УДК 519.246.8
ББК 22.172.8
Б 94
Попадюк А.Ю.
Аспирант кафедры «логистика и коммерческая работа» Петербургского государственного университета путей сообщения Императора Александра I, дежурный по станции 1-го класса Апатиты, Апатиты, тел. (904) 2165103, e-mail: antonpopadyuk1997@yandex.ru
Коровяковский Е.К.
Кандидат технических наук, доцент, и.о. заведующего кафедрой «логистика и коммерческая работа» Петербургского государственного университета путей сообщения Императора Александра I, Санкт-
Петербург, e-mail: ekorsky@mail.ru
Анализ открытого блокчейна в рамках комплексной классификации технологии распределенного реестра
(Рецензирована)
Аннотация. В статье ставится задача произвести анализ открытого блокчейна в рамках предложенной автором комплексной классификации технологии распределенного реестра. В ходе решения указанной задачи автор определяет ключевые свойства, присущие публичным блокчейнам, описывает характерные открытым реестрам алгоритмы консенсуса, а также определяет основные достоинства и недостатки таких систем. В заключении предложены рекомендуемые области применения открытых распределенных реестров.
Ключевые слова: блокчейн, распределенный реестр, прозрачность, логистика, децентрализация, криптовалюта, биткоин, цифровизация.
Popadyuk A.Yu.
Postgraduate student of the «Logistics and commercial work» department of Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University, Apatity railway station master-on-duty, Apatity, ph. (904) 2165103,
e-mail: antonpopadyuk1997@yandex.ru
Korovyakovskiy E.K.
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Ag. head of the «Logistics and commercial work» department, Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University, St. Petersburg, e-mail: ekorsky@mail.ru
Analysis of public blockchain under the distributed ledger integrated taxonomy
Abstract. The object of the article is to undertake an analysis of open blockchain under the distributed ledger integrated taxonomy suggested by the author. The author defines the key properties of the public blockchains, the consensus algorithms and he finally determines the advantages and disadvantages of the open distributed ledgers in the course of task performance. The recommended fields of application are suggested in the conclusion.
Keywords: blockchain, distributed ledger, transparency, logistics, decentralization, cryptocurrency, bitcoin, digitization.
Согласно комплексной классификации технологии распределенного реестра, предложенной автором, существует четыре типа блокчейн-систем, каждая из которых обладает уникальными свойствами (рис.1). Немаловажную роль в процессе передачи и хранения данных играют открытые блокчейны, обеспечившие успешную интеграцию технологии распределенного реестра в современные бизнес-процессы. В настоящее время существуют открытые инклюзивные блокчейны, обладающие наиболее свободным уровнем доступа и предоставляющие пользователям широкие возможности для организации операций, выполняющихся внутри сети, и открытые эксклюзивные блокчейны, где при свободном доступе права пользователей ограничены за счёт решения некоторых проблем инклюзивных блокчейн-систем.
Открытые инклюзивные блокчейны являются неизменяемыми, псевдоанонимными (или анонимными) и децентрализованными системами. Это означает, что любой желающий может стать частью сети и принимать участие в процессе консенсуса. Данные системы обладают свойствами устойчивости к цензуре и защищенности транзакций от ретроспективных изменений, что позволяет обеспечивать достоверность содержимого блокчейна даже в условиях отсутствия доверия между участвующими объектами. Помимо этого, благодаря публичному доступу к платформе, все процессы, происходящие внутри сети, полностью прозрачны.
Рис.1 – Существующие типы блокчейн-сетей
В качестве основного достоинства открытых инклюзивных блокчейнов следует выделить повышенный уровень безопасности системы за счёт применения алгоритма консенсуса Proof-of-Work (доказательство выполнения работы). Так, процесс подтверждения транзакций при использовании указанного алгоритма происходит следующим образом[1]: майнеры (лица, проверяющие и подтверждающие транзакции пользователей) наблюдают за транслируемыми в сеть транзакциями и добавляют их в свой пул. Из-за большого количества неподтверждённых транзакций и ограниченного размера блока[2] майнеры вынуждены отбирать наиболее приоритетные из них, в первую очередь ориентируясь на размер предлагаемой пользователем комиссии за добавление в блок. Как только транзакции собраны, компьютерные мощности всех майнеров автоматически начинают выполнение сложнейших математических задач с целью определения хэш-значения[3] нового блока. В первую очередь производится проверка валидности каждой транзакции блока на предмет наличия у отправителей указанных к переводу средств, после чего с корректными транзакциями формируется «дерево Меркла». Для построения «дерева Меркла» производится хэширование каждой транзакции, располагающейся в пуле майнера. Затем полученные хэш-значения попарно объединяются и хэшируются повторно. Данный алгоритм выполняется до момента определения результирующего хэш-значения, также известного как «корень Меркла» (рис.2).
Следующей деталью математических вычислений является процесс поиска нонса – случайного числа, заданного системой. В связи с вопросами безопасности, блокчейн автоматически задаёт сложность криптографической задачи поиска хэша таким образом, чтобы среднее время его определения составляло 10 минут. Например, система может установить следующее условие: хэш-функция нового блока должна начинаться с трёх нулей подряд. В зависимости от установленной сложности количество нулей в начале функции может варьироваться в разные стороны.
Рис.2 – «Дерево Меркла» при наличии 4-х транзакций в блоке[4]
Процесс поиска нонса не имеет математического алгоритма, поэтому выполняется перебором значений. Майнер, чьи компьютерные мощности первыми обнаружат указанный нонс и определят хэш-функцию нового блока, автоматически рассылает полученный ответ всем узлам сети с целью подтверждения выполненной работы. Таким образом, сгенерированный блок присоединяется к существующей цепи блокчейна, а майнеры переходят к созданию следующего блока [1]. Структура цепочки блоков в блокчейне приведена на рисунке 3.
Рис.3 – Цепь блоков в блокчейне
Каждый последующий блок в распределенном реестре связан криптографическими алгоритмами с предыдущим блоком, таким образом создавая надёжную цепь. При попытке злоумышленника изменить данные транзакции, содержащиеся в блоке (например, сумму перевода денежных средств), криптографическая взаимосвязь указанного блока с остальными элементами цепочки будет нарушена, что приведёт к последовательному уничтожению всех дальнейших блоков (рис.4)
Рис.4 – Попытка изменения данных в блоке №3
Необходимо упомянуть, что в блокчейне действует правило «длинной цепочки». Проще говоря, цепь блоков, являющаяся наиболее длинной, принимается за единственно верную версию существующей системы, и, соответственно, все дальнейшие генерируемые блоки будут добавляться именно в эту цепь. Таким образом, для того, чтобы сообщество признало изменения злоумышленников истинными, нарушителям необходимо определить хэш-значения всех последующих блоков и продолжить создание новых блоков в своей цепочке быстрее, чем это сделают все майнеры сети, работающие в изначальной версии блокчейна (рис.5).
Рис.5 – Создание альтернативной цепи в результате атаки на блок №3
Данная задача является практически невыполнимой по причине необходимости наличия более 50% всех существующих компьютерных мощностей в руках злоумышленников. Даже в случае выполнения указанного условия, подобная атака будет нецелесообразна по причине высоких денежных издержек, связанных с повышенным энергопотреблением в процессе майнинга. Помимо финансовых затрат, существуют значительные временные издержки. Чем старее транзакция, тем больше компьютерных вычислений потребуется для успешной атаки на неё. Транзакция возрастом в 1 год потребует от атакующего около 1 года вычислений при условии, что хэшрейт[5] атакующего в два раза больше хэшрейта всех остальных майнеров. Таким образом, указанный алгоритм успешно обеспечивает безопасность системы. К недостаткам алгоритма консенсуса proof-of-work следует отнести низкую пропускную способность. Из-за необходимости подтверждения всех транзакций каждым узлом сети, возникают проблемы масштабируемости таких блокчейнов. Так, пропускная способность блокчейна Биткоин составляет 7 транзакций в секунду, в то время как платёжная система Visa обрабатывает до 24 000 транзакций в секунду[6] [3]. Также существует проблема повышенного энергопотребления, возникающая в результате необходимости выполнения компьютерных вычислений для подтверждения транзакций и достижения консенсуса. Согласно отчету британского агентства Power Compare, суммарный объём электроэнергии, затрачиваемой на майнинг, превышает энергопотребление 159 стран мира. Ежегодно в результате процесса майнинга в России расходуется 1,065 трлн. кВт/год, что негативно влияет на экологию страны [4].
Помимо повышенной безопасности, открытые инклюзивные блокчейны предлагают отсутствие затрат на инфраструктуру для создания и запуска децентрализованных приложений (dApps). Такие системы являются полностью открытыми и прозрачными для всех участников сети, а транзакции в них – неизменными. Подтвержденные транзакции реплицируются на каждый участвующий узел, в то время как консенсус заботится об их проверке и синхронизации, что позволяет пользователям совершать сделки, доверяя системе. Хотя транзакции могут быть прочитаны кем угодно, идентификационные данные пользователей защищены, что обеспечивает их анонимность. Среди основных недостатков открытого инклюзивного блокчейна следует выделить следующие свойства:
1) Ограниченная масштабируемость (существует ограничение на количество транзакций, которые могут быть созданы в период повышенной нагрузки на сеть).
2) Медлительность (консенсус достигается только при условии, что каждый узел сети выполнил задачу - смарт контракт или проверку транзакции. По причине большого количества узлов, время обработки задачи увеличивается).
3) Высокая стоимость (по мере увеличения количества транзакций повышается стоимость выполнения этих транзакций).
4) Идентификационные данные (анонимные участники могут являться злоумышленниками)
5) Неизменность (хотя неизменность транзакций и является преимуществом открытого блокчейна, она в то же время является и её недостатком. Блокчейн рассматривает смарт контракт как транзакцию. Любая ошибка, заложенная в условиях смарт контракта, не может быть исправлена. Перед созданием умного контракта, программируемые условия необходимо тщательно проверять и тестировать перед развертыванием).
6) Возможность проведения «атаки 51%[7]»
7) Шанс централизации (для реализации преимуществ инклюзивных блокчейнов, стандартные узлы работают в качестве полных узлов. Под полными узлами понимаются участники, хранящие полную копию блокчейна. По мере того как сеть блокчейнов увеличивается в размерах, для небольших игроков и отдельных узлов становится дорогостоящим работать в качестве полных узлов. Только крупные игроки будут иметь возможность выполнять функции полных узлов, что может привести к централизации сети).
Открытые эксклюзивные блокчейны также, как и инклюзивные, являются анонимными (псевдоанонимными) неизменяемыми системами. Любой желающий может присоединиться к сети, получив доступ к чтению имеющейся информации, однако в отличие от инклюзивных блокчейнов, функции подтверждения транзакций лежат на уполномоченных пользователях. Открытые эксклюзивные распределенные системы предназначены для случаев, когда определенные люди или органы власти (например, назначенный сотрудник или учреждение) подтверждают транзакции, содержащие данные, которые доступны для просмотра широкой публике. Открытые эксклюзивные блокчейны не должны основываться на таких дорогих алгоритмах консенсуса, как Proof-of-Work, в виду отсутствия необходимости валидации транзакций всеми узлами сети. Наиболее распространенным алгоритмом консенсуса в открытом эксклюзивном блокчейне является Proof-of-Stake (доказательство доли владения). Ключевой особенностью данного алгоритма является отсутствие процесса майнинга, и, соответственно, большого количества математических вычислений, значительно потребляющих электроэнергию. Людей, подтверждающих новые транзакции и создающих новые блоки, называют валидаторами, а процесс подтверждения транзакций – минтингом (или форджингом). Если в алгоритме Proof-of-Work вероятность успешного майнинга зависела от наличия большого количества компьютерных мощностей, то в Proof-of-Stake в качестве «веса» голоса узла выступает монета криптовалюты данного блокчейна. Проще говоря, для того, чтобы стать валидатором, необходимо внести определенную долю монет в указанный блокчейн. Каждый держатель криптовалюты будет получать проценты за хранение (аналог депозита в банке) и иметь возможность подтверждения транзакций. Чем больше баланс валидатора, тем выше вероятность генерирования блока. Например, на рис.6 представлены четыре валидатора с долями токенов, равными 50, 30, 5 и 15 % соответственно. Поскольку валидатор №1 обладает наибольшим количеством монет, то и шанс на подписание блока у него выше, чем у остальных. Определение пользователя, подписывающего блок, происходит согласно теории вероятностей, где шанс на подписание блока прямо пропорционален количеству монет, внесённых пользователем.
Рис.6 – Процесс принятия консенсуса при помощи алгоритма Proof-of-Stake
Алгоритм Proof-of-stake является одним из наиболее доступных видов консенсуса, то есть обладающий низким «порогом входа» в связи с отсутствием необходимости в покупке дорогостоящего оборудования для майнинга. Всё, что нужно для форджинга – наличие компьютера и выбранной криптовалюты. Данный алгоритм решает «экологический вопрос», заключающийся в повышенном энергопотреблении за счёт проведения сложнейших вычислений. При использовании консенсуса доказательства доли владения исчезает проблема «гонки вооружений», присущая алгоритму Proof-of-Work, по причине прямой зависимости хэшрейта пользователя от количества монет в кошельках стейкхолдеров, а не компьютерных мощностей. Следует отметить, что система в то же время является безопасной. Так, чтобы осуществить «атаку 51%», злоумышленник должен приобрести более 50% токенов и внести их в атакуемый блокчейн. Таким образом, подобные атаки становятся финансово нецелесообразными. В результате нарушения баланса сети и устойчивости атакуемой валюты, злоумышленник пострадает сам.
К главному недостатку алгоритма следует отнести тенденцию к централизации. Консенсус стимулирует стейкхолдеров накапливать и удерживать средства на балансе сети, что противоречит принципам децентрализации, изначально заложенным в открытый блокчейн.
Открытые эксклюзивные блокчейны сохраняют ключевые достоинства инклюзивных блокчейнов, такие как отсутствие необходимости в затратах на инфраструктуру для создания и запуска децентрализованных приложений (dApps), прозрачность сети и неизменность транзакций, а также решают проблему низкой масштабируемости за счёт повышения пропускной способности сети, возникающей в результате использования алгоритма консенсуса proof-of-stake. Тем не менее, такие сети обладают меньшей открытостью и не являются в полной мере децентрализованными. Помимо этого, недостатки, присущие открытым инклюзивным сетям, такие как неизменность, возможность проведения «атаки 51%», идентификационные данные и шанс централизации так же характерны и для открытых эксклюзивных блокчейнов.
В заключение следует отметить высокую значимость открытых блокчейнов в современном мире. Теоретический анализ существующей литературы показывает, что вопросы, связанные с технологией распределенного реестра, изучены в недостаточном объёме. Таким образом, результаты проведенного анализа позволяют сделать выводы, представляющие интерес для исследований в области распределенных реестров. В первую очередь, отмечается высокая значимость предложенной классификации блокчейн-систем на четыре категории, каждая из которых обладает уникальным набором свойств, характерным конкретному типу сети. В представленной статье в рамках комплексной классификации отдельно выделяется категория открытых блокчейнов. В результате проведенного анализа рассмотрены технические аспекты открытых распределенных реестров, где особое внимание уделено алгоритмам консенсуса, присущим категории открытых блокчейнов. Помимо технических аспектов, сформированы ключевые достоинства и недостатки таких систем, что позволяет определить возможности практического использования технологии распределенного реестра в различных сферах деятельности. Таким образом, благодаря прозрачности и неизменности произведенных транзакций, ключевым свойствам открытых блокчейнов, указанные категории находят своё применение в сфере обращения криптовалют, электронных выборов, авторского права, а также управления информацией и аудита. Однако особенности публичных блокчейнов препятствуют использованию открытых распределенных сетей в области коммерческой деятельности, а в частности в сфере транспортно-логистических услуг по причине необходимости предоставления свободного доступа к корпоративной информации участвующих компаний. Помимо конфиденциальности, открытые блокчейны имеют ограничения по масштабируемости, препятствующие успешному использованию открытых реестров в сфере грузовой и коммерческой работы. Для решения указанных проблем следует обратить внимание на закрытые блокчейны, выделяемые в качестве элемента дальнейшего научного исследования технологии распределенного реестра.
| Примечания: | References: |
| 1. Попадюк А.Ю. Технические аспекты публичной распределенной сети на примере блокчейна Биткоин / А.Ю. Попадюк, Е.К. Коровяковский // Russian Journal of Logistics & Transport Management. 2019, с.116-125. | 1. Popadyuk A.Yu., Korovyakovskiy E.K. Technical Aspects of a public distributed network through the example of the Bitcoin blockchain, Russian Journal of Logistics & Transport Management. 2019, p.116-125. |
| 2. White Paper BitFury group «Public versus Private Blockchains» [Электронный ресурс]. – Режим доступа:https://bitfury.com/content/downloads/public-vs-private-pt1-1.pdf свободный – (дата обращения: 27.01.2020). | 2. White Paper BitFury group «Public versus Private Blockchains» [Electronic source]. – Available at: https://bitfury.com/content/downloads/public-vs-private-pt1-1.pdf – (access date: 27.01.2020) |
| 3. О криптовалюте просто. Биткоин, эфириум, блокчейн, децентрализация, майнинг, ICO & Co. – СПб.: Питер, 2019 г. – 256 с.: (Серия «IT для бизнеса») | 3. Crypto Currencies Bitcoin, Ethereum, Blockchain, ICO’s & Co. simply explained, Dr. Julian Hosp, 2019. 256 pp. |
| 4. Официальный сайт проекта powercompare [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://powercompare.co.uk/bitcoin/ свободный – (дата обращения: 27.01.2020). | 4. Official site of the powercompare project – Available at: https://powercompare.co.uk/bitcoin/ – (access date: 27.01.2020) |
[1] На примере блокчейна Биткоин
[2] Каждый блок в блокчейне Биткоин имеет ограничение по размеру в 1 мегабайт для защиты блокчейна от попыток злоумышленников вывести блокчейн из строя при помощи DDos-атак.
[3] Хэширование – процесс преобразования входной информации в зашифрованный код фиксированной длины. Соответственно, хэш-значением является информация, содержащаяся в блоке, зашифрованная посредством криптографической функции SHA-256 с целью возможности определения целостности информации и уникальной идентификации указанного блока.
[4] На самом деле, в одном блоке может содержаться не 4, а 4000 транзакций.
[5] Хэшрейт – количество попыток за секунду для поиска верного значения нонса [2]
[6] Следует отметить, что учёные активно работают над решением проблемы за счёт внедрения технологий «sharding» и «lightning network» в блокчейн, однако конечные результаты до сих пор не представлены.
[7] Под «атакой 51%» понимается ситуация, когда злоумышленники получают контроль более, чем над 50% вычислительных мощностей, тем самым самостоятельно принимая решение, какие транзакции считать действительными, а какие нет.