Блокчейн система: Что такое технология блокчейна? — IBM Blockchain — Российская Федерация

как технология применяется для защиты авторских прав — n’RIS

Переход массового производства контента в цифровой формат вызвал рост спроса на защиту интеллектуальной собственности в этом сегменте. Актуальными остаются вопросы: как защититься от плагиата, предотвратить пиратство, подтвердить наличие авторских прав и момент их возникновения. Здесь могут помочь новые инструменты, самым передовым из которых считается технология блокчейн. Несмотря на множество определений, некоторым сложно разобраться в том, как устроен блокчейн, и, в частности, каковы возможности его применения в сфере интеллектуальной собственности. Что такое технология блокчейн, как она помогает при подтверждении авторства и какие сервисы позволяют защитить объекты интеллектуальной собственности?

Что такое блокчейн простыми словами

Блокчейн — это система хранения информации, похожая на распределенную базу данных, которую невозможно изменить и взломать благодаря надежности самой технологии. Термин Blockchain состоит из слов block — блок, и chain — цепочка. Получается, блокчейн — это цепочка блоков со строгой последовательностью. Каждый блок содержит набор данных о транзакции, и каждый раз, когда в блокчейне происходит новая транзакция, к цепочке добавляется следующий блок с новыми данными — каждая следующая запись содержит ссылку на предыдущую. Таким образом, с каждой совершенной транзакцией цепочка блоков становится длиннее.

Все блоки связываются между собой сложной криптографической подписью, называемой хешем — она создана с использованием сложных математических алгоритмов, выглядит как генератор букв и цифр, содержит 1024 символа. После совершения транзакции и ее записи в блок, все узлы сети получают данные об этом. Простыми словами, узел — это отдельный компьютер, где хранится полная и самая актуальная копия блокчейн. Каждый раз, когда в сети появляется новый блок, все узлы обновляют свой блокчейн.

Участники цепочки постоянно обмениваются всеми данными, загруженными в общую цепочку данных, история транзакций хранится у каждого участника, что обеспечивает прозрачность. То есть если хакеры надумают повредить систему блокчейна, им потребуются гигантские вычислительные ресурсы, но ни одна цель такой атаки себя не окупит. Кроме того, чем старше блок, тем сложнее его подделать, поскольку придется перешифровать все блоки после него. К тому же для внесения записи необходимо получить контроль над более чем половиной участников всей цепи на достаточно продолжительное время. Изменения скрыть невозможно, так как информация этой цепи будет подтверждаться только теми участниками, которые попали под контроль.

Блокчейн постоянно и непрерывно растет по мере совершения новых операций и последовательного добавления блоков в цепочку, поэтому то, как работает блокчейн технология, значительно повышает безопасность и надежность реестра, делая его почти неуязвимым.

Технология блокчейн для защиты интеллектуальной собственности

Изначально технология блокчейн ассоциировалась только с криптовалютой. Со временем этот способ хранения данных нашел разные сферы применения, так как цепочка блоков может содержать любую цифровую информацию о транзакциях, юридических документах, медиафайлах, включая фото, видео и аудио. Блокчейн выглядит как жизненный цикл какого-либо документа или операции. Поэтому сфера интеллектуальной собственности стала еще одним направлением применения блокчейна.

Процесс защиты интеллектуальной собственности с помощью блокчейн выглядит следующим образом: сначала создается запись, например, о регистрации идентифицирующего обозначения — товарного знака, далее цепочка блоков растет по мере того как с товарным знаком совершаются какие-либо операции, к примеру, он используется в коммерческой деятельности, или лицензия на его использование передается другой компании, или происходит процесс переуступки, и другие действия. В результате с помощью блокчейн отслеживается полный жизненный цикл конкретного объекта.

Как подтверждается авторство и происхождение произведения

В ст. 1257 Гражданского кодекса РФ сказано, что авторское право возникает по умолчанию при создании авторского объекта, поэтому дополнительно регистрировать права на него не нужно. Но необходимо защищать результаты творческой деятельности как до, так и после обнародования, чтобы при возникновении спорных ситуаций можно было доказать имеющееся авторство.

Раньше авторы отправляли свою работу в единственном экземпляре себе же письмом — дата отправки фиксировалась на почтовом штемпеле, что являлось доказательством существования документа в момент времени, указанный на штампе. Но метод ненадежный, так как конверт мог, например, расклеиться, и тогда его не приняли бы в суде в качестве доказательства. Некоторые авторы обращаются к нотариусу, чтобы заверить документы, но это долго и дорого.

В сфере интеллектуальной собственности использование блокчейна считается передовым методом для обеспечения охраны и подтверждения авторских прав. Блокчейн обеспечивает хранение данных в зашифрованном виде и используется в рамках оказания услуги депонирования в n’RIS — это возможность поместить файл и информацию о нем в цифровую ячейку, в блокчейн, и зафиксировать временной приоритет авторского права созданных произведений до обнародования.

Таким образом, в блокчейне фиксируется вся информация о том, кто владеет правами на объект и как его использует, в случае внесения соответствующих записей. Например, если у автора возникнет спор о том, кто создал уникальный дизайн сайта, то он сможет мгновенно получить подтверждение своего авторства, предоставив свидетельство, в котором будет указана дата депонирования, описание файла и информация о его собственнике.

Получается, запись в блокчейне об авторе файла с временной отметкой — это и есть надежное доказательство наличия авторских прав на данный объект.

Практика признания авторства, зафиксированного с помощью технологии блокчейн

В блокчейне уже хранят информацию о невзаимозаменяемых токенах, или NFT — это цифровой актив, представляющий объекты искусства, музыки, видео, игровых предметов из реального мира. Каждый NFT уникален и существует в единственном экземпляре, вся информация об операциях с ним фиксируется в блокчейне.

Для современных художников прикрепление работы к блокчейну в виде NFT —  безопасный и поддающийся проверке способ продать свои произведения в цифровом формате. Блокчейн фиксирует данные с отметками времени по всем транзакциям с указанием владельца прав в распределенном реестре. Заглянув внутрь транзакций блокчейна, вы получите всю необходимую информацию о том, когда была совершена сделка с NFT, кто участвовал в транзакции, и кто владеет авторскими правами.

Ценность NFT-токенов заключается в том, что данные о приобретении уникального объекта авторского творчества с уникальной цифровой подписью сохраняются в блокчейне. Такую покупку можно сравнить с приобретением оригинала картин — ценность таких активов поднимается за счет уничтожения физического оригинала произведения, ведь у покупателя будет гарантия того, что объектом владеет только он один.

IPChain — платформа для взаимодействия с объектами интеллектуальной собственности

Ассоциация IPChain была создана в 2017 году Фондом «Сколково», Всероссийской Организацией Интеллектуальной Собственности (ВОИС), НИУ «Высшая школа экономики» (НИУ ВШЭ), Российским Союзом Правообладателей (РСП), Санкт-Петербургским национальным исследовательским университетом информационных технологий, механики и оптики (ИТМО), Российским Авторским Обществом (РАО), Ассоциацией правообладателей по защите и управлению авторскими правами в сфере искусства (УПРАВИС) и коммерческим банком «Новый век».

Ассоциация «Национальный координационный центр обработки транзакций с правами и объектами интеллектуальной собственности», или IPChain, использует технологию блокчейн для хранения информации об объектах интеллектуальной собственности. IPChain объединяет крупнейшие организации, аккумулирующие и производящие объекты интеллектуальной собственности. Среди них:

• Ассоциация продюсеров кино и телевидения
• «Роскосмос»
• Роспатент
• Ассоциация специалистов предметного дизайна (АСПД)
• «СИТРОНИКС»
• n’RIS
• «ЛитРес»
• «Союзмультфильм»
• Российская венчурная компания (РВК)
• Фонд содействия инновациями
• другие

Также IPChain является инициатором создания Комитета Российского союза промышленников и предпринимателей (РСПП) по интеллектуальной собственности и креативным индустриям.

Используя различные сервисы, например, IPEX, участники IPChain могут быстро заключать сделки с правами и гарантировать обеспечение охраны любых результатов творческого труда. Сеть была разработана для организаций, занимающихся созданием, управлением, коммерциализацией объектов интеллектуальной собственности.

IPChain позволяет хранить, верифицировать и обмениваться сведениями об объектах интеллектуальной собственности, прослеживать их историю и понимать текущий правовой статус. Кроме того, IPChain не является конкурентом ни одному из существующих сервисов в сфере интеллектуальной собственности, а скорее наоборот, обеспечивает инфраструктурой все цифровые сервисы, правообладателей и пользователей, которые оказывают правовую защиту объектов интеллектуальной собственности или нуждаются в ней.

Главная цель IPChain — сформировать стандарты, инструменты и технологии, которые позволят участникам рынка интеллектуальных прав взаимодействовать друг с другом в цифровой среде.

В июне 2021 года Владимир Путин подписал указ о создании «Российского центра оборота прав на результаты творческой деятельности», учредителями которого стали Министерство цифрового развития и Ассоциация IPChain. В функции Центра будет входить сопровождение подключения к инфраструктуре IPChain корпоративных и публичных сервисов и платформ, принадлежащих частным организациям и компаниям с государственным участием.

В задачах центра —  развитие сервисов для музыкантов, ученых, кинокомпаний, архитектурных бюро и прочих представителей творческой и научно-технической среды, связанных с защитой интеллектуальной собственности, а также разработка единых подходов к обмену информации об интеллектуальной собственности.

Роль n’RIS в защите и охране авторских прав

На сегодняшний день существует несколько платформ по защите авторских прав, одной из них является сервис n’RIS, предлагающий депонирование объектов с использованием технологии блокчейн — процедура позволяет защитить объект интеллектуальной собственности до обнародования. Вы передаете цифровой экземпляр контента, например, файл с текстом сценария или демо-запись музыкального альбома, на хранение в защищенную виртуальную ячейку, а информация о нем записывается в сеть IPChain.

С помощью другой технологии по разработке средств криптографической защиты информации, КриптоПро, фиксируется время и дата создания контента, а объекту интеллектуальной собственности присваивается уникальный идентификатор (хеш файла). После этого выдается свидетельство о депонировании, в котором указано описание объекта интеллектуальной собственности. Также выдается ключ шифрования электронной ячейки, что дает возможность единоразово обратиться за нужной информацией, содержащейся в блокчейне.

Если возникнет необходимость проверить информацию об объекте в блоке, необходимо снова провести операцию хеширования. Полученная криптографическая подпись сравнивается с той, которая хранится в блокчейне. Соответствие друг другу обеих подписей гарантирует точность информации: это значит, определенный файл с данными был внесен в блокчейн в определенное время.

Как адаптировать блокчейн для банкинга?

Выход в централизованных блокчейн-решениях
На этом фоне следует обратить внимание на возможность построения централизованных блокчейн-решений, которые устраняют недостатки распределенных систем. Технология позволяет добавлять блоки централизованно, через доверенный источник, например – через существующую систему записи транзакций.
Этот источник признают доверенным (trusted) все участвующие в системе стороны, ему доверяют, потому что он известен и успел хорошо себя зарекомендовать, и в случае мошенничества его можно привлечь к ответственности в отличие от участников распределенной блокчейн-сети, которые по определению анонимны.
Централизованное решение не обременено множеством узлов с полным журналом транзакций, как и необходимостью непрерывной синхронизации данных между ними. Транзакции хранятся в централизованном хранилище и защищаются по технологии блокчейн.

Доверенному источнику также не нужно выполнять множественные вычислительные операции, которых требует распределенность. Доверенный источник просто регистрирует все транзакции в цепочке блоков. За счет этого подобную систему можно будет масштабировать, при этом затраты ресурсов на вычисления будут на порядки меньше.

В то время как распределенный блокчейн делает акцент на своей независимости от каждого отдельного участника системы, централизованное блокчейн-решение служит для усиления контроля. Это, безусловно, будет актуально для центральных банков стран, которые смогут лучше контролировать эмиссию национальной валюты. Благодаря тому, что блокчейн сохраняет данные о каждом движении валюты в системе, можно будет проследить судьбу каждой единицы, начиная с момента ее выпуска и заканчивая утилизацией.

В то же время централизованная блокчейн-платформа позволит усилить и контроль со стороны общества. При наличии публичного API каждый клиент платформы сможет скачать журнал транзакций и убедиться, что все блоки в цепочке корректно подписаны и не были изменены после их внесения в реестр.

Заинтересованные участники могут поддерживать постоянно работающие серверы для верификации централизованного реестра транзакций, что повысит доверие всех пользователей.

Блокчейн-аналитика
Когда коммерческое использование блокчейн наберет обороты, перспективной станет блокчейн-аналитика. Основная ее задача – создание единой системы мониторинга и управления параметрами сети блокчейн.

Руководству банков предстоит создать инструменты для получения отчетов по бизнес-ориентированным запросам по информации, сохраняемой в реестре. Для этого прекрасно подойдут специализированные платформы визуального управленческого контроля, такие, например, как разработанный нашими специалистами Luxms BI.

Вместо заключения
Энтузиазм вокруг блокчейн, конечно, имеет под собой основания. Новая технология сулит большие возможности для создания дополнительной ценности для клиентов банка, для развития более эффективных бизнес-моделей, для появления принципиально новых продуктов.

Однако станет ли активное ее внедрение реформой или настоящей революцией в привычном банковском деле, пока говорить сложно. Но уже сегодня очевидно, что те банки, которые смогут воспользоваться новой технологией с минимальной себестоимостью транзакций, обеспечив при этом безопасность и прозрачность доступа к данным, подтвердив тем самым не только свою инновационность, но и добросовестность, станут новыми лидерами рынка.

Центр компетенций НТИ по направлению «Технологии распределённых реестров»

Стратегические цели Центра:

• Преодоление технологических и правовых барьеров внедрения технологий распределенных реестров в экономику и сектор государственного управления;
• Подготовка квалифицированных кадров и повышение информированности населения о технологиях распределенных реестров с целью формирования рынка сбыта для разрабатываемых технических и интеграционных решений;
• Выход Центра на устойчивое финансовое положение посредством владения крупной долей рынка РР в России.

В научно-техническом направлении:

• Центр разрабатывает семейство сервисов для конструирования информационных систем распределенного взаимодействия. На базе этих технологических достижений разрабатываются прикладные системы для применения в финансовой сфере, сфере корпоративного и государственного управления, контроля транспортировки грузов, а также учета и управления авторскими правами и результатами интеллектуальной деятельности.

В образовательном направлении:

• Центр создает необходимые условия для обеспечения образовательного процесса, формирования системы мотивации и рынка труда для цифровой экономики. В образовательные программы входят: дисциплины по математике и информационным технологиям, позволяющие освоить специфику технологий распределенных реестров (далее ТРР), новые способы управления правами собственности, хранения информации, цифрового публичного управления и юриспруденции; программы, ориентированные на учащихся, которые стремятся понять применимость РР в существующих и перспективных бизнес-моделях и взглянуть на них как на инновационную технологию с большим потенциалом во всех сферах экономики.

В организационно-правовом направлении:

• Центром проводится работа по выявлению регуляторных барьеров, препятствующих эффективному использованию технологий распределенных реестров, а также поиск путей их устранения, формулирование соответствующих предложений в области совершенствования действующего законодательства. Также Центр проводит экспертизы внутренних и внешних проектов Центра, связанных с применением технологий РР в различных сферах экономики для определения правовых рисков и последующего их устранения применительно к конкретным проектам.

Дополнительными направлениями деятельности ЦТРР являются совершенствование компетенций сотрудников Центра, организаций-участников Консорциума и партнеров, а также формирование портфеля консультационных и аналитических услуг в области распределенных систем.

Основные задачи Центра группируются вокруг следующих направлений:

• Разработка интегрированной методологии применения технологий РР для решения совокупности задач в различных отраслях;
• Интеграция технологий РР в бизнес-процессы для снижения издержек предприятий/увеличения их прибыли;
• Формирование новых бизнес-моделей, основанных на использовании технологий РР;
• Формирование регулирования и адаптация технологий РР под существующие регулятивные ограничения и требования, ее интеграция в создаваемое единое правовое пространство новых цифровых технологий.

Как блокчейн может спасти от фейков

Технологии

Амелия Леопольд , Кэтрин Харрисон

10 августа 2021 Nata Schepy

Дезинформация (то есть информация, которая намеренно вводит людей в заблуждение ради политической или финансовой выгоды) — это, конечно, не новое явление. Но, как мы могли убедиться в последний год, цифровые платформы существенно упростили распространение опасных теорий заговора, то есть заведомо ложных утверждений на самые разные темы, от пандемии и расовых волнений до лесных пожаров в Калифорнии и результатов президентских выборов. Такие посты удивительно быстро становились вирусными и получали огромный охват.

Подливает масла в огонь появление так называемых дипфейков — очень правдоподобных (но поддельных) фотографий, аудио- и видеозаписей, созданных с помощью ИИ.

Дипфейки могут обойтись бизнесу в десятки миллионов долларов — и в этой цифре не заложено хуже поддающееся подсчету, но не менее важное влияние технологической дезинформации на общество в целом.

Эту проблему породили технологии. Но другие технологии, например блокчейн, могут ее решить и замедлить распространение цифровой дезинформации. Конечно, было бы наивно ожидать, что такую сложную проблему можно решить одним ударом. Но последние разработки обнадеживают: возможно, блокчейн устранит многие из рисков и глубинных источников цифровой дезинформации.

У блокчейна невероятный потенциал

В блокчейн-системах используется неизменяемый децентрализованный реестр, информация в который записывается таким образом, что ее подтверждает каждый, кто ее использует, поэтому однажды введенную информацию почти невозможно отредактировать. Одно из самых известных применений блокчейна — это управление обращением криптовалют, таких как биткоин. Но из-за децентрализованной валидации и четкости учета блокчейн может пригодиться для работы с любыми видами контента.

Одна из причин, по которым нам сегодня так сложно бороться с дипфейками и другой дезинформацией, заключается в том, что у нас пока нет правил и наработок для определения, пометки и отслеживания искаженных фактов на разных цифровых платформах, а также для реагирования на них. Но блокчейн может сделать жизненный цикл контента прозрачнее и создать механизм, который вернет доверие к нашей цифровой экосистеме. Есть три главных способа, как решения на основе блокчейна могут помочь нам разобраться с новыми видами цифровой дезинформации.

Подтверждение происхождения

Первый способ применить блокчейн для борьбы с дезинформацией — это отслеживание и подтверждение источников и другой важной информации в онлайн-изданиях. Сайт может создать блокчейн-реестр опубликованных фотографий, в котором любой пользователь сможет верифицировать подпись, место съемки, согласие на фотографирование, копирайт и другие метаданные.

The New York Times изучает эту возможность в рамках своего проекта по анализу происхождения и изменения информации News Provenance Project. Издание использует блокчейн для отслеживания источников фотографий к новостям и контроля за их редактированием. Это дает пользователям больше контекста и показывает, как и когда был сделан снимок.

Компания аутентификации фотографий и видеозаписей Truepic заверяет контент в блокчейнах Bitcoin и Ethereum, чтобы подтвердить цепочку пользователей, работавших с фотографией на разных этапах, от съемки до хранения. Конечно, для разных задач нужны разные требования и разные виды метаданных. Но в целом блокчейн — это удобный механизм для верификации источника контента и его изменений на пути к конечному потребителю.

Исследователи и инженеры разрабатывают технологии дипфейков для добросовестных применений — например, для образовательных видео, кино или для интерактивного искусства. Они тоже могут использовать блокчейн, чтобы следить, кто имеет доступ к их алгоритмам, и подтверждать, что люди, которых изображает дипфейк, дали на это свое согласие.

Это особенно важно для open-source-инструментов, которые доступны намного более широкому кругу пользователей, ведь чем больше пользователей, тем выше риск злоупотреблений.

Подтверждение личности и контроль за репутацией

Раньше за надежность контента отвечал, в первую очередь, издатель. Скорее всего, вы больше поверите статье The New York Times (или Harvard Business Review), а не какого-нибудь сайта, о котором впервые услышали. Но с этим связаны серьезные проблемы. Доверие к мейнстримным СМИ в Америке находится на рекордно низком уровне: согласно недавнему опросу, 69% взрослых американцев за последние 10 лет стали меньше доверять СМИ. Ситуацию еще более усугубляет тот факт, что цифровые медиа зарабатывают на рекламе, и их прибыль зависит от количества кликов — поэтому даже у самых заслуженных изданий есть стимул ориентироваться в первую очередь не на понятность и ясность, а на вовлечение аудитории. А если читатели в основном получают информацию только из заголовков репостов в социальных сетях, им становится еще сложнее отличать надежных, серьезных журналистов от пропагандистов, за которыми стоят определенные интересы.

Здесь может помочь блокчейн. Система на основе блокчейна может одновременно подтвердить личность автора и показать, насколько он заслуживает доверия, и для этого не будет нужен единый институт, которому бы доверяли все.

Например, в одной недавней статье была предложена система оценки личной репутации авторов и журналистов без привязки к изданиям, для которых они пишут. Это пример децентрализованного подхода к верификации источников, истории редактирования и других данных о цифровом контенте. Блокчейн может также отслеживать дистрибуцию контента: читатели и издатели смогут увидеть, откуда возникла дезинформация и как она распространялась по цифровой экосистеме.

Конечно, эта новая система порождает и вопросы, как и любая другая система отслеживания репутации. Кто будет задавать стандарты, формировать рейтинги и урегулировать споры? Каковы будут механизмы для этого? Более того, любая система для отслеживания и подтверждения персональной информации должна соответствовать лучшим практикам конфиденциальности и безопасности, которые отвечали бы и местным, и международным законам и нормативам. Но децентрализованная структура блокчейна сама по себе может решить многие из этих проблем — с ней нам не будет нужен единый институт, которому бы доверяли все.

Мотивация создавать качественный контент

Наконец, одна из главных сложностей распространения точной информации в современном мире заключается в том, что у авторов и издателей есть сильная мотивация увеличивать число кликов любой ценой, а это проще делать с желтым, сенсационным контентом. Возможно, вы слышали про подростков из Македонии, которые в 2016 году размещали в правых группах Facebook статьи с дезинформацией и заработали десятки тысяч долларов на рекламе. Рекламные сети (например, Google) обещают активнее бороться с заблуждениями и дезинформацией, но они «себе сами ставят оценки» — и вряд ли у них есть стимулы перекрывать денежные потоки.

Однако в блокчейне можно составить умный контракт, который будет автоматически оплачивать только тот контент, который соответствует заранее определенным стандартам качества. Например, в 2017 году появился блокчейн-стартап Civil, который продвигал принципы достоверной журналистики, финансово вознаграждая пользователей криптовалютой за публикацию точной информации и штрафуя их за тексты, которые не соответствуют стандартам качества. Этот стартап вскоре закрылся, но на его место пришли новые — например, Nwzer и Pressland, которые тоже стремятся поддержать непрофессиональных и независимых журналистов и устранить барьеры к распространению контента и используют блокчейн для подтверждения точности и достоверности информации.

Конечно, надежность этих систем в конечном итоге зависит от сообщества, которое будет задавать их стандарты. И все же хорошая блокчейн-система сможет выделиться в современной переполненной экосистеме медиа и мотивирует людей создавать и публиковать только такой контент, который отвечает правилам сообщества.

Но это не панацея

Конечно, у блокчейна большой потенциал в обеспечении точности и прозрачности информации. Но сама по себе технология блокчейна — это просто механизм записи. Все зависит от сообществ, которые будут использовать эти платформы. Они должны определить, как контент будет добавляться в реестр и верифицироваться и что будет мотивировать пользователей выстраивать и поддерживать систему. Ведь если пользователи не будут доверять авторам и системе, то ничего не изменится. Никакая технология не сможет полностью устранить глубинные сложности установления доверия или тягу к прибыли и власти, из-за которой и возникает дезинформация.

Кроме того, даже если предположить, что большинство пользователей действуют из лучших побуждений, нельзя рассчитывать, что у них будет время и возможность верифицировать огромное количество контента, которое возникает каждый день. Сколько ссылок на источники из этой статьи вы открыли, а сколько из этих материалов вы прочитали целиком? Конечно, если блокчейн-инструменты будут удобны и просты в использовании, это поможет (представьте, что система оценки статей будут похожа на оценки гигиеничности ресторанов или на отзывы в Yelp), но все равно не стоит ожидать от пользователей слишком многого.

И это лишь один из вопросов, на которые нужно ответить перед тем, как внедрять настоящую систему верификации, основанную на блокчейне. Блокчейны работают слишком медленно, могут хранить лишь ограниченный объем информации и несут множество рисков, связанных с экологией, конфиденциальностью и свободой самовыражения. Поэтому нужно инвестировать не только в технологические решения, но и в дополнительные политические и образовательные программы по борьбе с созданием, распространением и монетизацией дезинформации.

Чтобы победить дезинформацию, нужны не только технологии

Что касается политических мер, то на местном, национальном уровне и на уровне штатов уже возникло несколько важных инициатив. Так, в 2019 году в Палату представителей США был внесен Акт об ответственности за дипфейки, в котором было предложено использовать блокчейн для верификации источников, водяных знаков, определения личности автора контента и другой важной информации. В 2021 году Евросоюз начал рассматривать ряд законов, регулирующих использование искусственного интеллекта бизнесом, а несколько штатов США уже ввели законы об использовании дипфейков — в первую очередь в связи с выборами и дипфейк-порнографией (хотя прецедентов по этим законам пока не было, и их эффективность, таким образом, не доказана). Конечно, политические меры должны находить баланс между регулированием, с одной стороны, и конфиденциальностью и свободой самовыражения — с другой: недавние случаи блокировки интернета и протестов из-за цензуры — лишь очередные примеры того, как авторитарные режимы могут злоупотреблять законами, изначально введенными для борьбы с дезинформацией, и использовать их против оппозиции. С учетом этих рисков, а также огромных темпов технологического развития, политикам стоит регулировать опасное поведение и минимизировать его вред, а не просто вводить общие правила, ограничивающие работу сферы в целом.

В то же время все больше информации распространяется через социальные сети и другие частные источники, а не через государственные каналы, и частные компании все чаще оказываются в роли арбитров и регуляторов информации. Многие крупные социальные сети, например Facebook, TikTok и Twitter, уже внедрили политики и правила относительно искаженных источников. Но они весьма непоследовательно соблюдают другие собственные правила о дезинформации, зачастую ссылаясь на важность свободы слова. В спорах о модерации контента часто говорят лишь об интернет-компаниях и социальных сетях, но дезинформация и дипфейки могут представлять угрозу для любой отрасли, поэтому всем компаниям важно принять меры, чтобы защитить себя, своих покупателей и заинтересованных лиц от цифровой дезинформации.

Чтобы принять политики и внедрить технологии для борьбы с этими новыми угрозами, сначала нужно полностью понять эти угрозы — а эту задачу нельзя перепоручить ИТ-отделу. Власти, корпорации и пользователи на всех уровнях и во всех сферах должны вкладываться в программы медиаграмотности, должны учиться сами и учить других разбираться, как работают технологии цифровых манипуляций и как от них защититься.

***

Очень важно доверять информации, которую мы видим, слышим и читаем, это основа работающей экономики и демократического общества в целом. Простых решений здесь нет, но все же есть несколько приемов, которые помогут лидерам сохранить это доверие.

Во-первых, лидеры должны разобраться в рисках и возможностях, связанных с новыми технологиями, и объяснить это своим командам. Во-вторых, они должны вложиться в технологические решения (и в инструменты на блокчейне, и в более традиционные средства), чтобы смягчить влияние дезинформации и дипфейков, нацеленных на их компанию, бренд или сотрудников. В-третьих, при выборе технологических партнеров и дистрибуторов стоит работать только с организациями, которые проактивно и ответственно подходят к главным вопросам безопасности, конфиденциальности и согласия. Наконец, можно вступить в консорциум или организацию наподобие нашего DeepTrust Alliance, чтобы вместе с другими заинтересованными лицами разрабатывать политические и технологические решения этих проблем.

Блокчейн может сыграть огромную роль в борьбе с дезинформацией, но он не может решить всех проблем. И все же при правильном сочетании образования, политики и технологий современные лидеры смогут построить будущее, которому мы все будем доверять.

Об авторах

Кэтрин Харрисон (Kathryn Harrison) — основатель и CEO фонда DeepTrust Alliance, единственной глобальной некоммерческой сети, разрабатывающей и продвигающей меры по борьбе с вредоносными дипфейками. CEO и основатель цифровой платформы MAGPIE, которая занимается аутентификацией и управлением предметами коллекционирования. Перед тем как основать DeepTrust Alliance, была менеджером по продукту в IBM Blockchain.

Амелия Леопольд (Amelia Leopold) — маркетолог DeepTrust Alliance и MAGPIE.

блокчейн и хранение зашифрованных данных – путь к эффективному решению имеющихся проблем

Февраль 2021 г.

Марко Барулли, основатель и управляющий директор компании Bernstein. io, Мюнхен, Германия

В течение долгого времени под управлением интеллектуальной собственностью (ИС) понималась подача патентных заявок и регистрация товарных знаков. Вопрос о незарегистрированных правах ИС, как правило, никого не заботил, и даже действия в отношении зарегистрированных прав ИС считались разовыми мероприятиями, а связанные с ними процессы преимущественно рассматривались как административно-технические. Специалисты по ИС стремились обеспечить выполнение вполне конкретных задач, а, выполнив их, считали их утратившими актуальность, за исключением вопросов, связанных с ежегодной уплатой соответствующих пошлин.

Процесс цифровизации повлек за собой изменения в данной сфере, которые поначалу были малозаметными и медленными, а затем набрали скорость и размах.

Сегодня как высокотехнологичные компании, так и компании, работающие в творческих отраслях, понимают, что вопросами ИС и связанными с ними рисками необходимо заниматься не от случая к случаю, а на каждодневной основе. (Фото: da-kuk / Getty Images)

Управление ИС как повседневная практика

Сегодня как высокотехнологичные компании, так и компании, работающие в творческих отраслях, прекрасно понимают, что вопросами ИС и связанными с ними рисками необходимо заниматься на каждодневной основе. Такая практика требует новых подходов со стороны не только специалистов по ИС, но и всех других подразделений компании.

Нанимаете нового сотрудника, который в настоящее время работает в конкурирующей компании? Налаживаете сотрудничество с местным университетом? Ищете инвесторов? Договорились об изготовлении прототипа и проведении его испытаний с внешними лабораториями? Все эти виды деятельности, равно как и многие другие, связаны с основными ИС-активами и приводят к возникновению серьезных рисков для владельцев этих активов. Эти риски варьируются в диапазоне от ненадлежащего обращения с объектами коммерческой тайны до нарушений авторского права. Для того, чтобы свести эти риски к минимуму, необходимо принимать надлежащие меры.

Факторы, определяющие динамику изменений в сфере управления ИС

Динамика изменений в сфере управления ИС определяется многими факторами; некоторые из них хорошо известны, а другие – не столь очевидны. На сегодняшний день многие признают, что ускоренные темпы инноваций зачастую оказываются не совместимы с медленно развивающимися процессами, связанными с подачей и обработкой заявок на регистрацию ИС. Кроме того, в условиях глобального рынка, отличающегося высокой интенсивностью конкуренции, повышение уровня мобильности сотрудников требует принятия как технических, так и юридических мер в связи с приобретением прав на ИС-активы и контролем над ними.

Цифровые платформы, созданные на основе открытого блокчейна и хранения зашифрованных данных, могут стать эффективным средством удовлетворения повседневных потребностей современных изобретателей и авторов.

Вместе с тем мы можем и не отдавать себе отчета в возникновении совершенно новых разновидностей цифровых ИС-активов, которые требуют абсолютно новых подходов к управлению ИС. В их число входят постоянно меняющиеся массивы данных, более плотная концентрация «ноу-хау» по периметру соответствующих патентов, неразрывная связь между образцами и программным обеспечением и т.д.

Выстраивание инновационной деятельности при помощи открытого блокчейна и хранилищ зашифрованных данных

Понимание того, что управление ИС – это процесс, требующий каждодневного внимания, диктует необходимость создания новых инструментов. Цифровые платформы, созданные на основе открытого блокчейна и хранения зашифрованных данных, могут стать эффективным средством удовлетворения повседневных потребностей современных изобретателей и авторов.

По своей сути открытый блокчейн представляет собой глобальный публичный реестр, который не зависит от какого-либо центрального органа или контроля. Этот особый реестр содержит лишь перечень транзакций, связанных с соответствующей криптовалютой, которая обеспечивает функционирование и безопасность самой децентрализованной сети.

Такие реестры можно называть «открытыми», поскольку любой желающий может получить актуальную копию такого реестра, а также добавить в него данные, загрузив в систему информацию о новой транзакции, но никто не может изменить или удалить уже введенные в него данные.  

Возможность включить в блокчейн-транзакцию зашифрованный цифровой отпечаток любого цифрового объекта превращает этот децентрализованный реестр транзакций в идеальный механизм сертификации ИС-активов.

Новаторская система управления ИС, основанная на открытом блокчейне и хранении версионированных данных, способна дать компаниям возможность создавать хронологическую последовательность событий, связанных с любыми ИС-активами, которая будет признаваться в глобальном масштабе и не потребует больших усилий и финансовых ресурсов.

Сочетание открытого блокчейна с хранилищем версионированных и зашифрованных данных позволит создать цифровую платформу для управления ИС, которая будет обеспечивать удобное подтверждение существования, сохранности и принадлежности документов, художественных произведений, данных научных исследований, образцов, программного обеспечения, бизнес-планов, контрактов и т.д. Каждый цифровой объект в такой системе снабжается перманентной меткой даты и времени, архивируется и закрепляется за определенным владельцем.

Компонент системы, связанный с хранением данных, играет очень полезную роль, поскольку цифровые сертификаты (вне зависимости от того, генерируются ли они на основе блокчейна или выдаются компетентными органами) являются ненадежными и могут использоваться лишь в сочетании с файлами, использованными для их создания. Даже самое незначительное изменение файлов, на которых был основан оригинальный сертификат, сделает его недействительным в качестве цифрового доказательства. Само собой разумеется, что, поскольку большинство данных, в сертификации которых могут быть заинтересованы изобретатели, носит конфиденциальный характер, решение, связанное с хранением данных, должно также предусматривать наивысший уровень шифрования, а в идеальном варианте – обеспечивать, чтобы даже провайдер услуг хранения данных не имел доступа к ним.

Если принять во внимание характерные особенности инновационных проектов, то стоящие задачи еще более усложняются. Любой инновационный проект вне зависимости от его масштабов проходит множество стадий, что существенно усложняет решение вопросов, связанных с хранением в зашифрованном виде информации обо всех вариантах каждого отдельно взятого ИС-актива, подтвержденного соответствующим сертификатом.

По своей сути открытый блокчейн представляет собой глобальный публичный реестр, который не зависит от какого-либо центрального органа или контроля. Этот особый реестр содержит лишь перечень транзакций, связанных с соответствующей криптовалютой, которая обеспечивает функционирование и безопасность самой децентрализованной сети. (Фото: peterschreiber.media / Getty Images)

Вышесказанное можно проиллюстрировать на примере запуска нового предмета дизайнерской одежды; всё начинается с идеи и каких-то первичных набросков, а заканчивается компьютеризованными моделями, маркетинговыми планами, стратегиями в сфере ценообразования, тестированием и т.п. Все соответствующие файлы нуждаются в защите на всех этапах их существования.

В данном контексте наличие защищенных файлов, которые выступали бы в качестве сертификатов, подтверждающих все этапы развития проекта, факты создания новых знаний и инвестиции в проект, имеет ключевое значение для эффективного управления всеми соответствующими ИС-активами и их охраны.

Новаторская система управления ИС, основанная на открытом блокчейне и хранении версионированных данных, способна дать компаниям возможность создавать хронологическую последовательность событий, связанных с любыми ИС-активами, которая будет признаваться в глобальном масштабе и не потребует больших усилий и финансовых ресурсов.

Способность отслеживать все этапы жизненного цикла каждого объекта прав ИС принесет компаниям многочисленные выгоды, облегчив проведение аудитов прав ИС и упростив процедуру юридической экспертизы в контексте транзакций, связанных с ИС.

Д-р Бирджит Кларк, компания Baker McKenzie, и Рут Берсталл, компания Johnson & Johnson
Crypto-Pie in the Sky? How Blockchain Technology is Impacting Intellectual Property Law («Цифровые иллюзии? Как блокчейн-технологии влияют на право интеллектуальной собственности») , Stanford Journal of Blockchain Law & Policy, июнь 2019

Почему вам нужна система управления ИС, основанная на блокчейн-технологиях

Можно представить себе множество ситуаций, связанных с ИС-активами, в которых цифровые сертификаты, основанные на открытом блокчейне и сгенерированные с использованием надежной частной системы хранения данных, могли бы использоваться для решения вопросов оперативного характера, применения передовых видов практики и нейтрализации рисков. Примеры подобных ситуаций приводятся ниже:

• Более эффективные соглашения о неразглашении данных (СНД)
  СНД представляют собой первый рубеж защиты в контексте всех дел, связанных с ненадлежащим обращением с объектами коммерческой тайны, а также во всех ситуациях, когда компания бывает вынуждена делиться закрытой информацией технического и коммерческого характера с третьими сторонами (сотрудниками, инвесторами, аудиторами, партнерами, поставщиками и т.д.). СНД, усиленное блокчейн-компонентом, позволяет четко очертить границы передаваемых конфиденциальных данных при помощи прилагаемого к нему блокчейн-сертификата. Без раскрытия какой-либо конфиденциальной информации такое соглашение позволит значительно упростить выполнение задач, связанных с обеспечением его соблюдения, поскольку оно не будет слишком широким по своему содержанию, а также будет предусматривать непосредственную увязку информации о стороне, получающей соответствующую информацию, с конкретными объектами знаний.

• Сотрудники, наём которых чреват рисками
  Приняв на работу сотрудника, который ранее трудился в конкурирующей компании, крайне важно поручать ему реализацию лишь таких проектов, в отношении которых существует уверенность в том, что та информация, с которой им предстоит работать, происходит из внутрифирменных источников. Наилучшим ответом на любые обвинения в ненадлежащем обращении с информацией станут надежные данные, подтверждающие хронологическую последовательность развития проекта.

• Практические меры по обеспечению сохранности прав авторов
  Композитору, который делится своими музыкальными произведениями с другими музыкантами, звукозаписывающими студиями и т.п., будет спокойнее, если он будет уверен в том, что при необходимости он будет иметь возможность подтвердить авторство того или иного произведения, поскольку на всех этапах своего развития оно регулярно регистрировалось при помощи блокчейн-технологий. Впоследствии они также будут иметь возможность использовать эти цифровые сертификаты для целей заключения контрактов и лицензионных соглашений. Разумеется, подобные ситуации могут возникать не только в музыкальной индустрии. Аналогичные механизмы могут применяться и в отношении ювелирных изделий, предметов одежды и обуви, мебели, графического дизайна и других проектов творческого характера.

• Открытые инновации
  Любой организации, которая реализует инициативы, связанные с открытыми инновациями, известно о том, как важно снабдить их участников простым инструментом, который бы давал им возможность подтвердить права собственности на свой вклад в проделанную работу до того, как она приобретет окончательный вид. Наличие платформы, основанной на блокчейн-технологиях, может помочь в решении этой проблемы, а также снять любые опасения или трения, связанные с раскрытием информации третьим сторонам.

• Проекты сотрудничества и стратегические партнерства
  Приступаете к реализации проекта сотрудничества в сфере НИОКР с участием другой компании или университета? Лучший способ предоставить информацию по истории вопроса, его текущему состоянию и будущему развитию всем сторонам – это зарегистрировать индивидуальные вклады, результаты совместных усилий и последующие события в блокчейн-реестре. Полученные таким образом сертификаты могут также быть использованы при составлении контрактов, регламентирующих условия сотрудничества.

• Стартапы
  Стартапы в силу самой своей природы сосредоточены на инновациях, однако слишком часто они оказываются не в состоянии применять эффективные виды практики в сфере управления ИС, пока не становится слишком поздно. Так, например, они не могут надежно подтвердить свои права собственности на ту продукцию, которую они рекламируют инвесторам, или же четко зафиксировать весь объем знаний, уже созданных в рамках компании, расширяя круг ее совладельцев или принимая на работу новых ключевых сотрудников. Наличие платформы для управления ИС, основанной на блокчейн-технологиях, которая была бы настолько же проста в использовании, как и любой сервис по хранению данных, могло бы помочь в решении этой и множества других аналогичных проблем, позволив компании-стартапу получить ощутимые выгоды, а в конечном счете – увеличить его капитализацию.

• Подтверждения использования и репутации товарных знаков
  Документально подтвержденная хронологическая последовательность, иллюстрирующая фактическое использование и репутацию товарного знака, позволит его владельцу обеспечить эффективную охрану, поддержание в силе и продление прав как на зарегистрированные, так и на незарегистрированные товарные знаки. Присущая блокчейн-технологиям способность работать со всеми видами файлов дает возможность обеспечить регистрацию самых разнообразных объектов: от счетов-фактур до публичных видеопрезентаций и от дизайна упаковки и рекламной продукции до материалов, публикуемых в СМИ. Платформа, основанная на блокчейн-технологиях, позволит компаниям без труда сохранять информацию о каждом товарном знаке с метками даты и времени.

• Эффективное подтверждение преждепользования
  Для убедительного подтверждения прав на тот или иной продукт путем демонстрации ранее существовавших знаний и/или преждепользования применительно к определенной технологии крайне важно иметь в своем распоряжении серьезную документацию, которая была бы действительной и признавалась на каждом рынке сбыта соответствующего продукта. Глобальный характер сертификации при помощи блокчейн-технологий, а также возможность ее применения для регистрации основных технологических достижений, бизнес-решений, результатов пилотных проектов и т.д., позволяет успешно решать задачи, связанные с подтверждением преждепользования, даже в сложных случаях.

• Презентация творческих идей
  Рекламные и коммуникационные агентства, архитектурные и дизайнерские бюро – вот лишь неполный перечень компаний, которые организуют презентации творческих и новаторских идей в контексте проведения государственных и частных тендеров. Тем не менее они часто оказываются бессильны что-либо сделать в ситуациях, когда речь идет о ненадлежащем использовании представленных ими концепций. Предварительная регистрация соответствующих материалов в блокчейн-реестре – удобный и эффективный способ предотвращения попыток их ненадлежащего использования, а при необходимости – и отстаивания своих прав.

Понять, что такое блокчейн, можно, разглядывая украшение из янтаря: и тот, и другой прозрачны и способны сохранять то, что находится внутри, в течение миллионов лет. (Фото: AGEphotography / Getty Images)

Выводы

Отсутствие надлежащих механизмов управления ИС может приводить к возникновению серьезнейших проблем. Новостные ленты полны историй о нечестных сотрудниках, разглашающих коммерческую тайну, крупных корпорациях, эксплуатирующих ИС стартапов и небольших компаний, убытках модельеров из-за нарушений авторского права и т.д.

Сегодня изобретатели имеют возможность дополнить охрану, обеспечиваемую традиционной системой прав ИС, при помощи сертификации объектов ИС с использованием блокчейн-технологий. Юридические фирмы и специалисты по ИС, несомненно, располагают наиболее широкими возможностями по оказанию помощи владельцам прав ИС и их поддержке в поиске наиболее оптимальных для них механизмов, применении достижений передового опыта и составлении контрактов, использующих возможности новых цифровых сертификатов; доступная всем желающим сертификация с использованием блокчейн-технологий открывает перед изобретателями и авторами беспрецедентную возможность для защиты их интересов.

Статьи по смежной тематике

Прямая демократия. Как в Москве решили провести самые технологичные выборы в истории России: Россия: Lenta.ru

С 17 по 19 сентября 2021 года в России пройдут выборы депутатов Государственной Думы. Впервые в нескольких регионах страны избиратели впервые смогут проголосовать не только опустив бюллетень в урну, но и онлайн. Впрочем, для москвичей подобный способ голосования давно перестал быть новинкой. В столице неоднократно и с успехом проводили электронное голосование, которое всякий раз доказывало свою простоту, защищенность и прозрачность. Оно и понятно — тайну и достоверность выборов обеспечивает система блокчейн — та же технология, которая используется для майнинга биткоинов и других криптовалют. О том, кто придумал технологию блокчейн, как она работает и почему после Москвы ей начали доверять в других регионах страны — в материале «Ленты.ру».

История блокчейна началась в 2009 году, и тогда еще никто не знал, к чему она приведет. Некто Сатоси Накамото — человек, личность которого до сих пор достоверно не установлена, — опубликовал в интернете документ, в котором описывался принцип работы криптовалюты Bitcoin. Сейчас с помощью нее и других построенных на ее принципе систем осуществляются платежи в интернете и в реальном мире.

Главная особенность таких систем в том, что у них нет единого центра выпуска валюты, он происходит автоматически. Безопасность и честность сделки, заключенной в них, гарантирует блокчейн — журнал всех транзакций, совершенных в биткоинах, который невозможно подделать, поскольку копия его хранится у каждого пользователя децентрализованной системы, и каждый из них может его проверить.

Но криптовалюты — это лишь одно применение блокчейна, ведь по сути там может храниться любая информация, и при этом она будет надежно защищена от несанкционированных и вредоносных изменений. Если перечислять все области жизни, в которых такая система может оказаться полезной, не хватит и целой книги, однако некоторые чрезвычайно интересны.

Например, она пригодится в юриспруденции: с ее помощью можно разрешать споры или использовать данные, хранящиеся в блокчейне, для доказательства правоты истца или ответчика. Богатые возможности открываются и в бизнесе, ведь эта технология поможет и вести складской учет, и отслеживать сделки, и даже заключать так называемые умные контракты, исполнение обязательств по которым будет автоматизировано — это касается, например, автоматического перечисления денег исполнителю после завершения работ, обещанных заказчику (ведь обязательства сторон будут прописаны в блокчейне, и изменить их в одностороннем порядке не получится).

Перспективные возможности блокчейна в плане управления государством практически безграничны. Систему планирования, которая собирала бы и обрабатывала данные из всех сфер экономики, пытались создать еще в СССР, но, к сожалению, проект Общегосударственной автоматизированной системы учета и обработки информации (ОГАС) заглох. Блокчейн же видится идеальным инструментом для осуществления этой амбициозной цели.

Блокчейн позволяет исключить бюрократию из многих сфер жизни, и в то же время гарантировать справедливое распределение средств и благ.

Блокчейн позволит гражданам получать все положенные им пособия или выплаты, без заполнения дополнительных заявок.

Значительно будет упрощен и документооборот. Например, при заключении и расторжении брачного договора, покупке недвижимости, регистрации рождения ребенка и так далее. Это не только сильно облегчит жизнь людям, но и позволит серьезно сократить госаппарат, а высвободившиеся средства направить на развитие инфраструктуры и социальных институтов. Более того, система государственного управления не будет сегментирована в рамках регионов и областей, ведь общая автоматизированная база данных может работать в масштабах всей страны.

Нетрудно представить и преимущества юридической системы, основанной на блокчейне. Благодаря ей возможно создать принцип автоматического разрешения конфликтов на основе прецедентов, внесенных в базу данных, ведь по сути большая часть диспутов разрешается на основе определенных алгоритмов, которые можно преобразовать в умные контракты.

А еще блокчейн позволяет реализовать честную и прозрачную систему выборов.

Сам принцип неизменности и проверяемости этого «журнала» не даст усомниться в их результатах. Но не только это может быть его задачей. Блокчейн, к примеру, позволит с легкостью реализовать двухуровневое голосование за законопроекты, когда граждане не будут избирать своих представителей в парламент, чтобы те представляли их интересы, а сами будут выдвигать законотворческие инициативы и сами же принимать или отвергать их.

Помимо того что система позволяет контролировать ход первичного голосования (референдума), она дает возможность гражданам контролировать и финансирование принятой резолюции. На втором уровне голосования избиратели смогут поддержать ее рублем, вложив в нее определенное количество средств, получаемых от налогов с населения.

Можно представить, что каждый гражданин имеет определенное количество криптовалютных токенов в месяц, и каждый из этих токенов соответствует определенной доле средств бюджета страны или региона. И без ведома гражданина эти средства нельзя будет использовать — он в любой момент сможет проверить на что именно уйдут или уже ушли средства.

Кроме того, в будущем блокчейн станет главным помощником гражданину при выборе депутатов. В этом случае, помимо точного и беспристрастного подсчета голосов, система обеспечит еще и надежную проверку репутации политика. Ведь отзывы о его действиях, как и сами действия в заключенных им умных контрактах, не вымарать оттуда при всем желании, а значит, все тайное станет явным.

Уже сейчас технология блокчейн постепенно внедряется в структурах власти разных стран мира. Так, в США первопроходцем в этом плане является министерство здравоохранения и социальных служб, которое применяет ее для сбора и обработки статистики по контрактам, заключенным с подрядчиками. Вслед за ним блокчейн начали использовать в американских Центрах по контролю и профилактике заболеваний для отслеживания развития эпидемий. В Азии также ширится применение систем на основе блокчейна. В Малайзии с их помощью собирают статистику о туристических потоках, а в Южной Корее они помогают управлять выработкой электроэнергии для общественного пользования. Ближе всего к повсеместному внедрению блокчейнового правительства подошли в некоторых европейских странах. В Люксембурге стандарты такой системы управления разрабатывают с 2017 года, а в Эстонии существует программа e-Estonia, в рамках которой на основе блокчейна работает широкий спектр государственных сервисов.

В нашей стране технология активнее всего применяется в Москве. Столица стала настоящим первопроходцем в плане организации систем массового онлайн-голосования, основанного на блокчейне.

Столичная система электронного голосования уже прошла семь проверок и три раза доказала свою эффективность в «боевых условиях».

Так, в 2019 году на ее основе проводилось голосование в трех избирательных округах во время выборов в Мосгордуму. Тогда для участия в нем зарегистрировались 11,2 тысячи человек, из которых в итоге проголосовали 92,3 процента.

Она использовалась и во время плебисцита о поправках в Конституцию. Это онлайн-голосование было самым крупным для города.

Наконец, в сентябре 2020 года, московская система онлайн-голосования была задействована при довыборах муниципальных депутатов районов Марьино и Бабушкинский. Здесь были зарегистрированы 4,5 тысячи человек, но и из их числа в результате свой голос отдало подавляющее большинство — 92 процента.

Теперь же начиная с 17 по 19 сентября 2021 года москвичи получат еще одну возможность проголосовать онлайн.

Столичная система онлайн-голосования разработана Департаментом информационных технологий города Москвы и основана на блокчейне. В ее сердце находится приватная распределенная платформа Exonum. У нее, как и у других подобных систем, нет централизованного сервера, и если кто-то захочет изменить данные о голосовании, записанные в блокчейне, ему придется получить одобрение большинства пользователей платформы. Информация о поданном голосе не сохраняется нигде, кроме блокчейна Exonum, так что подделать ее практически невозможно.

Голосование будет проходить на портале mos.ru, который за последние годы стал неотъемлемой частью жизни большинства москвичей.

Преимущества такого подхода очевидны: в блокчейне голоса хранятся в зашифрованном виде, благодаря чему их невозможно подделать или раскрыть личность конкретного избирателя.

Шифрование производится с помощью двух ключей. Один из них публикуется в интернете, чтобы все желающие могли убедиться в его надежности (расшифровать его, кстати, так никому и не удалось). Второй создается на компьютере пользователя на основании уникальных параметров: расположения мыши, числа открытых вкладок, разрешения экрана.

Однако с помощью этих ключей результаты голосования расшифровать нельзя. Для этого потребуется другой ключ, разделенный на несколько частей, который будет собран только во время подведения итогов. Это позволит провести автоматический подсчет бюллетеней в целом, однако данные каждого бюллетеня останутся зашифрованными — таким образом, тайна голосования будет сохранена и во время подсчета.

Здесь можно получить практически любую услугу, предоставляемую правительством города дистанционно, без личного визита в МФЦ. Всего на портале предоставляется более 380 их видов.

Прием заявок на участие в онлайн-голосовании будет осуществляться со 2 августа по 13 сентября.

У тех, кто передумает голосовать дистанционно, будет возможность прийти на избирательный участок, но решение надо принять не позже чем 13 сентября. Как рассказала глава ЦИК Элла Памфилова, такой срок установлен потому, что членам избирательных комиссий нужно время, чтобы сверить все списки избирателей и исключить возможность двойного голосования. Но если человек придет позже, права голосования его не лишат — предоставят компьютер для электронного голосования.

Москвичи смогут проголосовать на сайте mos.ru. Для этого им, как и жителям других регионов России, принимающих в онлайновом голосовании, необходимо будет иметь учтеную запись на портале и зарегистрироваться на выборы по этой ссылке.

Цифровой бюллетень москвичи смогут получить с 8 часов утра 17 сентября до 19:59 19 сентября, выбрав эту услугу в каталоге на mos.ru, по клику на баннеры, размещенные на mos.ru или mos.ru или по ссылке, которая будет направлена в личный кабинет пользователя.

По причине того, что в Москве проводятся не только выборы депутатов Государственной думы, но также и довыборы депутатов в Мосгордуму и муниципальный совет Щукино, избирателю, в зависимости от его места регистрации, может прийти не один, а два или три бюллетеня для разных голосований. Перед загрузкой бюллетеней человеку, участвующему в дистанционном голосовании, придет проверочный цифровой код в на телефон в СМС.

Как офлайн-, так и онлайн-голосование будет проходить в течение трех дней. Граждане, выбравшие возможность удаленного голосования, смогут реализовать свое конституционное право с 8:00 17 сентября до 20:00 19 сентября (по московскому времени). Для Курской, Мурманской, Нижегородской, Ростовской, Ярославской областей и Севастополя онлайн-голосование будет проходить на портале vybory.gov.ru, через Госуслуги.

Избирателю необходимо быть зарегистрированными по месту жительства в субъекте России, который проводит дистанционное голосование, либо быть гражданином, который не зарегистрирован по месту жительства на территории России, получившим гражданство в упрощенном порядке.

Что же касается родины создателя блокчейна Сатоси Накамото (если допустить, что это его настоящее имя и он действительно японец), то там прямая демократия уже не является грезами футуристов. Еще в 2018 году в японском городе Цукуба прошло блокчейн-голосование, на котором было решено, какие из социальных проектов получат финансирование за счет взносов граждан.

Эксперимент был признан успешным, власти отдельно подчеркнули оперативность получения результатов голосования и его безопасность. И это только первый шаг — скорее всего, в недалеком будущем вся Япония перейдет на эту избирательную систему.

Что такое Блокчейн? | Система Bitbon

Блокчейн — вид распределенного реестра[i], который представляет собой выстроенную по определенным правилам последовательную цепочку, которая формируется из блоков транзакций. При этом каждый последующий блок данной структуры содержит информацию о предыдущем блоке, таким образом, в целом цепочка хранит всю историю совершенных транзакций.

Одним из основных элементов функционирования блокчейна является сеть связанных между собой аппаратно-программных комплексов, каждый из которых содержит память и процессор. Примером таких аппаратно-программных комплексов могут быть: персональный компьютер, смартфон, выделенный сервер, планшетный компьютер и другие типы устройств.

В памяти каждого такого устройства содержатся данные блокчейна, который синхронизирован с остальными устройствами сети. В таком случае выход из строя одного из устройств не приводит к потере записей об имущественных правах на активы[i], информации о владельцах Bitbon[i] и транзакциях. При этом за счет применения системы открытых стандартов достигается унификация процессов сбора, консолидации и хранения всех данных.

В рамках Системы Bitbon[i] вся информация о выпуске, передаче от одного владельца другому, дроблении номинала и других операциях с Bitbon фиксируется в блокчейне. При этом информацию о номинале, идентификаторах Пользователей[i], истории транзакций, учетных записях[i] и другие данные невозможно удалить или модифицировать.

* Хеш — число фиксированной длины, которое ставится в соответствие данным произвольной длины таким образом, чтобы вероятность появления различных данных с одинаковым хешем стремилась к нулю, а восстановить данные по их хешу было как можно труднее.

В рамках Системы Bitbon[i] вся информация о выпуске, передаче от одного владельца другому, дроблении номинала и других операциях с Bitbon фиксируется в блокчейне. При этом информацию о номинале, идентификаторах Пользователей[i], истории транзакций, учетных записях[i] и другие данные невозможно удалить или модифицировать.

границ | BlockSim: расширяемый инструмент моделирования для систем блокчейн

1. Введение

При проектировании, а также при развертывании решений блокчейн необходимо учитывать многие вопросы архитектуры, конфигурации и параметризации. Поскольку обычно невозможно или практически невозможно ответить на эти вопросы с помощью экспериментов или проб и ошибок, в качестве альтернативы требуется моделирование на основе модели. В этой статье мы предлагаем платформу моделирования дискретных событий под названием BlockSim (Alharby and Van Moorsel, 2019) для изучения влияния конфигурации, параметризации и проектных решений на поведение систем блокчейнов.

BlockSim нацелен на предоставление конструкций моделирования, которые являются интуитивно понятными, скрывают ненужные детали и которыми можно легко манипулировать для применения к большому набору вопросов проектирования и развертывания цепочек блоков (связанных с производительностью, надежностью, безопасностью или другими интересующими свойствами). То есть BlockSim преследует следующие цели:

1. Общее: мы хотим иметь возможность использовать BlockSim для большого набора систем блокчейнов, конфигураций и вопросов проектирования.

2. Расширяемость: BlockSim должен легко манипулировать дизайнером или аналитиком для изучения различных типов и аспектов систем цепочки блоков.

3. Простота: две вышеуказанные цели должны быть достигнуты, делая BlockSim простым в использовании, как для моделирования, так и для его расширения.

Эта статья расширяет краткое введение в структуру BlockSim в Alharby and Van Moorsel (2019) и обсуждает все аспекты разработки, реализации и использования инструмента.

В основе BlockSim лежит базовая модель, которая содержит конструкции модели на трех уровнях абстракции: сетевом уровне, уровне консенсуса и уровне стимулов (Van Moorsel et al., 2018). Сетевой уровень захватывает узлы блокчейна и лежащий в основе одноранговый протокол для обмена данными между узлами. Уровень консенсуса фиксирует алгоритмы и правила, принятые для достижения соглашения о текущем состоянии реестра блокчейна. Уровень стимулов отражает механизмы экономического стимулирования, используемые блокчейном для выдачи и распределения вознаграждений между участвующими узлами.

Базовая модель содержит ряд функциональных блоков, общих для всех цепочек блоков, которые могут быть расширены и настроены в соответствии с интересующей системой и исследованием.Основные функциональные блоки включают узел, транзакцию, блок, консенсус и стимулы, как мы описываем в разделе 3. Затем они реализуются с помощью ряда модулей Python, обсуждаемых в разделе 4, и дополняются модулями (событие, планировщик, статистика и т. Д. .), реализующие механизм моделирования.

Общедоступность блокчейнов без разрешений предоставляет особенно мощные возможности для проверки симулятора. Мы проверяем результаты моделирования BlockSim, сравнивая их с теоретическими результатами (инвариантами, такими как скорость блока), с данными из существующих общедоступных систем блокчейнов, таких как Ethereum и Bitcoin, и с результатами из литературы.Результаты моделирования BlockSim находятся в статистически приемлемых пределах от реальных или опубликованных результатов, как обсуждается в разделе 6. Мы также демонстрируем использование BlockSim для исследования моделирования, которое учитывает устаревшую скорость, пропускную способность и децентрализацию майнинга в диапазоне возможные конфигурации блокчейна (не все существующие в реальных системах). Используя BlockSim, мы можем продемонстрировать, что включение дяди (например, в Ethereum) полезно для децентрализации майнинга.

Статья имеет следующую структуру.В разделе 2 обсуждается обзор блокчейна и его нижележащих слоев. Также обсуждается обзор моделирования и симуляции. В разделе 3 обсуждается основная базовая модель BlockSim, включая стоящие за ней цели проектирования. В разделе 4 представлена ​​реализация базовой модели. В разделе 5 в качестве тематических исследований представлено применение BlockSim к биткойнам, Ethereum и другим консенсусным протоколам. В разделе 6 обсуждается проверка BlockSim в сравнении с реальными системами и исследованиями из литературы.Разделы 7 и 8 показывают исследование моделирования BlockSim, а также оценку BlockSim относительно целей проекта. В разделе 9 обсуждается соответствующая работа. Раздел 10 завершает статью.

2. Справочная информация

2.1. Обзор блокчейна

Блокчейн — это распределенный реестр, предназначенный для отслеживания всех транзакций, которые когда-либо происходили в сети блокчейнов. Этот реестр копируется и распределяется между узлами сети. Такой реестр имеет две основные цели: обеспечить неизменяемый журнал всех транзакций и сделать транзакции прозрачными (т.е., видимый) всем, кто проверяет или использует блокчейн.

Наиболее технологически интригующий тип блокчейна — это общедоступный блокчейн или блокчейн без разрешения. Основная особенность блокчейнов без разрешения состоит в том, что узлы, которые участвуют в ведении реестра, не нуждаются в доверии или даже в том, что они известны друг другу. То есть любой пользователь может присоединиться к сети и участвовать в ней. Блокчейны без разрешений содержат криптовалюту, чтобы вознаграждать узлы за инвестирование ресурсов в поддержку блокчейна.Первой и наиболее популярной системой блокчейнов без разрешения является Биткойн (Накамото, 2008), которая представляет собой цифровую платежную систему, которая позволяет недоверчивым организациям совершать финансовые транзакции. Другие блокчейны (например, Ethereum, Wood, 2014) представили идею смарт-контрактов для поддержки различных распределенных приложений, таких как электронное голосование, приложения для здоровья и т. Д.

Термин цепочка блоков происходит от того факта, что данные о нескольких транзакциях сгруппированы в блоки. Каждый блок уникально идентифицируется своим криптографическим хешем, и каждый блок прикреплен и связан с предыдущим.В результате получается цепочка блоков. После того, как блок сгенерирован и прикреплен к реестру блокчейна, транзакции в этом блоке не могут быть изменены никаким узлом, так как это потребует от узла перезаписать все последующие блоки. Это делает системы блокчейнов неизменными и защищенными от атак с двойным расходом (Alharby and Van Moorsel, 2017).

Любой участвующий узел в блокчейне без прав доступа может генерировать транзакцию и транслировать ее в сети. У каждого узла есть пул для хранения ожидающих входящих транзакций (транзакций, которые необходимо выполнить).Чтобы сгенерировать и присоединить новый блок к реестру цепочки блоков, подмножество узлов (называемых майнерами) выбирает несколько ожидающих транзакций из своих пулов, выполняет их, а затем создает новый блок, содержащий эти транзакции. Как и когда генерируются блоки, зависит от протокола консенсуса, принятого системой блокчейн (см. Раздел 2.2.2).

После того, как майнер успешно создал блок, он будет транслировать его на другие узлы в сети. После получения блока каждый узел проверяет правильность блока и добавляет его в свой реестр.Если большинство узлов прикрепят блок к своей бухгалтерской книге и начнут строить поверх нее, блок будет подтвержден и рассмотрен как часть реестра блокчейна. Затем майнер этого блока может получить вознаграждение за блок, а также комиссию, связанную с его транзакциями, в качестве компенсации за свои усилия.

2.2. Блокчейн в слоях

Блокчейн-системы можно естественным образом разделить на три уровня: сетевой, консенсусный и стимулирующий, как показано на рисунке 1.Мы будем использовать эти слои для структурирования симулятора BlockSim и поэтому здесь также предоставим объяснение системы по слоям. Сетевой уровень захватывает узлы сети и базовый сетевой протокол для распределения информации между узлами. Уровень консенсуса фиксирует алгоритмы и правила, принятые для достижения соглашения о текущем состоянии реестра блокчейна. Уровень стимулов отражает экономические механизмы, используемые блокчейном для выдачи и распределения вознаграждений между участвующими узлами.

Рисунок 1 . Уровни системы блокчейн.

2.2.1. Сетевой уровень

Сетевой уровень в блокчейн-системах содержит узлы в сети, их географическое и относительное расположение, а также взаимосвязь между ними. Он определяет, какая информация должна быть распространена, а также механизм распространения такой информации.

Основным компонентом сетевого уровня является узел . Узлом может быть обычный пользователь, который хочет создать и отправить транзакцию для выполнения и включения в реестр, или специальный узел, известный как miner , который поддерживает и расширяет реестр, добавляя новые блоки.Узел имеет уникальный идентификатор и поддерживает свой баланс, локальную копию реестра блокчейна и, если узел является майнером, индивидуальный пул транзакций. В пуле транзакций хранятся ожидающие транзакции, полученные от других узлов сети.

Узлы передают друг другу следующую информацию. Если узел генерирует новую транзакцию, он криптографически подписывает ее и распространяет среди своих сверстников для подтверждения и записи в реестре цепочки блоков. В случае, если узел является майнером, каждый раз, когда он генерирует блок, он уведомляет своих сверстников, чтобы они могли проверить его и добавить в свои копии реестра.

В качестве механизма распространения информации для блокчейнов было предложено несколько протоколов, включая сети ретрансляции и протоколы на основе рекламы (Gervais et al., 2016). В протоколе на основе рекламы, используемом в большинстве блокчейнов (Gervais et al., 2016), узел отправляет своим партнерам уведомление о новых данных (например, о транзакции). Если узел-получатель отвечает, запрашивая данные, узел отправит их. В противном случае узел не отправит его, поскольку узел-получатель уже получил данные.

2.2.2. Уровень консенсуса

Уровень консенсуса в системах блокчейнов определяет алгоритмы и правила для достижения соглашения о состоянии блокчейна между узлами сети. Такие правила определяют, какой узел имеет право генерировать и добавлять следующий блок в реестр цепочки блоков, как часто генерируются блоки, а также как разрешать потенциальные конфликты, которые могут возникнуть, когда узлы имеют несколько разных копий реестра.

Существует несколько согласованных алгоритмов, таких как Proof of Work (PoW) и Proof of Stake (PoS), которые были предложены для систем блокчейнов.В PoW узлы (то есть майнеры) вкладывают свои вычислительные мощности в ведение реестра, присоединяя новые блоки, а в PoS узлы вкладывают свою долю или деньги. Независимо от того, что должны быть инвестированы узлами, интуиция, лежащая в основе таких алгоритмов, состоит в том, чтобы ввести затраты на поддержание реестра. Введенной стоимости должно быть более чем достаточно для предотвращения злонамеренного поведения узлов (Wang et al., 2019). В то же время узлы вознаграждаются за свои усилия только в том случае, если они следуют правилам и честно ведут реестр (см. Раздел 2.2.3).

Чтобы проиллюстрировать уровень консенсуса, мы обсуждаем здесь алгоритм PoW, поскольку это наиболее распространенный алгоритм для бесконтактных блокчейнов, используемых Биткойном и Эфириумом. В PoW вычислительная мощность, вложенная майнером, определяет, как часто этот майнер будет генерировать и добавлять блоки в реестр блокчейна. Чтобы сгенерировать блок, майнер должен неоднократно пробовать одноразовые номера (случайные числа) до тех пор, пока хэш одноразового номера в сочетании с информацией о блоке не окажется в пределах определенного порога (называемого сложностью блока).Единственный способ найти одноразовый номер — это метод проб и ошибок, и, таким образом, чем больше хэш-мощности вложено майнером, тем больше вероятность, что майнер найдет одноразовый номер. Этот процесс представляет собой конкурентную задачу, поскольку все майнеры в сети соревнуются друг с другом, чтобы найти желаемое значение хеш-функции следующего блока. Обратите внимание, что сложность блока можно динамически регулировать, чтобы контролировать частоту генерации блоков.

Из-за задержки, вызванной распространением блоков между узлами в сети (см. Сетевой уровень), другие узлы могут сгенерировать следующий блок до того, как услышат другой конкурентный блок, о котором недавно было объявлено.Это приводит к конфликтам, известным как разветвления, которые возникают, когда узлы имеют несколько разных представлений реестра. Задача уровня консенсуса в блокчейн-системах — разрешать такие конфликты. В разных консенсусных алгоритмах используются разные правила для выбора того, какой блокчейн (форк) следует принять в качестве глобальной. Например, алгоритм PoW, используемый Биткойном и Эфириумом, разрешает конфликты, выбирая самую длинную цепочку. Другие предложения, такие как GHOST (Sompolinsky and Zohar, 2015), выбирают вилку с наиболее тяжелой работой.

2.2.3. Слой стимулов

Уровень стимулов использует криптовалюту блокчейна для создания структуры стимулов, распределяя вознаграждения среди участвующих майнеров, которые ведут реестр блокчейна. Модель стимулирования необходима для поддержки любой системы блокчейн без разрешения. Стимулы должны справедливо вознаграждать майнеров за их работу и мотивировать их вести себя честно (Aldweesh et al., 2018; Alharby et al., 2018). Стимулы также защищают систему блокчейн от различных атак (например,g., DDoS-атаки в Ethereum, Buterin, 2016) и против злонамеренного поведения узлов (например, эгоистичные стратегии майнинга, Eyal and Sirer, 2018).

В большинстве систем блокчейн вознаграждения связаны с генерацией блоков и завершением транзакций, называемые вознаграждением за блок и комиссией за транзакцию, соответственно. В зависимости от цепочки существуют тонкие различия в том, что вознаграждается, например, Ethereum выдает вознаграждение за устаревшие (или дядя) блоки, даже если они не попадают в цепочку блоков после разрешения конфликтов.Когда майнер получает вознаграждение (например, путем добавления нового блока в реестр), его баланс соответственно увеличивается. Вознаграждение за блок во всех известных блокчейнах установлено на фиксированную сумму, в то время как комиссия за транзакцию рассчитывается как переменное количество криптовалют, в зависимости от усилий, а также от приза, который отправитель транзакции готов заплатить.

2.3. Моделирование и имитация

Модель — это абстрактное представление реальной системы, существующей или разрабатываемой.Модель обычно включает математические выражения, а также структурные и логические отношения для описания динамики системы (Anderson et al., 2015). Моделирование — это количественный метод, который «выполняет» модель для имитации поведения системы (Anderson et al., 2015). Моделирование можно использовать для прогнозирования и описания того, как различные конфигурации и сценарии влияют на поведение системы. Таким образом, моделирование можно использовать для ответа на вопросы «что, если» и для экспериментов с новыми проектами и политиками без необходимости прерывать функционирующую систему (Banks, 1984).

Моделирование можно разделить на две категории: моделирование дискретных событий и моделирование непрерывных событий (Haverkort, 1998). Созданные человеком системы, такие как цифровой компьютер и информационные системы, наиболее подходят для моделирования дискретных событий, поскольку системы меняют состояние в дискретные моменты времени (Fishman, 2001). BlockSim использует подход моделирования дискретных событий для разработки и реализации симулятора.

Существует два подхода к разработке инструментов моделирования, а именно, языки программирования общего назначения (например,g., C ++, Java или Python) и специальные языки моделирования (например, Arena и GPSS) (Leemis and Park, 2006). Первый более гибкий и знакомый, а второй предоставляет несколько встроенных функций (например, статистику, планировщик событий и анимацию), которые сокращают время, необходимое для построения моделей. Как указано в Leemis and Park (2006), ведутся споры и споры о том, какой метод предпочтительнее. Также стоит отметить среды моделирования, которые позволяют разрабатывать имитационные модели с использованием языков общего назначения, например OMNeT ++ и SimPy для разработки моделей на C ++ и Python.

Для разработки и внедрения BlockSim мы выбрали Python как язык общего назначения. Мы не используем его структуру моделирования SimPy , потому что она следует парадигме, ориентированной на процесс, которая отличается от подхода, который мы применяем в BlockSim. Однако будет полезно рассмотреть возможность интеграции функций, предоставляемых SimPy, с нашим симулятором в будущей версии.

3. Базовая модель BlockSim

В этом разделе мы представляем базовую модель Base Model , лежащую в основе BlockSim, которая предназначена для моделирования любого типа системы цепочки блоков, с расширениями для конкретных приложений по мере необходимости.Сначала мы определяем принципы проектирования и цели для BlockSim: универсальность, расширяемость и простота. Затем мы обсуждаем дизайн слой за слоем: сетевой уровень, уровень консенсуса и уровень стимулов. На каждом уровне мы идентифицируем ключевые функциональные единицы (сущности) и действия или действия, которые они выполняют.

3.1. Принципы дизайна

Мы разрабатываем базовую модель для достижения основных целей разработки BlockSim, а именно:

• Общность: мы хотим иметь возможность использовать BlockSim для большого набора систем блокчейнов, конфигураций и вопросов проектирования.

• Расширяемость: BlockSim должен легко манипулировать дизайнером или аналитиком для изучения различных аспектов систем цепочки блоков.

• Простота: Две вышеуказанные цели должны быть достигнуты, делая BlockSim простым в использовании как для моделирования, так и для его расширения.

Искусство разработки такого инструмента, как BlockSim, состоит в том, чтобы найти полезный компромисс между универсальностью и расширяемостью, с одной стороны, и простотой для достижения этих двух целей, с другой.Базовая модель имеет решающее значение для достижения этой цели, поскольку она направлена ​​на поиск оптимального компромисса между тремя вышеупомянутыми задачами в области систем блокчейн.

Базовая модель определяет ключевые строительные блоки (например, блоки, транзакции, узлы и стимулы), общие для всех блокчейнов, для которых предназначен BlockSim, см. Рисунок 2. Базовая модель определяет, насколько общим является класс модели, поддерживаемый BlockSim, и особенно насколько легко создавать новые модели. Базовая модель будет переведена в программные модули и, следовательно, также определяет, можно ли легко расширить BlockSim, например, для предоставления более подробных моделей определенных процессов, которые происходят в блокчейнах.

Рисунок 2 . Сущности модели BlockSim.

3.2. Сетевой уровень

Этот уровень определяет два объекта: Node и базовый протокол Broadcast , как показано на рисунке 2. Объект Node отвечает за обновление переменных состояния системы (например, реестр цепочки блоков и пул транзакций). Протокол широковещательной передачи определяет, как информационные объекты (например, блоки и транзакции ) распространяются в сети.

Реестр Blockchain и Пул транзакций Объекты являются частью объекта Node (см. Рисунок 2). То есть каждый узел поддерживает и постоянно обновляет эти объекты. Мы моделируем узлы как объекты с различными атрибутами, такими как уникальный идентификатор, баланс, локальная книга и пул транзакций. Пул транзакций и локальный регистр моделируются как списки массивов, которые могут быть расширены при получении новых транзакций и блоков. Эти атрибуты являются общими для разных реализаций блокчейнов.Однако можно было бы расширить это, включив больше дополнительных атрибутов, как мы покажем в разделе 5.1.

Распространение информационных объектов зависит от объекта Broadcast protocol, который можно детально смоделировать с учетом конфигураций сети, географического распределения узлов и возможности соединения между узлами, или его можно смоделировать на уровне абстракции. только с учетом временной задержки для распространения информации между узлами.Причина абстрагирования широковещательного протокола состоит в том, чтобы сделать наш симулятор как можно более простым, скрывая ненужные детали. Это избавит пользователя симулятора от настройки многих параметров, связанных с конфигурациями сети, таких как широковещательный протокол, географическое распределение узлов и количество соединений на узел. Задержка распространения в качестве единственного настраиваемого параметра улучшит как эффективность, так и удобство использования симулятора.

3.3. Уровень консенсуса

Этот уровень направлен на установление правил, которым могут следовать узлы для достижения соглашения о состоянии цепочки блоков. Этот уровень включает четыре объекта, а именно: транзакцию , блок, пул транзакций и регистр цепочки блоков , как показано на рисунке 2.

Сущность книги Blockchain зависит от сущности Block , а сущность Block зависит от сущности Transaction .То есть реестр блокчейна состоит из блоков, а блоки состоят из транзакций. Пул транзакций зависит от объекта транзакция , поскольку каждая созданная транзакция передается в пул транзакций. Эти четыре объекта обслуживаются компанией Node .

На уровне консенсуса есть несколько действий или действий, которые должны выполняться объектами. Примером таких действий является создание блоков и транзакций. Последовательность этих действий изображена на Рисунке 3.Эти действия выполняются непрерывно, например, транзакции и блоки всегда продолжают поступать в сеть.

Рисунок 3 . Рабочий процесс для согласованных действий в базовой модели BlockSim.

3.3.1. Транзакция

Транзакции являются одними из строительных блоков (объектов), общих для всех систем блокчейнов. Он играет важную роль в обновлении состояния блокчейна. Прибытие новой транзакции в сеть приводит к обновлению пула транзакций путем вставки этой транзакции.

Мы моделируем транзакции двумя способами: полным и легким. Полная методика помогает отслеживать каждую транзакцию в системе (например, когда транзакция была создана и включена в действительный блок). Этот метод моделирует транзакции, как в любой системе цепочки блоков, и полезен, если кто-то интересуется, например, изучением задержки отдельных транзакций в системах цепочки блоков. Однако этот тип моделирования требует огромного количества вычислительных ресурсов и времени во время моделирования, поскольку каждую транзакцию необходимо отслеживать.С другой стороны, легкая техника не отслеживает каждую транзакцию. Это полезно при изучении пропускной способности систем блокчейн, не заботясь о времени подтверждения транзакций внутри системы.

В обоих методах мы моделируем транзакции как объекты, которые имеют несколько атрибутов или полей, таких как идентификатор транзакции, размер, комиссия, временная метка, содержимое, а также отправитель и получатель транзакции. Эти атрибуты почти общие для всех цепочек блоков, и что в некоторых системах есть больше дополнительных атрибутов (например,g., Ethereum также имеет атрибуты, связанные с газом, такие как Gas Limit).

Метод полного моделирования : В этом методе, который мы обсуждали в разделе 3.2, мы моделируем индивидуальный пул транзакций для каждого узла, назначая список массивов для каждого узла как способ абстрагирования пула. Каждая транзакция, созданная узлом, распространяется на все другие узлы в сети. Получив транзакцию, узел-получатель добавляет ее в свой пул. Таким образом, мы моделируем транзакции по трем различным видам деятельности, обозначенным от 1 до 3, как показано на рисунке 3.

• Создание транзакций: Это включает создание транзакций участвующими узлами. Количество транзакций, создаваемых за единицу времени, можно контролировать и настраивать.

• Распространение транзакций: Это требует, чтобы создатель транзакции распространял ее на другие участвующие узлы. Это необходимо для уведомления других узлов о вновь созданных транзакциях.

• Добавление транзакций: Для этого требуется, чтобы получатель транзакции добавил ее в свой пул транзакций.

Метод облегченного моделирования : В этом методе мы моделируем только один пул транзакций, который будет совместно использоваться всеми узлами в сети. Цель этого метода состоит в том, чтобы предоставить альтернативный и упрощенный способ моделирования транзакций путем исключения процесса распространения, а также необходимости для узлов постоянно обновлять свои пулы (см. Раздел 3.3.2). Таким образом, световая техника более эффективна и быстрее во время моделирования. Однако этот метод не может использоваться для выводов о задержке транзакций, поскольку транзакции не отслеживаются.Тем не менее, полезно получить показатели пропускной способности в блокчейн-системах.

В этом методе мы создаем набор транзакций (N), а затем добавляем его в общий пул перед процессом майнинга, чтобы майнеры могли получить доступ к пулу, чтобы выбрать несколько транзакций для включения в их предстоящий блок. Следовательно, N должно быть более чем достаточно для блока, обычно достаточно для двух блоков. После того, как майнер успешно сгенерировал блок, пул сбрасывается, а затем заполняется новым набором транзакций, которые будут включены в следующий блок.

Оба метода могут быть реализованы, и тогда пользователю будет предоставлен выбор, чтобы выбрать, какой метод принять, исходя из своих собственных потребностей. Например, если вас интересует только пропускная способность, нет необходимости выбирать полную технику, поскольку она заставляет симулятор работать в течение очень долгого времени.

3.3.2. Блок

Блоки

— еще один важный строительный блок (сущность) любой блокчейн-системы. Блоки состоят из транзакций. Прибытие нового блока приводит к обновлению пула транзакций и реестра блокчейна.Пул обновляется путем удаления всех транзакций, включенных в блок, в то время как реестр обновляется путем добавления вновь созданного блока.

Мы моделируем блоки как объекты, которые имеют несколько атрибутов, а именно глубину, идентификатор блока, идентификатор предыдущего блока, временную метку, размер, идентификатор майнера и транзакции. ID блока — это уникальный идентификатор блока. Глубина блока указывает индекс блока в цепочке блоков узла. ID майнера относится к узлу, создавшему блок. Каждый блок может принимать список транзакций в качестве своего содержимого.Эти атрибуты являются общими для всех блокчейнов.

Мы моделируем блоки на уровне консенсуса как Block Generation и Block Reception , см. Рисунок 3. Генерация блока определяет, когда генерируются блоки, а также какой узел имеет право добавлять следующие блоки. Он охватывает все стандартные действия, необходимые майнеру для создания и присоединения блока к реестру блокчейна. Действия включают выполнение транзакций блока, создание и добавление блока в локальную цепочку блоков, а также распространение блока на другие узлы в сети.Прием блоков определяет, как узлы сети обновляют свои реестры цепочки блоков при получении новых блоков. Он охватывает общие действия, выполняемые узлом при получении вновь сгенерированного блока. После получения действительного блока узел-получатель выполнит три действия: при необходимости обновит локальную цепочку блоков, добавит блок в локальную цепочку и обновит пул транзакций.

Алгоритм консенсуса отвечает за выбор майнера для создания следующего блока.Методология, используемая для выбора майнера, варьируется между блокчейнами в зависимости от принятого протокола консенсуса. В PoW, например, майнеры выбираются на основе решения математической задачи. После того, как майнер будет выбран для создания и добавления нового блока в реестр, майнер предпримет следующие действия. Следовательно, эти действия являются общими для всех систем блокчейнов, и что некоторые конкретные системы могут включать в себя другие действия (например, включая дяди-блоки в будущем блоке, как в Ethereum).

• Выполнение и добавление транзакций в блок: Для этого майнер должен выбрать несколько ожидающих транзакций для выполнения и включения в следующий блок. Часто майнеры сначала сортируют ожидающие транзакции на основе связанных с ними комиссий. Затем майнеры выбирают лучшую транзакцию в соответствии с их критериями ранжирования, выполняют ее тогда и только тогда, когда в блоке есть место. После этого транзакция будет записана в блок. После этого майнеры выберут следующую транзакцию и продолжат ее до тех пор, пока блок не заполнится или не будет отложенной транзакции.

• Создание и добавление блока в локальную цепочку блоков: После подготовки содержимого блока (например, транзакций) майнер создаст блок, после чего блок будет добавлен в локальную цепочку блоков майнера.

• Распространение блока на другие узлы: Это распространение блока на другие узлы в сети. Это необходимо для уведомления узлов сети о вновь сгенерированном блоке.

Как только узел получит новый блок, он проверит его действительность.Блок считается действительным, если он был построен правильно и все встроенные транзакции были правильно выполнены. Помимо срока действия блока, блок должен указывать на последний блок в реестре (глубина блока должна быть выше, чем у последнего блока). Мы моделируем только глубину блока и, таким образом, абстрагируем действительность блока. Если глубина полученного блока не превышает глубину последнего блока, блок будет отброшен. В противном случае узел выполнит следующие действия.

• Обновление локальной цепочки блоков: Это требует, чтобы узел-получатель обновил свою локальную цепочку блоков, где это необходимо, перед добавлением вновь полученного блока. Это связано с тем, что иногда полученный блок построен на разных предшествующих блоках (другая ветвь цепочки) по сравнению с теми, которые есть у узла-получателя, или потому, что он построен на отсутствующих блоках. Следовательно, узел должен обновить все предыдущие блоки (и выбрать все отсутствующие блоки, если таковые имеются) в соответствии с теми, за которыми следует принятый блок.

• Добавление блока к локальной цепочке блоков: Это необходимо для добавления полученного блока к локальной копии цепочки блоков.

• Обновление пула транзакций: Это требует, чтобы узел-получатель обновил свой пул транзакций, где это необходимо, после добавления вновь полученного блока. Это необходимо для удаления всех транзакций, которые уже были выполнены в полученном блоке из пула узла.

3.3.3. Пул транзакций и книга блокчейн

Пул транзакций и реестр блокчейнов также являются важными строительными блоками (объектами), поскольку они представляют состояние систем блокчейнов.Пул транзакций обновляется по прибытии новой транзакции или блока, в то время как реестр цепочки блоков обновляется только после прибытия блока, как описано в разделах 3.3.1, 3.3.2. Узлы несут ответственность за обновление как пула, так и реестра, поскольку каждый узел в сети цепочки блоков поддерживает их локальную копию (см. Раздел 3.2).

Правило обновления реестра в случае форков: Узлы в какой-то момент времени могут иметь разные представления реестра блокчейна из-за задержки распространения в сети.Важная роль уровня консенсуса состоит в том, чтобы определять правила, которые могут использоваться узлами для разрешения вилок. Например, Биткойн и Эфириум используют правило самой длинной цепи для разрешения вилок. То есть узлы обновляют свои реестры каждый раз, когда получают блок, следующий за цепочкой, которая длиннее, чем их локальные цепочки. Таким образом, узлы будут иметь одинаковое представление о реестре блокчейна. Однако другие системы используют другие правила (например, GHOST, Sompolinsky and Zohar, 2015).

3.4. Уровень стимулов

Уровень стимулов отвечает за разработку базовой модели стимулирования путем определения элементов вознаграждения (например, блоков и транзакций), а также распределения вознаграждений между участвующими майнерами. Этот уровень имеет объект reward , который зависит от объекта Block (см. Рисунок 2). То есть награды выдаются майнерам только после добавления новых блоков в реестр. Расчет и распределение таких наград считаются действиями.

Мы моделируем базовую модель стимулирования, используемую в большинстве блокчейн-систем, таких как Биткойн. Наша модель предусматривает вознаграждение за создание действительного блока (вознаграждение за блок) и вознаграждение за все транзакции, включенные в блок (комиссия за транзакцию). Вознаграждение за блок моделируется как фиксированная сумма криптовалюты, которая может быть настроена и изменена конечным пользователем. Комиссия за транзакцию рассчитывается как произведение ее размера и приза, где приз — это сумма денег, которую отправитель транзакции готов заплатить за единицу размера.Размер и приз за транзакции также могут быть настроены как фиксированные или переменные (случайные) значения. Однако можно расширить текущую модель, включив в нее различные вознаграждения (например, вознаграждения за блоки дяди) или изменить способ расчета комиссии за транзакции. Мы моделируем распределение вознаграждений, увеличивая баланс каждого майнера после того, как к реестру прикреплен действительный блок.

4. Реализация BlockSim

Мы представляем реализацию симулятора BlockSim с использованием Python 3.6.4. Основные модули показаны на рисунке 4. Модуль симулятора реализует основной движок симулятора, в частности, планировщик событий, который мы объясним в разделе 4.1. Основная тема обсуждения в этом разделе — детализация обработки событий, поскольку это сильно влияет на производительность симулятора. Этот модуль механизма моделирования дополняется модулем конфигурации, который будет описан в разделе 4.2, который предоставляет пользователю способы настройки модели моделирования и экспериментов.В разделе 4.3 объясняется реализация базовой модели, разделенной по основным уровням: сетевой модуль, модуль консенсуса и модуль стимулов.

Рисунок 4 . Модули реализации BlockSim.

4.1. Модуль моделирования BlockSim и планировщик событий

Как показано на рисунке 4, основной модуль моделирования содержит четыре класса: «Событие», «Планировщик», «Статистика» и «Главный». Мы начинаем с объяснения наших вариантов дизайна для планирования мероприятий.

Мы обеспечиваем планирование событий на двух уровнях абстракции, первый рассматривает блоки как «единицу» события, второй рассматривает транзакции как «единицу» события. Мы объясняем события на уровне блоков. Класс Event определяет структуру событий в нашем симуляторе. В случае события уровня блока он имеет четыре атрибута: тип , идентификатор узла, время и блок . Атрибут типа указывает, как обрабатывать событие, в частности, должно ли данное событие создать новый блок или принять существующий блок .Атрибуты nodeID и time указывают узел, который обрабатывает событие, и время, в которое событие имеет место. Атрибут блока содержит необходимую информацию для обрабатываемого блока.

Класс планировщика отвечает за планирование будущих событий и запись их в Queue . Очередь — это список массивов, в котором хранятся все будущие события, и он постоянно обновляется во время моделирования путем вставки новых событий или удаления существующих.На уровне блока, например, как только блок создается посредством события создания блока , класс Планировщик планирует события приема блока для других узлов, чтобы принять блок. Кроме того, он планирует новое событие создания блока , выбирая майнер для предложения и генерации нового блока поверх последнего.

Функции классов Main и Statistics вполне ожидаемы. Main запускает симулятор.Он подготавливает настройку, а затем запускает класс Scheduler для планирования некоторых начальных событий. Настройка включает в себя создание транзакций, а также создание первого (генезисного) блока, пустого блока, который будет прикреплен к локальной цепочке блоков для всех узлов в сети. Затем он продолжает перебирать все события и выполняет их одно за другим, пока Очередь не опустеет или не будет достигнуто заранее заданное время моделирования. Статистика поддерживает результаты и вычисляет статистику окончательного результата моделирования, включая статистику блоков (количество блоков, включенных в реестр, и процент отброшенных блоков), пропускную способность и прибыль от майнинга.

4.2. Модуль конфигурации

Этот модуль служит основным пользовательским интерфейсом, в котором пользователи могут выбирать из доступных моделей, а также настраивать различные параметры, связанные с участвующими узлами, блоками, транзакциями, консенсусом, стимулами и настройками моделирования. В таблице 1 приведены входные параметры, которые необходимо настроить перед запуском симулятора. Мы можем, например, настроить количество узлов, время интервала блока, объем транзакций, которые будут созданы в секунду, и другие параметры.Кроме того, наш симулятор позволяет отключать транзакции, если они не интересны. Это можно сделать, установив только для параметра hasTrans значение «Ложь» без изменения кода симулятора. Кроме того, это позволяет выбрать подходящую технику (полную или легкую) для моделирования транзакций. Если мы расширим симулятор, например, включив новые протоколы консенсуса, это будет отражено в этом модуле, чтобы позволить пользователю симулятора выбрать желаемый протокол.

Таблица 1 . Входные параметры для симулятора.

4.3. Модули базовой модели

Мы обсуждаем реализацию классов моделирования, которые представляют базовую модель из раздела 3, используя те же три уровня, что и раньше.

Сетевой модуль: Мы реализуем сетевой модуль в двух разных классах, а именно, Узел и Сеть. Класс узла определяет структуру узлов в нашем симуляторе. Мы реализуем каждый узел как объект, в котором каждому узлу дается уникальный идентификатор и баланс.Для каждого узла мы назначаем два списка массивов для моделирования локальной цепочки блоков и пула транзакций. Стоит отметить, что каждый узел поддерживает пул транзакций только в том случае, если применяется метод полной транзакции. В противном случае общий пул будет использоваться всеми узлами. Сетевой класс реализует сетевую задержку для распространения как блоков, так и транзакций между узлами. В настоящее время мы реализуем задержку как временную задержку, которая может быть настроена пользователем симулятора в модуле конфигурации.Следовательно, можно было бы расширить этот класс для реализации определенного широковещательного протокола.

Модуль консенсуса: Мы реализуем модуль консенсуса в различных классах, а именно: транзакция, блок и консенсус. Класс транзакции определяет структуру транзакций в нашем симуляторе. Мы реализуем каждую транзакцию как объект с семью атрибутами, а именно: ID, отметка времени, ID отправителя, ID получателя, значение, размер и комиссия. Конечный пользователь может установить размер и комиссию за транзакции в модуле конфигурации как фиксированные значения или случайные значения, взятые из общих распределений, включая экспоненциальное распределение.Этот класс также реализует как полные, так и легкие методы моделирования транзакций, как мы обсуждали в разделе 3.3.1. Класс блока определяет структуру блоков в нашем симуляторе. Мы реализуем каждый блок как объект, который имеет семь атрибутов, а именно глубину, идентификатор, предыдущий идентификатор, временную метку, размер, идентификатор майнера и транзакции. Этот класс также реализует процессы, необходимые узлам для генерации и приема блоков, как описано в разделе 3.3.2. Класс консенсуса реализует алгоритм консенсуса, а также правило разрешения вилки.Он также реализует процесс выбора лидеров, также называемых майнерами, для создания и добавления новых блоков в реестр. Этот класс структурирован так, чтобы было легко реализовать любой интересующий консенсусный протокол. Например, реализовать алгоритм PoW с правилом самой длинной цепи для устранения потенциальных форков, как в случае с Биткойном и Эфириумом.

Модуль поощрений: Этот модуль отвечает за установку элементов вознаграждения, а также расчет вознаграждений. Кроме того, он распределяет вознаграждения между участвующими узлами, увеличивая баланс каждого узла после расчета вознаграждений.Однако можно расширить этот модуль, добавив дополнительные элементы вознаграждения или изменив способ расчета вознаграждения, если это необходимо. Чтобы упростить работу для конечного пользователя, вознаграждения (например, вознаграждения за блок) можно настроить и изменить в модуле конфигурации.

5. Примеры использования BlockSim

BlockSim разработан для использования с любым типом блокчейна, и чтобы продемонстрировать это, мы применяем базовую модель BlockSim для имитации Биткойна, а также Ethereum. Мы также обсуждаем, как расширить реализацию BlockSim базовой модели для поддержки любого интересующего консенсусного алгоритма.

5.1. Биткойн в BlockSim

Для моделирования Биткойн мы вводим следующие модификации и расширения в основную реализацию BlockSim, обсуждаемую в разделе 4.

Сетевой уровень: Для Биткойна мы абстрагируем лежащий в основе широковещательный протокол, моделируя распространение транзакций и блоков как временную задержку, как указано в разделе 3.2. Для параметризации модели можно использовать DSN Bitcoin Monitoring, чтобы получить задержку распространения информации.Модуль Node расширен атрибутом хэш-мощности узла, который мы добавляем в модуль конфигурации, чтобы пользователь мог установить его в качестве входного параметра. Чтобы различать обычные узлы и майнеры, мы можем назначить ноль в качестве хэш-мощности для обычных узлов, чтобы указать, что узел не может создавать блоки (только создавать и распространять транзакции).

Уровень консенсуса: Биткойн использует PoW с правилом самой длинной цепи для разрешения вилок. Как обсуждалось в разделе 2.2.2, в PoW майнеры соревнуются друг с другом за право создать следующий блок.Они многократно рисуют случайное число, объединяют его с информацией из нового блока и генерируют хэш. Если хеш выполняет какое-то свойство, блок может быть добавлен в цепочку блоков и перенаправлен на другие узлы. Это означает, что майнеры выполняют то, что равносильно испытанию Бернулли, и, поскольку количество испытаний велико, процесс испытаний Бернулли сходится с его непрерывным аналогом — Пуассоновским процессом. То есть время между успехами распределяется по экспоненте. В модуле конфигурации можно установить сложность блока с помощью параметра B _interval , который представляет собой временной интервал (в секундах) между двумя последовательными блоками.Если несколько цепочек имеют одинаковую глубину, Биткойн использует самую длинную цепочку, чтобы получить глобальное представление о реестре блокчейна, разрешив вилки.

Уровень поощрений: Стимулы в Биткойне за создание блоков и выполнение транзакций такие же, как и в Базовой модели. В нашей основной реализации BlockSim все награды будут распределяться между майнерами в конце каждого запуска симуляции. При необходимости модуль поощрений можно изменить для распределения вознаграждений во время выполнения.Майнер блока, который завершен и является частью самой длинной цепочки, получает вознаграждение за блок и комиссию за все транзакции, включенные в этот блок. Награды можно установить в модуле конфигурации.

5.2. Ethereum в BlockSim

Ethereum очень похож на Биткойн, но содержит несколько дополнительных элементов, связанных с обработкой дяди-блоков, а также атрибуты, необходимые для стимулов, связанных со смарт-контрактами.

Сетевой и консенсусный уровни: Ethereum позволяет прикреплять блоки uncle к действующему блоку и вознаграждает за это майнеров.Поэтому мы расширяем модуль Bitcoin Node атрибутом unclechain. Unclechain для узла моделируется как список массивов, в котором хранятся все цепочки с uncle-блоками, которые возникают во время прогона моделирования. Ethereum позволяет майнерам включать максимум 2 блока uncle в течение последних семи поколений блоков (например, блок uncle с глубиной 10 может быть указан в блоке с глубиной, меньшей или равной 17). Мы включаем эту логику в модуль конфигурации и позволяем настраивать максимальное количество дяди-блоков на блок, количество поколений, в которые дяди-блок может быть включен, а также отключение механизма дяди-включения, если это не представляет интереса.

Аналогично расширяем модуль Node при получении блока. Если блок имеет меньшую глубину или индекс, блок добавляется в unclechain получателя как блок uncle, на который будет ссылаться в будущем блоке. Кроме того, при получении и добавлении действительного блока в реестр локальной цепочки блоков майнер при необходимости обновляет свой локальный блокчейн, удаляя все блоки дяди, которые уже были включены в полученный блок.

Уровень стимулов: Модель стимулирования Ethereum, аналогичная модели Биткойна, включает вознаграждение за блок и комиссию за транзакции.Тем не менее, Ethereum использует механизм Gas для расчета комиссии за транзакции со смарт-контрактами. Поэтому для определения комиссии за транзакции и блоки нам необходимы некоторые дополнительные атрибуты, связанные с моделью газа. Для транзакций мы добавляем атрибуты «Лимит газа», «Использованный газ» и «Цена на газ». Для блоков мы включаем атрибуты Gas Limit и Used Gas. Ссылаемся на литературу, например, Wood, 2014; Alharby and Van Moorsel, 2017 для получения более подробной информации, но вкратце, использованный газ, умноженный на цену газа, соответствует получаемой майнеру комиссии, где использованный газ зависит от вычислительных требований смарт-контракта (Aldweesh et al., 2018), но никогда не превышает лимит газа.

Ethereum также вводит награды за блоки дядюшки. Вознаграждение дяди распределяется между майнером, который сгенерировал дядю, и майнером, который включил его в свой блок, следующим образом (Wood, 2014). Майнер, создавший дядю, получает переменное вознаграждение в зависимости от того, когда дядя был упомянут в основном блоке. Чем раньше дядя будет упомянут в блоке, тем выше будет вознаграждение дяди ( _{рэнд, дядя} ):

Runcle = (Duncle + (Guncle + 1) −Dblock) * RblockGuncle + 1 (1)

, где D _дядя — глубина дяди, G _дядя — количество поколений, в которые может быть включен дядя, D _блок — глубина блока и R _блок — награда за блок.Майнер, включивший дядю в свой блок, получит фиксированное вознаграждение, которое рассчитывается как 132 * R _{, блок} . Все это реализовано в модуле поощрений, но при необходимости количество вознаграждений можно задать в модуле конфигурации.

5.3. Различные протоколы консенсуса в BlockSim

До сих пор мы в основном рассматривали PoW как протокол консенсуса, но существует множество других, в том числе Proof of Stake (PoS), Proof of Authority или алгоритмы консенсуса на основе сообщений, такие как Practical Byzantine Fault Tolerance и его многочисленные варианты (Angelis et al. ., 2018).

Существенная разница между этими протоколами и PoW заключается в том, что в PoW майнеры не выбираются напрямую консенсусным протоколом, а вместо этого майнеры постоянно инвестируют свои вычислительные мощности для создания последующих блоков. В PoS, например, майнеры будут выбираться протоколом на основе суммы ставки или криптовалюты, которую они держат. Чем больше криптовалют майнер разместил в системе, тем больше шансов, что они будут выбраны для генерации следующего блока. Другие протоколы выбирают майнеров циклически, например Tendermint (Kwon, 2014), или на основе других показателей (Angelis et al., 2018).

Для поддержки таких подходов, как PoS, мы модифицируем консенсусный класс, изменяя способ выбора майнеров для генерации следующих блоков. Другие элементы консенсуса (например, транзакции, блоки и разрешение вилки) и модули (моделирование, сеть и стимулы) остаются неизменными. В общем, до тех пор, пока выходные метрики могут быть достоверно смоделированы с помощью событий, запланированных на уровне детализации блоков, BlockSim может быть расширен естественным образом. Тогда время, затраченное алгоритмом консенсуса, будет представлено задержкой.Однако, если кто-то хочет проанализировать влияние конкретных последовательностей сообщений на производительность протоколов консенсуса в стиле PBFT, BlockSim — менее очевидный кандидат. Для эффективного (то есть быстрого) моделирования можно изучить такие согласованные протоколы с помощью инструментов моделирования, которые работают на уровне сообщений и не смешивают различные уровни абстракций и временной детализации.

6. Проверка BlockSim

Приятной особенностью конструкции блокчейна является то, что он предлагает инварианты (например, интервал создания блока) и множество общедоступных данных для проверки результатов любого симулятора.Сначала мы сравниваем BlockSim с существующими системами блокчейнов (раздел 6.1), затем мы сравниваем с различными рецензируемыми исследованиями (раздел 6.2).

6.1. Сравнение с измерениями

Мы сравниваем результаты BlockSim с наиболее популярными общедоступными блокчейнами, Bitcoin и Ethereum. Они обеспечивают определенные «инварианты», которые, как мы знаем, истинны, такие как частота генерации блоков и пропорциональность между долей хэширования майнера и вероятностью победы в конкурсе Proof of Work.Биткойн и Ethereum также предоставляют обширные общедоступные данные для проверки нашего симулятора.

Проверка показателей блоков и транзакций: Мы используем следующие показатели для проверки: количество созданных блоков, количество устаревших или устаревших блоков (блоков, которые не будут частью финальной цепочки) и количество транзакций, выполненных за раз. Ед. изм. Результаты, полученные с помощью нашего симулятора и реальных систем, представлены в таблице 3. Мы приводим как среднее значение, так и значения доверительного интервала 95% для прогона моделирования, который соответствует полному месяцу реального времени.Из Таблицы 3 мы видим, что доверительный интервал нашего симулятора содержит результат измерений. Однако наш симулятор показывает немного более высокую пропускную способность для Ethereum по сравнению с наблюдаемыми реальными данными. Мы полагаем, что это связано либо с небольшой выборкой извлеченных транзакций, либо с подобранным частотным распределением.

Для получения вышеуказанных результатов в таблице 2 показаны данные, собранные как из биткойнов, так и из Ethereum, используемые в качестве входных данных для прогонов проверки. То есть мы используем значения из таблицы 2 для соответствующих входных параметров, приведенных в таблице 1.Мы собираем данные Биткойна с blockchain.info, а данные Ethereum — с etherscan.io. Мы собираем данные за 1 месяц для каждой системы по состоянию на октябрь 2018 года. Из этих источников мы смогли напрямую собрать все необходимые данные, кроме задержки распространения блока и размера транзакций в Ethereum. Однако мы получаем задержку блока, используя DSN Bitcoin Monitoring и ETHstats. Чтобы получить размер транзакций в Ethereum, мы реализуем скрипт python, который использует etherscan.io API для получения информации о транзакциях. Мы извлекаем данные для последних 5000 транзакций, а затем подбираем частотное распределение для размера транзакций, которое будет использоваться в качестве входных данных в нашем симуляторе. Ради этого эксперимента мы подобрали частотное распределение с ограниченными собранными данными.

Таблица 2 . Данные, собранные из Биткойн и Эфириум, служат входными данными для прогонов моделирования, используемых в качестве проверки.

Таблица 3 . Проверка результатов симулятора путем сравнения с измерениями Биткойн и Эфириум.

Проверка poW: Инвариант, который мы можем использовать для проверки, — это доля блоков, генерируемых каждым майнером, поскольку известно, что доля равна доле майнера в общей мощности хеширования. Например, если майнер контролирует 40% хэш-мощности сети, он должен генерировать 40% всех блоков. Для проверки PoW мы собираем расчетную хэш-мощность, а также долю блоков, предоставленных майнерами биткойнов и пулами майнеров, из blockchain.info и вводим их в наш симулятор.То есть моделирование проводится с использованием майнеров, которые имеют такую ​​же долю мощности хэширования, что и различные существующие майнеры биткойнов.

Рисунок 5 показывает результаты. Мы моделируем 4 дня сети Биткойн, всего 1000 раз, и получаем среднюю долю блоков, генерируемых каждым майнером. По оси x на рисунке 5 показаны имена майнеров, а по оси y показана доля блоков, предоставленных майнерами как для реальной сети Биткойн (зеленые столбцы), так и для результатов моделирования (серые столбцы). ).Из рисунка 5 видно, что результаты моделирования очень близки к результатам реальной сети Биткойн.

Рисунок 5 . Проверка PoW с использованием доли сгенерированных блоков с учетом доли хеширования различных майнеров.

6.2. Сравнение с рецензируемыми исследованиями

Мы также сравниваем результаты симулятора по показателю устаревания с результатами предыдущих рецензируемых исследований. Декер и Ваттенхофер (2013) проводят эксперимент с блокчейном Биткойн, прослушивая 10 000 блоков.Они обнаружили, что средняя задержка распространения блока составляет 12,6 с, а скорость устаревания — 1,69%. Gervais et al. (2016) провели несколько экспериментов по моделированию, используя конфигурации различных систем блокчейнов, таких как Биткойн, Litecoin и Dogecoin. Они обнаружили, что результаты их моделирования совпадают с результатами реальных систем. Чтобы проверить наш симулятор на соответствие этим исследованиям, мы используем те же конфигурации интервала блока (интервал B _, ) и задержки распространения блока (задержка B ), как указано в этих исследованиях.Мы моделируем каждую конфигурацию в общей сложности для 10 000 блоков и сообщаем средние результаты, полученные из 10 независимых прогонов, см. Таблицу 4. Из Таблицы 4 мы видим, что показатели устаревания, полученные с помощью нашего симулятора, близки к тем, о которых сообщалось в предыдущих исследованиях, с разница менее 10%.

Таблица 4 . Сравнение BlockSim и предыдущих исследований с точки зрения наблюдаемого уровня устаревания.

7. Результаты моделирования BlockSim

Чтобы показать применимость нашего симулятора, мы проводим имитационный эксперимент, чтобы исследовать влияние различных консенсусных и сетевых параметров на безопасность, производительность и экосистему майнинга блокчейн-систем.Мы также показываем производительность симулятора с точки зрения времени работы. Мы используем очень похожие метрики, что и при валидации, но для более широкого диапазона значений параметров. Основное обсуждение в этом разделе касается того, как устаревшая частота блоков влияет на децентрализацию майнинга и как подход Ethereum к вознаграждению за блоки дядей улучшает децентрализацию майнинга.

Точнее, мы изучаем влияние различных комбинаций интервала блока и задержки распространения блока на скорость устаревания, пропускную способность и децентрализацию майнинга.Уровень устаревания — это индикатор безопасности системы блокчейн, и чем ниже этот показатель, тем лучше для безопасности системы (Gervais et al., 2016). Пропускная способность представляет собой количество транзакций, которые могут быть обработаны в секунду, что напрямую указывает на то, насколько хорошо работает система. Децентрализация майнинга указывает на то, что доля блоков, которые майнер включает в основную книгу, пропорциональна хэш-мощности этого майнера. Другими словами, децентрализация майнинга означает, что каждый майнер получает справедливое вознаграждение по сравнению с его хэш-мощностью.

В таблице 5 показаны результаты (устаревшая скорость, пропускная способность и децентрализация майнинга) для 25 различных комбинаций различных интервалов между блоками B _{, интервалов} и задержки блоков B _{, задержек} , а также времени выполнения для каждой конфигурации. Для простоты представления мы рассматриваем только пять майнеров (M1, M2,…, M5) с хэш-мощностью от 5 до 40%. Хеш-мощность майнера — это настраиваемый параметр (см. Раздел 5.1). Для всех конфигураций мы устанавливаем размер блока равным 1 МБ, а средний размер транзакции — 546 байтов (как в сети Биткойн).Мы моделируем каждую конфигурацию для 10 000 блоков и сообщаем средние результаты из 10 независимых прогонов. Доверительные интервалы здесь не приводятся, но все они находятся в пределах 10% от средних значений.

Таблица 5 . Результаты моделирования (устаревшая скорость, пропускная способность и доля блоков, предоставленных каждым майнером), а также время выполнения (в секундах) для различных комбинаций интервала между блоками и задержки распространения блока.

Уровень устаревших данных: Из результатов оценки устаревших данных, представленных в Таблице 5, мы наблюдаем следующее.Во-первых, уменьшение интервала между блоками, то есть времени между последовательными создаваемыми блоками, приводит к более высоким показателям устаревания, особенно когда интервал между блоками уже мал. Например, уменьшение интервала между блоками с 12 до 1 с в случае задержки блока 0,5 с приведет к увеличению скорости устаревания примерно в семь раз. Когда интервал между блоками мал, другие узлы могут найти следующий блок до того, как услышат о других конкурирующих блоках из-за задержки в сети, что приведет к конфликтам.Кроме того, увеличение задержки распространения блока приводит к более высоким показателям устаревания. Например, частота устаревания увеличивается примерно в десять раз при увеличении задержки с 0,5 до 16 с в случае интервала между блоками 12 с. Задержка блока включает время передачи блока, а также проверку блока и его встроенных транзакций (Decker and Wattenhofer, 2013). Таким образом, чем больше размер блока, тем больше времени требуется для передачи и проверки блока. Следовательно, увеличение размера блока приведет к более высокому уровню устаревания.Кроме того, чтобы гарантировать минимальную скорость устаревания, задержка блока должна быть как можно меньше, а интервал между блоками — как можно большим. Например, в случае интервала между блоками 600 с устаревшие скорости минимальны, поскольку задержка блока составляет лишь крошечную часть интервала блока.

Пропускная способность: Из результатов пропускной способности, представленных в таблице 5, мы наблюдаем следующее. Во-первых, уменьшение интервала между блоками приводит к увеличению пропускной способности. Это связано с тем, что будет сгенерировано больше блоков и, следовательно, будет обработано больше транзакций.Мы также заметили, что задержка блока может значительно снизить пропускную способность, особенно когда интервал блока небольшой. Количество транзакций, которые могут быть обработаны в секунду, уменьшается со 147 до 92 при увеличении задержки блока с 0,5 до 16 с в случае интервала между блоками 12 с. Кроме того, задержка блока не оказывает значительного влияния на пропускную способность, если задержка слишком мала по сравнению с интервалом блока. Например, в случае интервала между блоками 600 с достигается почти такая же пропускная способность, даже если задержка блока увеличивается с 0.От 5 до 16 с.

Децентрализация майнинга: Из результатов децентрализации майнинга, представленных в таблице 5, мы наблюдаем следующее. Во-первых, что наиболее важно, мы наблюдаем корреляцию между устаревшими ставками и децентрализацией майнинга. Чем меньше устаревшие ставки, тем лучше децентрализация майнинга, и наоборот. Обсуждая устаревшие ставки, мы замечаем, что уменьшение интервала между блоками или увеличение задержки блока может привести к более высокой скорости устаревания. То есть уменьшение интервала блокировки приводит к плохой децентрализации майнинга.Например, в случае интервала между блоками 1 с, майнеры с большой хэш-мощностью (например, M1) имеют более высокую долю блоков, включенных в основной реестр, и, таким образом, получают более высокую прибыль по сравнению с их вложенной хэш-мощностью. Напротив, небольшие майнеры имеют небольшую долю блоков, включенных в реестр, и, таким образом, получают меньшую прибыль по сравнению с вложенной ими хэш-мощностью. Точно так же увеличение задержки блока отрицательно влияет на децентрализацию процесса майнинга. Для лучшей децентрализации майнинга скорость устаревания должна быть уменьшена за счет того, что интервал блока будет относительно большим, чем задержка блока.

Время выполнения: Для каждой комбинации конфигураций мы показываем среднее время (в секундах), которое требуется симулятору для выполнения одного запуска. Для получения результатов во время работы мы использовали ноутбук с процессором Intel i5 2,30 ГГц и 16 ГБ ОЗУ, работающий под управлением Windows 10. Из таблицы 5 мы наблюдаем следующее. Во-первых, время выполнения обычно занимает секунды для моделирования 10 000 блоков. Отметим, что в этом эксперименте задействовано пять майнеров, и увеличение количества майнеров увеличит время выполнения, поскольку в сети необходимо выполнять больше действий.Например, каждый новый майнер должен вести реестр и обновлять его каждый раз, когда в сети объявляется новый блок. В то же время увеличение числа не майнеров не повлияет на время выполнения так сильно, поскольку они не участвуют в ведении реестра. Во-вторых, время выполнения увеличивается для более высоких показателей устаревания (установка с малым интервалом B _{или большой задержкой} B _{). Это связано с тем, что майнерам необходимо обновлять свои бухгалтерские книги чаще, чем когда конфликты случаются редко.Удивительно, но при высоком уровне устаревания (более 50%) время выполнения кажется сокращается. Мы считаем, что это объясняется тем, что, хотя в системе больше блоков, майнеры игнорируют большинство блоков, поскольку они поступают, когда майнер находится за основной цепочкой.}

Пропускная способность биткойнов: Текущая реализация биткойн-компромиссов с интервалом блокировки 596 с и задержкой блока 0,42 с, как показано в таблице 2. Это означает, что сеть Биткойн имеет низкую скорость устаревания, а также хорошую децентрализацию майнинга.Однако он страдает от низкой пропускной способности, поскольку количество транзакций, обрабатываемых в секунду, составляет всего около 3. Мы утверждаем, что мы могли бы безопасно уменьшить интервал блокировки биткойнов до 60 с, чтобы повысить пропускную способность примерно в 10 раз без какого-либо значительного влияния на устаревшая ставка или децентрализация майнинга.

Децентрализация майнинга Ethereum через включение дяди: Текущая реализация Ethereum компрометирует интервал блока 12,42 с и задержку блока 2,3 с, как показано в таблице 2.Это приводит к устаревшей ставке около 12,56% и несовершенной децентрализации майнинга, но имеет лучшую пропускную способность, чем блокчейн Биткойн. Чтобы исключить негативное влияние на скорость устаревания и децентрализацию майнинга, Ethereum использует механизм включения uncle, при котором устаревшие блоки включаются в основную книгу как блоки uncle, а майнеры таких блоков получают вознаграждение. Однако это не гарантирует, что майнеры получат справедливое вознаграждение по сравнению с их вложенной хэш-мощностью (например, майнер с хеш-мощностью 20% должен получить 20% от общего вознаграждения, распределенного в сети).Это особенно верно, поскольку майнеры получают меньшее вознаграждение за дяди-блоки по сравнению с основными блоками, а также не получают вознаграждения за транзакции, включенные в дяди-блоки.

Мы используем те же параметры, что и в настоящее время в Ethereum, чтобы дополнительно изучить, пропорциональна ли доля вознаграждения, которую майнер получит с механизмом включения дяди, его хэш-мощности. Мы выполняем 10 независимых прогонов моделирования для 10 000 блоков и сообщаем средние результаты в таблице 6. Из таблицы 6 мы видим, что доля вознаграждений, полученных майнерами с механизмом включения дяди, ближе к их хэш-мощности, чем в случае, когда дядя механизм не применяется.Таким образом, Ethereum действительно обеспечивает лучшую децентрализацию майнинга, используя механизм включения своего дяди.

Таблица 6 . Доля вознаграждений, полученных каждым майнером (M1, M2,…, M5), с механизмом включения дяди и без него.

8. Обсуждение: Оценка BlockSim в сравнении с целями проектирования

Мы оцениваем наш симулятор по критериям проектирования, упомянутым в разделе 3.1, а именно: универсальность, расширяемость и простота.

Общность: Под общностью понимается способность использовать BlockSim для решения множества вопросов анализа и для множества цепочек блоков.Ключевой технологией для достижения универсальности является базовая модель BlockSim, которая была разработана таким образом, чтобы можно было ответить на многие системы блокчейнов и вопросы анализа. Базовая модель охватывает все общие строительные блоки блокчейнов, такие как узлы, транзакции, блоки, реестр блокчейнов, разрешение вилок и модели стимулирования. Мы продемонстрировали применение блокчейна для анализа биткойнов и Ethereum, и, возможно, BlockSim хорошо подходит для всего класса систем блокчейнов без разрешения.Кроме того, BlockSim обеспечивает универсальность за счет поддержки различных свойств и показателей, таких как производительность (как пропускная способность, так и задержка), показатели функциональности, такие как устаревшие показатели, и системные свойства, такие как децентрализация майнинга и стимулы для майнинга. Однако для дальнейшей поддержки этого критерия мы стремимся моделировать и реализовывать различные протоколы консенсуса (например, Proof-of-Stake), а также различные общие протоколы широковещательной передачи для сетевого уровня в более поздней версии BlockSim.

Расширяемость: Расширяемость означает способность инструмента BlockSim естественным образом расширяться для решения различных систем и задач анализа.Это сводится к дизайну программного обеспечения, которое состоит из модулей, которыми можно легко манипулировать и расширять для исследования различных свойств или интересующих проблем. Пользователь симулятора может использовать общие методы объектно-ориентированного программирования, такие как наследование, для расширения текущих модулей либо путем добавления новых функций (классов, методов или атрибутов), либо изменения (переопределения) некоторых из существующих.

В разделах 5.1, 5.2 мы показываем, как мы расширяем базовые модули BlockSim для поддержки реализации Биткойн и Эфириум.Например, мы расширяем модуль узла, добавляя атрибут хэш-мощности узла.

В качестве другого примера мы кратко объясним, как расширить BlockSim для поддержки различного злонамеренного поведения узлов (например, эгоистичных стратегий майнинга). Текущая реализация BlockSim предполагает, что все узлы честны. Чтобы поддерживать такое поведение, мы можем расширить модуль Node, введя новый атрибут (например, эгоистичный) для каждого поведения. Следовательно, каждое поведение должно быть адекватно определено (например,g., написав функцию или отдельный класс, который определяет процедуры, участвующие в этом поведении).

Чтобы установить эгоистичное поведение при майнинге для узла, например, мы настраиваем этот узел для работы на его вилке без распространения блоков, которые он генерирует, на другие узлы в сети. После определения поведения пользователю симулятора остается только получить доступ к модулю конфигурации и выбрать, какой тип поведения будет изучаться при определении узлов, без изменения базового кода симулятора.Аналогичным образом проводится исследование проблемы неопределенности, с которой майнеры сталкиваются при выборе транзакций (Alharby and Van Moorsel, 2018), и анализ дилеммы Ethereum Verifier (Alharby et al., 2020).

Простота: BlockSim соответствует этому критерию, поскольку он реализован в различных модулях, а также предоставляет пользовательский интерфейс (модуль конфигурации), который позволяет конечному пользователю настраивать входные параметры для симулятора. Это делает BlockSim простым в использовании и понимании.Кроме того, текущая версия BlockSim скрывает и абстрагирует многие детали. Например, он абстрагирует все детали сетевого уровня, только вводя настраиваемую временную задержку для распространения информации для моделирования этого уровня. Кроме того, он скрывает подробности о процессе проверки блоков и транзакций. Таким образом, BlockSim становится простым в использовании и понимании. Хотя скрытие и абстрагирование деталей может привести к неполной модели, при необходимости BlockSim можно расширить, чтобы включить эти детали.

9. Сопутствующие работы

В литературе делаются попытки использовать имитационные модели для оценки различных аспектов систем цепочки блоков. В Yasaweerasinghelage et al. (2017) авторы используют архитектурное моделирование и симуляцию для измерения задержки в блокчейн-системах в различных конфигурациях. В Alharby and Van Moorsel (2018) авторы предлагают имитационную модель для исследования влияния неопределенности прибыли на блокчейн Ethereum. Они обнаружили, что майнеры Ethereum не могут принимать обоснованные решения о том, какие транзакции включать в свои блоки, чтобы максимизировать свой доход.В Neudecker et al. (2015) авторы предлагают имитационную модель для анализа и оценки атак на сеть Биткойн. В Göbel et al. (2016) авторы используют моделирование дискретных событий для изучения поведения майнеров биткойнов (включая стратегии эгоистичного майнинга), когда существует задержка в распространении информации среди майнеров. Помимо этих предложений, в литературе предлагаются некоторые симуляторы цепочки блоков. В Gervais et al. (2016) авторы предлагают симулятор биткойнов для анализа безопасности и производительности различных конфигураций как на консенсусном, так и на сетевом уровнях.

В литературе предлагается несколько других симуляторов сети, подобных Биткойну, например, Aoki et al. (2019), Миллер и Янсен (2015), Стойков и др. (2017). Однако в этих предложениях используются модели, основанные на имитационном моделировании, для изучения конкретных аспектов блокчейн-систем. Они не пересекают разные уровни и не охватывают все общие функциональные строительные блоки (например, блоки и транзакции) для систем блокчейнов. Например, ни одно из этих предложений не моделирует транзакции в системе блокчейн и не фиксирует уровень стимулов с той же детализацией, что и BlockSim.

Вместе с BlockSim мы предоставляем универсальный, широко используемый инструмент моделирования для блокчейнов, чтобы помочь ответить на различные вопросы проектирования и развертывания. Наш симулятор дискретных событий обобщает те, которые предложены в соответствующей литературе, путем интеграции различных уровней системы блокчейн, чтобы получить более полное представление о различных аспектах, таких как производительность, безопасность и стимулы. В BlockSim, например, мы делаем шаг вперед, рассматривая функциональные блоки, общие для различных реализаций систем цепочки блоков.Мы проектируем и структурируем BlockSim для пересечения различных уровней блокчейнов. Кроме того, мы моделируем транзакции двумя разными способами, каждый из которых предназначен для конкретных целей, а также моделирует блокчейны Биткойна и Эфириума.

10. Заключение

В этом документе предлагается BlockSim, структура моделирования дискретных событий для систем блокчейнов, захватывающая сеть, уровни консенсуса и стимулов систем блокчейнов. Инструмент моделирования реализован на Python и доступен для общего использования.Мы представляем дизайн и оцениваем его с точки зрения общности, расширяемости и простоты.

Результаты

BlockSim были подтверждены путем сравнения их со свойствами конструкции и исследованиями измерений, доступными в реальных блокчейнах, таких как Биткойн и Эфириум. Мы также продемонстрировали использование BlockSim в исследовании устаревшей скорости, пропускной способности и децентрализации майнинга в различных конфигурациях блокчейнов.

Дальнейшая работа должна дополнительно продемонстрировать расширяемость BlockSim путем реализации дополнительных вариантов систем цепочки блоков, таких как системы, основанные на Proof of Stake, а также цепочки блоков, дополненные каналами.Кроме того, можно построить текущую версию BlockSim и расширить ее дополнительными повторно используемыми классами, которые представляют другие важные системные аспекты и механизмы, в частности пулы и каналы для майнинга.

Заявление о доступности данных

Наборы данных, созданные для этого исследования, доступны по запросу соответствующему автору.

Авторские взносы

MA имеет дизайн, внедрение, оценку инструмента моделирования. Кроме того, он пишет всю газету.AM помогает во всех процессах, давая обратную связь и улучшая написание статьи.

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Сноски

Список литературы

Aldweesh, A., Alharby, M., Solaiman, E., and Van Moorsel, A. (2018). «Сравнительный анализ производительности смарт-контрактов для оценки стимулов майнеров в Ethereum», , 2018 14th European Dependable Computing Conference (EDCC) (IEEE), 144–149.DOI: 10.1109 / EDCC.2018.00034

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Алхарби, М., Олдвиш, А., и Ван Мурсел, А. (2018). «Смарт-контракты на основе блокчейнов: систематическое картографическое исследование академических исследований», Международная конференция по облачным вычислениям, большим данным и блокчейну (ICCBB 2018), (IEEE). DOI: 10.1109 / ICCBB.2018.8756390

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Алхарби, М., Лунарди, Р. К., Алдвиш, А., и ван Мурсель, А. (2020). Основанный на данных модельный анализ дилеммы верификатора Ethereum. arXiv [препринт]. arXiv: 2004.12768 .

Google Scholar

Алхарби, М., и Ван Мурсел, А. (2017). «Смарт-контракты на основе блокчейна: систематическое картографическое исследование», Труды 4-й Международной конференции по информатике и информационным технологиям (CSIT-2017) (Дубай: AIRCC Publishing Corporation), 125–140. DOI: 10.5121 / csit.2017.71011

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Алхарби, М., и Ван Мурсель, А. (2018). Влияние неопределенности прибыли на решения майнеров в блокчейн-системах. Электрон. Примечания Теор. Comput. Sci . 340, 151–167. DOI: 10.1016 / j.entcs.2018.09.011

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Алхарби, М., и Ван Мурсел, А. (2019). BlockSim: структура моделирования для систем блокчейн. ACM SIGMETRICS Perform. Eval. Ред. . 46, 135–138. DOI: 10.1145 / 3308897.3308956

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Андерсон Д.Р., Суини, Д. Дж., Уильямс, Т. А., Камм, Дж. Д., и Кокран, Дж. Дж. (2015). Введение в науку управления: количественные подходы к принятию решений . Лондон: Cengage Learning.

Google Scholar

Анжелис, С. Д., Аниелло, Л., Балдони, Р., Ломбарди, Ф., Маргери, А., и Сассоне, В. (2018). «PBFT против доказательства авторитета: применение теоремы о ограничении доступа к разрешенному блокчейну», на итальянской конференции по кибербезопасности (Милан).

Google Scholar

Аоки, Ю., Оцуки, К., Канеко, Т., Банно, Р., и Шудо, К. (2019). Simblock: симулятор сети блокчейн. arXiv препринт arXiv: 1901.09777 . DOI: 10.1109 / INFCOMW.2019.8845253

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бэнкс, Дж. (1984). Моделирование дискретных систем . Pearson Education India.

Google Scholar

Деккер К. и Ваттенхофер Р. (2013). «Распространение информации в сети биткойнов», в IEEE P2P 2013 Proceedings (Тренто: IEEE), 1–10.DOI: 10.1109 / P2P.2013.6688704

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фишман, Г. С. (2001). Моделирование дискретных событий: моделирование, программирование и анализ . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Springer-Verlag.

Google Scholar

Жерве А., Караме Г. О., Вюст К., Гликанцис В., Ритцдорф Х. и Капкун С. (2016). «О безопасности и производительности блокчейнов доказательства работы», в Proceedings of the 2016 ACM SIGSAC Conference on Computer and Communications Security (Vienna: ACM), 3–16.DOI: 10.1145 / 2976749.2978341

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гебель, Дж., Килер, Х. П., Кшесински, А. Э., и Тейлор, П. Г. (2016). Динамика блокчейна Биткойн: стратегия эгоистичного минования при наличии задержки распространения. Выполнить. Eval . 104, 23–41. DOI: 10.1016 / j.peva.2016.07.001

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хаверкорт Б. Р. (1998). Производительность компьютерных систем связи: модельный подход .Нью-Йорк, Нью-Йорк: Интернет-библиотека Wiley. DOI: 10.1002 / 0470841923

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Квон, Дж. (2014). Tendermint: Консенсус без майнинга . Проект v. 0.6, осень, 1:11.

Google Scholar

Лемис, Л. М., и Парк, С. К. (2006). Дискретно-событийное моделирование: первый курс . Река Аппер Сэдл, штат Нью-Джерси: Pearson Prentice Hall.

Google Scholar

Миллер А., Янсен Р. (2015). «Теневой биткойн: масштабируемое моделирование посредством прямого выполнения многопоточных приложений», в 8-й семинар по экспериментам и тестированию кибербезопасности (CSET $ 15) .(Вашингтон).

Google Scholar

Neudecker, T., Andelfinger, P., and Hartenstein, H. (2015). «Имитационная модель для анализа атак на одноранговую сеть биткойнов», в Международном симпозиуме IFIP / IEEE 2015 по интегрированному управлению сетью (IM) (Оттава, ON: IEEE), 1327–1332. DOI: 10.1109 / INM.2015.7140490

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сомполинский Ю., Зохар А. (2015). «Безопасная высокоскоростная обработка транзакций в биткойнах», Международная конференция по финансовой криптографии и безопасности данных (Берлин: Springer), 507–527.DOI: 10.1007 / 978-3-662-47854-7_32

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Стойков Л., Чжан К., Якобсен Х.-А. (2017). «Vibes: быстрое моделирование блокчейнов для крупномасштабных одноранговых сетей», в Труды 18-й конференции по промежуточному программному обеспечению ACM / IFIP / USENIX: плакаты и демонстрации (Лас-Вегас, Невада: ACM), 19–20. DOI: 10.1145 / 3155016.3155020

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ван Мурсел, А., Олдвиш, А., Алхарби, М., и Эжилчелван, П.(2018). «Контрольные показатели и модели для блокчейнов-блокчейнов с точки зрения проектирования производительности», в Int. Конф. Performance Engineering (Берлин). Доступно в Интернете по адресу: https://tinyurl.com/y7ynd82t

Google Scholar

Wang, W., Hoang, D. T., Hu, P., Xiong, Z., Niyato, D., Wang, P., et al. (2019). Обзор механизмов консенсуса и управления стратегиями майнинга в блокчейн-сетях. Доступ IEEE 7, 22328–22370. DOI: 10.1109 / ACCESS.2019.2896108

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Yasaweerasinghelage, R., Стейплс, М., и Вебер, И. (2017). «Прогнозирование задержки систем на основе блокчейнов с использованием архитектурного моделирования и симуляции», в , 2017 Международная конференция IEEE по архитектуре программного обеспечения (ICSA) (Гетеборг: IEEE), 253–256. DOI: 10.1109 / ICSA.2017.22

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Блокчейн | NIST

Блокчейн

представляет собой новую парадигму цифровых взаимодействий и служит базовой технологией для большинства криптовалют.

Блокчейн — это совместная, защищенная от несанкционированного доступа бухгалтерская книга, в которой хранятся записи транзакций. Записи транзакций (данные) сгруппированы в блоки. Блок связан с предыдущим путем включения уникального идентификатора, основанного на данных предыдущего блока. В результате, если данные изменяются в одном блоке, меняется их уникальный идентификатор, который можно увидеть в каждом последующем блоке (обеспечивая свидетельство вмешательства). Этот эффект домино позволяет всем пользователям в цепочке блоков знать, были ли изменены данные предыдущего блока.Поскольку сеть блокчейнов сложно изменить или разрушить, она обеспечивает надежный метод совместного ведения записей.

Исследователи

NIST изучают технологии блокчейн на нескольких уровнях: от вариантов использования, приложений и существующих сервисов до протоколов, гарантий безопасности и криптографических механизмов. Результаты исследований включают научные статьи и создание программного обеспечения для экспериментов, а также направление других усилий NIST в этой области.Блокчейн может быть реализован во многих различных системах, включая производственные цепочки поставок, реестры данных, цифровую идентификацию и управление записями.

Кредит: NIST

Проекты NIST

NISTIR 8202 — Обзор технологии блокчейн
Контактное лицо: dylan.yaga [at] nist.gov (Дилан Яга)
Резюме: технический документ высокого уровня, объясняющий технологии, используемые в системах блокчейн, а также то, как системы Работа.

Блокчейн для промышленных приложений Сообщество, представляющее интерес
Контактное лицо: blockchainCOI [at] nist.gov
Резюме: BIA COI — с членами из правительства, промышленности и академических кругов — предоставляет руководящие принципы для создания (лучшего) взаимодействия между конечным пользователям, исследовательскому сообществу и поставщикам решений для снижения сложности, стоимости и задержки внедрения технологий блокчейн.

Технология расширенной распределенной книги
Контактное лицо: d.kuhn [at] nist.gov (D. Richard Kuhn)
Резюме. В рамках проекта Enhanced Distributed Ledger Technology исследуется традиционная структура данных блокчейна и делается попытка создать новую структуру данных (матрицу блоков) для обеспечения высокой надежности и безопасности, а также включение возможностей удаления или обновления, которые в настоящее время отсутствуют в большинстве систем цепочки блоков.

Белая книга NIST по кибербезопасности — Таксономический подход к пониманию возникающих систем управления идентификацией блокчейнов
Контактные лица: blockchain-idms-paper [at] nist.gov
Резюме: технический документ высокого уровня с подробным описанием ключевых компонентов, новых стандартов и системных архитектур, поддерживающих системы управления идентификацией на основе блокчейна.

NISTIR 8301 — Сети блокчейнов: дизайн токенов и обзор управления
Точки контакта: blockchain-token-paper [at] nist.govtitle = «mailto: blockchain-token-paper [at] nist.gov»
Резюме: An обзор моделей данных токенов и важных строительных блоков для управления учетными записями, транзакциями и инфраструктурой с целью снижения барьеров для изучения, прототипирования и интеграции стандартов и протоколов, связанных с токенами

Blockchain 101 на вторичных источниках | Westlaw

«Блокчейн» стал горячей новой темой в секторе финансовых услуг и других отраслях, и его часто описывают со всплесками энтузиазма.«Блокчейн изменит мир!» «Блокчейн — это новый Интернет!» «Измените правила игры!» Отчасти это изобилие может быть не совсем иррациональным, и в любом случае ясно, что технология блокчейн не исчезнет в ближайшее время. Но, как и во многих новых технологиях, немногие люди, кажется, точно понимают, что это такое, как работает и что может сделать. Эта статья «Blockchain 101» предназначена для того, чтобы помочь новичку понять, о чем идет речь.

Большинство людей впервые слышат о технологии блокчейн в связи с ее использованием в качестве базовой технологии для биткойнов, цифровой валюты.Цифровые или виртуальные валюты, которые неуклонно становятся все более распространенными, представляют собой представление о стоимости, которую можно передавать, хранить и продавать в электронном виде. Биткойн — самая известная из этих валют, и с момента ее создания в 2009 году рыночная капитализация выросла до более чем 15 миллиардов долларов. Растет мнение о том, что настоящая инновация — это инфраструктура, лежащая в основе виртуальных валют — децентрализованный реестр транзакций, называемый «цепочкой блоков».”

Сторонники технологии блокчейн считают, что эта базовая система может иметь далеко идущие последствия в самых разных отраслях и приложениях. Помимо виртуальных валют, технология блокчейн может найти применение в области платежей и переводов денежных средств (устраняя необходимость в финансовых учреждениях-посредниках), создания и передачи цифровых активов (таких как акции, облигации, права собственности на землю), аутентификации личности и электронные подписи, неизменяемая проверка данных и «умные» контракты.

Что это?

По своей сути, цепочка блоков — это распределенная база данных, которая поддерживает постоянно растущий список упорядоченных записей, называемых блоками. Каждый блок содержит метку времени и ссылку (например, хэш, сгенерированный SHA256) на предыдущий блок. Связывание разных блоков в хронологическом порядке приводит к «цепочке» блоков или цепочке блоков.

По своей конструкции блокчейны устойчивы к модификации данных — однажды записанные данные в блоке не могут быть изменены задним числом без очевидного повреждения последующих блоков, которые зависят от исходных данных из более раннего блока как части хэша.Может потребоваться огромное количество времени и энергии, чтобы вернуться и перефразировать последующие блоки, чтобы попытаться скрыть более раннее изменение, а тем временем в цепочку добавляются новые блоки. Это делает блокчейн чрезвычайно устойчивым к модификации.

Существуют различные разновидности или «разновидности» блокчейн-систем. Некоторые из них, такие как Биткойн, обычно открыты для общественности и, таким образом, описываются как «открытые» или «не требующие разрешения». Другие, такие как те, которые разрабатываются различными консорциумами в секторе финансовых услуг, открыты только для определенных предварительно утвержденных сторон и, таким образом, описываются как «закрытые» или «получившие разрешение».”

Как это работает?

Первый блокчейн был концептуализирован в статье, опубликованной «Сатоши Накамото» (настоящая личность неизвестна) в 2008 году, как механизм, позволяющий избежать необходимости участия финансовых учреждений в передаче ценностей и в то же время избежать «двойных расходов». » проблема. Первый блокчейн был реализован в следующем году как основной компонент Биткойна, где он продолжает служить публичным реестром для всех транзакций. Для распределенной базы данных цепочки биткойнов не существует единого центрального органа или администратора.Благодаря использованию одноранговой сети и распределенного сервера временных меток различные узлы в сети Биткойн автономно управляют базой данных цепочки блоков.

Блокчейн — это, по сути, общедоступный реестр, в котором записываются все транзакции в сети, причем каждый пользователь в сети сохраняет копию реестра. Когда участник сети инициирует новую транзакцию, она группируется с другими транзакциями, и эти группировки — или «блоки» — периодически добавляются в реестр.Различные платформы баз данных блокчейнов могут определять правила того, когда и как блоки добавляются в реестр. Например, в системе Биткойн «майнеры» могут добавлять блоки в реестр после решения вычислительной задачи и получают определенное количество биткойнов в качестве компенсации за время и энергию, затраченные на решение проблемы.

Блоки распределяются между каждым пользователем сети, и правдивость блока подтверждается распределенной вычислительной мощностью подключенных пользователей.После утверждения и отправки транзакции она становится необратимой, поскольку для запуска децентрализованного процесса требуется только авторизация отправляющей стороны (хотя дополнения к технологии могут реализовать функционально обратимые транзакции).

Продолжить чтение статьи полностью (требуется авторизация Westlaw). Найдите больше статей о правовом ландшафте технологии блокчейн и других темах в Платежных системах о вторичных источниках на Westlaw, включая:

• Блокчейн и распределительные технологии — правовой ландшафт
• Нефинансовые приложения для технологии распределенной книги

Что такое блокчейн и как он работает?

Что такое блокчейн?

Blockchain — это технология ведения записей, предназначенная для предотвращения взлома системы или подделки хранящихся в ней данных, что делает ее безопасной и неизменной.

Это тип технологии распределенного реестра (DLT), цифровой системы для записи транзакций и связанных данных в нескольких местах одновременно. Каждый компьютер в сети блокчейн поддерживает копию реестра для предотвращения единой точки отказа, и все копии обновляются и проверяются одновременно.

Блокчейн

также считается типом базы данных, но существенно отличается от обычных баз данных тем, как он хранит информацию и управляет ею. Вместо того, чтобы хранить данные в строках, столбцах, таблицах и файлах, как это делают традиционные базы данных, блокчейн хранит данные в блоках, которые связаны друг с другом в цифровой форме.Кроме того, блокчейн — это децентрализованная база данных, управляемая компьютерами, принадлежащими одноранговой сети, а не центральным компьютером, как в традиционных базах данных.

Криптовалюта Биткойн, запущенная в 2009 году, была первым популярным приложением, успешно использующим блокчейн. В результате блокчейн чаще всего ассоциируется с биткойнами и альтернативами, такими как Dogecoin и Bitcoin Cash.

Однако с момента создания Биткойна использование блокчейна распространилось на другие приложения.

Логистические компании используют блокчейн для отслеживания товаров по мере их перемещения по цепочке поставок. Правительственные центральные банки и мировое финансовое сообщество тестируют технологию блокчейн в качестве основы для обмена цифровой валюты. Различные отрасли, включая юридическое сообщество и развлечения, используют блокчейн в качестве основы для смарт-контрактов и других механизмов передачи и защиты прав интеллектуальной собственности.

Фактически, многие отрасли сейчас изучают приложения на основе блокчейнов как безопасный и экономичный способ создания распределенной базы данных и управления ею, а также ведения записей для цифровых транзакций всех типов.

В результате блокчейн все чаще рассматривается как решение для безопасного отслеживания и обмена данными между несколькими бизнес-объектами.

Как работают блокчейн и технология распределенного реестра Блокчейн

работает через многоэтапный процесс, который, проще говоря, происходит следующим образом:

1. Авторизованный участник вводит транзакцию, которая должна быть аутентифицирована технологией.
2. Это действие создает блок, который представляет эту конкретную транзакцию или данные.
3. Блок отправляется на каждый компьютерный узел в сети.
4. Авторизованные узлы проверяют транзакцию и добавляют блок в существующую цепочку блоков. (Узлы в общедоступных сетях блокчейнов называются майнерами; им обычно платят за эту задачу — часто в процессе, называемом Proof of Work, или PoW — обычно в форме криптовалюты.)
5. Обновление распространяется по сети, что завершает транзакцию.

Эти шаги выполняются практически в реальном времени и включают ряд элементов.На рисунке 1 более подробно показаны этапы создания и проверки блока.

Рис. 1. Пять основных этапов выполнения и проверки транзакций и данных в цепочке блоков.

Реестр цепочки блоков состоит из двух типов записей: отдельных транзакций и блоков. Первый блок состоит из заголовка и данных, относящихся к транзакциям, происходящим в течение установленного периода времени. Временная метка блока используется для создания буквенно-цифровой строки, называемой хешем.

После создания первого блока каждый последующий блок в реестре использует хэш предыдущего блока для вычисления своего собственного хеша.

Прежде чем новый блок может быть добавлен в цепочку, его подлинность должна быть проверена вычислительным процессом, называемым валидацией или консенсусом. На этом этапе процесса цепочки блоков большинство узлов в сети должны согласиться, что хэш нового блока был рассчитан правильно. Консенсус гарантирует, что все копии распределенной книги блокчейна имеют одно и то же состояние.

После добавления блока на него можно ссылаться в последующих блоках, но его нельзя изменить.

Если кто-то попытается поменять местами блок, хэши для предыдущих и последующих блоков также изменятся и нарушат общее состояние реестра.

Когда консенсус больше невозможен, другие компьютеры в сети знают, что возникла проблема, и новые блоки не будут добавляться в цепочку до тех пор, пока проблема не будет решена.

Обычно блок, вызвавший ошибку, отбрасывается, и процесс согласования повторяется.

Объяснение блокчейна, цифровой валюты, криптовалюты и биткойнов

Термины блокчейн , криптовалюта и Биткойн часто объединяются вместе с цифровой валютой ; иногда они ошибочно используются как взаимозаменяемые.

Несмотря на то, что все они относятся к технологии распределенного реестра, каждая из них представляет собой отдельную сущность.

• Блокчейн — это технология; В частности, это технология, которая создает децентрализованный цифровой реестр, который обеспечивает безопасный и неизменный обмен между несколькими сторонами.
• Цифровая валюта означает любую форму валюты, которая доступна только в цифровой или электронной форме и распространяется без посредников. Это включает в себя цифровые деньги, выпущенные правительствами и центральными банками, а также криптовалюту.Цифровую валюту иногда называют цифровыми деньгами, электронными деньгами, электронной валютой или кибер-наличными деньгами.
• Криптовалюта — это цифровой актив, который можно обменять в сети блокчейн. Это разновидность цифровой валюты. Он не выдается государственными учреждениями. Думайте о криптовалюте как о токенах, выпущенных частными организациями или группами, которые могут использоваться для оплаты товаров, продаваемых теми, кто также работает в сети блокчейн. По состоянию на май 2021 года на сайте маркетинговых исследований CoinMarketCap было перечислено 4993 различных публично торгуемых криптовалюты.Биткойн — первая криптовалюта и до сих пор самый известный пример.

Примеры и варианты использования блокчейнов

Как и все новые технологии, блокчейн продолжает развиваться и получать признание по мере того, как все больше компаний из различных отраслей учатся его использовать.

Примеры его использования в коммерческих областях включают следующее:

• В апреле 2021 года Live Nation SAS, французское подразделение всемирной развлекательной компании с одноименным названием, запустило TixTo.Я частично работает на блокчейн-компании Aventus Network.
• Продажи с использованием невзаимозаменяемых токенов (NFT) также резко выросли в 2021 году, и все большее число людей во всем мире используют эту технологию. NFT — это цифровой актив, представляющий все или части реальных объектов, таких как искусство или музыка. Их покупают, продают и продают в Интернете, и они стали популярным способом покупки и продажи цифровых произведений искусства.
• В октябре 2020 года PayPal, платформа онлайн-платежей, запустила новую услугу, которая позволяет пользователям покупать, хранить и продавать криптовалюту.
• В начале 2020 года блокчейн-компания Theta Labs стала партнером Google Cloud. Партнерство позволит пользователям Google Cloud развертывать и запускать узлы из сети блокчейнов Theta.
• Ticketmaster, компания по продаже развлекательных билетов и услуг, в 2018 году объявила о покупке поставщика технологии блокчейн Upgraded, который конвертирует традиционные билеты в безопасные интерактивные цифровые активы.
• В 2016 году компания онлайн-торговли Overstock.com использовала блокчейн для продажи и распределения более 126 000 акций компании.Это был первый случай, когда публично торгуемая компания использовала блокчейн для поддержки биржевых транзакций. R3, глобальный консорциум финансовых учреждений, также использует платформу Corda, подобную блокчейну, для записи, управления и синхронизации финансовой информации с использованием API-интерфейсов блокчейна для определенных платформ.

Банки и финансовые учреждения по всему миру продолжают оставаться лидерами по внедрению блокчейнов. Другие отрасли, включая здравоохранение, правительство и технологии, продолжают использовать блокчейн, чтобы обеспечить безопасный обмен данными, такими как личная медицинская информация, цифровые активы, такие как загруженные развлечения и документы о недвижимости.Производственные и аналогичные предприятия также видят потенциал использования блокчейна для управления смарт-контрактами и отслеживания материалов по мере их перемещения по цепочкам поставок (см. Рисунок 2).

Рис. 2. Walmart Canada была одной из первых компаний, развернувших практическое приложение, сочетающее блокчейн с Интернетом вещей для автоматизации выставления счетов за фрахт.

Типы блокчейнов Платформы

Blockchain могут быть как без разрешений, так и с разрешениями (см. Рисунок 3). Разрешенные блокчейны требуют одобрения для доступа, что делает их по сути частными блокчейнами.Блокчейн без разрешения не требует разрешения на вход в сеть цепочки блоков. В публичном блокчейне без прав доступа, таком как Биткойн, каждый узел сети может проводить транзакции и участвовать в процессе консенсуса. В частной разрешенной цепочке, такой как Multichain, каждый узел может иметь возможность выполнять транзакции, но участие в процессе консенсуса ограничено ограниченным числом одобренных узлов.

Доступно множество платформ блокчейнов, но три из самых известных — это блокчейн Ethereum, Hyperledger Fabric и OpenChain.

Блокчейн

Ethereum — это широко используемая платформа блокчейнов с открытым исходным кодом и специально созданная платформа, которая считается ведущим в отрасли выбором для корпоративных приложений.

Hyperledger Fabric — еще одна блокчейн-платформа с открытым исходным кодом. Он используется в таких отраслях, как финансы и производство, и предназначен для разрешенных сетей. Hyperledger Fabric также можно использовать для децентрализованного хостинга и хранения приложений, использующих смарт-контракты.

OpenChain — это блокчейн-платформа с открытым исходным кодом для организаций, которые хотят управлять цифровыми активами и сохранять их.Администратор блокчейна OpenChain определит правила, используемые в реестре. Затем пользователи могут обменивать стоимость в реестре, соблюдая правила.

Рис. 3. Разрешенный (частный) или открытый (открытый) блокчейн определяет многие из его характеристик производительности, прозрачности и безопасности.

Рекомендации по внедрению блокчейна

Любое предприятие, рассматривающее вопрос о том, внедрять ли приложение блокчейн, должно сначала подумать, действительно ли ему нужен блокчейн для достижения своих целей.Блокчейн действительно имеет несколько существенных преимуществ, особенно в плане безопасности, но он не может заменить все потребности базы данных.

На самом деле, обычные централизованные базы данных часто являются лучшим вариантом во многих обстоятельствах, особенно когда скорость и производительность имеют решающее значение, а транзакции происходят только внутри предприятия или между ограниченным числом объектов, где доверие было полностью установлено.

При выборе платформы блокчейна организация должна помнить, какой алгоритм консенсуса использовать.Алгоритм консенсуса — это основная часть сети блокчейнов, которая может иметь большое влияние на скорость. Это процедура, с помощью которой одноранговые узлы в сети блокчейнов достигают соглашения о текущем состоянии распределенного реестра. Это помогает установить доверие между пользователями блокчейна.

Существует четыре стандартных метода, которые используют блокчейн и другие платформы распределенных баз данных для достижения консенсуса. Общие алгоритмы консенсуса включают в себя следующее:

• PoW, который используется для выбора майнера для следующего поколения блоков.Как правило, общедоступные платформы выбирают алгоритмы PoW, потому что их легко проверить другими сетевыми узлами.
• Practical Byzantine Fault Tolerance (pBFT), алгоритм, разработанный для работы в асинхронных системах.
• Proof of Stake (PoS), алгоритмы, которые обычно используются в качестве альтернативы PoW. Они работают, заставляя валидаторов инвестировать в валюту системы, сохраняя часть своих монет в качестве ставки. Затем валидаторы начинают проверять блоки.
• Delegated Proof of Stake (DPoS), алгоритмы для процесса голосования и выборов, предназначенные для защиты от злонамеренного использования или централизации в цепочке блоков.

Преимущества блокчейна Эксперты

называют несколько ключевых преимуществ использования блокчейна.

• Безопасность, наверное, самое значительное преимущество. Повредить блокчейн практически невозможно, потому что информация передается и постоянно согласовывается тысячами, даже миллионами компьютеров. Блокчейн также не имеет единой точки отказа.
• Транзакции могут быть более эффективными, чем в транзакционных системах, не основанных на DLT, хотя публичные цепочки блоков иногда могут страдать от низкой скорости и неэффективности.
• Это устойчиво: нет проблем, если один узел выходит из строя, потому что все остальные узлы имеют копию реестра.
• Обеспечивает доверие между участниками сети. Подтвержденные блоки очень сложно отменить, а это значит, что данные сложно удалить или изменить.
• Это может быть рентабельным, поскольку часто сокращает расходы, связанные с транзакциями, за счет устранения посредников и третьих сторон.

Недостатки блокчейна

Эксперты говорят, что блокчейн также имеет потенциальные недостатки, риски и проблемы.

• В публичных блокчейнах возникают вопросы о праве собственности и о том, кто несет ответственность при возникновении проблем.
• Есть также вопросы о том, способны ли организации или хотят ли они инвестировать в инфраструктуру, необходимую для создания, участия и обслуживания сети на основе блокчейна.
• Изменение данных в цепочке блоков обычно требует больших усилий.
• Пользователи должны следить за своими закрытыми ключами, чтобы не потерять свои деньги.
• Хранилище со временем может стать очень большим, что может привести к потере узлов, если реестр станет слишком большим для загрузки пользователями.
Блокчейн
• подвержен атакам 51%, которые представляют собой особую атаку, предназначенную для подавления других участников сети и изменения блоков.

Конфиденциальность и безопасность блокчейна

Безопасность рассматривается как одно из основных преимуществ блокчейна. Блоки всегда хранятся в хронологическом порядке, и очень сложно изменить блок после того, как он был добавлен в конец цепочки блоков. У каждого блока есть свой хэш-код и хэш-код блока, который идет перед ним.Если хакер попытается отредактировать блок, хеш блока изменится, то есть хакеру придется изменить хеш следующего блока в цепочке и так далее. Следовательно, чтобы изменить один блок, хакеру придется изменить каждый следующий блок, что потребует огромных вычислительных мощностей.

Несмотря на использование консенсусных алгоритмов, блокчейн по-прежнему подвержен атакам 51%, в которых злоумышленник имеет более 50% контроля над всей вычислительной мощностью в блокчейне, получая возможность сокрушить других участников сети.Однако этот тип атаки маловероятен, потому что для ее выполнения потребуются большие усилия и большая вычислительная мощность.

История блокчейна

Протокол, аналогичный блокчейну, был впервые предложен в диссертации 1982 года Дэвидом Чаумом, американским ученым-компьютерщиком и криптографом.

В 1991 году Стюарт Хабер и В. Скотт Сторнетта работали над дальнейшим описанием цепочки блоков, защищенных с помощью криптографии. С этого момента некоторые люди начали работать над разработкой цифровых валют.

В 2008 году разработчик или группа разработчиков, работающих под псевдонимом Сатоши Накамото, разработали технический документ, который установил модель для блокчейна, включая метод хеширования, используемый для отметок времени блоков. Год спустя, в 2009 году, Сатоши Накамото внедрил блокчейн с использованием валюты биткойн. По сей день никто точно не знает, кто такой Сатоши Накамото на самом деле.

Интерес к корпоративному применению блокчейна с тех пор вырос по мере развития технологии и появления на рынке программного обеспечения на основе блокчейна и одноранговых сетей, предназначенных для корпоративного использования.

Руководители предприятий начали более серьезно относиться к технологии на раннем этапе, видя все больший и больший потенциал уже в 2014 году, когда технология блокчейн начала все больше отличаться от идеи конкретной валюты. В то время эксперты начали видеть потенциал блокчейна для финансовых транзакций в целом, а также его потенциал для других организационных транзакций.

Фактическое внедрение было медленным. В 2019 году Gartner обнаружил, что только 1% ИТ-директоров внедряют блокчейн.Чуть больше — 8% — находились в краткосрочном планировании изучения или внедрения блокчейна, при этом финансовые услуги, науки о жизни и здравоохранение относятся к отраслям с наивысшими показателями внедрения блокчейна.

Глобальное исследование блокчейнов, проведенное Deloitte в 2020 году, показало дальнейший рост интереса предприятий к этой технологии: в 2018 году 43% ответивших руководителей высшего звена заявили, что блокчейн будет критически важным и одним из пяти основных стратегических приоритетов. Это число выросло до 53% в 2019 году и до 55% в 2020 году.

Блокчейн-система, основанная на квантово-устойчивой цифровой подписи

Блокчейн, имеющий распределенную структуру, широко используется во многих областях. Технология блокчейн демонстрирует большой потенциал, особенно в области умных городов. Проблемы безопасности блокчейна в разной степени влияют на строительство умных городов. С быстрым развитием квантовых вычислений криптосистемы с эллиптическими кривыми, используемые в блокчейне, недостаточно безопасны. В этой статье представлена ​​блокчейн-система, основанная на решетчатом шифре, которая может противостоять атакам квантовых вычислений.Самая большая проблема заключается в том, что размер открытых ключей и подписей, используемых решетчатыми криптосистемами, обычно очень велик. В результате каждый блок в цепочке блоков может обрабатывать только небольшое количество транзакций. Это повлияет на скорость работы и производительность блокчейна. Для решения этой проблемы мы предложили способ, которым мы помещаем только хеш-значения открытых ключей и подписей в цепочку блоков и сохраняем их полное содержимое в IPFS (межпланетная файловая система). Таким образом, количество байтов, занимаемых каждой транзакцией, значительно сокращается.Мы разрабатываем схему обмена биткойнами, чтобы оценить производительность предлагаемой квантово-устойчивой блокчейн-системы. Платформа моделирования проверена на доступность и эффективность.

1. Введение

Умный город [1] — это применение новых технологий в управлении и обслуживании города. Технология блокчейн показывает большой потенциал в области умных городов. Что касается экономических продуктов, блокчейн обеспечивает уникальную идентичность товаров, что помогает в мониторинге качества в реальном времени [2].С точки зрения медицины, блокчейн позволяет безопасно хранить данные. И его можно применять для надзора и идентификации цепочек поставок лекарств. Блокчейн привлекает внимание все большего числа правительств и постепенно применяется в умных городах.

В 2008 году автор по имени Сатоши Накамото опубликовал статью под названием «Биткойн-одноранговая электронная денежная система». Впоследствии все больше и больше разработчиков инвестировали в исследования блокчейнов. Одна за другой появляются Eth [3] (Ethereum), EOS [4] (Enterprise Operation System), EPT [5] (Electronic Payment To-ken) и другие технологии блокчейнов [6, 7].Эти технологии широко используются в финансах, Интернете вещей, интеллектуальной собственности, отслеживании и других областях. На сегодняшний день в мире существует более 3000 видов цифровых валют, общая рыночная стоимость которых составляет 150 миллиардов долларов США.

Блокчейн — это, по сути, распределенный реестр, который позволяет недоверяемым сторонам торговать напрямую без третьей стороны. Он обладает характеристиками защиты от несанкционированного доступа, подделки, отслеживаемых, прозрачных данных, особенно безопасности, как указано выше, и т. Д.Эти характеристики во многом зависят от лежащей в основе криптографии с открытым ключом, используемой в цепочке блоков. Сила безопасности традиционных криптосистем с открытым ключом зависела от одной из двух сложных проблем [8, 9]: (1) факторизация больших целых чисел и (2) проблема дискретного логарифмирования. Однако в 1997 г. Шор [10] и Гровер и др. предложены алгоритмы квантового поиска, которые делают разложение больших целых множителей неразрешимым. И алгоритмы квантового поиска, которые нарушают традиционную криптографию с открытым ключом, предлагаются постоянно.Как показано на рисунке 1, с развитием алгоритмов квантового поиска безопасность блокчейна, основанного на традиционных криптосистемах с открытым ключом, вызвала у людей сомнения.

Необходимость в блокчейне для защиты от атак квантовых алгоритмов является насущной. К счастью, благодаря постоянным усилиям исследователей появилось множество криптосистем с открытым ключом, которые являются квантово-устойчивыми алгоритмами. Среди них количество криптосистем с открытым ключом на основе решеток является наиболее конкурентоспособным.До сих пор не существовало квантового алгоритма, который мог бы решить сложную проблему открытого ключа на основе решетки. Регев [11] описал несколько подписей криптосистем с открытым ключом, основанных на решетках. Эта квантово-устойчивая криптография дает надежду на то, что блокчейн сможет противостоять атакам алгоритмов квантового поиска. Но размер открытых ключей и подписей, используемых решетчатыми криптосистемами, обычно очень велик.

1.1. Наш вклад

Для решения проблем, с которыми сталкивается цепочка блоков, в этой статье выполняются следующие работы: Мы предлагаем квантово-устойчивую схему цепочки блоков, в которой цифровая подпись на основе эллиптической кривой заменяется цифровой подписью qTESLA на основе решетки. шифр, чтобы противостоять атаке квантового компьютера.Мы разрабатываем систему обмена биткойнами, чтобы оценить производительность нашей системы. Размер открытых ключей и подписей, используемых qTESLA, очень велик. Это займет слишком много места в блоке. Мы храним открытые ключи и подписываемся на IPFS, и только их хеш-значения помещаем в блокчейн. Установите сложность POW (Proof of Work) на подходящий диапазон; наша система будет более эффективной. Мы оценили сильные и слабые стороны трех систем. Он предоставляет эффективные экспериментальные выводы для будущих исследований.

1.2. Структура статьи

Остальная часть статьи организована следующим образом: в разделе 2 мы рассмотрим связанные работы по квантовым компьютерам и криптографии на квантово-устойчивой решетке. Мы познакомимся с используемыми методами, включая Fiat – Shamir и его преобразование, генерацию и подпись ключа qTESLA, а также принцип проверки в Разделе 3; в разделе 4 мы предлагаем новую квантово-устойчивую систему блокчейнов. Доступность, стабильность и эффективность анализируются в Разделе 5, а Раздел 6 завершает эту статью.

2. Сопутствующие работы

2.1. Квантовые компьютеры

Еще в начале 1980-х Бениофф [12] предложил квантовую систему двух порядков, которую можно было использовать для моделирования цифровых вычислений. В течение следующих нескольких лет квантовые вычисления постепенно приняли базовую форму математики. В 1997 году Шор и др. предложил квантовый алгоритм с полиномиальным временем для факторизации задач большого целого и дискретного логарифмирования, которые серьезно угрожали безопасности цифровой подписи на основе эллиптической кривой.D-волна прошла путь от первого 16-битного квантового компьютера в 2007 году до 512-битного, что в значительной степени обеспечило быстрое развитие квантовых компьютеров. В то же время IBM в США нашла ключевую технологию, которая может значительно увеличить квантовое число квантовых компьютеров. В 2016 году IBM запустила первую в мире облачную платформу для квантовых вычислений: IBMQ. В настоящее время процессор IBMQ достиг 17 кубитов. В 2018 году лаборатория квантового искусственного интеллекта Google запустила Britlecone. В 2020 году Пан и др.в Университете науки и технологий Китая разработали специальный квантовый компьютер. Быстрое развитие квантового компьютера угрожает безопасности традиционной криптографической системы открытого ключа, и необходимо срочно улучшить технологию блокчейн, используемую в традиционной криптографии.

2.2. Квантовая криптография на устойчивой решетке

2.2.1. Криптосистема с открытым ключом на основе решетки

Существует четыре основных криптосистемы с открытым ключом против квантовых алгоритмов [13]: криптосистемы с открытым ключом на основе хэш-функции, криптосистемы с открытым ключом на основе кода исправления ошибок, криптосистемы с открытым ключом на основе решетки и многомерные общедоступные ключевые криптосистемы.

В 1996 году Аджтай [14] впервые в своей статье дал спецификацию общего трудного случая для наихудшего случая на решетке, ввел задачу о малом целочисленном решении и задачу об односторонней функции в среднем случае и доказал, что что решение вышеупомянутых задач было равносильно сложному случаю на решетке в худшем случае. В 1997 году Ааронов и Бенор [15] представили решетчатую систему шифрования с открытым ключом с доказательством безопасности в предположении сложности наихудшего случая.С 1997 по 1998 год Хоффштейн Пайфер и Сильверман разработали систему шифрования UNRU с использованием полиномиального кольца. UNRU обеспечивает быстрое шифрование и дешифрование и имеет более компактный размер ключа, но не имеет формальных доказательств безопасности и не имеет известных трудных проблем, требующих решения. В 1997 г. Goldreich, Goldwasser, Halevi et al. непосредственно применил проблему сложности решетки к шифрованию с открытым ключом решетки и предложил криптосистему GGH. Режим GGH прост для понимания и интуитивно понятен, но нет никаких гарантий безопасности наихудшего случая, и оценка безопасности находится в фазе эвристического подтверждения.В 2002 году Миччанчио повысил эффективность работы с кольцами многочленов. В 2003 году Регев и др. представила гауссовское распределение и анализ гармонии в Ajtai-Dwork и перенесла безопасность криптографических схем на нижнюю решеточную задачу наихудшего случая.

В настоящее время криптосистема на основе решеток [16, 17] построена вокруг двух основных проблем: малого целого числа и ошибки обучения. В 2005 году Регев [18] предложил проблему LWE, чтобы система криптографии на основе решеток учитывала доказуемую безопасность.В 2008 году Ладнер и Дворк [19] получили доказательство, используя функцию одиночной ловушки на решетке (GPV), и построили схему шифрования с открытым ключом и схему подписи, используя метод выборки прототипа.

2.2.2. Схема решетчатой ​​подписи

В настоящее время цифровая подпись, основанная на решетчатом шифре, может быть разделена на три типа: решеточная подпись агрегации, прокси-подпись и нечеткая идентификационная подпись. Yanhua et al. [20]. спроектировал конвергентную подпись двух оснований решетки, которая не имеет доказательства безопасности, что привело к существованию серьезных рисков безопасности.Структурно упорядоченные агрегированные подписи могут использоваться только в последовательно связанных системах, но не в неупорядоченной пользовательской системе, такой как блокчейн. Подпись по доверенности может назначать агента для продолжения операции аутентификации подписи в отсутствие подписавшего. Нечеткая идентификационная подпись больше используется при идентификации биологических атрибутов.

Все вышеперечисленные подписи относятся к двум режимам: Fiat – Shamir и Hash-And-Sign. Между двумя режимами сигнатура в режиме Fiat – Shamir имеет более высокую эффективность реализации.Цифровая подпись qTESLA — это разновидность цифровой подписи в своем режиме.

2.2.3. Квантово-устойчивая блокчейн-система

Основная технология, используемая в квантово-устойчивой компьютерной блокчейн-системе, заключается в замене исходной подписи цифровой подписью квантово-устойчивого алгоритма. Однако он остается только в теоретических исследованиях и не имеет практического опыта. Подписанный открытый ключ занимает много места в блоке. В настоящее время проблема длинного открытого ключа не решена полностью.

Некоторые исследователи работают над алгоритмами цифровой подписи. Ли и др. [21] предложили алгоритм цифровой подписи с использованием технологии Bonsai Trees. Этот алгоритм может гарантировать его безопасность. Однако это неэффективно. И его целесообразность требует проверки. Gao et al. [22] предложили схему двойной подписи, которая может быть применена к блокчейну. Однако безопасность этой схемы находится только в предположении SIS, что неубедительно. На основе дерева бонсай Инь и др.[23] расширяют решеточное пространство до кратных решеток. Эта схема добавляет сложности подписи. И подписи, производимые такими схемами, огромны.

3. Предпосылки

На данный момент не существует квантового алгоритма, который мог бы решить сложную задачу на основе решетки. Сложность задачи решетки в худшем случае обеспечивает ее надежную защищенность. Кроме того, основные операции решеток параллельны, что снижает сложность вычислений. В этой статье цифровая подпись qTESLA, основанная на решетчатом шифре, используется вместо исходной цифровой подписи на основе эллиптической кривой в системе биткойнов, чтобы противостоять атаке квантового компьютера.

qTESLA — это цифровая подпись режима Fiat – Shamir с высокой эффективностью. Таким образом, в этом разделе подробно описывается модель Fiat – Shamir, дается его характерная трансформация и основной принцип qTESLA.

3.1. Fiat – Shamir

Протокол аутентификации Fiat – Shamir [24, 25] — это интерактивный режим доказательства с нулевым разглашением с высокой вычислительной эффективностью.

3.1.1. Протокол аутентификации личности Fiat – Shamir

Основной принцип Fiat – Shamir показан на Рисунке 2: и; позволять .Алиса генерирует свои собственные закрытый и открытый ключи, используя алгоритм ключей.

Если Алиса притворяется, что знает новости, она хочет лжесвидетельствовать, чтобы доказать это Бобу.

Если Алиса может заранее предсказать, отправляет ли Боб 0 или 1, то Алиса может обмануть Боба.

Если Алиса не может заранее предсказать c , которое отправляет Боб, то вероятность того, что Алиса обманывает Боба, равна. После тестов вероятность того, что Алиса обманет Боба, практически равна нулю.

На самом деле Алиса не могла предвидеть проблемы Боба.

3.1.2. Преобразование Фиат-Шамир

В преобразовании Фиат-Шамир Алиса использует хеш-функцию вместо того, чтобы генерировать вызовы, показанные на рисунке 3. Это может доказать, что Алиса знает сообщение без какого-либо взаимодействия.

3.2. qTESLA

Конструкция qTESLA проста и удобна в реализации. Он компактен, безопасен и портативен с лучшей производительностью. Безопасность qTESLA основана на твердости решения проблемы R-LWE и имеет строгое доказательство безопасности случайной модели оракула.

Основные принципы qTESLA: Подготовительные знания. Определения некоторых важных параметров приведены на рисунках 4–8. Целочисленный многочлен называется, если ему удовлетворяет каждый коэффициент. Если есть и есть, то есть. Подпись и проверка. Принцип qTESLA показан на рисунках 9–11.

3.3. IPFS

Длина открытого ключа на основе цифровой подписи qTESLA слишком велика и будет занимать большую часть блочной памяти.В настоящее время основным решением квантово-устойчивой компьютерной блокчейн-системы является корректировка алгоритма и уменьшение длины открытого ключа. Хотя этот метод улучшает использование ограниченной емкости блока, он не может принципиально решить проблему длины открытого ключа. В этой статье для решения этой проблемы используется протокол IPFS. После загрузки доступного файла мы получаем хеш-значение. Когда нам нужен файл, нам просто нужно ввести соответствующее значение хеш-функции, чтобы получить его.

Протокол IPFS [26] — это распределенная файловая система, которая использует комбинацию технологий [27] для обеспечения своих уникальных преимуществ: S / Kademlia DHT. Структура S / Kademlia DHT показана на рисунке 12. После того, как узел получает информацию, он обновляет свой сегмент k , как показано на рисунке 13. Затем узлу требуется интродуктор для присоединения к сети KAD. Узел вставляет интродуктор в свой собственный сегмент и выполняет FINDNODE для обновления своего собственного сегмента, пока не завершит построение сегмента. Наконец, он публикует свою собственную информацию в сегментах других узлов. В сети KAD отправитель должен подписать отправленное сообщение. После того, как другие узлы получат сообщение, им нужно не только проверить подпись, но и решить две сложные задачи.Это гарантирует, что информация узлов, присоединяющихся к сети KAD, не будет атакована. БитТоррент . BitTorrent — это протокол распространения контента. Обоснование таково: пользователи пересылают друг другу части контента, которые они знают, до тех пор, пока каждый из них не получит все. Этот метод позволяет узлам в двух одноранговых системах отправлять и получать файлы, не доверяя друг другу. SFS (Самосертификация файловой системы) . SFS — это файловая система с автоматической аутентификацией, которая может использоваться глобально.В сети SFS могут быть построены различные механизмы управления ключами. Эта файловая система отделяет отзыв ключа от распространения шифров и не влияет на восстановление ключа. Git . Распределенная система контроля версий. Техническое резюме IPFS . Объединяя преимущества четырех вышеупомянутых технологий, протокол IPFS [28, 29] создает глобально распределенную файловую систему. IPFS не распространяет чрезмерно файлы из вашего локального репозитория на другие узлы IPFS. Если никакие другие узлы IPFS не будут искать ваши файлы, файлы в вашем локальном репозитории всегда будут существовать локально.Протокол IPFS обладает характеристиками быстрой загрузки, постоянного хранения файлов и естественной устойчивости к DDOS-атакам.

4. Квантово-устойчивая система блокчейнов на основе qTESLA

В этом разделе мы описываем разработанный защищенный блокчейн от алгоритма квантового поиска и проводим экспериментальную проверку вышеупомянутой теории. Мы моделируем сценарий симуляции биткойн-транзакций и строим блокчейн-систему на основе квантово-устойчивой цифровой подписи.В этой системе мы установили три временных периода. На рисунке 14 показана архитектура нашей системы. Таблица 1 показывает нашу экспериментальную среду.

Язык C (qTESLA) + Python (сценарий моделирования обмена биткойнами) GHz CPU Intel Core G3 ∗ 4 Система Ubuntu

4.1. Этап A: Создание учетной записи

Кошелек используется для создания учетной записи. И он содержит несколько модулей: модуль для генерации пар открытого и закрытого ключей, модуль для генерации адресов учетных записей и модуль подписи.

На этом этапе узел генерирует пару открытого и закрытого ключей из алгоритма подписи кошелька. генерирует адрес этой учетной записи с помощью хеш-алгоритма. используется для генерации подписи. Затем мы загружаем открытый ключ и получаем хеш-последовательность.В будущем хеш-последовательность будет представлять открытый ключ. И он намного меньше исходного открытого ключа. Так что гораздо лучше записать в транзакцию и сохранить, чем просто манипулировать строкой открытого ключа.

4.2. Фаза B: транзакции генерируются

Мы работаем с предположением, что счет A передал 0,3 биткойна на счет B. В блокчейне информация о транзакции записывается в UTXO. Наша система делит UTXO на две части: вход и выход.И мы создали два сценария: сценарий подписи и сценарий разблокировки. На рисунке 15 позиции 1 и 2 относятся к сценарию ввода, а 3 — к сценарию разблокировки.

Как показано на рисунке 16, когда A инициирует транзакцию, она делится на два этапа: Шаг 1: мы делаем сообщение транзакции для подписи. Это сообщение содержит адрес, идентификатор транзакции, количество выходных транзакций и весь выход. Шаг 2: транзакция подписывается qTESLA.Затем мы вводим информацию о подписи и хэш-последовательность IPFS в сценарий подписи.

4.3. Фаза C: заряд

Как показано на рисунке 17, транзакция транслируется через структуру P2P-сети и ожидает проверки со стороны других узлов майнеров. После получения транзакции узел майнера проверяет транзакцию, получая открытый ключ из сети IPFS.

Узел майнинга упаковывает сделки в ближайший период времени в блоки (блоки-кандидаты).Майнер рассчитал сложное хеш-значение (алгоритм консенсуса POW), которое было проверено по всей сети и затем записано в блокчейн.

5. Эксперимент и анализ

В системе используются квантово-устойчивые цифровые подписи, поэтому ее безопасность безупречна. В этом разделе мы исследуем производительность и эффективность системы.

В рамках одного и того же сценария моделирования мы протестировали три разные системы блокчейнов: (1) квантово-устойчивая система блокчейнов использует IPFS и qTESLA.(2) Квантово-устойчивая блокчейн-система использует qTESLA без IPFS. (3) И блокчейн-система, основанная на криптографии с эллиптическими кривыми, не может противостоять квантовой атаке.

5.1. Эффективность

В нашей системе моделирования транзакции являются последовательными. Подпись и проверка генерируются при создании транзакции. Каждая система была протестирована 1000 раз, чтобы определить продолжительность подписи, продолжительность проверки и продолжительность транзакции.

Таблица 2 показывает, что среднее время блокчейна на основе эллиптической кривой является самым коротким из трех систем.Но блокчейн, основанный на криптографии эллиптических кривых, не может гарантировать безопасность. Кроме того, POW (Proof of Work) может занимать много времени при генерации блока. Продолжительность транзакции ничтожна. Мы пришли к выводу, что среднее время майнинга (рабочая сила) составляет 2 секунды при сложности 5 (хэш-значение, в котором первые пять цифр равны 0).

9114 195181217838204 Проверьте 0,413346856886305 + Сделка 0,0153545810636715 Система ecdsa (s) qTESLA (s) qTESLA + IPFS (s) 0,0346034601243446 0,07051895684 + 0,0163973578420132 0,179651395134396 +0,21463521849722 0,478353481311409 +

5.2. Анализ

Стандартные отклонения времени, взятого для этих трех систем, показаны в таблице 3.Таблица 3 показывает, что система блокчейнов на основе qTESLA имеет наиболее стабильную производительность. Время блокчейна на основе qTESLA с IPFS будет нестабильным из-за сети. Но время в приемлемых пределах.

5000369555959639125 Система ecdsa (s) qTESLA (s) qTESLA + IPFS (s) 5 0,0083706810517413 Проверка 0,00651873643683476 0,0040036475046505 0,0100564873479481 Сделка +0,00217918300595782 0,0051345665106179 0,0160881929765899

Как показано в таблице 4, мы обработали максимальное и минимальное значения времени транзакций в каждой системе согласно уравнению (1).Чем меньше значение, тем лучше стабильность. Этот результат подтверждает, что наша система более устойчива:

Система ecdsa qTESLA qTESLA + IPFS % % 19,878%

Это соотношение последнего к первому.

5.3. Системный анализ блокчейна с IPFS или без него

В этом разделе мы оцениваем производительность сети IPFS, использующей блокчейн. Эта система не только противостоит атакам квантового алгоритма, но и снимает нагрузку на ресурсы. И это более эффективно, чем системы блокчейнов без IPFS, когда сложность PoW приемлемая.

Как показано в Таблице 5, мы измерили некоторые параметры размера каждой части UTXO (неизрасходованные выходы транзакции), которые записываются в блок.Очевидно, что количество байтов, занимаемых каждой транзакцией, значительно сокращается. В ходе теста мы получаем продолжительность каждой части транзакции в таблице 6. Продолжительность майнинга и размер блока вместе определяют, сколько времени потребуется для создания блока. Согласно данным в таблицах 5 и 6, мы проанализировали и пришли к выводу, что система блокчейна с IPFS более эффективна, чем система блокчейна без IPFS, при подходящем времени майнинга с разными размерами блоков. В таблице 7 перечислены конкретные значения анализа.Минимальное время майнинга линейно увеличивается по мере изменения размера блокчейна.

50 45 45 q1150 1390+ Система Открытый ключ (B) Знак (B) Другое (B) qTESLA + IPFS 47 47 1390+

+ 0 Знак (и) Проверка (и) qTESLA 0.0337992995951315 0,03337018944616243 0,179651395134396 qTESLA + ОПЗ 0,105081087620143 0,105003335806339 0,413346856886305

Размер блока (М) Время майнинга (с) 0,125 1,3 0.25 2,23 0,5 4,5 1 9,06

Мы установили размер блока равным 0,125 M и установили размер блока равным 0,125 M После того, как каждый блок был упакован, майнер может проверить транзакции. И транзакции идут последовательно. В блокчейне на основе IPFS каждый блок может быть записан примерно для 88 транзакций, и мы создали два блока, которые помещаются в 88 транзакций.Блок содержит не более 3,58 транзакций в цепочке блоков без IPFS, и мы устанавливаем 3 транзакции на блок. Всего 30 блоков. Результаты экспериментов показывают, что система блокчейнов с IPFS более эффективна, чем система блокчейнов без IPFS, при подходящем времени майнинга с разными размерами блоков.

6. Выводы

В связи с быстрым развитием квантового компьютера исследование квантово-устойчивых систем блокчейнов становится чрезвычайно актуальным. В этой статье мы рисуем блокчейн, противостоящий квантовым атакам.Цифровая подпись qTESLA, основанная на решетчатом шифре, который не может быть взломан квантовым алгоритмом, применяется к цепочке блоков, а ее открытые ключи и знаки хранятся в сети IPFS. Таким образом, этот способ не только решает проблему квантовой атаки, но и решает проблему пропускной способности блока. Мы протестировали и проанализировали нашу систему. Мы проверили осуществимость и стабильность нашей системы и предоставили некоторые справочные данные. В будущем мы можем сделать практическое приложение на основе нашей системы блокчейн.

Реализация нашей системы повышает уверенность в будущих исследованиях квантово-устойчивого блокчейна. И мы предлагаем новую идею для решения проблемы длины открытых ключей. Результаты экспериментов показывают, что наш эксперимент осуществим. И с подходящей сложностью POW наша система будет лучше. С быстрым развитием 5G сети IPFS будут становиться все быстрее и быстрее, поэтому наши системы станут более эффективными. При строительстве умных городов технология блокчейн применяется более широко и глубоко, например, в государственных делах, обеспечении средств к существованию людей и управлении городским хозяйством.В нашем решении используются квантово-устойчивые подписи для повышения безопасности блокчейна и обеспечения безопасности при строительстве умных городов.

У нашего эксперимента есть некоторые ограничения: в нем не разрешены параллельные транзакции. Однако мы можем игнорировать ограничения. Потому что в реальной сети транзакция включает множество неопределенных факторов. Мы тестируем только отдельные сделки.

Доступность данных

Данные, использованные для подтверждения результатов этого исследования, можно получить у соответствующего автора по запросу.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Выражение признательности

Эта работа была поддержана Национальной программой ключевых исследований и разработок Китая (2018YFB0804104 и 2018YFC0830102), Национальным фондом естественных наук Китая (61702309), Программой ключевых исследований и разработок провинции Шаньдун (2018CXGC0701, 2019JZZYZ2012Z07 , 2019JZZY010134 и 2019GGX105003), Программа ключевых исследований и разработок Академии наук Шаньдун и Программа инноваций в области науки, образования и промышленности Технологического университета Цилу (Академия наук Шаньдун) (2020KJC-Gh21 и 2020KJC-ZD02) .

Блокчейн-системы и сети связи: от концепции к реализации

Об этой книге

Введение

В этой книге дается обширное понимание систем блокчейнов, начиная с исторической точки зрения и заканчивая накоплением фундаментальных знаний с упором на сети связи.В нем рассматриваются блокчейн-приложения, алгоритмы, архитектуры, дизайн и реализация, а также вопросы безопасности и конфиденциальности, предоставляя читателю исчерпывающий обзор. Кроме того, в нем обсуждаются системы блокчейнов и их интеграция с сетями связи. Книга включает в себя практические занятия, практические занятия, упражнения для самооценки и вопросы для повторения; советы и примеры программ также предоставляются повсюду. Также доступны дополнительные вспомогательные материалы для инструкторов, включая программный код с открытым исходным кодом для практических руководств и упражнений.Целевая аудитория включает аспирантов, профессионалов и исследователей, работающих в области систем блокчейн, технологии распределенного реестра, компьютерных сетей и коммуникаций, искусственного интеллекта и кибербезопасности.

Ключевые слова

Блокчейн-системы Технология распределенной книги Hyperledger Ethereum Цифровая валюта Биткойн Консенсусные алгоритмы Интернет вещей и блокчейн Онлайн-транзакции через телекоммуникационные системы

Авторы и аффилированные лица

• Мубашир Хусаин Рехмани

1. 1.Департамент компьютерных наукМюнстерский технологический университет (MTU) Корк Ирландия

Об авторах

Мубашир Хусаин Рехмани защитил докторскую диссертацию. из Университета Пьера и Мари Кюри, Франция, в 2011 году, и в настоящее время работает ассистентом лектора в Мюнстерском технологическом университете (MTU), Ирландия. Ранее он работал с Университетом Париж-Эст, Франция, Университетом КОМСТАТС, Пакистан, и Технологическим институтом Уотерфорда, Ирландия.В настоящее время он является региональным редактором IEEE COMMUNICATIONS SURVEYS AND TUTORIALS и младшим редактором IEEE Transactions on Green Communication and Networking, IEEE Access Journal, Elsevier Future Generation Computer Systems Journal, Elsevier Computers and Electrical Engineering (CAEE) Journal, Elsevier Journal of Network и компьютерные приложения (JNCA), Springer Wireless Networks Journal и Journal of Communications and Networks (JCN). Он также является редактором рубрики (Рецензии на книги) в журнале IEEE COMMUNICATIONS MAGAZINE.

Старший член IEEE и IEEE Communications Society, доктор Рехмани является автором / редактором нескольких книг, опубликованных престижными издательствами, такими как John Wiley, Springer, CRC Press — Taylor and Francis Group, США, и IGI Global USA. Он опубликовал более 110 журнальных статей, 14 глав в книгах и более 10 статей на международных конференциях. В 2015 году он получил награду «Лучший исследователь 2015 года по программе COMSATS Wah». Он получил благодарственную грамоту «Образцовый редактор опросов и руководств по коммуникациям IEEE за 2015 год» от IEEE Communications Society.Он получил награду за лучшую работу от Технического комитета IEEE ComSoc по интеграции и моделированию систем связи (CSIM) в IEEE ICC 2017. Он последовательно получал награду за продуктивность исследований в 2016-17 годах, а также занял первое место во всех инженерных дисциплинах от Совета по науке и науке Пакистана. Technology (PCST), Правительство Пакистана. Он получил награду за лучшую работу в 2017 году от Комиссии по высшему образованию (HEC) правительства Пакистана. Он является лауреатом премии Best Paper Award 2018 от журнала Elsevier Journal of Network and Computer Applications.Он был выбран для включения в ежегодный список Highly Cited Researchers ™ 2020 от Clarivate. Его работа в этом контексте входит в 1% лучших в области компьютерных наук.

Библиографическая информация

• Название книги Блокчейн-системы и коммуникационные сети: от концепции к реализации
• Авторы Мубашир Хусаин Рехмани
  
• Название серии Учебники по телекоммуникационной технике
• Сокращенное название серии Учебники по телекоммуникационной технике
• DOI https: // doi.org / 10.1007 / 978-3-030-71788-9
• Информация об авторских правах Springer Nature Switzerland AG 2021 г.
• Имя издателя Спрингер, Чам
• электронные книги Инженерное дело Инженерное дело (R0)
• ISBN в твердом переплете 978-3-030-71787-2
• ISBN в мягкой обложке 978-3-030-71790-2
• электронная книга ISBN 978-3-030-71788-9
• Серия ISSN 2524-4345
• Серия E-ISSN 2524-4353
• Номер издания 1
• Число страниц XXVII, 165
• Количество иллюстраций 1 ч / б иллюстрация, 30 цветных иллюстраций
• Темы Коммуникационная инженерия, сети
  Безопасность систем и данных
  Вычислительный интеллект
  Конфиденциальность
  
• Купить эту книгу на сайте издателя

Blockchain и остров Яп

Хотя многие бизнес-профессионалы считают блокчейн сложной технологией, на самом деле это просто новая форма многовековой базовой бизнес-системы, известной как распределенный реестр.Самый простой способ понять блокчейн и систему распределенного реестра — это оглянуться две тысячи лет назад на тихоокеанский остров Яп.

Остров Яп

В отдаленной части южной части Тихого океана есть остров под названием Яп. Вокруг острова беспорядочно расположены тысячи больших дисков известняка и арагонита ¹ . Эти диски могут достигать 12 футов в высоту и весить более пятисот фунтов ² . Тем не менее, ни известняк, ни арагонит не являются местными для Япа, и ближайший остров находится в 250 милях от него ³ .Так как же эти диски попали на остров? Зачем их туда забрали? Для чего они использовались?

Две тысячи лет назад первым япесам (как их называют) потребовалось создать систему торговли ⁴ . Поскольку на острове не было золота или серебра, им нужно было найти другой материал, который служил бы валютой ⁵ . Чтобы решить эту проблему, жители Япа придумали творческое решение. Самый сильный япезе приплыл к ближайшему острову примерно в 250 милях и принес с собой тысячи больших гранитных валунов, которые они высекли на диски.Из-за их размера было бы невозможно потратить эти диски как современные деньги. Вместо этого диски были размещены в общественных местах по всему острову и никогда не перемещались. На заре системы Яп каждый должен был помнить, кому принадлежал каждый камень. По мере того, как он становился все более сложным, жители Япа использовали книги, известные как бухгалтерские книги, для записи того, кому принадлежал каждый камень. Когда япезы хотели потратить свои камни, они объявляли об изменении владельца всему сообществу, и каждый обновлял свои бухгалтерские книги.Таким образом, япсы могли тратить свои камни, даже не перемещая их.

Первая распределенная книга

Япцы использовали то, что сегодня называется системой распределенного реестра. Реестр — это запись транзакций, которая постоянно обновляется при возникновении новой транзакции. Распределенная бухгалтерская книга — это система, в которой каждый, кто совершает в ней транзакции, поддерживает и обновляет копию бухгалтерской книги.

Хотя может показаться проще, если один человек или небольшая группа людей будут вести бухгалтерскую книгу, япезы знали, что предоставление одному или нескольким людям права вести учет может плохо закончиться.Эти люди могут действовать несправедливо по отношению к другим или изменять записи в своих интересах.

К счастью, их распределенная система позволила Yapese совершать транзакции, не доверяя ведение реестра какому-либо одному человеку или небольшой группе. Система Япа также не позволяла никому претендовать на владение камнем, который им не принадлежал. Если один человек требовал камень другого, сообщество собиралось и сравнивало бухгалтерские книги, и сообщество проводило голосование.Каждая бухгалтерская книга будет считаться одним голосом, и большинство совпадающих бухгалтерских книг выиграют.

Располагая бухгалтерскими книгами по всему острову и постоянно обновляя их, япезе создали систему, которая была более безопасной, чем единая централизованная бухгалтерская система.

От Яп до блокчейна

Понимание системы Yap обеспечивает основу для понимания того, как работает блокчейн. Как и процесс, созданный Yapese, блокчейны представляют собой систему распределенного реестра.Вместо того, чтобы хранить транзакции в едином физическом реестре, реестры блокчейнов являются цифровыми и хранятся на компьютерах пользователей. Вместо камней отслеживания эти реестры отслеживают криптовалюты, акции, виртуальные представления физических объектов и других цифровых активов.

Блокчейн

может использовать любой человек, имеющий подключение к Интернету и загруженную копию реестра. Общение между пользователями блокчейна осуществляется через их компьютеры, а не лицом к лицу. Каждые несколько секунд компьютеры, выполняющие транзакции, сообщают всем другим компьютерам в цепочке блоков, какие транзакции произошли.Когда транзакция получена, остальные компьютеры обновляют свои бухгалтерские книги. Если возникают разногласия по поводу подлинности транзакции или правильности копии реестра, проводится голосование, и побеждает большинство.