ТЕХНОЛОГИИ, РЕАЛИЗУЮЩИЕ ПРИНЦИП РАСПРЕДЕЛЕННОГО РЕЕСТРА, И ВОЗМОЖНОСТИ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ В ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ

TECHNOLOGIES THAT IMPLEMENT THE PRINCIPLE OF DISTRIBUTED REGISTRY, AND THE POSSIBILITY OF THEIR APPLICATION IN INFORMATION SYSTEMS

Система распределенного реестра или DLT (от англ. Distributed Ledger Technology) - это технология хранения информации, ключевыми особенностями которой является совместное использование и синхронизация цифровых данных согласно алгоритму консенсуса, где каждый участник обладает своей полноправной копией реестра, равнозначные копии географически распределены в разных точках по всему мир, а центральный администратор отсутствует. Такой подход существенно отличается от традиционной архитектуры централизованных систем, в которых присутствует единственный источник достоверных данных. Актуальные копии базы данных поддерживаются на каждом узле, отчего операционная устойчивость существенно повышается. Первая полноценная DLT появилась в 2008 году, когда программист Сатоси Накамото опубликовал документ, содержащий описание квазиденежного инструмента «Биткойн», основанного на реплицированной распределённой базе данных, названной блойкченом. С тех пор системы распределенного реестра чаще всего ассоциируются с блокчейном, а блокчейн – с криптовалютами. Однако, в нынешнее время, принципы распределенного реестра реализуют и другие технологии, а применение блокчейна вышло далеко за рамки криптовалют.

 В блокчейне распределенный между всеми узлами сети реестр непрерывно записывает историю операций с активами между одноранговыми (одного порядка) узлами сети в виде блоков информации. Формируются цепи блоков с помощью хеша: распределенная база данных выглядит как цепочка последовательных блоков, каждый из которых содержит в себе хеш предыдущего блока и свой порядковый номер. Помимо этого, для тех же целей обеспечения неизменности и подлинности, все транзакции подписываются электронной цифровой подписью, для проверки которой используется открытый ключ отправителя транзакции. В криптовалютах блокчейн используется для нахождения хеша и предоставления доказательства его подлинности, а также проведенной работы (в отдельных случаях – доли участия) с помощью алгоритма консенсуса. Технология в первую очередь решает проблему недоверия контрагентов – это происходит благодаря невозможности изменения или удаления уже добавленных данных и распределенному алгоритму для добавления новой информации. Помимо этого, происходит уменьшение издержек, как временных, так и денежных за счет отсутствия посредников. Из-за того, что блокчейн делает бизнес-процессы прозрачными и защищает информацию надежнее, чем любая технология, которая использовалась до этого, технология  уже находит себе массу применений, помимо криптовалют: электронные медицинские карты Medicalchain [3]; торговая площадка для купли и продажи редкими автомобилями – Bitcar [4]; системы межбанковских платежей – Ripple [5]; электронное голосование - Polys [6].

За более чем 10 лет существования блокчейна было создано несколько десятков платформ, полностью или частично реализующих данную технологию для различных целей. Проведем сравнительный анализ некоторых из них.

Таблица 1.

Характеристика

Bitcoin

Ethereum

Hyperledger fabric

Corda

Цель

Цифровой перевод средств без ограничений доступа

Исполнение смарт-контрактов в распределнном реестре

Широкий спектр бизнес-целей

Платформа для финансовых транзакций

Модель обмена информации

Широковещательная

Широковещательная

Широковещательная (в зашифрованном виде)

Принцип служебной необходимости

Валидация транзакций

Proof of Work (POW)

Proof of Work (POW)

Practical Byzantine Fault Tolerance (PBFT)

Подтверждается участвующими сторонами в сделке

Консенсус

Proof of Work (POW)

Proof of Work (POW)

Practical Byzantine Fault Tolerance (PBFT)

Уникальный

Модель транзакций

UTXO модель (опирается на вывод неизрасходованных транзакций)

База счетов

Блокчейн + Хранилище ключевых знаний

UTXO модель

Наличие регулятора платформы

Нет

Нет

Нет

Существуют регуляторные ноды

Используемые языки программирования

Python

Solidity

Go

Kotlin, Java

Использование криптовалют

Да

Да

Нет

Нет

Доступ к платформе

Открытый

Открытый

По запросу

По запросу

Смарт-контракты

Ограничены в использовании, обусловленные

Тюринг-полные

Тюринг-полные

Тюринг-полные

Виртуальные машины

Машинный код

Виртуальная машина Ethereum

Машинный код

Виртуальная машина Java

Юридическая модель

«Код-закон»

«Код-закон»

Предусмотрена возможность отсылок к юридически значимым документам

Предусмотрена возможность отсылок к юридически значимым документам

Завершенность транзакций

Нет

Нет

Да

Да

Сравнительная характеристика систем на основе blockchain

 

Как можно увидеть из сравнительной таблицы, блокчейн-платформы бывают разнообразны в своей архитектуре, используемых программных средствах и в целях использования. Однако, все они используют общие принципы блокчейн, которые, несмотря на все преимущества, не лишены и недостатков. Некоторые из этих недостатков, например, известные проблемы безопасности, можно обойти, и, если это возможно, выбрать систему с иным протоколом консенсуса, но также можно выделить одну крупную проблему, свойственную технологии в целом — это проблема масштабируемости. Сейчас в системе биткойн проходит примерно 7 операций в секунду. Некоторые из современных блокчейнов с помощью прямой работы с чейн-кодом могут в разы увеличить количество транзакций в секунду, однако для поддержания работоспособности сети каждая полная нода должна иметь достаточно памяти для хранения всех данных. Чем больше в сети происходит транзакций, тем больше она весит и тем быстрее она растет. Также важно отметить, что предварительно перед запуском, каждая полная нода должна скачать всю историю транзакций, на что может уйти очень много времени. Поэтому многие используют “легкие клиенты”, которые не скачивают весь блокчейн на компьютер, а только необходимую в данный момент часть. В результате истинных хранителей полноценного узла распределеннного рестра не так уж и много, что мешает реализации принципа децентрализации.

Главной альтернативой блокчейну в построении систем распределенного реестра является технология Tangle, в основе которой лежит алгоритм DAG (направленный ациклический граф, DAG от англ. directed acyclic graph). Такой алгоритм позволяет достигать консенсуса без хранения тразакций в блоках. Все транзакции в сети проходят через подтверждение самих участников сети – отправитель транзакции обязательно проверяет другие транзакции. Например, для криптовалюты IOTA, созданной на технологии Tangle, для отправления новой транзакции необходимо проверить две предыдущие. И поскольку за поддержание работоспособности сети отвечает каждый ее участник, необходимость в майнерах отсутствует. Это решает в том числе некоторые проблемы безопасности основного алгоритма консенсуса блокчейна - «Proof-of-work», такие как: повторная передача одних и тех же активов, захват пятидесяти одного процента вычислительных мощностей сети, а также других специфических уязвимостей протокола. Сеть, построенная на Tangle, должна расширяться тем эффективнее, чем больше людей будут ею пользоваться. Это обусловлено тем, что с увеличением числа проходящих через сеть транзакций возрастают возможности обработки других транзакций. Кроме того, применяемый механизм консенсуса прекрасно подходит для микроплатежей, что обусловлено использованием одноранговых подтверждений.

 

Новейшим словом в решении проблемы масштабируемости распределенных реестров является технология Hashgraph. если классический блокчейн визуально можно изобразить как строгую последовательность блоков, то Hashgraph визуально напоминает древо с огромным количеством ветвлений. Так как количество одновременных циклов практически неограничено, Hashgraph позволяет одновременно осуществлять огромное количество транзакций – до 10000 в секунду, что превышает пропускную способность блокчейна в тысячи раз. Следующим принципиальным отличием Hashgraph от классического блокчейна является подпротокол gossip (протокол сплетен). Внутри распределенного реестра каждая транзакция не означает передачу всех данных, но лишь сведений о сведениях (Gossip about Gossip). О транзакции нода сообщает двум другим произвольным узлам, каждый из которых, в свою очередь, транслируют сообщения двум другим до того момента, когда количество извещенных нодов окажется достаточным для достижения консенсуса, а это случается, когда проинформирована большая часть узлов (и именно за счет этого достигается заявленное количество транзакций на единицу времени). В отличие от PoW и PoS, наиболее часто встречающихся в блокчейне, он не нуждается ни в специальном оборудовании. Это позволяет ему использовать меньший объем данных о предыдущих транзакциях, что также способствует увеличению пропускной способности сети. Главным же недостатком на текущий момент является то, что технология совсем недавно была впервые запущена в публичной сети Hedera и не прошла полное масштабное тестирование [8]. К тому же, в некоторых средах есть свои ограничения на количество транзакций в секунду – например, заявленная скорость работы со смарт-контрактами составляет 10 транзакций в секунду. В таких случаях преимущество в скорости обработки. перед блокчейном уже не столь существенно. В иных же случаях скорость работы позволит производить записи в реестре, практически в реальном времени. Таким образом данную технологию можно будет использовать во множестве государственных реестров (налогообложение, социальные фонды, страхование и т. п.). Некоторые решения, предлагаемые подобными проектами только потенциально возможны для блокчейне, а вот на хэшграфе могут стать реально исполнимыми.

Таблица 2.

Сравнительная характеристика технологий для построения систем распределенного реестра

 

Блокчейн

Tangle

Hashgraph

Максимальное количество транзакций в секунду

~10

~1000

~10 000

Структура

Цепочка

древо

древо

Майнинг

да

нет

да

Ограничения скорости работы

Вычислительная мощность установленного оборудования

Скорость распространения радиоволн

Скорость интернета

Необходимость в оборудовании

да

нет

нет

Анонимность

Да (в частных сетях)

нет

нет

Этап разработки

Внедрение

Масштабное тестирование

Внутреннее тестирование

 

В результате исследования можно сделать вывод о том, что системы распределенного реестра активно развиваются – появляются новые технологии для использования таких систем с различными целями. И если раньше понятие DLT ассоциировалось только с криптовалютами на основе блокчейна, то сейчас разрабатывается множество уникальных систем со своими преимуществами, недостатками и особенностями, при этом сохраняются основные принципы DLT. И если некоторые системы, основывающиеся на блокчейне уже хорошо показали себя за рамками криптовалют, то другим DLT, таким как Tangle и Hashgraph, еще предстоит пройти масштабное тестирование.

 

Список литературы:

  1. Власов А. И, Карпунин А. А., Новиков И. П. Системный анализ технологии обмена и хранения данных blockchain // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2017. №3 (55). С. 75-83.
  2. Мельник Э. В., Клименко А. Б., Родина А. А. Децентрализованное формирование распределенных реестров размеченного интернет-контента // Известия тульского государственного университета. Технические науки. 2019. №2. С. 282-293.
  3. Medicalchain // Аналитическая платформа Icoholder URL: https://icoholder.com/ru/medicalchain-1017 (дата обращения: 09.11.2019).
  4. Bitcar // Международный ежегодный саммит "Блокчейн для бизнеса" URL: https://tmt.knectcom/blockchain-business-summit/sponsors/bitcar (дата обращения: 09.11.2019).
  5. Bitcoin vs. Ripple: What's the Difference? // Investopedia URL: https://www.investopedia.com/tech/whats-difference-between-bitcoin-and-ripple/ (дата обращения: 09.11.2019).
  6. В Саратовской области прошли крупнейшие в мире выборы на блокчейне // Российский фонд свободных выборов URL: http://www.rfsv.ru/practice/itogi-otsenki-vyvody/v-saratovskoi-oblasti-proshli-krupneishie-v-mire-vybory-na-blokcheine (дата обращения: 09.11.2019).
  7. Mastering Blockchain: Distributed ledger technology, decentralization, and smart contracts explained. 2 изд. Лондон: Packt Publishing, 2018. 656 с.
  8. Конкурент блокчейна: Hedera Hashgraph запустила публичную сеть // Bloomchain URL: https://bloomchain.ru/newsfeed/alternativa-blokchejnu-hedera-hashgraph-zapustila-publichnuyu-set/ (дата обращения: 15.09.2019).
  9. IOTA-ROUNDUP // THE TANGLER URL: http://www.tangleblog.com/what-is-iota-what-is-the-tangle/ (дата обращения: 15.09.2019).