Тимур Машнин
Введение в технологию Блокчейн
В области исследований распределенных систем и компьютерной безопасности, как правило предполагают, что некоторый процент узлов является честным, и показывают, что система работает как предназначено, даже если другие узлы ведут себя произвольно.
Это тот же подход, которому следовали и мы, за исключением того, что мы взвешиваем узлы по хэш-мощности при определении большинства узлов.
В исходном документе Биткойн также содержится этот тип анализа.
Но теория игр дает совершенно другой, и, возможно, более сложный и реалистичный способ определения того, как будет себя вести система.
В этом представлении мы не разделяем узлы на честные и злонамеренные.
Вместо этого мы предполагаем, что каждый узел действует в соответствии со своими стимулами.
Каждый узел выбирает (рандомизированную) стратегию, чтобы максимизировать свой выигрыш, учитывая потенциальные стратегии других узлов.
Если протокол и стимулы разработаны хорошо, то большинство узлов будут следовать правилам большую часть времени.
«Честное» поведение – это всего лишь одна стратегия из многих.
Исходя из теории игр, большой вопрос заключается в том, является ли поведение майнера по умолчанию «равновесием Нэша», то есть представляет ли оно стабильную ситуацию, в которой ни один майнер не может реализовать более высокий выигрыш, отклонившись от честного поведения.
Этот вопрос по-прежнему спорный и является активной областью исследований.
Равнове́сие Нэ́ша – одно из ключевых понятий теории игр. Так называется набор стратегий в игре для двух и более игроков, в котором ни один участник не может увеличить выигрыш, изменив свою стратегию, если другие участники своих стратегий не меняют.
Решение головоломок-хэшей вероятностно, потому что никто не может предсказать, какой из nonce приведет к решению головоломки.
Единственный способ сделать это – попробовать nonce один за другим и надеяться, что это удастся.
Математически этот процесс называется испытаниями Бернулли.
Испытание Бернулли – это эксперимент с двумя возможными результатами, и вероятность получения каждого результата зафиксирована между последовательными испытаниями.
Здесь два результата: попадает ли хэш в целевое пространство или нет.
И, предполагая, что функция хэша ведет себя как случайная функция, вероятность этих исходов фиксирована.
Как правило, узлы пробуют так много nonce, что испытания Бернулли, являющиеся дискретным вероятностным процессом, могут быть хорошо аппроксимированы непрерывным вероятностным процессом, называемым пуассоновским процессом, процессом, в котором события происходят независимо с постоянной средней скоростью.
Конечным результатом всего этого является то, что функция плотности вероятности, которая показывает относительную вероятность времени, пока не будет найден следующий блок, выглядит следующим образом.
Это называется экспоненциальным распределением.
Вблизи 10 минут, если существует небольшая вероятность того, что блок будет найден сейчас, следующий блок будет найден очень скоро, скажем, в течение нескольких секунд или минуты.
И существует также небольшая вероятность того, что потребуется целый час, чтобы найти следующий блок.
Но в целом сеть автоматически регулирует сложность, так что межблочное время поддерживается в среднем, в течение 10 минут.
Если вы майнер, вам, вероятно, интересно, сколько времени вам понадобится, чтобы найти блок.
Как выглядит эта функция плотности вероятности?
Она будет иметь ту же форму, но просто будет иметь другой масштаб по оси x.
Опять же, это может быть представлено уравнением.
Для конкретного майнера это будет зависеть от его хэш-мощности.
Если у вас есть 0,1 процента от общей хэш-мощности сети, это уравнение говорит нам, что вы будете находить блоки каждые 10 000 минут, что составляет примерно одну неделю.
Мало того, что ваше среднее время между нахождениями блоков будет очень высоким, но дисперсия времени между найденными вами блоками также будет очень высокой. Это имеет некоторые важные последствия, которые мы рассмотрим позже.
Перейдем теперь к третьему важному свойству головоломки или функции доказательства работы, которое позволяет легко проверить, что узел действительно правильно вычислил доказательство работы.
После, скажем, 10 в 20 степени попыток найти nonce, который делает хеш блока ниже целевого значения, этот nonce должен быть опубликован как часть блока.
Таким образом, очень просто, любой другой узел может просмотреть содержимое блока, вычислить хэш его содержимого и проверить, что результат будет меньше целевого значения.
Это важное свойство, потому что, опять же, оно позволяет нам избавиться от централизации.
Нам не нужна никакая центральная власть, которая проверяет, что майнеры выполняют свою работу правильно.
Любой узел или любой майнер может мгновенно проверить, что блок, найденный другим майнером, удовлетворяет этому свойству проверки доказательства работы.
Давайте теперь посмотрим на экономику майнинга.
Все мы уже слышали, что быть майнером, это довольно дорого.
При текущем уровне сложности поиск одного блока требует вычисления около 10 в 25 степени хэшей, а вознаграждение в блоке составляет около 12.5 биткойнов, что представляет собой значительную сумму денег по текущему обменному курсу.
Эти цифры позволяют легко вычислить, выгодно ли это для меня, и мы можем определить это решение простым выражением:
Если
вознаграждение за добычу> стоимость добычи
тогда майнеров быть выгодно
где
вознаграждение за добычу = вознаграждение за блок + комиссия за транзакции
при этом, стоимость добычи = стоимость оборудования + эксплуатационные расходы (электричество, охлаждение и т. д.)
Награда за майнинг, которую получает майнер, состоит из вознаграждения за блок и транзакционных сборов.
Майнер должен сравнить это с общими расходами, а именно стоимостью оборудования и электроэнергии.
Но для этого простого уравнения есть некоторые сложности.
Во-первых, стоимость оборудования является фиксированной стоимостью, тогда как стоимость электроэнергии представляет собой переменную стоимость, которая может изменяться с течением времени.
Еще одна сложность заключается в том, что вознаграждение, получаемое майнерами, зависит от скорости, с которой они находят блоки, что зависит не столько от мощности их оборудования, как от соотношения их хэш-мощности к общей глобальной хэш-мощности.
Третья сложность состоит в том, что затраты, которые несет майнер, обычно выражаются в долларах или какой-то другой традиционной валюте, но их вознаграждение выражено в биткойне.
Таким образом, это уравнение имеет скрытую зависимость от обменного курса Биткойна в любой момент времени.
И, наконец, до сих пор мы предполагали, что майнер заинтересован честно следовать протоколу.
Но майнер может выбрать какую-то другую стратегию добычи биткойнов, а не пытаться продлить самую длинную действующую ветвь.
Таким образом, это уравнение не отражает все нюансы различных стратегий, которые может использовать майнер.
На самом деле анализ того, имеет ли смысл добыча, – сложная проблема теории игр, на которую нелегко ответить.
На данный момент мы получили довольно хорошее представление о том, как биткойн достигает децентрализации.
Теперь соединим все это вместе, чтобы получить лучшее понимание.
Начнем с идентификаторов.
Как мы узнали, для участия в протоколе биткойнов нет реальных идентификаторов.
Любой пользователь может создать пару псевдонимных ключей в любой момент, любое их количество.
Когда Алиса хочет заплатить Бобу за биткойны, в протоколе биткойнов не указано, как Алиса узнает адрес Боба.
Принимая эти пары псевдонимных ключей как идентификаторы, транзакции – это сообщения, которые передаются в одноранговую сеть Bitcoin и которые являются инструкциями по передаче монет с одного адреса на другой.
Биткойны – это только транзакционные выходы, и мы обсудим это более подробно далее.
Биткойн не имеет фиксированных номиналов, так как доллары США, и, в частности, нет специального обозначения «1 биткойн».
Биткойны – это только транзакционные выходы, и при текущих правилах они могут иметь произвольное значение с 8 десятичными знаками после запятой.
Наименьшее возможное значение – 0.000 000 01 BTC (биткойны), которое называется 1 Satoshi.
Целью одноранговой сети Bitcoin является распространение всех новых транзакций и новых блоков на все одноранговые узлы Bitcoin.
Но сеть крайне несовершенна и делает попытки ретрансляции этой информации с максимальной эффективностью.
Безопасность системы не основывается на совершенстве одноранговой сети.
Вместо этого безопасность основывается на цепочки блоков и консенсусного протокола.
Когда мы говорим, что транзакция включена в цепочку блоков, мы имеем в виду, что транзакция получила многочисленные подтверждения.
Нет фиксированного числа, сколько требуется подтверждений, прежде чем мы достаточно убедимся о включении транзакции, но шесть подтверждений – это обычная практика.
Чем больше подтверждений, полученных транзакцией, тем больше вы уверены, что эта транзакция является частью консенсусной цепи.
Также существуют сиротские блоки или блоки, которые не включаются в консенсусную цепочку.
Существует множество причин, которые могут привести к появлению сиротских блоков.
Блок может содержать недопустимую транзакцию или попытку двойной траты.
Это также может быть просто результатом латентности сети.
То есть, два майнера могут просто найти новые блоки всего за несколько секунд друг от друга.
Поэтому оба этих блока будут транслироваться почти одновременно в сеть, и один из них неизбежно останется сиротой.
Наконец, мы рассмотрели хэш головоломку и добычу.
Майнеры – это специальные типы узлов, которые решают конкурировать в игре по созданию новых блоков.
Они вознаграждаются за это новыми биткойнами (как вознаграждение за новый блок) и существующими биткойнами (как транзакционные сборы).
Далее, тонкий, но важный момент: скажем, что Алиса и Боб – два разных майнера, и у Алисы в 100 раз больше вычислительной мощности, чем у Боба.
Это не означает, что Алиса будет всегда выигрывать гонку против Боба, чтобы найти следующий блок.
Вместо этого Алиса и Боб имеют коэффициент вероятности нахождения следующего блока в пропорции 100 к 1.
В долгосрочной перспективе Боб найдет в среднем один процент от числа блоков, которые находит Алиса.
Мы ожидаем, что майнеры, как правило, будут находиться где-то близко в экономическом равновесии, в том смысле, что расходы, которые они берут на себя в отношении оборудования и электроэнергии, будут примерно компенсироваться получаемым ими вознаграждениями.
Потому что, если майнер будет постоянно в убытке, он, вероятно, прекратит добычу.
С другой стороны, если добыча очень выгодна при типичных расходах на оборудование и электроэнергию, тогда в сеть войдет больше оборудования для майнинга.
Тогда увеличенная скорость хэширования приведет к увеличению сложности, и ожидаемая награда каждого майнера упадет.
Понятие распределенного консенсуса пронизывает Биткойн довольно глубоко.
В традиционной валюте консенсус работает в определенной мере.
В частности, существует консенсусный процесс, который определяет обменный курс валюты.
Это, также, верно и в биткойне.
Здесь нам также нужен консенсус относительно ценности биткойна.
Но в Биткойне, кроме того, нам нужен консенсус относительно состояния книги или реестра, который утверждает цепочки блоков.
Другими словами, даже подсчет того, как много биткойнов у вас есть, подчиняется консенсусу.
Когда мы говорим, что Алисе принадлежит определенная сумма или количество биткойнов, мы фактически имеем в виду, что одноранговая сеть Bitcoin, согласно записи в блокчейне, считает, что общему количеству всех адресов Алисы принадлежит данное число биткойнов.
Это и есть природа биткойна.
Владение биткойнами – это не что иное, согласие других узлов с тем, что данная сторона владеет этими биткойнами.
И наконец, нам нужен консенсус относительно правил системы, потому что изредка правила системы должны меняться.
Существует два типа изменений в правилах биткойнов, известные как мягкий форк и жесткий форк.
Мы рассмотрим форки позже.
Еще одна тонкая концепция – это процесс начальной загрузки.
В Биткойне существует сложное взаимодействие между тремя различными идеями: безопасность цепочки блоков, здоровье экосистемы майнинга и стоимость валюты.
Мы, очевидно, хотим, чтобы блок-цепочка была безопасной для Биткойна, чтобы биткойн был жизнеспособной валютой.
И чтобы блокчейн был безопасным, злоумышленник не должен нарушать консенсусный процесс.
Это, в свою очередь, означает, что противник не может создать много узлов для майнинга и забрать себе более 50 % создания новых блоков.
Необходимым условием безопасности биткойна является наличие здоровой экосистемы майнинга, состоящей, в основном, из честных, следующих протоколу узлов.
Но когда большое количество майнеров будет вкладывать много вычислительной мощности в решение головоломки с хэшем?
Они будут делать это только в том случае, если обменный курс биткойна довольно высокий, потому что вознаграждения, которые они получают, выражены в биткойнах, тогда как их расходы в долларах.
Таким образом, чем больше ценность валюты повышается, тем больше стимулов у этих майнеров будет.
Теперь, что обеспечивает высокую и стабильную стоимость валюты?
Это может произойти только в том случае, если пользователи в целом доверяют безопасности цепочки блоков.
Если они посчитают, что сеть может быть захвачена в любой момент злоумышленником, тогда биткойн не будет иметь ценности в качестве валюты.
Таким образом, у вас есть взаимозависимость между безопасностью цепочки блоков, здоровой экосистемой майнинга и обменным курсом.
Из-за цикличности этой трехсторонней зависимости существование каждой из этих вещей основано на существовании других.
Когда Биткойн был впервые создан, ни одно из этих трех свойств не существовало.
Не было никаких майнеров, кроме Накамото, который сам запускал программное обеспечение для майнинга.
Биткойн не имел большой ценности в качестве валюты.
И цепочка блоков была, по сути, небезопасной, потому что не было много майнеров, и кто-то мог легко перегрузить этот процесс.
Нет простого объяснения тому, как Биткойн перешел от неимения ни одного из этих свойств, чтобы иметь все три из них.
Внимание средств массовой информации было частью истории – чем больше людей слышат о Биткойне, тем больше они будут заинтересованы в майнинге.
И чем больше они будут заинтересованы в майнинге, тем больше уверенности у людей будет в безопасности цепочки блоков, потому что в настоящее время продолжается большой майнинг и т. д. по кругу.
Кстати, каждый новый Altcoin, который хочет добиться успеха, также должен как-то решать эту проблему самораскрутки.
Наконец, давайте рассмотрим, что произойдет, если консенсус потерпит неудачу, и появится 51-процентный злоумышленник, который будет контролировать 51 % или более мощности майнинга в сети Bitcoin.
Мы рассмотрим несколько возможных атак и посмотрим, какие из них действительно могут быть выполнены таким злоумышленником.
Прежде всего, может ли этот злоумышленник украсть монеты из существующего адреса?
Как вы, возможно, догадались, ответ отрицательный, потому что кража из существующего адреса невозможна, если вы не взломаете криптографию.
Недостаточно подорвать консенсусный процесс.
Предположим, что 51-процентный злоумышленник создает недопустимый блок, который содержит недопустимую транзакцию, которая представляет кражу биткойнов из существующего адреса, который злоумышленник не контролирует, и передает эти биткойны на свой собственный адрес.
Нападавший может притворяться, что это действительная транзакция и продолжать строить блокчейн на основе этого блока.
Злоумышленник может даже добиться успеха в создании самой длинной ветки.
Но другие честные узлы просто не будут принимать этот блок с недопустимой транзакцией и будут майнить на основе последнего действительного блока, который они обнаружили в сети.
Итак, что произойдет в этом случае, так это то, что мы будем называть вилкой в цепочке или форком.
Теперь представьте себе это с точки зрения злоумышленника, пытающегося потратить эти недействительные монеты, и отправить их некому продавцу Бобу в качестве оплаты за некоторые товары или услугу.
Боб предположительно запускает свой биткойн-узел, и это будет честный узел.
Узел Боба отклонит эту ветвь как недействительную, так как она содержит недействительную транзакцию.
Эта ветка недействительна, потому что подписи не проходят проверку.
Поэтому узел Боба просто игнорирует самую длинную ветвь, потому что это недействительная ветка.
И из-за этого, недостаточное подорвать консенсус.
Вы должны подорвать криптографию, чтобы украсть биткойны.
Таким образом, мы делаем вывод, что эта атака невозможна для 51-процентного злоумышленника.
Следует отметить, что все это всего лишь мысленный эксперимент.
Если бы были фактические признаки 51-процентной атаки, то, вероятно, разработчики заметят это и отреагируют на это.
Они будут обновлять программное обеспечение Bitcoin, и мы могли бы ожидать, что правила системы, включая одноранговую сеть, могут измениться в той или иной форме, чтобы затруднить успешную атаку.
Но мы не можем этого предсказать. Таким образом, мы работаем в упрощенной модели, где 51-процентная атака происходит, но нет никаких изменений или настроек правил системы.
Давайте рассмотрим еще одну атаку.
Может ли 51-процентный злоумышленник сдерживать некоторые транзакции?
Скажем, есть некий пользователь, Кэрол, которого нападающий очень не любит.
Злоумышленник знает некоторые адреса Кэрол и хочет сделать так, чтобы монеты, принадлежащие одному из этих адресов, не смогли быть потрачены.
Это возможно? Поскольку он контролирует консенсусный процесс блочной цепи, злоумышленник может просто отказываться создавать любые новые блоки, содержащие транзакции с одного из адресов Кэрол.
Злоумышленник может также отказаться не только от создания, но и от использования блоков, содержащих такие транзакции.
Однако он не может запретить передачу этих транзакций в одноранговую сеть, поскольку сеть не зависит от цепочки блоков или от консенсуса, и мы предполагаем, что злоумышленник не полностью контролирует сеть.
Злоумышленник не может остановить передачу транзакции большинству узлов.
Может ли злоумышленник изменить вознаграждение блока?
То есть, может ли злоумышленник притвориться, что награда за блок, вместо 12.5 биткойнов, составляет 100 биткойнов?
Это изменение правил системы, и поскольку злоумышленник не контролирует копии программного обеспечения Bitcoin, на котором работают все честные узлы, это также невозможно.
Это похоже на то, почему злоумышленник не может включать недопустимые транзакции.
Другие узлы просто не узнают про увеличение вознаграждения блока, а атакующий, таким образом, не сможет его потратить.
Наконец, может ли атакующий каким-то образом уничтожить доверие к Биткойну?
Давайте представим, что произойдет.
Если бы было много попыток двойной траты, ситуаций, в которых узлы не расширяли бы самую длинную действующую ветвь и другие атаки, тогда люди, скорее всего, решат, что Биткойн больше не работает как децентрализованная книга, которой они могут доверять.
Люди потеряют уверенность в валюте, и мы можем ожидать, что обменный курс биткойнов резко упадет.
На самом деле, если будет известно, что существует сторона, которая контролирует 51 % хэш-мощности, тогда возможно, что люди потеряют уверенность в биткойне, даже если злоумышленник не обязательно попытается атаковать.
Таким образом, это не только возможно, но и на самом деле вероятно, что 51-процентный злоумышленник любого типа уничтожит доверие к валюте.
Действительно, это основная практическая угроза, что когда-либо появится 51 процентный владелец хэш-мощности.
Никакие другие атаки не представляют угрозу, учитывая объем расходов, которые злоумышленник должен понести, чтобы атаковать Биткойн и достичь 51-процентного большинства, эти атаки не имеют смысла с финансовой точки зрения.
Надеюсь, теперь вы получили хорошее представление о том, как в биткойне достигается децентрализация, как идентификаторы работают в Bitcoin, как распространяются и проверяются транзакции, роль одноранговой сети в Bitcoin, как цепочка блоков используется для достижения консенсуса, а также то, как работает головоломка и майнинг.
Дальше мы будет рассматривать детали и нюансы биткойна.
