Глава 23
Новая жизнь блокчейна
Появление четырех различных разновидностей блокчейна
В главе 22 рассматривались основные ограничения технологии блокчейна и кратко перечислялись возможные пути их преодоления. В этой главе проводится более подробный анализ двух существенных технических ограничений блокчейна. Объясняется главная причина возникновения основных технических ограничений, и более подробно описываются способы их преодоления. Кроме того, здесь сообщается о появлении четырех отличающихся друг от друга версий блокчейна, рассматриваются различия между ними и разъясняются последствия такого разветвления на четыре версии.
Метафора
Мы многократно пытаемся достичь нескольких целей, несмотря на невозможность одновременного выполнения соответствующих целевых задач, например выполнение работы быстро и аккуратно или вождение автомобиля быстро и безопасно. Несовместимость между двумя или несколькими задачами или целями называется конфликтом, который может быть разрешен либо поиском компромисса, либо выбором одной предпочтительной задачи (цели) в ущерб всем прочим. В этой главе рассматриваются два главных конфликта технологии блокчейна, выражающихся в двух основных технических ограничениях, а также попытки преодоления этих ограничений, которые привели к созданию четырех различных версий блокчейна, отличающихся друг от друга.
Конфликтующие цели блокчейн-системы
В блокчейн-системе существуют два конфликта:
• прозрачность (открытость) и секретность;
• безопасность и скорость.
Конфликт прозрачности (открытости) и секретности
Блокчейн-система устанавливает и подтверждает права владения собственностью на основе полной хронологии данных транзакций, которая доступна всем. В итоге блокчейн-система похожа на общедоступный журнал регистрации транзакций или на общедоступный реестр. Открытость и прозрачность – это основная концепция блокчейна для проверки прав владения собственностью. Открытость и общедоступность являются основой для устранения проблемы двойного расходования, поскольку каждый член системы может проверить транзакции любого другого члена, следовательно, без труда обнаружить атаки типа двойного расходования.
Но этот подход противоречит концепции секретности. Секретность означает сохранение данных транзакций или их подробностей, таких как номера учетных записей, участвующих в операциях, или количество передаваемых объектов собственности, в секрете, то есть они не должны быть общедоступными. Таким образом, возникает конфликт между открытостью и прозрачностью, необходимыми для определения и подтверждения прав владения собственностью, с одной стороны, и высокими требованиями к обеспечению секретности для личных данных пользователей системы – с другой.
Безопасность и скорость
Можно утверждать без преувеличения, что хронология данных транзакций является сердцем блокчейн-системы. Хронология данных транзакций защищена от каких-либо изменений и подделок тем, что хранится в неизменяемой структуре данных блокчейна, в которой разрешены только операции добавления данных, к тому же для каждого добавляемого или перезаписываемого блока обязательным требованием является решение хэш-головоломки. Это не только делает любую попытку изменения или подделки хронологии данных транзакций непомерно затратной, но и существенно замедляет операции добавления новых транзакций в структуру данных блокчейна. Это противоречит требованиям к скорости и масштабируемости для многих коммерческих приложений. Таким образом, возникает конфликт между обеспечением безопасности хронологии данных транзакций на основе процедуры подтверждения выполненной работы, требующей большого количества времени, с одной стороны, и пользовательскими требованиями к скорости и масштабируемости системы – с другой.
Главные причины конфликтов
Главными причинами двух описанных выше конфликтов являются две основные операции в блокчейн-системе: чтение и запись данных транзакций. Истоки конфликта открытости и секретности можно проследить в обратном направлении к операции чтения структуры данных блокчейна, а истоки конфликта безопасности и скорости прослеживаются также в обратном направлении до операции записи в структуру данных блокчейна. В табл. 23.1 показаны взаимосвязи между двумя рассматриваемыми в этой главе основными техническими ограничениями, возникающий из-за этого конфликт и соответствующие базовые функциональные характеристики блокчейн-системы.
Таблица 23.1 Технические ограничения блокчейн-системы и их причины
Разрешение конфликтов
Конфликты могут быть разрешены либо поиском компромисса, создающего баланс между конфликтующими целями, либо предпочтением одной цели за счет всех прочих. В блокчейн-системе, как утверждалось до сего момента, предпочтение отдается прозрачности (открытости) и безопасности в ущерб секретности и скорости. Но существуют и другие способы разрешения этих конфликтов, которые более подробно рассматриваются в следующих разделах.
Разрешение конфликта открытости и секретности
Принятие решения по конфликту открытости и секретности фактически сводится к решению вопроса: кому предоставить доступ с правом чтения. Если рассматриваются только крайние случаи предоставления прав на чтение, то существуют два варианта: предоставление права чтения всем или предоставление права чтения только ограниченной группе узлов или пользователей. Можно выделить следующие типы блокчейн-систем, различающихся по тому, каким пользователям или узлам предоставлено право читать структуру данных блокчейна и создавать новые транзакции [2]:
• открытые блокчейн-системы (public blockchains) предоставляют доступ с правом чтения и право создания новых транзакций всем пользователям или узлам;
• закрытые блокчейн-системы (private blockchains) ограничивают доступ с правами чтения и создания новых транзакций только для предварительно выбранной группы пользователей или узлов.
Разрешение конфликта безопасности и скорости
Принятие решения по конфликту безопасности и скорости фактически сводится к решению вопроса: кому предоставить доступ с правом записи. Если рассматриваются только крайние случаи предоставления прав на запись, то существуют два варианта: предоставление права записи всем, но при этом выдвигается требование подтверждения выполнения работы, связанного с весьма высокими накладными расходами на вычисления, или предоставление права записи только ограниченной предварительно выбранной группе пользователей или узлов, которые были признаны заслуживающими доверия, и для них предлагается менее затратная версия операции подтверждения выполнения работы. Можно выделить следующие типы блокчейн-систем на основе предоставления доступа с правом записи [3]:
• блокчейн-системы без ограничений прав доступа (permissionless blockchains) предоставляют права на запись всем. Каждый пользователь или узел может проверять транзакции и создавать и добавлять новые блоки в структуру данных блокчейна;
• блокчейн-системы с ограничением прав доступа (permissioned blockchains) предоставляют право на запись только ограниченной группе предварительно выбранных узлов или пользователей, которые признаны заслуживающими доверия в ходе основного системного процесса. В результате только группе узлов, обладающих правом записи, разрешена проверка транзакций и обеспечено участие в процедуре распределенного согласования.
Четыре версии блокчейн-системы
Решения, касающиеся предоставления прав на чтение и запись, могут быть приняты независимо друг от друга. В табл. 23.2 представлены четыре версии блокчейн-системы, основанные на различных сочетаниях ограничений прав на чтение и на запись.
Таблица 23.2 Четыре версии блокчейн-системы как результат сочетаний ограничений прав на чтение и на запись
Блокчейн-система, определение которой было дано в главе 5 и которая рассматривалась во всех последующих главах вплоть до текущей, является открытой блокчейн-системой без ограничения прав доступа (public permissionless blockchain). Любое ограничение прав чтения или записи в структуру данных блокчейна приводит к появлению одной из альтернативных версий. Самой защищенной и секретной является закрытая блокчейн-система с ограничением прав доступа (private permissioned blockchain). Эта версия воспринимается как наиболее полезная в коммерческих средах благодаря более высокой скорости обработки данных и возможности защиты данных транзакций от общего доступа.
Последствия
Ограничения доступа с правами чтения или записи к хронологии данных транзакций воздействуют на следующие аспекты блокчейн-системы:
• пиринговая архитектура;
• распределенная сущность;
• главная цель.
Пиринговая архитектура
Из главы 3 вы узнали о пиринговых системах и их свойствах. Одним из главных свойств, которое часто считают основополагающей характеристикой пиринговых систем, является то, что они включают компьютеры с одинаковыми правами и ролями. Хотя отдельные узлы могут отличаться по предоставляемым ими ресурсам, все узлы системы обладают одинаковыми функциональными возможностями и одинаковыми обязанностями. Но, как отмечено выше, все четыре версии блокчейн-системы различаются по уровням прав чтения и записи, предоставляемым узлам, входящим в состав системы. Если узлы отличаются по возможности читать или записывать данные транзакции, то они перестают быть равноправными. Таким образом, важная характеристика пиринговых систем может пострадать в результате ввода ограничений прав чтения и записи в данной системе.
Распределенная сущность
Из главы 2 вы узнали о распределенных системах и некоторых их свойствах. Одним из главных свойств, которое часто считают основополагающей характеристикой распределенных систем, является отсутствие любого вида централизованного управления и координации. Но появление четырех различных версий блокчейн-системы, как отмечено выше, основано на предоставлении предварительно выбранной группе узлов или пользователей прав чтения или записи в хронологию данных транзакций, тогда как все прочие таких прав лишены. Но кто решает вопрос о предоставлении или лишении прав чтения или записи в системе? Кто устанавливает правила, по которым назначаются или отменяются права чтения и записи для членов системы?
Если правила, определяющие назначение прав чтения и записи, не регулируются и не управляются самой полностью распределенной системой, то в системе непременно появляется центральный элемент, который, в свою очередь, противоречит распределенной сущности блокчейн-системы. Архитектуру предположительно распределенной системы, которая использует центральный элемент для администрирования и выполнения правил, управляющих назначением прав чтения и записи, можно изобразить с помощью схемы, показанной на рис. 2.2. Это означает, что в системе присутствует скрытый элемент централизации или сама система выглядит как централизованная для всех узлов, доступ ограничен, хотя внутри системы применяется распределенная архитектура. В обоих случаях вся система в целом имеет много общего с гибридной системой, состоящей из распределенных и централизованных элементов.
Главная цель
Из главы 4 вы узнали, что основная задача, решаемая блокчейн-системой, – обеспечение и поддержка целостности в полностью распределенной пиринговой системе, состоящей из неизвестного количества равноправных партнеров с неопределенной надежностью и степенью доверия. Установление ограничений на операции чтения и записи не только изменяет основополагающие свойства распределенных пиринговых систем, но и воздействует на степень доверия узлов. Если пользователи или узлы, которым разрешено записывать данные в структуру данных блокчейна, определяются по степени доверия к ним, заслуженной ранее при выполнении общесистемного внутреннего процесса, то, вероятнее всего, итоговая среда уже не будет состоять из узлов, степень доверия к которым неизвестна. Таким образом, кто-то может прийти к выводу, что в созданной среде способность блокчейн-системы создавать среду с полным взаимным доверием из ненадежной в этом отношении среды больше не нужна.
Блокчейн-система сохраняет свое важное значение даже в среде, состоящей из известного количества узлов с достаточно хорошо известной надежностью и доверительностью, по следующим причинам. Во-первых, количество узлов в такой системе может изменяться из-за технических сбоев или обычных отключений. Во-вторых, каждая распределенная система испытывает затруднения в сетевой среде, которые делают обмен информацией на уровне отдельных сообщений ненадежным. Наконец, даже внутрисистемный процесс не может обеспечить 100-процентную гарантию полного доверия ко всем узлам. Кроме того, даже узлы, заслуживающие доверия, могут выдавать некорректные результаты из-за технических сбоев.
Немного пересмотрим определение главной задачи блокчейна
Изучая последствия ввода ограничений для узлов в связи с основными аспектами блокчейн-системы, мы можем пересмотреть наше понимание ее главной задачи. Ввод ограничений на операции чтения и записи может создавать конфликты с определяющими свойствами пиринговой системы, с распределенной сущностью систем и с основной целью блокчейн-системы. Тем не менее технология блокчейна полезна для сохранения целостности даже в наиболее ограниченной версии полностью закрытой блокчейн-системы с установлением прав доступа. В итоге мы можем прийти к решению, допускающему ослабление условий, при которых предполагается, что блокчейн-система создает ценности. Вместо утверждения о том, что главной целью блокчейна является поддержка целостности открытых полностью распределенных пиринговых систем, мы можем немного изменить свое восприятие и утверждать, что главной целью блокчейна являются обеспечение и сохранение целостности любых распределенных систем.
Использование термина блокчейн в оставшейся части книги
В оставшейся части книги термин блокчейн продолжает использоваться для обозначения полностью открытой системы без установления прав доступа. Во всех прочих случаях будет явно указываться, какой тип ограничений рассматривается.
Перспектива
В этой главе рассматривались два способа преодоления двух основных технических ограничений технологии блокчейна. Отмечено появление четырех версий блокчейна, различающихся по назначаемым правам чтения и записи в структуру данных блокчейна. До настоящего момента в книге обсуждались основные функциональные принципы технологии блокчейна и концепции, лежащие в ее основе. Но ничего не было сказано о возможностях практического применения этой технологии в реальном мире. В следующей главе будут рассматриваться как общие, так и более специализированные варианты практического применения технологии блокчейна.
Резюме
• В блокчейн-системе неизбежно возникают следующие конфликты:
– конфликт открытости (прозрачности) и секретности: с одной стороны, открытость необходима для определения и подтверждения прав владения собственностью и для предотвращения двойного расходования, с другой – пользователям необходима защита их секретных данных;
– конфликт безопасности и скорости: с одной стороны, защита хронологии данных транзакций от изменений обеспечивается чрезвычайно высоким уровнем затрат на вычисления при подтверждении выполненной работы, с другой – в большинстве коммерческих сред требуются скорость и масштабируемость.
• Конфликт открытости (прозрачности) и секретности возникает при назначении прав чтения структуры данных блокчейна.
• Конфликт безопасности и скорости возникает при назначении прав записи в структуру данных блокчейна.
• Разрешение конфликта открытости (прозрачности) и секретности привело к появлению следующих версий блокчейн-системы:
– открытые блокчейн-системы предоставляют право чтения и право создания новых транзакций всем пользователям или узлам;
– закрытые блокчейн-системы ограничивают право чтения и право создания новых транзакций и разрешают эти операции только предварительно определенной группе пользователей или узлов.
• Разрешение конфликта безопасности и скорости привело к появлению следующих версий блокчейн-системы:
– блокчейн-системы без назначения прав доступа предоставляют право записи всем. Каждый пользователь или узел может проверить данные транзакции, а также создавать и добавлять новые блоки в структуру данных блокчейна;
– блокчейн-системы с назначением прав доступа предоставляют право записи только ограниченной группе предварительно выбранных узлов или пользователей, определяемых по степени доверия, ранее заслуженной ими в общесистемном процессе.
• Попарное объединение этих ограничений привело к появлению четырех различных версий блокчейн-системы.
• Ограничения доступа с правами чтения или записи к хронологии данных транзакций воздействуют на следующие аспекты блокчейн-системы:
– пиринговая архитектура;
– распределенная сущность;
– главная цель.
• Блокчейн-система сохраняет свое важное значение даже в средах с установленными ограничениями по следующим причинам:
– количество узлов в такой системе может изменяться из-за технических сбоев или обычных отключений;
– каждая распределенная система испытывает затруднения в сетевой среде, которые делают обмен информацией на уровне отдельных сообщений ненадежным;
– даже внутрисистемный процесс не может обеспечить 100-процентную гарантию полного доверия ко всем узлам;
– даже узлы, заслуживающие доверия, могут выдавать некорректные результаты из-за технических сбоев.
