Для чего используется блокчейн
Что нам стоит блокчейн построить?
Вся история человечества — это непрерывное избавление от цепей и создание новых, еще более крепких. (Анонимный автор)
Анализируя многочисленные blockchain проекты (Bitshares, Hyperledger, Exonum, Ethereum, Bitcoin и др.), я понимаю, что с технической точки зрения все они построены по одним принципам. Блокчейны напоминают дома, у которых при всем разнообразии конструкций, декора и назначений имеются фундамент, стены, крыша, окна, двери, которые связаны друг с другом определенными способами. И если понять основные принципы проектирования зданий, знать свойства применяемых материалов, то можно определить целевое назначение конкретного дома. В настоящее время с блокчейном возникла ситуация, что все про него слышали, но мало кто понимает архитектуру и принципы работы. Поэтому возникает непонимание для чего и как имеет смысл использовать технологии блокчейна.
В данной статье мы разберем общие для всех блокчейнов свойства и принципы. Далее посмотрим на задачи, которые можно решать с помощью блокчейна и для закрепления материала построим маленький, но настоящий блокчейн на своем виртуальном участке!
Итак, давайте вспомним какие проблемы изначально решил блокчейн.
Уверен, что многие скажут про распределенную, децентрализованную, публичную и неизменяемую базу данных. Но зачем это все было нужно?
Я предпочитаю начинать изучение любой технологии с чтения стандартов, так как именно на них основываются все статьи и книги по исследуемой теме. Но стандарты блокчейна в настоящее время отсутствуют, в ISO созданы только комитеты для их разработки. На текущий момент в каждом публичном блокчейн проекте имеется свой документ White paper, который по сути является техническим заданием. Первый общеизвестный блокчейн проект — это сеть Bitcoin. Идем на официальный сайт сети и смотрим с чего все начиналось.
Задача блокчейна
Итак, задача, которую решил блокчейн в сети пионере Bitcoin — это совершение доверительной передачи собственности на цифровые активы (assets) в недоверительной среде без посредников. Например, в сети Bitcoin цифровой актив — это цифровые монеты bitcoin. И все технические решения Bitcoin и других блокчейнов сводятся к решению этой задачи.
Проблемы, которые решает блокчейн
Предположим некая финансовая организация говорит, что построила сеть по всему миру, с помощью которой можно переводить деньги любому человеку. Поверите ли вы ей? Если эта организация Visa или MasterCard, скорее всего, поверите, а если, условно говоря, AnonymousWorldMoney, наверное, нет. Почему же? А потому, что мы прекрасно знаем, как делаются распределенные системы частными компаниями, с какими целями, и к чему это может привести. Рассмотрим подробнее проблемы таких систем, и как они могут быть решены с применением технологий блокчейна.
Допустим, в условной AnonymousWorldMoney стоят сервера с базами данных, и хорошо, если их будет несколько в разных дата-центрах. Когда отправитель переводит деньги, регистрируется транзакция, которая реплицируется на все сервера, и деньги доходят до получателя.
В идеальном мире такая схема прекрасно работает, в нашем же возникают следующие проблемы:
Как блокчейн решает эти проблемы
Архитектура блокчейна
Составные части блокчейна
Каждый участник может запустить свою ноду с полной копией блокчейна (full node). Полные ноды, которые могут записывать транзакции в блокчейн, называются узлами консенсуса (witness) или майнерами (miner). Полные ноды, которые только проверяют правильность транзакций называются узлами аудита (audit). Легкие клиенты (light clients) не хранят полных копий блокчейна, а взаимодействуют с сетью, используя полные ноды.
Большинство пользователей для совершения транзакций используют именно легких клиентов или web кошельки. Все ноды связаны друг с другом. При таком наборе элементов архитектура сети становится более устойчивой:
Жизненный цикл транзакции
Посмотрим на жизненный цикл транзакции и разберем его по частям:
Технологии блокчейна
Остановимся подробнее на технических решениях и их связях друг с другом.
Идентификация
Каждая блокчейн транзакция должна быть подписана цифровой подписью. Поэтому для совершения транзакции каждый участник должен иметь пару ключей: private / public. Иногда пару ключей называют кошелек (wallet), т.к. ключи однозначно связаны с уникальным цифровым адресом и балансом участника. В реальности ключи и адреса — это просто строки цифр в разных системах счисления. Примеры ключей и адреса кошелька:
Для создания цифровой подписи в блокчейнах используется алгоритм, основанный на эллиптических кривых: Elliptic Curve Digital Signature Algorithm (ECDSA). Для его работы приватный ключ (256 битное число), обычно, берется случайно. Число вариантов ключей составляет 2 в степени 256, поэтому можно говорить о практической невозможности совпадения значений приватных ключей.
Далее, публичный ключ получается из приватного путем умножения его значения на координаты точки, находящейся на эллиптической кривой, в результате чего получаются координаты новой точки этой же кривой. Это действие гарантирует получение пары ключей, пригодной для цифровых подписей транзакций. И наконец адрес кошелька однозначно вычисляется из публичного ключа.
Есть масса статей с подробностями по криптографии, используемой в блокчейне, например: Bitcoin in a nutshell — Cryptography
Приватный ключ должен быть строго секретен и храниться в безопасности. Публичный ключ известен всем. При утере приватного ключа доступ к активу (монетам) восстановить невозможно и деньги будут утеряны навсегда. Поэтому задача надежного хранения приватных ключей крайне актуальна, т.к. это не банк, куда всегда можно прийти с паспортом и восстановить счет. Существует целая индустрия по производству, так называемых, холодных криптокошельков, похожих на флешки:
или можно использовать более надежные способы, как пример, выбивать значение приватного ключа на жетонах:
Транзакции
Подробнее про структуру транзакции можно посмотреть в статье Bitcoin in a nutshell — Transaction. Нам же важно понимать, что каждая транзакция имеет по крайней мере следующие данные:
Далее транзакция подписывается приватным ключом и рассылается (см. подробности по работе протокола Bitcoin in a nutshell-Protocol) всем нодам в блокчейне, которые проверяют транзакции на валидность. Алгоритм проверки транзакции нетривиален и включает два десятка шагов.
Блоки транзакций
Проверив валидность транзакций, ноды формируют из них блоки. Помимо транзакций в блок записывается хеш предыдущего блока, число (счетчик Nonce), и происходит вычисление хеша текущего блока по алгоритму SHA-256. Хеш должен обладать установленным условиям сложности. Например, в сети Bitcoin сложность хеша автоматически меняется раз в 2 недели в зависимости от мощности сети так, чтобы блок генерировался примерно раз в 10 минут. Сложность определятся следующим условием: найденный хеш должен быть меньше заранее заданного числа. Если данное условие не выполняется, то к Nonce прибавляется 1, и работа по вычислению хеша повторяется. Для подбора хеша используется поле Nonce, т.к. это единственные данные в блоке, которые можно изменить, остальные должны оставаться неизменными. Правильный хеш должен иметь определенное число нулей в начале, например, один из реальных хешей:
После успешного нахождения хеша блок и сам найденный хеш записываются в блокчейн следующим блоком. Подробнее по структуру блоков можно посмотреть в статье Bitcoin in a nutshell-Blockchain, а ниже приведу упрощенную схему:
Блокчейн начинается с блока, у которого еще нет хеша предыдущего блока. Такой блок в блокчейне один и имеет собственное название Genesis block. У остальных блоков одинаковая структура и отличаются они только числом транзакций. Реальные транзакции и блоки создающиеся в настоящее время в Bitcoin или Ethereum можно смотреть в Block Explorer.
Размер блоков в Bitcoin ограничен 1Мб и при минимальном объеме информации в транзакции около 200 байт, максимально в блоке может быть около 6000 транзакций. Отсюда, кстати, и следует производительность Bitcoin, над которой все смеются: блок генерируется примерно раз в 10 мин * 60 сек = 600 сек, что и дает формальную производительность около 10 TPS. Хотя на самом деле — это не производительность, а сознательно реализованный алгоритм работы. В Ethereum для конкуренции просто сделали время генерации блока 15 сек. и производительность формально взлетела. Поэтому в блокчейнах, использующих PoW в качестве консенсуса вообще бессмысленно сравнивать производительность, т.к. она напрямую зависит от сложности вычисления кеша, которую можно назначить любую.
Форки
А что происходит, если, например, несколько узлов нашли хеши удовлетворяющие условиям сложности, но разные по значению (иными словами, пришли к разным консенсусам) и записали блоки в блокчейн? Давайте посмотрим, как блокчейн защищается от данной ситуации. В этом случае происходит, так называемый, форк (‘вилка’), и блокчейн имеет две версии цепочки:
Что происходит далее? Далее часть сети начинает работать над блоком N+2 от одной цепочки, а часть от другой:
Какой-то из этих блоков будет найден раньше и отправлен в блокчейн и тогда по правилам блокчейн должен будет переключиться на более длинную цепочку и отменить все транзакции из альтернативного блока:
При этом, может сложиться ситуация, когда транзакция участника находилась только в одном из блоков форка, который и был отменен. Поэтому, чтобы быть уверенным, что нужная транзакция записалась в блокчейн, есть общая рекомендация — прежде чем доверять транзакции надо подождать пока следующие несколько блоков не будут добавлены в блокчейн. Рекомендации, сколько блоков ждать для разных блокчейнов различаются. Например, для сети Bitcoin минимум — это 2 блока, максимум 6.
Такая же картина с форком блоков будет наблюдаться и при, так называемой, атаке 51% — это когда группа майнеров будет пытаться вырастить альтернативную цепочку блоков, добиваясь отмены цепочки cо своими мошенническими транзакциями. Хотя в настоящее время, вместо мошенничества, выгоднее тратить свои мощности на честный майнинг.
Консенсус
Для записи блока в блокчейн сеть должна прийти к консенсусу. Давайте вспомним, задачу достижения консенсуса в компьютерных сетях связи. Проблема формулируется, как задача византийских генералов BFT (Byzantine fault tolerance). Опуская живописное описание проблем византийской армии, задачу можно сформулировать так: как узлам сети прийти к общему результату, если часть узлов сети могут сознательно их искажать. Существующие алгоритмы решения задачи BFT показывают, что сеть может функционировать правильно, если мошенников меньше 1/3. Почему в сети Bitcoin не был применен консенсус BFT? Зачем нужно было использовать PoW? Есть несколько причин:
Консенсус PoS основан на выборе узла, который может записать блок с транзакциями в блокчейн в зависимости от количества средств на счету, вернее, не на счету, а в залоге, Т.е. чем у тебя больше средств в залоге, тем с большей вероятностью сеть выберет твой узел для записи блока. Залог не возвратится, если блок окажется невалидным. Таким образом реализована защита от мошенничества. Есть следующие вариации PoS:
Надежность и модели развертывания блокчейнов
Устойчивость Public или другое название Permissionless blockchain достигается тем, что каждый может подключиться и просмотреть информацию или даже подключить свой узел, а доверие строится на консенсусе PoW.
Private или Private Permissioned blockchain. В этих блокчейнах только определенная группа участников (организаций или людей) имеет доступ к информации. Такие блокчейны строят организации с целью увеличения общей выгоды или эффективности. Их надежность обеспечивается общими целями участников и алгоритмами консенсуса PoS и BFT.
Существуют Consortium или Public Permissioned blockchain. Это такие блокчейны, к которым каждый может подключиться для просмотра, но добавлять информацию или подключить свой узел участник может только с разрешения других участников. Такие блокчейны строят организации с целью повышения доверия со стороны заказчиков или потребителей продукции или общества в целом. Здесь надежность также достигается присутствием доверия между участниками и теми же алгоритмами консенсуса PoS и BFT.
Smart Contracts
В блокчейны, реализованные после Bitcoin, в той или степени добавлена возможность выполнения смарт-контрактов. По сути смарт-контракт — это транзакция, в которой помещен программный код для выполнения. Смарт-контракты в сети Ethereum выполняются в EVM (Ethereum Virtual Machine). Для начала выполнения смарт-контракта его надо явно запустить другой транзакцией, или должно выполниться предусловия для выполнения. Результаты выполнения смарт-контракта также запишутся в блокчейн. Получение данных извне блокчейна возможно, но крайне ограничено.
Какую бизнес логику можно реализовать с помощью смарт-контракта? На самом деле не так уж много, например проверка условий по данным из блокчейна, изменение собственников цифровых активов в зависимости от этих условий, запись данных в постоянное хранилище внутри блокчейна. Реализуется логика на специальном языке высокого уровня Solidity.
Классическим примером функциональности, которую реализуют с использованием смарт-контрактов — это выпуск токенов для проведения ICO. Например, мной был реализован смарт-контракт на выпуск скромных 500 000 000 AlexToken. По ссылке в Etherscan находится
Больше подробностей про смарт-контракты можно узнать в статье: Что такое смарт-контракты в Ethereum.
Заключение
Мы перечислили технологии на которых построены современные блокчейны и как они связаны друг с другом. Теперь давайте сформулируем, какие задачи можно решить с помощью блокчейна, а решения каких будет, в лучшем случае, неэффективно. Итак, использование блокчейна не обязательно, если:
Сферы применения блокчейн технологий
Наверняка вы не раз слышали о технологии блокчейн (Blockchain). Её связывают с криптовалютой Биткоин, ведь именно на основе блокчейна она работает. Тем не менее блокчейн может существовать и отдельно, потому сегодня мы поговорим о том, где применять блокчейн, что это может нам дать, и готовы ли разные отрасли нашей жизни к такому дополнению.
На самом деле рассматриваемая технология вызывает даже больше интереса, чем криптовалюта, которая является её частью. По сути, Биткоины – это только разменные монеты внутри системы блокчейна. И если криптовалюту не все воспринимают с достаточным уровнем энтузиазма, то технология, которая её создала, вызывает заметный интерес. Так блокчейн, применение которого довольно разнообразно, можно назвать технологией будущего. Ведь благодаря ему можно забыть о проблемах, связанных с регистрацией собственности, подделать что-то тоже станет невозможным, и не забываем о массе других вариантов применения, о которых мы поговорим ниже.
Что такое блокчейн и для чего он нужен
Прежде чем рассматривать, как применяется блокчейн, нужно выяснить, что это такое. Если не сильно углубляться в технические нюансы, то технологию блокчейн можно сравнить с картотекой, куда в хронологической последовательности вносится информация. Эта информация хранится в блоках, которые, в свою очередь, формируют целую цепочку. Она последовательна и прозрачна, но при этом абсолютно анонимная. Блоки состоят из скопившихся транзакций и заголовка и формируются постоянно, обеспечивая работу сети.
К тому же внести изменения в сформированный блок невозможно. Всё благодаря сложному кодированию. Дело в том, что блокчейн не имеет одного главного центра – его децентрализация позволяет хранить данные на миллионах компьютеров, куда пользователи сети сами его и размещают. То есть, чтобы взломать его, нужно получить доступ к миллионам «клиентов». Это даже в теории звучит как неподъёмная задача, а на практике вообще невозможно или, точнее, не рентабельно, так как потребует колоссальных ресурсов.
Блокчейн был придуман и воплощён в жизнь человеком или группой лиц под псевдонимом Сатоши Накамото в начале 2009 года. После запуска к проекту присоединились лучшие мировые умы, чтобы поддерживать его в рабочем состоянии. Таким образом, использование блокчейна стало новым витком в технологии.
Сеть формируют участники, которых условно разделяют на две группы:
Интересно, что в блокчейн включаются не все блоки, а только те, что получили несколько подтверждений. Другие игнорируются как недостоверные. Если блок включён в цепочку, изменить в нём данные будет невозможно.
Ну и рассмотрим, для чего нужен блокчейн, ведь его создали не просто так. Этот проект позволяет исключить промежуточные процессы при переводах денежных средств и интеграции с банками. Технология с лёгкостью выполняет три основные функции банка:
То есть, если научитесь, как пользоваться Blockchain, сможете забыть о высоких комиссиях в банках, а денежные переводы на любые расстояния и суммы станут для вас обыденным явлением. Но при этом рассматриваемая технология может использоваться и вне банковской сферы. Начать с того, что у блокчейна есть возможность хранить любой код, а посмотреть его сможет только владелец ключа доступа.
В любом случае кажется, что перед нами проект, без которого нельзя вообразить будущее. В современности его тоже используют довольно часто, и мы расскажем как именно.
Плюсы и минусы блокчейна
На сегодня блокчейн-сфера развивается семимильными шагами. Но как и у любой отрасли, у неё есть свои недостатки и преимущества. Рассмотрим сначала положительные стороны блокчейна:
Но прежде чем применить технологию блокчейн, следует выяснить и её минусы, которых, к сожалению, тоже хватает:
Конечно, у блокчейна, как и у любой молодой, но стремительно развивающейся технологии, много недостатков. Но для тех, кто пользуется блокчейном как частью своего бизнеса, стало понятно, что такая ситуация временная. Специалисты видят перспективы технологии и пытаются исправлять её недостатки. Это у них отлично получается, учитывая, сколько успешных проектов на блокчейн-основе появилось за последние годы.
Применение блокчейна
Сегодня уже понятно, что ждать времени, когда применение блокчейн-технологии станет глобальным, осталось недолго. Уже сегодня сферы применения технологии блокчейн становятся настолько разнообразными, что уследить за всеми невозможно. Тем не менее мы постараемся это сделать.
Итак, помимо очевидного примера использования блокчейна в финансовой отрасли, рассматриваемая технология используется:
Если перечислять все примеры использования блокчейна, можно написать целую книгу. Не зря эту технологию называют универсальной. Проще говоря, при достаточной фантазии цепочку закодированных блоков можно использовать где угодно. И сейчас мы подробнее рассмотрим, как именно её можно вывести за пределы криптовалютной отрасли.
В банковской сфере
Несмотря на то что система активно обсуждается, большинство пользователей знакомы с блокчейном только поверхностно. Потому, если спросить, где можно использовать блокчейн, мы услышим, что в финансовой сфере, так как именно на основе блок-цепи выпускаются криптовалюты. Но ведь финансовая отрасль не ограничивается криптовалютами. Они здесь относительные новички, а вот банки существуют гораздо дольше и не менее сильно нуждаются в блокчейн-технологии.
Идею симбиоза банковской отрасли и блокчейна не раз хотели реализовать и делали успешные шаги в этом направлении. Например, интереснейший проект создания криптобанка «Полибиус». Немного расскажем о нём.
Итак, учредители этой организации изначально пытались делать бизнес на изготовлении майнинг-оборудования. Когда же компания ощутила трудности с финансовыми операциями, так как банки отказались обслуживать такой «сомнительный», по их мнению, проект, команда решила пойти другим путём. Они открыли собственный банк, где блокчейн лежит в основе большинства процессов.
В итоге криптобанк быстро привлёк заинтересованных инвесторов, используя для этого ICO. А поскольку весь документооборот ведётся через блокчейновую технологию Emercoin, то придраться к финансовой организации не в чем.
К тому же многие обычные банки заинтересованы в применении блокчейна в своей работе. Именно для этой цели и создавалась платформа Ripple со своей криптовалютой, которые являются более чем интересным симбиозом банковской отрасли и блокчейна. Многие эксперты именно за ней видят будущее блокчейн-технологий в банковской среде. Посудите сами, ведь благодаря Рипл перевод любой суммы с какой угодно точки Земли можно сделать практически мгновенно. При этом ещё и доступна автоматическая конвертация одной валюты в другую.
Выгода очевидная, так как получатель может быть хоть в Гренландии. Вы ему спокойно переводите деньги, и он получает их через пару минут. Такое блокчейн-решение уникальное по своей природе, потому неудивительно, что банки готовы на всё, чтобы получить возможность им пользоваться. Тем более, что таких платформ на блокчейне, как Рипл, разрабатывается всё больше, что указывает на востребованность подобного продукта.
В юриспруденции
Юридическая и правовая отрасли получат существенные изменения благодаря технологии Blockchain второго поколения или как их называют, смарт-контрактам. «Умные контракты», впервые начавшие работать на платформе Эфириум, позволяют провести практически все правовые и юридические процедуры, используя только их. Пользователь может:
Потому существует мнение, что именно блокчейн является одной из главных угроз для существования такой профессии, как юрист. В блокчейне хранится всё, что когда-либо написано в юридических книгах, все прецеденты и другие нюансы. Это абсолютно честная, точная и потому безжалостная машина, которую нельзя подкупить или изменить то, что в ней указано. Потому, если есть контракт – значит, участники сделки должны ему следовать.
К тому же благодаря смарт-контрактам, юристам и нотариусам уже не нужно будет заверять бумажные контракты, договоры и другие документы. Проще говоря, исчезнет цель существования рассматриваемой профессии. Это печально, но такова цена прогресса. Зато может возникнуть другая профессия – блокчейн-юристы. Они будут выступать в роли посредника между новой системой и классическим правом.
Но основная проблема немедленной реализации использования блокчейна в юридической отрасли в том, что многие национальные системы не признают блокчейн. Исходя из этого, его регулирование на законодательном уровне не осуществляется. Правда, уже сегодня есть страны, где блокчейном полноценно пользуются, чтобы упростить правовое регулирование. Причём использование проводится на государственном уровне. Для примера можно рассмотреть использование криптовалютных технологий в Эстонии, ведь это государство одним из первых начало воплощать все его возможности на практике. Возможно, вскоре это ожидает и нас с вами.
В логистике
Можно сказать, что нет более совпадающих отраслей, чем логистика и блокчейн. Совместное использование этих технологий позволит надёжно управлять чем угодно. Блокчейн-технология позволяет избавиться от всех проблем, которые сопутствуют отрасль логистики уже много лет, ведь это прозрачный и публичный регистр, который предоставляет клиентам удобный и быстрый способ отслеживания маршрута.
К тому же благодаря этой технологии, в отрасль можно привнести множество преимуществ:
И применить блокчейн в логистике оказалось возможным, как показал опыт 2016 года. Тогда Банк Содружества Австралии и Wells Fargo сделали первую крупную торговую сделку, используя смарт-контракты и блокчейн. Транзакцию провели в оплату отгрузки хлопка из США в Китай на 35 тысяч долларов. А после этого порт Роттердам провёл ещё одну похожую сделку, и после этого подобные транзакции через блокчейн стали если не обыденностью, то довольно частым явлением.
В медицине
Блокчейн — это универсальное хранилище для данных, потому в медицине может использоваться именно так. Блокчейн не взламывается и не меняется, но при этом доступ к нему может получить любой человек, у которого есть соответствующие права и ключи доступа. А поскольку в медицине хранение данных является ключевым фактором, то и блокчейн-система является необходимостью.
Сегодня в медицине думают, как создать блокчейн-систему, чтобы доступ к медицинским картам был даже у врачей на другом континенте, не говоря уже о стране или городе. Для медучреждений использовать технологию хранения данных в электронном виде не ново. Вот только хранение информации было доступно исключительно врачам одной страны, а благодаря новой технологии это ограничение будет снято.
Естественно, раз создаётся база на блокчейне, то там будут хранить данные и о пациентах, и о медицинской документации. Такая база – отличное решение для клинических испытаний, которые длятся десятилетиями. Ведь именно в таких долгосрочных исследованиях документация является одной из самых проблемных составляющих. Представители упомянутых компаний утверждают, что, благодаря технологии блокчейна, могут ускорить и упростить ведение подобных испытаний, при этом поднять уровень конфиденциальности протестированных людей.
В образовании
Особенность блочной технологии в том, что её можно с лёгкостью использовать в любой отрасли. Есть несколько способов практического применения блокчейна в образовательной области:
Уже сейчас некоторые ведущие учебные заведения готовы использовать криптовалюты, но прежде чем воплотить эти планы, нужно разработать проект, сформировать комиссию и согласовать стандарты блокчейн-системы. В общем, работа предстоит непростая.
В недвижимости
Практическое применение блокчейн в реальной жизни заключается в том, что благодаря ему можно не переживать о доказательстве прав на собственность. Например, благодаря ему, можно создать специальный журнал, где будут указаны сведения обо всех объектах недвижимости, их состоянии, владельцах и т.п. Благодаря чему можно будет исключить возможность мошенничества, двойной продажи или любых других неприятностей, связанных с недвижимым имуществом.
Подобные проекты на технологии блокчейн уже запускаются:
В общем, многие страны уже признали, что регистрация недвижимости на блокчейне гораздо эффективнее и удобнее устаревших метрик.