лекция. Lektsii_ПКТ. Конспект лекций по дисциплине прикладные компьютерные технологии Направление подготовки 09. 03. 01 Информатика и вычислительная техника
 Скачать 7.93 Mb.
|
Лекция №6 Основные понятия, принципы и ограничения блокчейн-технологий. Связанный мир и блокчейн. Технологические и программные средства работы с блокчейн-технологиями Определение блокчейн Блокчейн (Blockchain) - это выстроенная по определённым правилам непрерывная последовательная цепочка блоков, содержащих информацию. Блокчейн как вечный цифровой распределённый журнал экономических транзакций, который может быть запрограммирован для записи не только финансовых операций в качестве криптовалюты, но и практически всего, что имеет ценность. Эта база данных хранит постоянно растущий список упорядоченных записей, называемых блоками. Каждый блок содержит метку времени и ссылку на предыдущий блок. Блокчейн — это универсальный инструмент для построения различных баз данных, который обладает следующими преимуществами: Децентрализация. Отсутствует главный сервер хранения данных. Все записи хранятся у каждого участника системы. Полная прозрачность. Любой участник может отследить все транзакции, проходившие в системе. Конфиденциальность. Все данные хранятся в зашифрованном виде. Пользователь может отследить все транзакции, но не может идентифицировать получателя или отправителя информации, если он не знает номера кошелька. Для проведения операций требуется уникальный ключ доступа. Надёжность. Любая попытка внесения несанкционированных изменений будет отклонена из-за несоответствия предыдущим копиям. Для легального изменения данных требуется специальный уникальный код, выданный и подтверждённый системой. Компромисс. Данные, которые добавляются в систему, проверяются другими участниками. Если говорить умными словами – они пересчитывают хеш. Позволяя цифровой информации распространяться, но не копироваться, технология блокчейн создала основу нового вида интернета. Технология была первоначально разработана для цифровой валюты, биткоина, но в настоящее время техническое сообщество ищет другие потенциальные варианты использования данной технологии.  Криптовалюту биткоин называют “цифровое золото“, и не без оснований. На сегодняшний день общая стоимость валюты составляет около $68 млрд. Блокчейн может создавать и другие виды цифровой ценности. Не обязательно знать, как работает блокчейн, чтобы использовать его, так же как, например, интернет или автомобиль. Однако, наличие базовых знаний об этой новой технологии поможет понять, почему она считается революционной. Блокчейн часто сравнивают со стандартным дневником или картотекой, куда последовательно в хронологическом порядке вносятся записи о том, что сделано – поспал, поел, постирал, погулял, взял в долг, заплатил 100 долларов за ужин и т.д. Чтобы никто посторонний не мог внести по своему усмотрению изменения в дневник, вся информация особым образом шифруется, причем шифр продуман качественно. Если дневник в одном экземпляре, с ним всякое может случиться – сгорел дом и он вместе с ним, украли, при огромнейшем желании расшифровали и внесли коррективы. А потому для надежности дневник имеет множество копий, которые хранятся в разных местах. Причем, когда в дневник вносится новая информация, она после проверки обновляется на всех экземплярах. Применение шифрования гарантирует, что пользователи могут изменять только те части цепочки блоков, которыми они «владеют» в том смысле, что у них есть закрытые ключи, без которых запись в файл невозможна. Кроме того, шифрование гарантирует синхронизацию копий распределенной цепочки блоков у всех пользователей. В технологию блокчейн изначально заложена безопасность на уровне базы данных. Концепцию цепочек блоков предложил в 2008 г. Сатоши Накамото (Satoshi Nakamoto). Впервые реализована она была в 2009 г. как компонент цифровой валюты — биткоина, где блокчейн играет роль главного общего реестра для всех операций с биткоинами. Благодаря технологии блокчейна биткоин стал первой цифровой валютой, которая решает проблему двойных расходов (в отличие от физических монет или жетонов, электронные файлы могут дублироваться и тратиться дважды) без использования какого-либо авторитетного органа или центрального сервера. Безопасность в технологии блокчейн обеспечивается через децентрализованный сервер, проставляющий метки времени, и одноранговые сетевые соединения. В результате формируется база данных, которая управляется автономно, без единого центра. Это делает цепочки блоков очень удобными для регистрации событий (например, внесения медицинских записей) и операций с данными, управления идентификацией и подтверждения подлинности источника. Связанный мир и блокчейн Одна из моделей познания современного мира основывается на парадигмах вычислений. Новая парадигма возникает примерно каждое десятилетие (рис. П‑1). Сначала появились мейнфреймы (большой универсальный высокопроизводительный отказоустойчивый компьютер со значительным объемом оперативной и внешней памяти, используемый для интенсивной обработки данных, как правило, крупными компаниями и государственными организациями), затем персональные компьютеры (ПК), а следом нашу жизнь принципиально изменил интернет. Мобильные и социальные сети стали следующей – четвертой – парадигмой. Парадигмой для нынешнего десятилетия может стать связанный мир вычислений (connected world of computing) , основанный на криптографии блокчейна. Не исключено, что именно блокчейн‑технологии предстоит стать верхним экономическим слоем органично связанного мира разнообразных вычислительных устройств, в числе которых – носимые вычислительные устройства, сенсоры «интернета вещей», смартфоны, планшеты, ноутбуки, цифровые устройства самофиксации (например, Fitbit - лидер рынка фитнес‑гаджетов), умные дома, умные автомобили и умный город. Но реализуемая средствами блокчейна экономика поддерживает не просто движение денег, а перенос информации и эффективное размещение ресурсов, которые эти деньги обеспечивают в масштабах экономики отдельных людей и целых компаний. Обладая революционным потенциалом, равным потенциалу интернета, блокчейн‑технология будет разворачиваться и внедряться намного быстрее благодаря повсеместной доступности интернета и мобильной связи. Функциональность социальных и мобильных сетей четвертой парадигмы стала настолько естественной, что пользователи теперь ожидают ее от всех технологий. Так, мобильные приложения поддерживают функционал, который раньше реализовывался через веб: отметка «нравится», комментирование, включение в друзья, участие в форумах. Точно так же блокчейн‑технология, относящаяся к пятой парадигме, создает у пользователей ожидание, что обмен ценностями должен быть доступен повсеместно. Функциональность, реализованная в рамках пятой парадигмы, может выглядеть как подключенный интегрированный физический уровень вычислений со многими устройствами, поверх которого находится слой для обслуживания платежей. Но речь идет не просто о платежах, а о микроплатежах, децентрализованной бирже, зарабатывании и трате токенов, получении и передаче цифровых активов, а также о составлении и выполнении умных контрактов – то есть о полноценном экономическом слое, которого в вебе до сих пор не было. Мир уже готов к всеобщим деньгам, в основе которых лежит взаимодействие в интернете. Apple Pay (использующее токены мобильное приложение электронного кошелька компании Apple) и конкурирующие продукты могут стать той поворотной точкой, с которой начнется мир полнофункциональных криптовалют. Блокчейн при этом становится неотъемлемым экономическим слоем веба.  Революционные парадигмы вычислений: мейнфреймы, ПК, интернет, социальные и мобильные сети, блокчейн Принцип работы система блокчейн Иногда технологию блокчейн называют «Интернетом ценностей». Каждый человек может разместить в Интернете информацию, а затем другие люди могут получить к ней доступ из любой точки мира. Цепочки блоков позволяют отправлять в любую точку мира, где будет доступен файл блокчейна, какие-либо ценности. Но у вас должен быть закрытый ключ, созданный по криптографическому алгоритму, чтобы разрешить вам доступ только к тем блокам, которыми вы «владеете». Предоставляя кому-либо ваш закрытый ключ, вы по сути передаете этому лицу денежную сумму, которая хранится в соответствующем разделе цепочки блоков. В  случае биткоинов такие ключи используются для доступа к адресам, по которым хранятся некоторые суммы в валюте, представляющие прямую финансовую ценность. Этим реализуется функция регистрации перевода средств, обычно такую роль выполняют банки.Кроме того, реализуется еще одна важная функция: установка отношений доверия и подтверждение подлинности личности, потому что никто не может изменять цепочку блоков без соответствующих ключей. Изменения, не подтвержденные этими ключами, отклоняются. Конечно, ключи (как и физическая валюта) теоретически могут быть украдены, но защита нескольких строк компьютерного кода обычно не требует больших затрат. Это означает, что основные функции, выполняемые банками: проверка подлинности личности (для предотвращения мошенничества) и последующая регистрация сделок (после чего они становятся законными) — могут выполняться цепочкой блоков быстрее и точнее. Типы блокчейнов — приватный и публичный Поскольку на данной технологии могут строиться разные типы сервисов и приложений, то и выделяют приватный и публичный blockchain. Приватный блокчейн. Такие блокчейны считаются эксклюзивными и создаются для развития частного бизнеса. Они закрытые и централизованные, поддерживаются и контролируются своими создателями и подчинены корпоративным целям. Чтобы стать участником приватного Blockchain нужно выполнить определенные условия, а майнить новые блоки могут только определенные сертифицированные пользователи. Публичный блокчейн. К публичным системам блокчейн может присоединиться и стать майнером любой желающий, поскольку их администрированием занимается само сообщество. Сферы применения блокчейна Сущность «цепи блоков» как общедоступной, распределенной и 100% достоверной базы данных делает применение блокчейн весьма привлекательным для компаний, работающих в разных областях. В настоящее время уже существует ряд расширений для разработки бизнес-приложений на блокчейн, обеспечивающих: безопасное администрирование сетей, исключающее хакерские атаки MIM («человек посередине») и снимающее проблему «единого администратора»; хранение цифровых сертификатов, делающее полностью защищенным доступ пользователей к сайтам (в частности, исключая перехват паролей); безопасные двусторонние сделки без привлечения гарантирующей третьей стороны (юридической фирмы, нотариуса, банка и др.); фиксацию времени размещения документов, позволяющую решать вопросы патентования, авторского права и др.; подтверждение подлинности продукта (товара) с помощью надежно защищенного сертификата; подтверждение прав на любую собственность; создание общедоступных электронных визиток, информация на которых автоматически обновляется даже после «раздачи» по интернет-ресурсам; систему DNS, неуязвимую для DDOS-атак, и другое. Плюсы и минусы технологии Блокчейн – универсальная технология, применимая в разных сферах жизни, что является однозначным ее плюсом. Помимо уже рассмотренных выше открытости, безопасности и защищенности, блокчейн также: Уменьшает транзакционные издержки. Сокращает время проведения сделок с нескольких дней, а то и недели, необходимых для проверки данных и обмена документами, до нескольких часов. Позволяет организациям, учреждениям избавиться от лишних статей расходов. К минусам стоит отнести масштабируемость. Сегодня блокчейн не способен обеспечивать огромное количество транзакций за короткое время. К примеру, платежные системы MasterCard или Visa обрабатывают около 45 тысяч транзакций в секунду, в то время как у биткоина их всего 7. Также ежедневно растет и вес базы, которая хранится на компьютерах сети. Не стоит забывать и о нагрузке на электрические сети, когда речь идет о сетях, работающих на основе алгоритма POW. Все эти сложные вычисления заставляют компьютеры потреблять большое количество энергии. Говоря о неуязвимости блокчейна эксперты указывают также на вероятность так называемой «атаки 51%». Иными словами, если группа участников сети сконцентрирует в своих руках 51% вычислительных мощностей, она может начать действовать в своих интересах, подтверждая только выгодные для себя транзакции. Однако для этого потребуются настолько мощные ресурсы, что осуществить на практике эту идею чрезвычайно сложно. Транзакции в сети блокчейн Блокчейн — это защищенный от несанкционированного доступа цифровой реестр общего пользования, который ведет учет транзакций в публичной или закрытой одноранговой сети. Распределенный между всеми узлами сети реестр непрерывно записывает историю операций с активами между одноранговыми (одного порядка) узлами сети в виде блоков информации. Операция относится к завершённой и подтверждённой сетью после проверки подписи и формата, а сама сделка объединяется в единое образование блочного типа. Сведения в таком блоке легко проверить, ведь в каждом последующем элементе содержится информация о прошлых блоках цепи. Все элементы объединяются в одну цепочку, имеющую сведения обо всех транзакциях, которые были совершены с момента появления Bitcoin. В начале цепи содержится первичный блок. Блок состоит из следующих элементов: Заголовка. В его состав ходит личный хеш и хеш предыдущего элемента цепи. Здесь же включается хеш операций и служебные сведения. Списка транзакций. Первая операция в блоке — та, за которую майнер получил вознаграждение. Далее идут остальные сделки, критерии выбора которых задаются майнерами. Отбор осуществляется по времени, комиссии или другим параметрам. Цепочка — группа блоков, которые расположены друг за другом и создаются тысячами майнеров, участвующими в добыче криптовалюты. Если блок удовлетворяет требованиям сети, он становится её частью и добавляется во все предыдущее блоки цепи. В процессе добавления новых блоков возможно ветвление, когда два или более элементов называют «родительским» один и тот же блок. С  труктурно блокчейн представляет собой последовательность блоков с зашифрованной информацией в заголовке-хэше, каждый из которых основывается на предыдущем. Данное правило не действует лишь на первый блок генезиза, для всех остальных подобная взаимосвязь обеспечивает нерушимость сети и защиту данных от подделок или искажения.Транзакции и переводы в сети биткоина формируют основную информацию в его блоках, и принцип работы блокчейна рассматривают обычно на примере данной криптовалюты. Упрощенно схема выглядит следующим образом: пользователи системы проводят транзакции, осуществляют покупки и переводы в системе посредством закрытых ключей, дающих доступ к управлению средствами; вся информация обрабатывается и подтверждается всей распределенной сетью – каждый подключенный участник посредством своей копии блокчейна подтверждает достоверность проводимых операций, что и обеспечивает надежность системы и защиту от искажения данных; блок биткоина формируется примерно 10 минут, в идеале включая в себя все подтвержденные транзакции, осуществленные за этот период; операция считается завершенной после ее включения в блокчейн – на основе соответствующей записи получатель может использовать полученные средства по своему усмотрению. Процесс поддержки сети ее участниками получил название майнинга (mining). Каждый пользователь, устройство которого расшифровало очередной блок, получают фиксированную награду в биткоинах на свой кошелек. Монеты генерируются программно в соответствии с текущими условиями. В процессе формирования блокчейна нередко возникает ситуация раздвоения цепочки, когда сразу два блока ссылаются на один и тот же предыдущий. В данном случае предпочтение отдается более длинной цепи, обладающей более сложным хэшированием. Все транзакции, подтвержденные отвергнутыми системой блоками, проверяются повторно. Если они признаются возможными и достоверными, то записываются в основной блок, иначе отвергаются сетью. Награда за майнинг отвергнутых блоков также изымается. При формировании блокчейна существенным параметром выделяют сложность хэширования. Первые блоки можно было рассчитать вручную на бумаге, в дальнейшем в систему подключались все новые пользователи и устройства. Чтобы поддерживать формирование блоков на нужном уровне, введен алгоритм пересчета сложности. У биткоина блок формируется каждые 10 минут – по этому параметру каждые примерно две недели рассчитывается уровень шифрования. Если подключенные к сети устройства генерируют блоки быстрее – сложность увеличивается, если на генерацию уходит больше 10 минут – алгоритм упрощается. Такой механизм обеспечивает саморегулирование системы при подключении новых устройств или отключении имеющихся (криптовалюта). В других блокчейнах сложность может пересчитываться после каждого блока или раз в день. Децентрализованная одноранговая блокчейн - сеть лишает отдельных участников или групп участников возможности контролировать базовую инфраструктуру или дестабилизировать всю систему. Все участники сети равны и подключаются к ней по одним и тем же протоколам. Участниками могут быть физические лица, государственные структуры, организации или объединения всех перечисленных типов участников. По сути система записывает хронологический порядок проведения транзакций со всеми узлами сети, признавшими действительность транзакций посредством выбранной модели консенсуса. Результатом являются не подлежащие отмене транзакции, согласованные всеми участниками сети децентрализованно.  |