل‌دهنده هدر بلاک است. اکنون ممکن است این سوال پیش بیاید که سختی شبکه چیست؟
Difficulty Target یا مقدار سختی شبکه، عددی است که مشخص می‌کند استخراج یک بلاک چقدر باید دشوار باشد، بر این اساس، استخراج‌کنندگان (ماینرها) به این نتیجه می‌رسند که برای پیدا کردن یک بلاک معتبر، تا چه حد باید محاسبات را انجام دهند و از چه دستگاه‌هایی برای این فرآیند استفاده کنند.
در شبکه‌هایی مثل بیت کوین، هدف این است که هر بلاک در یک بازه زمانی به طور مثال هر 10 دقیقه تولید شود.

از همین رو، اگر قدرت پردازش ماینرها افزایش یابد و بلاک‌ها سریع‌تر از حد معمول تولید شوند، شبکه به‌طور خودکار سختی استخراج را افزایش می‌دهد. برعکس، اگر استخراج کند شود، سختی کاهش می‌یابد. به‌طور کلی سختی شبکه منجر به تولید بلاک‌ها در یک ریتم ثابت می‌شود و از نوسانات ناگهانی جلوگیری می‌کند. به همین دلیل، Difficulty Target نقش مهمی در پایداری، امنیت و زمان‌بندی منظم شبکه بلاکچین دارد.

همچنین تنظیمات سختی شبکه به‌صورت دوره‌ای انجام می‌شوند. بیت کوین، هر ۲۰۱۶ بلاکی که تایید می‌کند سختی شبکه را با توجه به عملکرد اخیر پروژه تنظیم می‌کند. با این حال بهتر است بدانید که سختی شبکه بیت کوین بالا است و افراد برای استخراج ارز BTC به ماینرهایی با توان پردازشی بالا نیاز دارند.

Previous Block Hash (هش بلاک قبلی)

هش بلاک قبلی (Previous Block Hash) یک هش رمزنگاری‌شده است که خلاصه‌ای از تمام اطلاعات بلاک قبلی را در خود نگه می‌دارد. این هش، ۲۵۶ بیت طول دارد و در هدر هر بلاک ذخیره می‌شود؛ از همین رو، هر بلاک را به بلاک قبل از خود متصل می‌کند. این اتصال زنجیره‌ای همان چیزی است که مفهوم “بلاکچین” را شکل می‌دهد. اگر کسی بخواهد اطلاعات یک بلاک را تغییر دهد، هش آن بلاک نیز تغییر خواهد کرد. در نتیجه، بلاک‌های بعدی که بر اساس آن هش ایجاد شده‌اند، نامعتبر می‌شوند.

از این رو برای اصلاح این زنجیره شکسته‌شده، باید تمام بلاک‌های بعدی دوباره ساخته شوند و از آنجایی که این فرایند به قدرت پردازشی بسیار بالایی نیاز دارد تقریبا غیر ممکن است. به همین دلیل، هش بلاک قبلی نقش کلیدی در امنیت و تغییرناپذیری شبکه بلاکچین دارد و مانع تقلب یا دستکاری در شبکه می‌شود.

Nonce (نانس)

نانس (Nonce)، عددی است که تنها یک بار اعتبار دارد و نقش کلیدی در فرآیند استخراج یا همان ماینینگ ایفا می‌کند. این عدد، توسط ماینرها به‌صورت مداوم تغییر می‌کند تا به نتیجه‌ای سازگار با قوانین شبکه دست یابند. در هنگام استخراج یک بلاک، ماینرها باید هدر بلاک را طوری تنظیم کنند که هش نهایی آن، عددی کوچک‌تر یا مساوی مقدار سختی شبکه باشد؛ زیرا هش به‌صورت تصادفی تولید می‌شود و تنها راه برای رسیدن به هش موردنظر، امتحان کردن مقادیر مختلف نانس است.

این فرآیند شبیه به یک بازی حدس‌زدنی است که در آن هزاران ماینر یه طور همزمان در تلاش هستند. اولین ماینری که بتواند نانسی پیدا کند که منجر به تولید هش معتبر شود، بلاک را به زنجیره اضافه کرده و پاداش دریافت می‌کند. به طور کلی وجود نانس باعث ایجاد رقابت سالم، توزیع تصادفی و امنیت در تولید بلاک‌ها می‌شود و از پیش‌بینی یا دستکاری در فرآیند استخراج جلوگیری می‌کند.

ساختار هدر بلاک چگونه است؟

هدر بلاک به‌عنوان قلب مکانیزم اجماع بلاکچین عمل می‌کند. در این فرایند ماینر با جمع‌آوری تراکنش‌ها، ساختار ریشه مرکل را می‌سازد. سپس با ترکیب ریشه مرکل، مهر زمان، نسخه بلاک و همچنین هش بلاک قبلی، اطلاعات هدر را تکمیل می‌کند. پس از انجام این مراحل ماینر نانس را تغییر می‌دهد و با آن هش کل بلاک تولید می‌شود. در این بین اگر هش تولیدشده کوچیک‌تر از محدوده سختی شبکه باشد، بلاک معتبر شناخته‌شده و منتشر می‌شود.

سپس گره‌ها وارد عمل شده و پس از بررسی صحت، هدر بلاک را می‌پذیرند. اما اگر گره تشخیص دهد که هش معتبر نیست، ماینر باید مقدار نانس را تغییر دهد و این چرخه تا رسیدن به هش معتبر تکرار می‌شود. در نتیجه، هدر بلاک با ترکیب اطلاعات مختلف، به‌صورت هم‌زمان امنیت، ترتیب و اجماع در بلاکچین را تضمین می‌کند و بدون آن، هیچ شبکه غیرمتمرکزی قادر به حفظ انسجام و تراکنش‌های شفاف نخواهد بود.

جمع بندی

در پایان، هدر بلاک یا بلاک هدر ستون اصلی ساختار ایمن و قابل‌اطمینان بلاکچین است. مولفه‌هایی همچون مهر زمان، نسخه بلاک، ریشه مرکل، سختی شبکه، هش بلاک قبلی و نانس، تضمین می‌کنند که هر بلاک معتبر، ایمن و در ترتیب صحیح قرار گرفته است. عملکرد دقیق و هماهنگی این اجزا، امکان استخراج، تضمین اجماع و مقاومت در برابر دستکاری را فراهم می‌آورد. بنابراین، درک نقش هدر بلاک، کلید فهم دقیق نحوه عملکرد بلاکچین و حفظ امنیت آن است.