понятно и просто про блокчейн без лишнего хайпа

Модные ныне технологии блокчейна, децентрализации, финтеха будоражат умы сильных мира сего. Биткоин - плохо, блокчейн - хорошо! Такое мнение сейчас у отечественного регулятора, который, как и все централизованные органы исповедует подход: "там что-то новое возникает у масс, я не знаю что такое, но на всякий случай запрещу". Вокруг блокчейн стартапов сегодня много хайпа, и по настоящему реально никто не понимает, зачем это, где и как применить и что из этого будет. Но, веротяно, понимают, что это вторая серьезная революция после интернета, и не хотят ее упустить. Многие криптоэнтузиасты полагают, что блокчейн не имеет самостоятельной ценности без биткоина, ведь блокчейн просто технология для безопасной передачи цифровой наличности и гарантия отсутствия двойной траты и подделки криптоактива. Действительно, коллективное бессознательное под псевдонимом Сатоши Накамото не применил блокчейн для отслеживания тунца от моря до стола, не применил блокчейн для сохранения и ведения реестра документов или для хранения информации по пулям и оружию. Он использовал блокчейн только для работы биткоина. Имеет или не имеет частный блокчейн самостоятельную силу и ценность без биткоина покажет время. В рамках данной статьи мы расскажем понятным простым языком об этой технологии в целом и способам ее применения.

1. Введение

Блокчейн (Blockchain, Цепочка блоков транзакций) - децентрализованная база данных, устойчивая к попыткам злонамеренных и ошибочных манипуляций и предназначенная для упорядоченного хранения информации с привязкой ко времени. Исторически была впервые применена в 2009 году в криптовалюте Bitcoin в качестве механизма для хранения истории транзакций, где обеспечивает с одной стороны возможность внесения в неё новых записей произвольным пользователем (при условии наличия ненулевого баланса в системе и определенного количества вычислительных ресурсов и электроэнергии), а с другой - единственность базы данных для всех её пользователей.

1. Типы задач, для решения которых применим блокчейн

В общем случае применение блокчейн-технологий бывает оправдано в тех случаях, когда возникает необходимость в создании механизма хранения информации, одновременно удовлетворяющего следующим требованиям:

1. Отказоустойчивость

Созданные с применением блокчейн-технологии средства хранения данных за счет распределенности практически всегда оказываются надежнее централизованных: даже в случае полного или частичного выхода из строя отдельных узлов системы, система в целом сохраняет работоспособность. В криптовалюте Bitcoin, например, ежесуточно включаются и отключаются сотни и тысячи узлов, но при этом сама сеть продолжает безостановочно работать уже на протяжении 7 лет.

1. Многопользовательность

Основанные на блокчейн-технологиях базы данных в силу своей распределенности по определению способны к использованию многими пользователями, причем благодаря тому что как правило каждый полноправный пользователь системы одновременно выполняет роль хранителя и источника информации, скорость чтения из базы данных в первом приближении не увеличивается по мере добавления новых пользователей.

1. Единственность

В распределенных базах данных, как правило, возникают проблемы с поддержанием единственности информации - в силу того что любой участник сети должен иметь возможность добавлять информацию в базу, возникает опасность возникновения множества различных версий одной и той же базы данных в результате ошибочного и/или злонамеренного её использования.

Применение блокчейн-технологий позволяет исключить возникновение таких проблем благодаря использованию PoW (Proof of Work), PoS (Proof of Stake) и других блокчейн-специфичных алгоритмов для подтверждения правильности полученного экземпляра БД.

1. Привязка данных ко времени

Базы данных, созданные с использованием блокчейн-технологий, хранят данные в виде последовательности блоков данных, порядок расположения которых определяется временем их добавления: таким образом изменение порядка их расположения практически невозможно. Как следствие, для любой записи в БД есть возможность с заданной во время создания БД точностью определить время её добавления, что крайне важно для ряда применений. Например, при создании базы транспортировки грузов, такой подход позволяет гарантировать что груз сначала прибыл в точку А и только потом в точку Б, и любая попытка сфальсифицировать запись будет почти наверняка обречена на провал.

1. Устойчивость к попыткам фальсификации данных участниками системы

БД, построенные с помощью блокчейн-технологий, обладают свойством устойчивости к попыткам фальсификации вносимых в них данных: так как для того чтобы новая внесенная в нее запись была принята системой необходимо согласие 51% пользователей этой системы, внесение ложных данных в систему практически невозможно.

Это позволяет, в частности, создавать системы взаиморасчетов, в которых участники не имеют возможности полностью или даже частично доверять друг другую.

Также основанные на блокчейн БД могут (но не должны) удовлетворять требованию

1. Общедоступности

Реализованная с использованием блокчейн-технологий система может быть частично или полностью общедоступной, что позволяет реализовывать крупные распределенные системы любого масштаба, в том числе глобального.

1. Принцип работы блокчейна

1. БД, созданная с использованием блокчейн-технологий представляет собой распространяемую через пиринговую сеть её участниками постоянно растущую последовательность записей (блоков), упорядоченных по времени их добавления.

2. В случае если пользователь получает от других пользователей системы несколько разных соответствующим остальным правилам версий БД, корректной считается та из них, длина которой больше.

3. В каждый блок добавляется временная отметка и т.н. хэш-сумма (в первом приближении хэш-сумму любого блока можно считать его уникальным отпечатком) предыдущего блока, что позволяет связать блоки в цепочку (chain) в строго определенном порядке: при попытке переставить местами блоки B и C в последовательности A -> B -> C блоки B и C перестанут быть корректными из-за того что, во-первых, порядок временных меток будет неправильным (они, очевидно, должны в каждом последующем блоке быть больше чем в предыдущем), а во-вторых хэш-суммы не будут соответствовать исходным данным что сделает их некорректными.

4. Очевидно, что изложенных в (3) правил недостаточно для обеспечения свойств единственности и привязки ко времени: любой желающий может изменить временную отметку и пересчитать хэш-суммы так, чтобы сформировать цепочку блоков, корректную с точки зрения системы использующей только принципы изложенные в (3).

Для предотвращения этого используется множество различных способов, большую часть которых можно разделить на две категории: Proof of Work (PoW, доказательство работы) и Proof of Stake (PoS, доказательство владения). В обеих системах основополагающим принципом является принцип дороговизны формирования блока, в частности в PoW-системах для создания корректного блока кроме условий изложеных в (2) блок должен удовлетворять ещё одному: для формирования корректного блока необходимо произвести вычислительно сложную и энергетически затратную операцию (как правило - подбор записи, при добавлении которой в блок его хэш-сумма будет удовлетворять некоторым заранее определенным условиям).

Таким образом, при условии, что значительное число участников сети формируют новые блоки, для перезаписи содержимого базы данных злоумышленнику потребуется сконцентрировать в своих руках вычислительные и энергетические мощности сопоставимые с вычислительной мощностью большинства участников сети.

Кроме того, существует альтернативный подход, в котором для формирования блока следует получить согласие большей части участников сети (как правило оно выражается посредством цифровой подписи каждого из участников). Такой подход малоприменим для создания глобальных блокчейн-систем со свободным доступом, но вполне пригоден для создания малых отраслевых блокчейн-баз, например, для системы взаиморасчетов разноуровневых поставщиков и крупных потребителей электроэнергии.

1. Примеры использования блокчейн-технологий

Приведем несколько примеров систем, использующих блокчейн-БД

1. В первую очередь это, разумеется, Bitcoin и другие криптовалюты. Как уже было сказано, блокчейн-системы были впервые разработаны и применены в рамках этих систем, что и сделало возможным само их существование. Используя алгоритмы ассиметричного шифрования совместно с блокчейн-БД, эти системы позволяют их пользователям (которыми могут стать любые желающие пользователи Интернет) осуществлять переводы внутренних единиц обмена (биткоины, лайткоины, и т.д.), причем для этих операций гарантируется их безопасность (система гарантирует что пользователь может переводить средства только со своих счетов, и что список транзакций существует в единственном экземпляре, т.е. его подмена практически невозможна).

На момент написания этих строк рыночная капитализация пяти самых популярных валют составила 11,5 млрд долларов США, что, по мнению автора, свидетельствует об успешности этих проектов.

1. Кроме того, в последнее время приобрели популярность проекты альтернативных (т.е. не-Биткоин) криптовалют, позволяющих своим пользователям кроме осуществления транзакций задавать правила обработки этих транзакций с помощью специальным образом сформированного пользователем программного кода, который интегрируется в блокчейн-БД и выполняется всеми участниками сети при обработке этих транзакций. Такой подход дает возможность создавать значительно сложные финансовые приложения, сохраняющие при этом типичные свойства блокчейн-систем, т.е. распределенность, отказоустойчивость и устойчивость к внешним административным воздействиям.

В качесте примера такого проекта можно привести криптовалюту Ethereum, капитализация который составляет ~1 млрд долларов.

1. Также блокчейн-технологии находят применение в т.н. "интернете вещей": благодаря своей децентрализованности и способности несмотря на это сохранять единство данных для всех участников сети, БД, созданные с применением этих технологий находят свое применение в области отказоустойчивого управления и синхронизации работы подключенных к сети устройств, количество которых стремительно растет в последние годы.

В совокупности с (2), возникает возможность создания комплексов устройств, способных самостоятельно, независимо от работоспособности центральных серверов компании-производителя, принимать оплату за оказание тех или иных услуг, в том числе и от других устройств, что создает возможность автоматического независимого обмена ресурсами (например, электроэнергией).

Кроме того, гарантированная единственность БД блокчейн-систем и возможность её локальной проверки позволяет осуществлять распространение криптографических ключей для такого рода устройств, что позволяет значительно увеличить её безопасность - ключи могут быть обновлены даже в случае выхода из строя серверов компании-производителя устройства (например из-за DDoS-атаки или из-за ухода компании с рынка).

1. Степень развития блокчейн-технологий и объемы инвестирования

По мнению многих экспертов, блокчейн-технологии на сегодняшний день находятся в зачаточной стадии развития, за которой последует бурный рост, подобный тому что происходило с сетью Интернет в середине-конце 90х годов, когда узкоспециализированная сеть ученых, корпораций и военных внезапно породила многомиллиардную индустрию. В качестве примера одного из таких мнений можно привести статью Марка Андресена (одного из основателей компании "Адресен Хоровитц", под управлением которой в 2014 году находилось около 4 миллиардов долларов).

Объем инвестиций в системы, построенные с использованием этих технологий, к первому кварталу 2016 года составил 1.1 млрд долларов США, что свидетельствует о том интерес к таким системам не ограничивается экспертными оценками, а реализуется и в виде вполне осязаемых и реальных денежных вливаний в компании, занимающиеся их разработками.

инвестиции в блокчейн и биткоин стартапы
В России также ведутся работы по интеграции блокчейн-систем в бизнес-процессы компаний: например, 5 октября 2016 года ряд крупных финансовых организаций (Сбербанк, Альфа-Банк, Qiwi и другие) провели совместное тестирование механизма обмена информацией о клиентах, в основе которого находится Мастерчейн Банка России, построенный, свою очередь, на базе исходных кодов криптовалюты Ethereum.

Очевидно, что существует высокая вероятность того что в ближайшем (3-5 лет) будущем блокчейн-технологии займут свое место как в организационных процессах работы крупных корпораций, так и в повседневной жизни, причем как в России, так и за рубежом. Хотя определенные реализации будут пользоваться т.н. "частыми блокчейнами", подавляющее большинство систем будет базироваться на общедоступных распределенных блокчейнах, например, блокчейнах криптовалют Bitcoin и Ethereum.

Часть таких систем будут иметь глобальный характер - например система добровольно цифровой идентификации Bitnation ставит своей целью создание независимой от третьих лиц распределенной организации, предоставляющей услуги, традиционно предоставляемых государствами, в частности услуги идентификации личности и нотариального заверения контрактов. Несмотря на то что эта конкретная реализация вряд ли окажется успешной (малая компьютерная грамотность значительной части населения, отсутствие в настоящий момент поддержки государства или крупных организаций, малоразвитость в настоящий момент основанных на блокчейне технологий и т.д.), она, тем не менее, демонстрирует потенциал блокчейн-технологий в области формирования и контроля новых механизмов управления межличностными, межорганизационными и межгосударственными отношениями.

Таким образом, нельзя исключать возникновения в кратко- и среднесрочной перспективе основанных на блокчейн-технологиях систем, использование которых станет как минимум желательным, а как максимум - необходимым для осуществления юридических, финансовых и политических операций.

1. Значение для цифровой безопасности России

В связи с этим возникает вопрос безопасности и контроля общедоступных блокчейн-систем: несмотря на то что на протяжении всего существования, например, криптовалютной системы Bitcoin, она ни разу не была взломана, остается вопрос - есть ли у каких-нибудь лиц и\или организаций возможность манипулировать базой данных, лежащей в основе этой и других подобных ей публичных систем?

Детальный анализ показывает что такая возможность, в принипе, имеется: как уже было упомянуто, для обеспечения единственности базы данных при использовании блокчейн-технологий используются специальные методы, самым популярным и актуальным из которых на сегодняшний день являются основанные на принципе PoW (Proof of Work) - для добавления нового блока в базу пользователь должен произвести ряд вычислительно сложных операций, для чего он должен обладать значительными аппаратными и энергетическими ресурсами. Таким образом, в случае если некоторое лицо или группа лиц будет контролировать значительную часть вычислительных ресурсов сети, у него (них) появится возможность:

а) Блокировать внесение новой информации в блокчейн

Для внесения информации в цепочку блоков необходимо, как уже было отмечено, произвести ряд сложных вычислительных операций. Тем не менее далеко не все конечные пользователи системы имеют оборудование и энергоресурсы необходимые для осуществления этих операций.

В PoW криптовалютах, по совместительству являющихся самыми развитыми блокчейн-базами данных, для решения этой проблемы введено понятие комиссии - пользователь отправляет информацию, которую он хотел бы добавить в цепочку блоков, так называемому "майнеру", который и формирует новый блок для этого и других пользователей. Взамен майнер получает от пользователя вознаграждение в криптовалюте, основанной на этом блокчейне.

Очевидно, что в случае если лицо или группа лиц имеют какие-то другие, не финансовые интересы, и при этом под их контролем находится значительная часть вычислительных мощностей блокчейн-системы, они получают возможность на некоторое время задерживать внесение информации в блокчейн-БД, путем отклонения запросов пользователей.

Если, например, возникнет глобальная блокчейн-системы, предназначенная для заверения актов купли-продажи, такое лицо или группа лиц получат возможность на время (в наихудшем случае - навсегда) блокировать проведение таких сделок их конкурентами и\или политическими противниками.

б) Изменять саму структуру базы данных

В случае же концентрации более 51% мощности сети в руках этого лица\лиц, оно(и) получает возможность удалять последние блоки из цепочки, тем самым делая внесенную в неё информацию некорректной с точки зрения системы. Для ранее приведенного примера системы заверения актов купли-продажи злоумышленники смогут сделать проведение операции в рамках системы невозможным.

На сегодняшний день основная часть мощностей популярных публичных блокчейн-сетей (Bitcoin, Litecoin, Ehtereum) сосредоточена на территориях косвенно или напрямую подконтрольных США и КНР. Из вышесказаного следует что в случае серьезного обострения отношений между этими странами и Россией, у них будет принципиальная возможность частично или полностью блокировать использование этих сетей российскими гражданами и организациями. В случае, если блокчейн-технологии получат широкое распростронение в мировых бизнес-процессах, такого рода действия могут иметь последствия, по объему нанесенного экономике вреда сопоставимые, например, с отключением от системы проведения платежей Visa.

1. Майнинг как способ решения проблемы безопасности использования блокчейн-систем

В связи со указаным выше возникает проблема обеспечения гарантированного доступа российских граждан и организация к глобальным, основанным на технологии блокчейн, базам данных. Одним из решений этой проблемы (на наш взгляд, самым рациональным), является создание условий для концентрации пригодных для майнинга вычислительных мощностей в России. Побочным эффектом этого решения будет получение прибыли: в протоколах Bitcoin и прочих криптовалют кроме транзакционных комиссий предусмотрен механизм поощрения майнеров - при формировании нового блока майнер получает возможность перевести на свой баланс определенную сумму средств (для Bitcoin - 25 BTC ~= 16 тысяч долларов США).

Организация мощных майнинговых центров на территории РФ позволит обеспечить с одной стороны возможность беспрепятственного использования глобальных систем, основанных на блокчейн-технологиях, а с другой, при условии концентрации значительной части вычислительных мощностей той или иной системы, возможность затруднения доступа к системе со стороны нежелательных лиц и организаций.

Для осуществления майнинга необходимо, как уже отмечалось раньше, выполнение трех условий:

1. Наличие вычислительных устройств

2. Наличие электроэнергии для их работы

3. Наличие доступа в интернет

Обеспечение выполнения второго условия, на наш взгляд, целесообразно осуществлять с привлечением государственных организаций и, в частности, госкомпаний: это позволит найти применение избыткам электроэнергии, находящимся в их распоряжении.

Выполнение третьего условия в промышленно развитых городах и регионах России не должно составлять затруднений.

Первое же условие выполнять предлагается путем привлечения частных компаний: это позволит резко сократить затраты на организацию майнинговых центров за счёт переноса расходов по покупке оборудования на частные компании. Компенсировать им это будет возможность самостоятельно распоряжаться вознаграждениями, формирующимися сетью в результате майнинга.

Также для облегчения процесса инвестирования частными лицами предлагается создание единой системы мониторинга и управления вычислительными мощностями. Это позволит:

• Сократить расходы частных компаний на установку и управление вычислительными мощностями

• Создать возможность быстрой консолидации вычислительных мощностей в случае возникновения государственной необходимости