Объяснение блокчейна для веб-разработчиков

Перевод статьи «The Blockchain Explained to Web Developers, Part 1: The Theory» за авторством Francois Zaninotto. Эту статью я нашел в блоге компании Marmelab. Статья представляет собой отличное введение в технологию блокчейн «с нуля», но может оказаться интересной и для тех, кто уже «в теме». Она касается не только того, как работает блокчейн, но и перспектив его развития, а также с чего начать, если вы хотите создать свой проект, использующий блокчейн. 

Объяснение блокчейна для веб-разработчиков, Часть первая: Теория

Блокчейн – это новая популярная технология. Даже если вы не слышали о ней, вы, вероятнее всего, знаете о Bitcoin. Блокчейн — это одна из фундаментальных технологий на которых основан Bitcoin. Эксперты говорят, что блокчейн вызовет революцию схожую с той, которую некогда вызвал Интернет. Но что это на самом деле и как его можно использовать для создания приложений? Эта статья является первой в серии из трех, рассказывающей о феномене Блокчейна. Мы обсудим теорию, покажем фактический код и поделимся своим опытом, основанным на реальном проекте.

Для начала попытаемся понять что из себя представляет Блокчейн.

Что такое Блокчейн, Часть первая

Несмотря на то, что блокчейн создан для поддержки Bitcoin

, идея блокчейна может быть определена независимо от экосистемы Биткоина. Литература обычно определяет блокчейн следующим образом:

Блокчейн – это журнал с фактами, реплицируемый на несколько компьютеров, объединенных в сеть равноправных узлов (P2P). Фактами может быть что угодно, от денежных операций и до подписания контента. Члены сети — анонимные лица, называемые узлами. Все коммуникации внутри сети используют криптографию, чтобы надежно идентифицировать отправителя и получателя. Когда узел хочет добавить факт в журнал, в сети формируется консенсус, чтобы определить, где этот факт должен появиться в журнале; этот консенсус называется блоком.

Я не знаю как у вас, но у меня после чтения этих определений все еще оставались проблемы с пониманием блокчейна. Давайте заглянем немного глубже.

Упорядочивание фактов

Децентрализованные сети с равноправными узлами не новы. Napster и BitTorrent — это P2P сети. Просто вместо обмена фильмами, участники сети блокчейна обмениваются фактами. Так в чем же реальная особенность блокчейна?

P2P-сетям, как и прочим распределенным системам, приходится решать очень сложную проблему информатики: разрешение конфликтов, или согласование. Реляционные базы данных предлагают ссылочную целостность, но такой особенности нет в распределенной системе. Если два несовместимых факта прибывают в одно и тоже время, система должна иметь правила для определения того, какой факт считать правильным.

Возьмем, к примеру, проблему двойного расходования: у Алисы есть 10$ и она отсылает их дважды Бобу и Чарли. Кто будет иметь 10$ в итоге? Для того чтобы ответить на этот вопрос, лучший способ это упорядочить факты. Если два несовместимых факта появятся в сети, то победит тот, который будет первый записан.

В P2P сетях, два факта отправленные примерно в одно время могут прибыть в разном порядке в удаленные узлы. Тогда как всей сети согласовать какой же факт пришел первым? Чтобы гарантировать целостность в P2P сети, вам нужен способ согласования порядка фактов. Вам нужна система консенсуса.

Алгоритмы консенсуса для распределенных систем это очень активное поле для исследований. Возможно, вы слышали о алгоритмах Paxos или Raft. Блокчейн реализует другой алгоритм, консенсус, основанный на доказательстве выполнения работы (proof-of-work), использующий блоки.

Блоки

Блоки – это хитрый трюк, чтобы упорядочить факты в сети с недоверенными узлами. Идея проста: факты группируются в

блоки, и есть только одна цепочка блоков, реплицируемая по всей сети. Каждый блок ссылается на предыдущий. То есть, если факт F находится в блоке 21, и факт E в блоке 22, то факт E рассматривается всей сетью как следующий за фактом F. Перед добавлением к блоку, факты находятся на рассмотрении, т.е. не подтверждены.

Майнинг

Некоторые узлы в цепочке создают новые локальные блоки с неподтвержденными фактами. Они соревнуются, чтобы узнать, станет ли их локальный блок следующим блоком в цепи для всей сети, путем броска игральных костей. Если узел выбрасывает две шестерки, то он получает возможность опубликовать его локальный блок, и все факты в этом блоке становятся подтвержденными. Этот блок посылается всем узлам в сети. Все узлы проверяют, что блок правильный, добавляют его к их копии цепи и пытаются построить новый блок с новыми неподтвержденными фактами.

Но на самом деле узлы не просто бросают пару игральных костей. Задача, которую решают майнеры в блокчейне подразумевает бросок огромного количества игральных костей. По замыслу, обнаружение случайного ключа для проверки блока маловероятно. Это предотвращает мошенничество и делает сеть безопасной (до тех пор, пока злоумышленник не имеет контроль более чем над половиной узлов в сети). Как следствие, новые блоки будут публиковаться в цепь через фиксированный интервал времени. В Bitcoin блоки публикуются, в среднем, каждые 10 минут.

В Bitcoin, задача представляет из себя двойной SHA-256 хэш строки из непроверенных фактов, идентификатора предыдущего блока и случайной строки. Узел выигрывает, если его хэш содержит как минимум n ведущих нулей.

// проигрышный хэш для Bitcoin<br /> 787308540121f4afd2ff5179898934291105772495275df35f00cc5e44db42dd<br /> // выигрышный хэш для Bitcoin, если n=10<br /> 00000000009f766c17c736169f79cb0c65dd6e07244e9468bc60cde9538b551e

Число n время от времени корректируется, чтобы сохранить длительность вычисления блока, несмотря на изменение количества узлов. Это число называется сложностью. Другие реализации блокчейна используют специальные методы хэширования, которые препятствуют использованию графических процессоров для вычислений (например, требуют передачи больших объемов памяти).

Процесс поиска блоков называется майнингом. Все дело в том, что так же как и добыча золота (прим. перев. Mining — добыча (англ.)), майнинг блоков приносит экономическое вознаграждение — некоторую форму денег. Вот почему людей, которые содержат узлы в блокчейне, называют майнерами.

Примечание: По умолчанию, узел не майнит – он просто получает блоки, которые майнят другие узлы. Это добровольный процесс — превращение узла в узел майнер.

Деньги и криптовалюты

Каждую секунду, каждый майнер тестирует тысячи случайных строк, чтобы сформировать новый блок. То есть работа майнера в блокчейне требует огромное количество компьютерных ресурсов (памяти и CPU). Вот почему

вы должны платить, чтобы записывать факты в блокчейн. С другой стороны, чтение фактов бесплатно: вам достаточно запустить собственный узел и вы будете получать полную историю фактов созданную другими узлами. Итак, подведем итог:

• Чтение данных бесплатно
• За добавление фактов взимается небольшая комиссия
• Майнинг блока приносит деньги в размере комиссионных за все факты, входящие в блок

Речь здесь идет не о реальных деньгах. Как факт, каждый блокчейн имеет свою собственную (крипто-)валюту. Она называется bitcoin (BTC

) в сети Bitcoin, ether (ETH

) в сети Ethereum, и т.д. Чтобы совершить платеж в сети Bitcoin, вы должны заплатить небольшую комиссионные в bitcoin'ах – так же как вы должны были бы заплатить комиссионные банку. Однако, откуда взялись первые деньги?

Майнеры получают вознаграждение за поддержание работы и безопасности сети. Каждый раз, когда они успешно формируют блок, они получают фиксированное количество криптовалюты. В Bitcoin вознаграждение – 25 BTC за блок, в Ethereum– 5 ETH за блок. Таким образом, блокчейн сам генерирует свои собственные деньги.

Криптовалюты быстро стали конвертируемы в реальные деньги. Их номинальная стоимость определяется только спросом и предложением, поэтому криптовалюта — это объект спекуляции. К моменту написания статьи, процесс майнинга bitcoin все еще требовал меньше расходов на энергию и оборудование, чем деньги которые вы можете получить, продавая монеты, полученные за него. Вот почему люди добавляют новых майнеров каждый день, надеясь превратить электричество в деньги. Однако колебания в стоимости BTC делают майнинг все менее и менее выгодным.

Контракты

До сих пор, мы в основном говорили о блокчейне как о хранилище фактов, но он также может 

исполнять программы. Некоторые блокчейны позволяют каждому факту содержать мини программу. Такие программы реплицируются вместе с фактом, и каждый узел выполняет их, получая факт. В Bitcoin это используется для совершения транзакций с условиями, например: Боб получит 100 BTC от Алисы только если сегодня 29 февраля.

Другие блокчейны разрешают более сложные контракты. Например, в Ethereum каждый контракт несет в себе мини-базу данных и предоставляет методы для изменения ее данных. Поскольку контракты реплицируются по всем узлам, то и их базы данных тоже. Каждый раз, когда пользователь вызывает метод из контракта и, соответственно, изменяет данные, эта команда реплицируется и повторяется всей сетью. Это позволяет создать распределенный консенсус для выполнения обещаний.

Эта идея сопряжения блокчейна с реальным миром при помощи заранее запрограммированных условий и их передачи всем узлам называется умный контракт. Контракт — это обещание, которое стороны подписывают, чтобы закрепить его юридически. Умный контракт – это то же самое, только закрепление происходит «технически», а не «юридически». Благодаря этому отпадает необходимость в нотариусе или любом другом полномочном лице, признаваемом обеими сторонами.

Представьте, что вы хотите сдать ваш дом на неделю за 1000$ c 50%-ой предоплатой. Вы и арендующий подписываете контракт, вероятнее всего, написанный юристом. Вам также нужен банк для получения платежа. В начале недели вы просите о депозите в 5000$; арендующий предоставляет вам чек на него. В конце недели он отказывается заплатить оставшиеся 50%. Вы также узнаете, что он сломал окно, и чек с депозитом ведет на пустой счет. Теперь вам понадобится адвокат, чтобы передать ваш договор на аренду в суд.

Умные контракты в блокчейне позволяют вам обойтись без банка, юриста, адвоката и суда. Просто напишите программу, которая определяет, сколько денег должно быть передано в случае определенных условий:

 

• Две недели перед арендой: передача 500$ от арендующего к владельцу
• Отмена владельцем: передача 500$ от владельца к арендующему;
• Конец периода аренды: передача 500$ от арендующего к владельцу
• Доказательство механических повреждений после периода аренды: передача 5000$ от арендующего к владельцу

 

Добавьте этот умный контракт в блокчейн и больше никаких проблем. Ко времени указанному в контракте произойдет передача денег и, если владелец сможет представить доказательства механических повреждений, он автоматически получит 5000$ (и нет никакой нужды в депозите).

Вероятно, вы задаетесь вопросом, как получить доказательства механических повреждений. Здесь в дело вступает «интернет вещей» (IoT). Для взаимодействия с реальным миром блокчейну необходимы датчики и приводы. Блокчейн революция невозможна без IoT революции.

Такие приложения, опирающиеся на умные контракты, называются децентрализованными приложениями или DApps.

Умные контракты легко расширяются на умную собственность и многие другие умные вещи. Запомнить надо только одно: «умные» означает «нет посредников» или «исполняется технически». Блокчейн – это новый способ ведения бизнеса без посредников – также как продажа музыки в Интернете.

Что такое блокчейн. Часть вторая

Как мне кажется, лучший способ понять блокчейн – это взглянуть на него с разных сторон.

Что он делает? Блокчейн позволяет безопасно распространять и/или обрабатывать данные между несколькими лицами через недоверенную сеть. Данными может быть что угодно, но наиболее интересным вариантом данных является возможность передачи информации, которая требует наличия третьей доверенной стороны. Примерами такой информации являются деньги (требуют участия банка), права на собственность (требуют участия нотариуса), договор на заем и т.д. В сущности, блокчейн устраняет необходимость в участии третьего доверенного лица.

Как он работает? С технической точки зрения, блокчейн является новшеством, которое опирается на три понятия: P2P сети, асимметричная криптография и распределенный консенсус, основанный на решении математической задачи. Ни одна из этих идей не является новой сама по себе. Если вы не разбираетесь во всех, не беспокойтесь: немногие люди обладают необходимыми знаниями, чтобы разработать блокчейн (что является проблемой). Но отсутствие полного понимания блокчейна не мешает вам использовать его, так же как вы можете создавать веб-приложения, не зная о медленном старте TCP или центрах сертификации.

На что он похож? Блокчейн можно рассматривать как (слабо)синхронизированную базу данных реплицируемую столько же раз, сколько узлов в сети, или как суперкомпьютер, образованный комплексом всех CPU/GPU входящих в него узлов. Вы можете использовать этот суперкомпьютер для хранения и обработки данных, т.е. также как вы можете использовать удаленный API. Отличие только в том, что вам не нужно создавать бэкэнд, и вы можете быть уверены, что данные надежно защищены и обрабатываются в сети должным образом.

Практические следствия

Факты, хранящиеся в блокчейне, не могут быть утеряны. Они остаются там навсегда, реплицируясь на каждый узел. Даже более того, блокчейн не просто хранит конечное состояние, он хранит и все предыдущие состояния. Поэтому каждый может проверить правильность конечного состояния, пересчитывая факты с самого начала.

Фактам в блокчейне мы можем доверять, т.к. они технически подтверждаются консенсусом. Даже если в сети находятся злоумышленники, вы все равно можете доверять ее суждению в целом.

Помещение данных в блокчейн достаточно медленная операция, поскольку она требует достижения распределенного консенсуса.

Подсказка: Если у вас есть 20 свободных для более глубокого понимания, посмотрите это прекрасное вводное видео о Bitcoin, которое также объясняет, как работает блокчейн.

Почему это важно

«Блокчейн это самая потрясающая технология из тех, которые я когда либо видел.» Salim Ismail
«Самая интересная интеллектуальная разработка в Интернете за последние 5 лет.» Julian Assange
«Я думаю тот факт, что благодаря Bitcoin вселенной, алгоритм замещает функции [государства] … это действительно очень круто.» Al Gore

Эти умные люди увидели огромный потенциал в блокчейне. Потенциально блокчейн может заменить всех посредников, которые необходимы для установления доверительных связей. Давайте взглянем на несколько приложений которые построены на блокчейне и реализуют идеи отказа от посредника.

• Monegraph позволяет авторам закрепить права на свою работу и установить правила (и выплаты) за использования их работы.
• La Zooz это децентрализованный Uber. Предлагай свою машину, найди перевозчика без платы Uber’у.
• Augur – это онлайн букмекер. Делай ставки и получай выигрыш.
• Storj.io – это P2P хранилище данных. Сдавай свое неиспользуемое место на диске или найди самое дешевое онлайн хранилище.
• Muse – это распределенная, открытая и прозрачная база данных специально для музыкальной индустрии.
• Ripple позволяют проводить недорогие трансграничные платежи в банки

На сегодняшний день многие успешные интернет предприятия являются посредниками. Подумайте о Google: им удалось стать посредником между вами и всем интернетом. А Amazon? Они стали посредником между продавцами и покупателями любых типов товаров. Вот почему технология, которая позволяет устранить посредников может взорвать Интернет.

Получат ли выгоду пользователи, которым больше не понадобятся посредники для обмена товарами и услугами? Пока нельзя сказать точно. Интернет и ранее ориентировался на отсутствие посредников. Тем не менее, Google удалось построить свой рынок, будучи посредником. Вот почему крайне важно инвестировать в блокчейн быстро, потому что победители и проигравшие следующего десятилетия определяются прямо сейчас.

Вы не захотите создавать свой блокчейн

Технологии, на которых строится блокчейн, используют передовую криптографию, пользовательские сетевые протоколы и оптимизацию производительности. Все это слишком сложно, чтобы разрабатывать это каждый раз, когда проекту требуется блокчейн. К счастью, помимо Bitcoin, есть еще несколько реализаций блокчейна с открытым кодом. Вот самые передовые:

• Ethereum: платформа блокчейна с открытым исходным кодом от Ethereum Foundation
• Hyperledger: другая открытая реализация, только от Linux Foundation. Первая реализация была опубликована совсем недавно.
• Eris Industries: Инструменты, помогающие использовать Ethereum,Bitcoin или полностью независимые блокчейны, в основном для создания частных сетей. Их инструкции и руководства являются отличной отправной точкой для обзора блокчейна.

Сложность этих реализаций сильно различается. Если вам необходимо создать приложение прямо сейчас, мы советуем:

• Eris для небольших частных блокчейнов или для того, чтобы поиграться с технологией и общего ознакомления.
• Ethereum для крупных блокчейн проектов

Кроме того, Bitcoin это не лучший выбор для платформы разработки. Он был разработан для денежных транзакций и только, хотя вы и можете запрограммировать псевдо-умные контракты. В настоящее время сеть испытывает 

серьезный кризис роста, транзакции ждут в очереди до часа, чтобы быть помещенными в блок. Майнеры часто выбирают транзакции с наибольшими комиссионными, так что передача денег в Bitcoin становится дороже, чем в банке. Сообщество разработчиков находится на грани войны, и спекуляции с криптовалютой делают номинальную стоимость слишком изменчивой.

Цифры

Насколько велик блокчейн сегодня? Взглянем на некоторые цифры.

Bitcoin:

• Время блока: 10 минут
• Число биткоинов получаемых за майн блока: 25 (прим. перев. На момент перевода статьи: 12,5)
• Число созданных блоков: более 400000
• Число транзакций в одном блоке: более 1200
• Число узлов в сети: ≈7000
• Стоимость биткоина: 420$
• Большинство компьютерных ресурсов сосредоточено в Китае

 Ethereum:

• Время блока: 10 секунд
• Число Ether получаемых за майн блока: 5
• Число созданных блоков: более 1400000
• Число транзакций в одном блоке: более 30000
• Число узлов в сети: более 6000
• Стоимость Ether: около 10$, но сильно варьируется
• Большинство компьютерных ресурсов сосредоточено в майнинг пуле, называемом «Dwarfpool»

 Заключение

Технология блокчейна одновременно интригующая и захватывающая. Станет ли она революцией, которую предсказывают компьютерные гуру? Или это просто экономический пузырь опирающийся на непрактичные идеи? После изучения большого количества информации на эту тему мы все еще не можем сформировать окончательное мнение.

Когда мы сталкиваемся с неопределенностью, мы знаем отличный способ с ней разобраться: пробовать. Это как раз то, что мы решили делать. Читайте следующую статью в серии, чтобы увидеть, что мы узнали, создавая приложение работающее на блокчейне.

link