Александр Цихилов
Блокчейн: Принципы и основы

Редактор Екатерина Закомурная

Руководитель проекта М. Пикалова

Дизайн обложки М. Грошева

Корректор Ю. Николаева

Компьютерная верстка Б. Руссо

© Александр Цихилов, 2019

© Оформление ООО «Интеллектуальная литература», 2019

Все права защищены. Данная электронная книга предназначена исключительно для частного использования в личных (некоммерческих) целях. Электронная книга, ее части, фрагменты и элементы, включая текст, изображения и иное, не подлежат копированию и любому другому использованию без разрешения правообладателя. В частности, запрещено такое использование, в результате которого электронная книга, ее часть, фрагмент или элемент станут доступными ограниченному или неопределенному кругу лиц, в том числе посредством сети интернет, независимо от того, будет предоставляться доступ за плату или безвозмездно.

Копирование, воспроизведение и иное использование электронной книги, ее частей, фрагментов и элементов, выходящее за пределы частного использования в личных (некоммерческих) целях, без согласия правообладателя является незаконным и влечет уголовную, административную и гражданскую ответственность.

* * *

Часть I
Как устроен блокчейн

Предисловие

«Сначала они не замечают тебя, потом они смеются над тобой, затем они начинают войну, желая сжечь тебя, и, наконец, они воздвигают тебе памятники…»

Это цитата из речи американского профсоюзного адвоката Николаса Кляйна, которую, в несколько измененном виде, часто ошибочно приписывают Махатме Ганди. Кляйн произнес эту речь сто лет назад совсем по другому поводу, однако эти слова, как никакие другие, наилучшим образом подходят к ситуации, которая сложилась вокруг некого явления. Оно ворвалось в нашу жизнь недавно, но столь стремительно, что создало вокруг себя вихри полярных суждений: от категорического неприятия у противников до бурных восторгов у апологетов. Сам факт подобного дискурса означает, что явление, вокруг которого ломается столько копий, само по себе неординарно и заслуживает вдумчивого изучения. Это явление – технология блокчейн и построенные на ее основе проекты.

Действительно, блокчейн и, в частности, его практические реализации в виде криптовалют – предмет оживленных дискуссий как в мире компьютерных технологий, так и в финансовой индустрии. Относительная техническая сложность создает некоторые препятствия для быстрого понимания всех преимуществ и недостатков этой нетривиальной технологии. Те же, кто сумел постичь основные аспекты принципов работы блокчейн-сетей, довольно быстро приходят к мысли, что появление и дальнейшее развитие этой технологии может привести к существенному изменению картины современного мироустройства. Одних эта мысль приводит в восторг, других – повергает в уныние. Для кого-то появление такой технологии – шанс самореализации в новой отрасли, а кто-то всерьез опасается утратить текущие позиции в отраслях, для дальнейшего существования которых блокчейн может представлять угрозу.

Появившийся в 2008 году документ за авторством некоего Сатоши Накамото и последовавшая за ним первая практическая реализация на базе технологии блокчейн – проект Биткоин – прошли в то время совершенно незамеченными для мирового сообщества. Если на этот проект кто-то и обратил тогда внимание, то только специалисты-криптографы, которых в основном интересовали лишь профессиональные аспекты. Позднее, когда информация начала потихоньку распространяться, над проектом начали откровенно посмеиваться – сама идея о том, что есть некая электронная валюта, обеспеченная потребленным на ее эмиссию электричеством, казалась многим забавной. Однако когда стоимость одной монеты биткоин стала исчисляться тысячами долларов, многим стало не до смеха.

По-настоящему массовый интерес к блокчейн-проектам начал проявляться в первой половине 2016 года. И вот тогда, если следовать цитате Кляйна, блокчейн-индустрия перешла на следующий этап своей эволюции – ей начали оказывать противодействие. Проекты на блокчейне стали создавать серьезные угрозы и конфликты интересов для национальных правительств, финансовых регуляторов, традиционных финансовых институтов и крупных посреднических сервисов. Справедливости ради следует отметить, что многие из этих угроз небеспочвенны, и несколько глав этой книги будут посвящены описанию и анализу данной проблематики.

Что касается критики или негативного отношения к технологии в целом, очевидно, что трудно было бы ожидать позитива и поддержки для явления, принципы работы которого сами по себе достаточно непросты для понимания. Задача книги – объяснить технологически сложные концепции понятным, насколько это возможно в данном контексте, языком. Таким, чтобы читатели, даже достаточно далекие от компьютерных или финансовых технологий, смогли бы составить для себя ясное представление о принципах работы технологии блокчейн и построенных на ее базе проектах. Книга не будет содержать сложных математических аппаратов с замысловатыми формулами или чрезмерно подробных описаний алгоритмов. Многие относительно сложные концепции переработаны с целью упрощения их понимания и обрисованы в книге «крупными штрихами». С самого начала хотелось бы отметить, что автор книги – не математик, не физик, не историк, не экономист и уже пару десятков лет как не программист. Автор – предприниматель, криптоэнтузиаст и в какой-то степени даже блокчейн-евангелист, исходя из чего и следует рассматривать изложенные в книге мировоззренческие позиции относительно столь масштабного и захватывающего явления, как блокчейн.

Теперь о структуре книги. После краткого исторического экскурса в историю изобретений, которые в свое время серьезно изменили мир, последует раздел, посвященный подробному описанию технологии блокчейн. Затем будут рассмотрены наиболее популярные проекты, реализованные на блокчейн – в основном речь пойдет о криптовалютах. Следующий раздел посвящен потенциальному применению технологии в различных отраслях: будут описаны как уже существующие проекты, так и еще только планируемые к реализации. О разделе, посвященном описанию проблематики взаимоотношений блокчейн-проектов и государств, уже говорилось выше. Наконец, последует один из наиболее востребованных читателями разделов, связанный с инвестициями в криптоактивы. Многие мечтают извлечь значительный доход от криптоинвестиций, однако не все потенциальные инвесторы достаточно хорошо осведомлены обо всех рисках, связанных с этим процессом, и о том, каким образом необходимо этими рисками управлять. Заключительный раздел книги касается перспектив развития технологии блокчейн.

И, наконец, хотелось бы сказать несколько слов об актуальности информации в книге. Блокчейн-индустрия и события внутри нее развиваются весьма динамично. В связи с этим не исключена ситуация, что на момент прочтения книги определенные факты, в ней изложенные, могут уже стать несколько устаревшими, а недорассказанные истории успеют получить продолжение. Одновременно с этим в книге представлена информация фундаментального характера, которая едва ли существенно изменится со временем. Причем описания подобного рода будут превалировать в представлениях автором различных концептов, составляющих технологию блокчейн. Учитывая вышеизложенное, есть надежда, что даже спустя некоторое время с момента выхода книги ее содержание останется интересным для читателей, желающих познакомиться со столь занимательным предметом, как блокчейн.

Автор выражает искреннюю благодарность друзьям и коллегам за помощь и поддержку, без которой появление этой книги было бы невозможным.

Изобретения, изменившие мир

История человеческой цивилизации насчитывает тысячи лет. За это время человечество прошло длинный путь от примитивных приемов и практик, используемых в древности, до сложнейших современных технологий. За всей эволюцией человеческой цивилизации стоит цепочка важнейших изобретений, каждое из которых в свое время оказало серьезное влияние на жизнь людей и способствовало переходу на следующую ступень развития. Обычное колесо, появившееся более 6000 лет назад, существенно облегчило задачу перемещения людей и грузов. А произошло это лишь на основании понимаемого на интуитивном уровне факта, что сила трения качения на относительно ровной поверхности существенно меньше, чем сила трения скольжения. В итоге выяснилось, что катить груз на колесах значительно легче, тем тащить его по земле волоком. Примерно тогда же стали появляться первые попытки зафиксировать речевую информацию в форме рисунков и знаков с целью ее дальнейшего сохранения. Так появились ранние зачатки письменности, а вместе с ними – возможность накапливать и распространять начальные элементы человеческого знания. Через какое-то время, по мере появления ранних государственных образований, человечеству потребовалось научиться учитывать и распределять подконтрольные ресурсы – так появились цифры и элементарные арифметические действия над ними.

Начало первого тысячелетия нашей эры было отмечено военным, политическим и культурным доминированием Римской Империи на территории Европы, Северной Африки и Ближнего Востока. Как следствие, римская система счисления получила на этих территориях широкое применение и продолжала использоваться и после падения империи в конце V века. Однако непозиционная система записи чисел была крайне неудобной, особенно в части совершения более сложных арифметических операций, таких, например, как умножение и деление. Развитие точных наук, усложнение их математических аппаратов, да и более затейливые формы учета ресурсов и их движения создали общественный запрос на более прогрессивную систему счисления – позиционную. На рубеже X и XI веков французский ученый (и будущий Папа Римский) Герберт Аврилакский стал одним из первых популяризаторов такой системы, которую он позаимствовал во время своего обучения в Испании, большей частью находившейся в то время под арабским владычеством. Новая система прижилась в Европе не сразу, и только к середине XIII века, благодаря усилиям итальянского ученого Фибоначчи, «арабские цифры» начали получать относительно широкое распространение. Это дало существенный толчок к созданию и развитию индустрии финансовых услуг в Европе и в первую очередь в самой Италии, которая стала финансово-технологическим флагманом позднего Средневековья.

Именно в Италии того периода была наконец в значительной степени решена задача эффективного учета движения товарно-денежных ценностей, а именно – была изобретена двойная бухгалтерская запись. Суть метода двойной записи состоит в балансировании активов и пассивов. Иными словами, изменяя их величины, необходимо поддерживать их в постоянном совокупном равенстве. Возникли первые учетные книги, содержащие бухгалтерские проводки (прообразы транзакций) на базе двойной записи, появились первые балансы и отчеты о прибылях и убытках. Все это позволило заложить основу для более сложных моделей ведения предпринимательской деятельности, а также образовать первые кредитные институты. Считается, что именно в средневековой Италии появились первые банки, в частности – Банк Святого Георгия в 1407 году, в Генуе. Принцип двойной записи, позволяющий сопоставлять источники средств и направления их расходования, способствовал развитию системы банковского кредитования. Банки активно ссужали деньги торговцам, нобилитету и даже европейским суверенам. Взамен банкиры получали не только значительный доход от процентов по кредитам, но и могли добиться существенного политического влияния, как, например, семья Медичи из Флоренции, представители которой в конечном итоге стали герцогами Тосканскими и наследственными правителями целой области.

Очередной революцией в области сохранения и распространения человеческого знания стало изобретение печатного пресса Иоганном Гутенбергом в 1448 году. Строго говоря, принципы печатания текстов на бумаге или ткани были известны и ранее – в Китае, примерно с IX века. Разница состояла лишь в том, что для оттиска на бумаге текст гравировался на специальной деревянной доске полностью, а не набирался отдельными литерами. Однако именно появление наборного шрифта создало необходимую гибкость, свободу и удобство для активного развития книгопечатания. Изобретение печатного станка позволило распространять научные знания с невиданной доселе скоростью, что в конечном итоге привело человечество к научной революции Нового Времени. Унаследованное от предков традиционное видение основных принципов мироустройства подверглось коренному пересмотру такими учеными, как Коперник, Галилей и Ньютон.

С давних времен люди размышляли над тем, каким образом создать механизмы, которые бы не нуждались в приложении мускульной силы человека или животного. Во второй половине I века нашей эры греческий математик и механик Герон Александрийский (более известный как изобретатель «золотого правила механики») создал первую модель парового двигателя. Несмотря на крайнюю примитивность аппарата, Герон создал на его основе такие устройства, как вращаемая водяным паром сфера, механизм автоматического открывания дверей и даже автомат по продаже «святой воды». Из-за весьма низкого уровня распространения знаний в те времена поистине революционное изобретение Герона было забыто почти на семнадцать столетий, если не считать отдельных экспериментов с водяным паром в XVI–XVII веках, проводимых египетскими и итальянскими инженерами. Только в 1781 году шотландский инженер-изобретатель Джеймс Уатт запатентовал свою модель парового двигателя, который, будучи изобретенным заново, фактически положил начало английской промышленной революции. Если бы паровой двигатель Герона не был забыт на столь длительное время, технологическая революция могла бы состояться гораздо раньше, и кто знает, может быть, уже веку к IX, то есть еще в эпоху Карла Великого, человечество смогло бы начать процесс освоения космического пространства. Однако это, увы, не единственное серьезное изобретение, которое было забыто на слишком долгий период человеческой истории.

В 1936 году австрийский археолог Вильгельм Кённинг обнаружил в предместье Багдада странный предмет – небольшой керамический сосуд высотой около 13 см с залитым смолой горлышком, из которого выступал кончик железного стержня. Находку датировали по стилю керамики и отнесли к эпохе Сасанидской империи (224–651 гг. н. э.). Археолог предположил, что данный сосуд – не что иное, как примитивная форма гальванического элемента, иначе говоря – батареи, предназначенной для выработки электрического тока. Доподлинно неизвестно, применялась ли «багдадская батарейка», как ее назвали, по предполагаемому назначению. Известны мнения ряда скептиков, что это маловероятно – в силу полного отсутствия сопутствующих находок, которые данная «батарея» могла бы питать. Однако некоторые ученые все же считали, что, например, процесс гальванизации (покрытие одного металла тонким слоем другого с помощью электролиза) уже был известен как минимум 2000 лет назад. Так или иначе, еще в Древней Греции люди обратили внимание на странные свойства янтаря, который, если потереть его о шерсть, начинал притягивать легкие предметы. Так, еще неосознанно, человечество столкнулось с явлением, которое потом назовут «электричеством», что, собственно, и означает в прямом переводе «янтарность». Как и в случае с паровым двигателем, системный подход к изучению электричества начал осуществляться только во второй половине XVIII века, а основные научные законы, с ним связанные, появились еще веком позже. Электричество, поставленное на службу человечеству, изменило облик цивилизации. Освещение, отопление, приведение в движение механизмов, передача информации – все это осуществляется при помощи электричества, и современный человек не мыслит свою жизнь без этого ценнейшего научного достижения, которое открыло дорогу еще более важным изобретениям.

Исследования электромагнитного излучения Фарадеем, Максвеллом и Герцем привели к появлению устройств, позволяющих передавать информацию на расстоянии – сначала телеграфом (по проводам), а затем по радио (без проводов). Появились резисторы, конденсаторы, трансформаторы, электрические ключи, вакуумные электронные лампы и прочие электронные компоненты. На их базе создавались и развивались различные электроприборы как промышленного, так и бытового назначения. В 1946 году в США появилась первая электронно-вычислительная машина ENIAC на электронных лампах, весом в 27 тонн и вычислительной мощностью в 5000 операций в секунду. Впоследствии при изготовлении компьютеров от громоздких и капризных в эксплуатации электронных ламп отказались и перешли на полупроводниковые технологии. Компьютеры стали сильно уменьшаться в размерах, одновременно серьезно прибавляя в вычислительной мощности. Изобретение микропроцессора в 1971 году способствовало появлению первых персональных компьютеров уже через несколько лет. Примерно в это же время начались первые эксперименты по практическому созданию глобальной телекоммуникационной сети для обмена электронными почтовыми сообщениями. Впоследствии эти начинания эволюционировали в то, что нам сейчас известно как сеть интернет. Благодаря ей человечество получило уникальную возможность исключительно быстро и в значительных объемах накапливать, распространять и получать информацию во всех областях человеческого знания. В мире произошла очередная технологическая революция, вновь до неузнаваемости изменившая окружающий мир и позволившая человечеству открыть новую страницу в развитии цивилизации.

К середине 90-х годов XX века интернет получил достаточно широкое распространение, а к началу XXI века стал предметом практически первой необходимости для людей, активно его использующих. Подавляющее большинство коммерческих предприятий и государственных служб создали свои представительства в интернете – от простейших «домашних страниц» до масштабных порталов, на которых можно получить необходимую информацию, заказать услугу или приобрести какой-либо продукт. С развитием социальных сетей проникновение интернета в повседневную жизнь многократно усилилось. Начался активный процесс вытеснения традиционных средств массовой информации: печатных изданий, телевидения и радио. Интернет-магазины начали составлять значительную конкуренцию обычным магазинам, а большинство финансовых операций стали проводиться без физического посещения офисов банков – вместо этого стали использоваться банковские интернет-приложения. Телефонные звонки финансовым брокерам сменились операциями через торговые интернет-платформы. Пользователи получили возможность консолидировать и визуализировать всю необходимую информацию для комфортного принятия инвестиционного решения, поскольку теперь у них был доступ к котировкам, графикам финансовых инструментов, аналитическим отчетам и рыночным прогнозам.

Логично предположить, что каждое новое революционное изобретение возникает не на пустом месте – ему предшествуют такие же масштабные и значимые открытия, формирующие непрерывную цепочку, протянутую сквозь века из современного мира в глубокую древность. Каждая технологическая революция становилась своего рода ответом на возникающие запросы цивилизации, формирующиеся под действием исторических обстоятельств. Одна из целей данной книги – донести до читателя мысль, что блокчейн представляет собой не менее значимое явление в человеческой истории, чем любое из вышеописанных изобретений. Появление криптовалют на базе технологии распределенного реестра – это также своеобразная форма ответа цивилизации на ту совокупность обстоятельств, которые сложились в современном финансовом мире, и аргументы, изложенные в последующих главах, преследуют цель убедить читателя в справедливости этих утверждений.

Введение в структуру блокчейн

Сама по себе блокчейн-технология не содержит чего-то принципиально нового или ранее науке неизвестного. Ценность модели функционирования блокчейн-сетей состоит в комбинировании различных инструментов, технологий и принципов, которые, будучи определенным образом совмещенными, формируют логичную и защищенную структуру для распределенного хранения данных. Что же представляет собой блокчейн? Фактически его можно сравнить с большой бухгалтерской книгой, на страницах которой записываются проводимые между контрагентами финансовые операции. Только книга эта составлена так, что каждая запись, которая в нее попадает, не может быть впоследствии никаким образом изменена или удалена – этому будут препятствовать серьезные криптографические алгоритмы, интегрированные в технологию. Сами же данные хранятся не в каком-то конкретном месте, имеющем статус управляющего центра, а копируются и синхронизируются, или, иначе говоря – реплицируются между всеми участниками системы – узлами сети. Таким образом, даже если кто-то захочет поменять хранимые у себя данные, то другие участники системы просто не примут во внимание эти изменения, поскольку они были проведены вопреки принятым в системе правилам.

Как же устроена такая «бухгалтерская книга»? Ее «страницы» называются блоками. Так же, как и страницы в обычной книге, блоки следуют друг за другом в строгом пронумерованном порядке. Однако если обычную страницу можно из книги изъять или при желании переместить в другое место, а то и вовсе выбросить, то с блоками так обойтись не получится. Все блоки жестко сцеплены между собой специальными криптографическими «замками», взломать которые, даже теоретически, исключительно сложно. Отсюда, собственно, и название технологии – «блок-чейн» – от английского blockchain – «цепочка блоков». Для того чтобы стать надежным хранилищем данных, любая блокчейн-структура должна удовлетворять следующим критериям.

● Иметь децентрализованную технологическую основу, то есть уметь распространять между всеми узлами сети необходимые данные и поддерживать их актуальное состояние через процессы репликации и синхронизации.

● Поддерживать неразрывную связь между блоками данных путем формирования в каждом новом блоке ссылки на предыдущий по отношению к нему блок.

● Уметь эффективно кодировать массивы данных в уникальные информационные блоки стандартного размера, иначе говоря – хешировать данные.

● Применять исключительно стойкие к взлому криптографические алгоритмы, необходимые для защиты записываемых в блоки данных.

● Использовать элементы специального подраздела математики – теории игр – для того, чтобы все узлы системы соблюдали установленные правила и достигали общего консенсуса при создании новых блоков и записи в них данных.

Все вышеперечисленные задачи составляют пять основных «столпов», на которых базируется технология блокчейн. В дальнейшем мы рассмотрим каждый из них достаточно подробно. У читателей может возникнуть вопрос: а где же в блокчейн, собственно, деньги? Как они туда попадают, где хранятся, как их получить и как затем потратить? А главное, каким образом эти деньги защищены от посягательств злоумышленников? У всех на слуху слово «криптовалюта», которое прочно ассоциируется с технологией блокчейн. Более того, сам интерес людей к блокчейн чисто с технологической точки зрения, как правило, вторичен. Однако чтобы попытаться извлечь доход от инвестиций в криптовалюты, необходимо хотя бы на базовом уровне понимать принцип их работы.

На самом деле криптовалюты – это лишь одна из возможных «надстроек» над структурой блокчейн, а точнее – одна из форм его утилитарного использования. Так исторически сложилось, что самый первый проект, реализованный на базе этой технологии, Биткоин, является криптовалютной платежной системой. Причем достаточно небогатой по своим функциональным возможностям, что вполне простительно для генезисного проекта. Несмотря на то что понятия «биткоин» и «блокчейн» появились одновременно, их значения отнюдь не синонимичны, поскольку первое означает криптовалюту, а второе – собственно технологию, на базе которой данная криптовалюта реализована. К слову сказать, термин «криптовалюта» появился на несколько лет позднее, чем сам проект Биткоин – в 2011 году в журнале Forbes в статье CryptoCurrency. Сам же автор биткоина Сатоши Накамото называл его e-cash, или «электронная наличность». О Биткоине как о проекте мы еще подробно поговорим в разделе, посвященном практическим реализациям на базе блокчейн-технологии.

Децентрализация управления

Любые системы как совокупности связанных элементов, взаимодействующих между собой, нуждаются в управлении. Причем это касается любых систем – от форм социальной организации различных обществ до аппаратно-программных технологических комплексов. В противном случае их запланированная при проектировании и создании функциональность не гарантирована в силу того, что большинство систем неспособны к эффективной самоорганизации. С этой управленческой проблематикой человеческая цивилизация сталкивалась на протяжении всей своей истории.

Рассматривая различные варианты управления системами, можно в общем виде выделить две его основные формы: централизованную и децентрализованную.

Исторически наиболее ранняя форма управления социумом естественным образом сложилась во времена первобытных людей, когда родовые и племенные группы имели внутри себя строгую управленческую иерархию, но в отношении управления всей популяцией можно было говорить лишь о сугубой децентрализации. Более того, каждая группа в большинстве случаев представляла собой управленческий изолят, поэтому всю совокупную популяцию вида Homo Sapiens сложно представить единой, хотя и децентрализованной системой. Действительно, управленческие связи между группами отсутствовали, а взаимодействие если и имело место, то носило исключительно деструктивный характер. Обычно оно было направлено на уничтожение или в лучшем случае ассимиляцию слабых групп более сильными. По мере развития социальных взаимоотношений между группами у них начали проявляться устойчивые связи, породившие в конечном итоге более сложные иерархические системы с доминирующими элементами во главе. Как только совокупная численность взаимодействующих внутри иерархии групп стала относительно большой, система стала приобретать черты централизованной модели. Иначе говоря, люди создали понятие «государство», во главе которого встал единоличный правитель, выборный или наследственный. Подобная форма государственного устройства оказалась вполне жизнеспособной, поскольку дожила до наших дней, хотя и претерпев различные модификации.

Таким образом, можно констатировать, что вынужденная форма децентрализованного управления социумом на ранних стадиях его становления эволюционировала в более прогрессивный на тот момент централизованный способ. Централизация породила возможность ресурсной консолидации, которая позволила осуществлять проекты на государственном уровне – вести захватнические войны или заниматься масштабным строительством, хотя, впрочем, одно никогда не исключало другого. История таких древних государств, как Вавилон или Египет, – наглядные тому примеры. На первый взгляд, централизация – единственно верный и наиболее эффективный вариант управления системами. Однако уже в средневековый период нашей истории начали появляться и другие управленческие формы. Речь в данном случае не идет об эволюции управленческих принципов, но в некоторых случаях политические обстоятельства просто не позволяли создавать эффективные централизованные управленческие модели.

Хорошим примером является католическая церковь, которая фактически стала, хотя и не без многовековой борьбы, независимым наднациональным институтом в средневековой Европе. И хотя сама внутренняя структура католической церкви была строго иерархичной, а управление в ней в значительной степени централизованным, непосредственные выборы главы церкви были результатом политического консенсуса между великими европейскими державами. Воспоследовавший в эпоху раннего Нового Времени протестантизм и вовсе привнес чистую децентрализацию в организацию новой конфессиональной структуры. Возникла пресвитерианская форма управления церковными общинами в пику традиционному, централизованному епископальному управлению.

Государства также не отставали от прогресса в части организации своего устройства: в 1291 году на карте средневековой Европы появилось по-настоящему децентрализованное государство – Швейцарская Конфедерация – союз нескольких независимых кантонов с фактическим отсутствием центрального управленческого политического института. Сейчас мы можем оценить это давнее событие по достоинству – Швейцария не только не утратила свой суверенитет за века, но и сумела стать одной из самых социально благополучных стран мира. С другой стороны, история знает немало примеров, когда децентрализация в виде феодальной раздробленности государств приводила к их ослаблению, а подчас и гибели.

Эти примеры говорят о неоднозначности утверждения, что одна из форм управления системами лучше другой. Безусловно, у обеих управленческих форм есть свои плюсы и минусы. Попробуем перенести наш анализ от форм социального устройства к технологическим системам. Схожесть социальной и технологической формы управления базируется на общем принципе, который сводится к приложению совокупности управляющих воздействий субъекта на объект. Рассмотрим в качестве технологического примера управление структурой глобальной компьютерной сети интернет. Когда интернет повсеместно вошел в жизнь людей, его стали активно использовать для организации различных сервисов – коммерческих, государственных, социальных. Интересно, что сам по себе интернет – это децентрализованная структура, хотя и имеющая иерархическую природу, особенно на нижних уровнях использования.

Конечный пользователь подключается к сети через своего провайдера, а тот, в свою очередь, если является небольшой организацией, имеет всего лишь один внешний канал к более крупному оператору. Чем крупнее субъект сети, тем больше связей он имеет с другими крупными субъектами, как посредством прямых соединений, так и через пункты обмена сетевым трафиком. Самые крупные операторы сети имеют свою инфраструктуру магистральных каналов по всему миру и обеспечивают наиболее значительную пропускную способность для передаваемых данных. И тем не менее интернет не имеет единой «точки отказа». То есть отключение одного участника системы, пусть даже достаточно крупного, не приведет к остановке работы сети в целом, за исключением того сегмента, который был полностью «замкнут» на выпавший из сети крупный узел. Впрочем, элементы этого сегмента могут в этом случае переключиться на резервные каналы и таким образом вернуться в онлайн.

Именно отсутствие точки отказа и есть одно из главных преимуществ децентрализованных систем. Вернемся к примеру Швейцарии: известно, что федеральный президент или какой-либо иной политический институт этого государства не имеет права отдавать приказ о капитуляции в условиях внешнего военного вторжения. А если такой приказ и будет отдан, то закон категорически запрещает жителям страны его исполнение. Таким образом, агрессору придется иметь дело чуть ли не с каждым швейцарцем по отдельности. То же самое касается и сети интернет. Даже если какая-то страна своим политическим решением захочет отключить интернет, то с большой вероятностью технологически осуществить это намерение будет возможно лишь на своей территории (за исключением узлов, подключенных к интернету по спутниковой связи, при условии, что спутник принадлежит другому государству). Возможно, пострадают пользователи в других странах, магистральные каналы из которых подключены к транзитным узлам страны, решившей отключиться от глобальной сети. Но вся остальная сеть в мире сохранит работоспособность.

Фактически для того, чтобы уничтожить интернет, необходимо отключить почти все его узлы, что само по себе представляет организационную и технологическую сложность, граничащую с практической невозможностью исполнения задуманного. То есть мы можем говорить о теоретической неуязвимости сети, построенной на базе распределенной топологии без единого управляющего центра. Но если мы обратимся на уровень сервисов, построенных на базе сети интернет, то мы увидим, что подавляющее их большинство построено на технологии «клиент – сервер», то есть технологии централизованной.

Все мы давно привыкли пользоваться различными интернет-сервисами. Порталы поддержки сервисов электронной почты, системы облачного хранения данных (например, документов или фотографий), доступ в систему «банк – клиент» для управления своими счетами и совершения платежей, бронирование отелей и авиабилетов, торговые платформы для осуществления сделок на финансовых рынках и многое другое – все эти сервисы построены на базе централизованной инфраструктуры. При использовании каждой такой системы, чтобы получить доступ к ресурсам и услугам, необходимо посетить специальный сайт поставщика конкретной услуги, ввести свой логин и пароль и подключиться к центральному серверу, где хранятся данные клиента или его активы. Однако в случае, если центральный сервер поставщика услуг по какой-то причине отключится, мы не сможем воспользоваться данной услугой, и нам придется ждать, пока сервер восстановит свою работоспособность. В данном случае мы сталкиваемся с главной проблемой централизованных систем – наличием «точки отказа». Отказ в обслуживании может быть результатом действия различных факторов: технологических проблем в виде выхода оборудования из строя, ошибок в программном обеспечении, злоупотреблений внутри структуры самого поставщика услуг, различных внешних хакерских атак или действия компьютерных вирусов. Не последнюю роль могут играть также результаты репрессивного воздействия государственных силовых или регулятивных структур на территории юрисдикции, где физически расположен поставщик услуг.

Все эти факторы, результатом влияния которых становится отказ в обслуживании, заставляют задуматься о том, каким образом можно технологически или организационно избежать подобных ситуаций. Ответом на этот вопрос стало возникновение технологии блокчейн, основанной на построении децентрализованной системы для хранения и обмена данными, что исключает все негативные факторы, естественным образом возникающие при централизации сервисов. На смену сетевой топологии «звезда», лучи которой от всех узлов-пользователей в обязательном порядке сходятся к центральной точке – узлу-серверу, пришла форма организации сети, в которой понятие «центральный сервер» отсутствует как таковое, а все взаимодействие осуществляется между узлами-клиентами напрямую между собой. Такие сети еще называют «одноранговыми» или «пиринговыми». Все узлы в подобной сети в большинстве случаев равноправны, и каждый из них может выполнять как клиентские, так и серверные функции. Подобная децентрализованная топология сети устраняет фактор «точки отказа», повышая степень надежности и работоспособности системы до величин, близких к абсолютным.

Однако у читателей может возникнуть вполне резонный вопрос: если серверы в сети как таковые отсутствуют, то каким образом в подобной системе хранятся общие данные, как они распространяются по сети и каким образом они защищены от несанкционированного доступа или модификации? А также каким образом подобные системы обслуживаются и развиваются, если все участники сети имеют равные права? Технология блокчейн обеспечивает решение большинства из этих вопросов. Данные реплицируются (копируются) между всеми узлами системы. Защиту от изменений или от несанкционированного доступа к данным обеспечивают математические алгоритмы асимметричной криптографии. Вся система функционирует на базе заданного набора правил, с которыми соглашаются все участники системы. В случае если необходимо внести значимые изменения, решение принимается общим голосованием участников системы.

Следует отметить, что администрирование децентрализованных систем на порядок сложнее, чем централизованных. Но это стоит рассматривать как плату за те преимущества, которые дает децентрализация. На текущий момент решены далеко не все проблемы, которые могут возникнуть при управлении децентрализованными системами. И мы еще неоднократно вернемся к обсуждению этой проблематики в последующих главах.

Хеширование информации

Инструмент хеширования данных является важной и неотъемлемой частью технологии блокчейн. Хеширование используется для создания адресации в блокчейн-системах, для формирования цифровой электронной подписи сообщений, а также для добычи криптомонет (так называемого «майнинга») в некоторых блокчейн-проектах, базирующихся на принципе «доказательства работы». Прежде чем рассматривать вышеупомянутые элементы блокчейн-систем, нам потребуется разобраться с тем, что же все-таки такое хеширование данных и на основе каких принципов эта процедура работает.

Начнем с определения. Хеширование – это метод преобразования набора данных произвольного размера в стандартизированную строку фиксированной длины при помощи специального алгоритма. То есть если взять какой-то набор данных, например, весь текст этой книги, то можно создать его цифровой отпечаток длиной, скажем, десять символов. При этом мы должны определить точный алгоритм преобразования входных данных и использовать его без изменения для любых других данных произвольного размера, получая на выходе стандартную строку в десять символов. Еще говорят, что в таком случае используется «детерминированный алгоритм», потому что он всегда выдает предопределенный результат. Фактически получаемый результат должен стать уникальным отображением преобразуемых входных данных. Для этого мы должны создать такой алгоритм преобразования, который ни при каких обстоятельствах не допустит получения одинакового результата преобразования для разных входящих наборов данных. То есть не создаст так называемых «коллизий». При этом малейшее изменение во входных данных, даже изменение одного их бита, должно видоизменять результирующий хеш на выходе до неузнаваемости. Вот пример работы одного из самых простых алгоритмов хеширования (SHA-1), где прообразами хешей являются два варианта написания английского слова «децентрализация», при этом во втором слове изменена всего лишь одна буква:

Как видно из полученных результатов, второй хеш не имеет ничего общего с первым, хотя разница в исходных прообразах минимальна. Читатель, вероятно, задастся вопросом: а зачем вообще это все нужно? На самом деле хеширование – это исключительно полезная функция, которая довольно широко применяется в компьютерных технологиях.

Представим себе ситуацию, что нам необходимо передать по каналам связи значительный объем данных, в которых при передаче по тем или иным причинам могут возникать помехи и искажения. Как нам проверить, дошли ли до конечного получателя данные в исходном виде? Пока мы не сравним каждый бит исходной информации с полученным, мы не сможем с уверенностью сказать, что передача данных прошла без ошибок. А что, если по пути следования в данные вмешался кто-то посторонний и намеренно исказил информацию? А как быть, если объем информации измеряется гигабайтами? Процесс сравнения двух огромных информационных блоков может занять значительное время. Не проще ли к передаваемому блоку данных приложить короткий уникальный «цифровой отпечаток», созданный на базе общеизвестного алгоритма хеширования? Тогда при получении мы можем еще раз запустить этот же самый алгоритм, подав ему на вход полученные данные, и затем просто сравнить результирующий хеш с тем, который был приложен к передаваемым данным. Если они в точности совпадут, значит, передача прошла без искажений, и мы имеем на руках данные, полностью аналогичные исходным. Таким образом мы проверяем целостность данных. Популярным вариантом использования алгоритма подобной проверки является получение значения так называемой «контрольной суммы», расчет которой базируется на алгоритме хеширования входного блока данных.

Рассуждая логически, мы приходим к пониманию, что совершенно невозможно преобразовать большой блок данных в исключительно малый без потерь исходной информации. И это действительно так. Алгоритм хеширования представляет собой одностороннюю математическую функцию, результат действия которой практически невозможно обратить в исходные данные до преобразования. То есть вычислительно из хеша чрезвычайно сложно получить его прообраз. Теоретически это возможно осуществить только последовательным перебором вариантов – при помощи так называемого метода «грубой силы». Этот метод базируется на принципе «зашифруй и сравни»: некие предполагаемые исходные данные хешируются и сравниваются с имеющимся хешем. Если эти два хеша не совпали, значит, данный предполагаемый прообраз нам не подходит. Меняем его и хешируем снова – и так далее до бесконечности, пока хеши вдруг неожиданно не совпадут. Только тогда мы можем говорить о том, что мы «расшифровали хеш», но количество вариантов, которое нам необходимо перебрать, чтобы добиться такого результата, измеряется, без преувеличения, астрономическими величинами.

Данный метод, кстати, широко используется для защиты хранимых секретных паролей на различных серверах. Размещать пароли пользователей на интернет-серверах в открытом виде явно небезопасно – их могут похитить злоумышленники и затем попытаться нанести системе и ее участникам материальный ущерб. Но если пароли хранятся не в открытом виде, а в виде хешей, то задача несанкционированного доступа значительно усложняется. Если пароль вводит его владелец, то система хеширует пароль и сравнивает с хранимым хешем пароля для данного пользователя. Если они совпали, значит, пароль введен верный, и система открывает пользователю доступ. Если хеши не совпадают – пароль неправильный. А наличие у злоумышленника украденного хеша пароля задачу ему отнюдь не упрощает, поскольку ему необходимо восстановить исходный пароль методом масштабного перебора вариантов. Понятно, что чем длиннее исходный пароль, тем больше максимально возможных вариантов его перебора. Поэтому для получения исходного пароля необходимо задействовать исключительные вычислительные мощности, что в конечном итоге отражается на общей стоимости атаки, которая может обойтись дороже, чем возможная материальная выгода от подбора конкретного пароля.

Еще один популярный способ использования алгоритмов хеширования применяется в так называемых торрент-трекерах. Торренты – это технология обмена файлами, как правило, медийного характера (в подавляющем большинстве – видео). Сама технология имеет гибридную модель, когда торрент-файлы, содержащие техническую информацию, распространяются централизованно через специальные торрент-трекинговые порталы. При этом непосредственный обмен основными файлами происходит децентрализованно, через организацию прямого соединения между «сидерами» – теми, кто отдает файлы, и «личерами» – теми, кто их получает. В силу объема передаваемой по сети интернет информации (а иные видеофайлы могут иметь объем, измеряемый гигабайтами) их передача осуществляется фрагментами. Задача принимающей стороны – связаться с различными отправителями фрагментов одного и того же файла и получить на свое устройство все его части.

Конечная цель – собрать в правильном порядке из этих кусочков исходный файл большого объема так, чтобы целостность всех данных не пострадала и медийный проигрыватель не выдал ошибку при попытке запустить файл для просмотра. Одна из основных процедур данной технологии – постоянное сравнение значительных блоков данных с целью контроля их целостности и правильной идентификации их фрагментов. Вот здесь на помощь и приходит функционал хеширования. Именно по хешам как целых файлов, так и их фрагментов осуществляется идентификация соответствия блоков данных именно тем, которые были запрошены. И если все хеши совпадают, значит, в итоге мы гарантированно «склеим» нужный нам файл без ошибок. Поэтому именно технология хеширования позволяет быстро и надежно сравнивать различные блоки данных и гарантировать их целостность при передаче.

Наконец, технология хеширования активно используется для ускорения поиска данных. Для этого формируются так называемые «хеш-таблицы», которые содержат хеши различных информационных блоков. Их сортируют в определенном порядке, чтобы при осуществлении поиска можно было быстро найти данные по их хешам, обращаясь сразу в нужный раздел вместо масштабного поиска по всей базе.

Теперь рассмотрим вопрос, какие математические и логические операции используются для вычисления хешей. Алгоритмов хеширования достаточно много – от относительно простых до достаточно затейливых. Обычно при создании математической модели алгоритма преследуются цели усложнения задачи обратного восстановления прообраза из хеша и расширения максимально возможного диапазона получаемых из прообраза хешей. Это необходимо для того, чтобы вероятность появления коллизий, то есть получения одинаковых хешей из двух различных прообразов, составила исключительно малую величину. Понятно, что с увеличением разрядности (размера) хеша вероятность появления коллизий экспоненциально уменьшается. Однако в ряде случаев требуется решить задачу для хешей относительно небольших размеров, поскольку это влияет на совокупный объем хранимой информации и, как следствие, на стоимость этого хранения.

В качестве примера работы алгоритмов хеширования приведем несколько наиболее популярных процедур, в том числе и тех, которые используются в различных проектах, базирующихся на технологии блокчейн – таких, как, например, Bitcoin (SHA-256) или Ethereum (SHA-3). Данные алгоритмы состоят из определенного количества шагов (итераций), на каждом из которых с данными совершаются какие-либо логические операции из следующего набора.

Конец ознакомительного фрагмента.

Текст предоставлен ООО «ЛитРес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на ЛитРес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.