Slides from second blockchain weekend. Technical and ideological introduction to blockchains.

1. Часть 1
Введение в блокчейн
Мешков Дмитрий

2. Structure
Часть 1
● Зачем нужен блокчейн
● Беглый взгляд
● Идеологические проблемы
Часть 2
● Транзакции
● Блоки
● P2P
● Технические проблемы

3. WHY?

4. Why?

5. Blockchain as database
Плюсы:Плюсы:
● Надежность (тысячи копий)
● Неизменность (изменить данные не может никто)
● Отсутствие цензуры (никто не запретит положить данные)
МинусыМинусы:
● Высокая стоимость ($2000 за Мб)
● Низкая пропускная способность (50Гб в год)
● Нет гарантий хранения (SPV mining, исчезнет)
● Скорость записи и front-running
??
● Публичность (все видят все транзакции, не положить
конфиденциальные данные)

6. Decentralization
● Блокчейн – децентрализованная система

7. Benefits
Плюсы:Плюсы:
● Администрирование
● Модернизация
● Масштабирование
МинусыМинусы:
● Уязвимость для атак на
центральный узел
●
??
Политическая
централизация
Плюсы:Плюсы:
● Отсутствия единой точки
отказа
● Открытость
МинусыМинусы:
● Синхронизация
● Масштабирование
●
??
Политическая
децентрализация

8. Overview

9. Problematics
● Double spending
● У Alice есть монета, она создает 2 транзакции:
Alice → Bob и Alice → Charlie.
● Кто получит монету?
● Централизованное решение – кому первому
отправлена транзакция (с т.з. банка)
● В децентрализованном мире определить кому
раньше непросто

10. Transaction life cycle
● Пользовалеть A создает транзакцию TX по
переводу 1 монету пользователю B и
рассылает ее в сеть
● Майнеры добавляют эту транзакцию в UTX
● Когда майнер получает право создать блок,
он собирает транзакции из UTX в блок и
рассылает блок его
● Каждый блок ссылается на предыдущий
блок, таким образом транзакции
упорядовачиваются по времени

11. Blockchain
● Если в блок попала транзакция от Alice к
Bob, то в него и в следующие блоки уже не
можен попасть транзакция Alice → Charlie

12. Blocktree
● Создание блока – случайный процесс
● Могут возникать форки
54 (A→B)Block 53
55 (A→C)

13. Blocktree
● Создание блока – случайный процесс
● Могут возникать форки
● Правильная цепочка – самая длинная
Block N54 (A→B) Block 56 Block 59Block 53
55 (A→C) Block 57
Block 58 Block NBlock 60

14. Blocktree
● Eventual consistency
● Вероятность форков экспоненциально
убывает с длиной
Block N54 (A→B) Block 56 Block 59Block 53
55 (A→C) Block 57
Block 58 Block NBlock 60
Block NBlock 61

15. Forks
● В биткоине ~ 2% блоков в форках
● Известны случаи форков в 6 и 3 блоков из-за
ошибок в настройке софта
● Реально 1, очень редко 2 блока
● Нужно ждать подтверждение транзакций!
Чем больше сумма – тем дольше
● За блок майнеры получают награду ~ $17000

16. CAP teorem
● В любой реализации распределённых
вычислений возможно обеспечить не более
двух из трёх следующих свойств:
consistency, availability, partition tolerance
● В блокчейне – eventual consistency

17. Overview conclusion
● Блокчейн – децентрализованная база
данных с сервером времени
● Блокчейн решает проблему double spending
в децентрализованных системах

18. Decentralization problems

19. (De)centralized mining
● Высокий порог входа
● Объединение майнеров в пулы (делегирование
права майнить)
● 5 майнинг пулов Биткоина владеют 50+%
мощностей

20. (De)centralized supply
● Нет регуляторов – раздолье для мошенников
● Явный premine
● Неявный premine
● Нелинейная экономическая модель
● ICO с собственными вложениями
● Манипуляции рынком

21. (De)centralized governance
● Кто платит, тот и контролирует разработку (?) -
можно не принимать изменения, которые внесли
программисты (Ethereum classic)
● Культ личности – если большинство участников
сети верят в лидера проекта, он может делать все
что хочет (Ethereum)
● Мало кто может понять предложенные изменения
● Учитываются только голоса майнеров, хотя в
любом блокчейне много заинтересовынных сторон
● Теорема Эрроу

22. (De)centralized services
● Большинство пользователей не смотрят в блокчейн,
а доверяют сторонним сервисам
● Большинство пользователей используют web
кошелек или держат деньги на биржах
● Для большинства криптовалют одна и та же команда
разрабатывает софт, кошелек, обозреватель
блоков, ...
Пример STEEMIT:
● Все доверяют https://steemit.com/
● Есть цензура
● Контроль над деньгами у разработчиков

23. Centralization as a solution
● Много узлов сложно синхронизировать =>
уменьшим количество узлов
● “masternodes”, “witnesses”, “delegates”, “federations”
● В пределе – все доверяют одной ноде, которая
быстро и эффективно обрабатывает транзакции,
без задержек, форков, ...
● R3: “no blockchain because we don’t need one”

24. Часть 2
Под капотом
Мешков Дмитрий

25. Problematics
● Double spending
● У Alice есть монета, она создает 2 транзакции:
Alice → Bob и Alice → Charlie.
● Кто получит монету?
● Централизованное решение – кому первому
отправлена транзакция (с т.з. банка)
● В децентрализованном мире определить кому
раньше непросто

26. Transactions

27. Input-output transactions
● Применяется в Bitcoin, Litecoin, Monero, Dash, ...
● Есть только input и output
● Output можно потратить только полностью

28. Input-output transactions
● Транзакция – это связь между input и output
● ∑inputs >= ∑outputs
● Кроме coinbase транзакции
● У каждого output есть скрипт
● Чтобы потратить output, нужно подать на вход
скрипта такие данные, чтобы получить true
● Большинство скриптов требуют подпись на вход

29. Input-output transactions
● Очень гибкая модель
● Не очень понятная интуитивно
● Большой размер транзакций
● Небольшая пропускная способность
● Микро остатки

30. Account transaction
● Применяется в Ethereum, Waves, Nxt, …
● Аккаунты (публичные ключи) с изменяемым
балансом
● Транзакция – перевод N монет от одного
аккаунта другому
● Транзакции подписанны
● Нужна дополнительная защита от replay
атак

31. Consensus

32. Consensus
● Набор транзакции – это блок
● Связанные в цепочку блоки – это блокчейн
● Косенсус определяет последовательность
блоков в блокчейне
● Какая из двух транзакций (Alice → Bob и
Alice → Charlie) раньше окажется в
блокчейне – та и была раньше

33. Hash function
Свойство идеальной хэш функции:
● Одно и то же сообщение всегда
приводит к одному и тому же хэшу
● Хэш быстро вычисляется для любого
сообщения
● Невозможно получить исходное
сообщение по его хешу (кроме как
полным перебором)
● Невозможно найти 2 разных
сообщения с одинаковым хэшем
● По 2 хэшам невозможно понять,
насколько близки исходные сообщения

34. Consensus: Proof-of-Work
Row 1 Row 2 Row 3 Row 4
0
2
4
6
8
10
12
Column 1
Column 2
Column 3

35. Consensus: Proof-of-Work
● Вероятность создать блок пропорциональна
вычислительной мощности
● One-CPU-one-vote
● Распределенный timestamp
● Чтобы изменить блок, нужно проделать работу по
созданию всех блоков после него
● Безопасен
● Сжигает ресурсы
● Полезный PoW: primecoin, permacoin

36. Consensus: Proof-of-Stake
● Вероятность создать блок ~ балансу
● Не сжигаются ресурсы
● Подразумевает timestamp
● Нет случайности => griding attacks
● Дешево создавать блоки => History attack
● Nothing-at-stake attack
● Bribe attack

37. Consensus
● Proof-of-Work
● Proof-of-Stake
● Proof-of-Burn
● Proof-of-Space
● Proof-of-Retrievability
● ….
● Hybrid

38. Network layer

39. P2p: eclipse attacks
● Bitcoin: http://ia.cr/2015/263
● Ethereum: https://goo.gl/mQv58v

40. P2p: throughput
● On Scaling Decentralized Blockchains”
http://fc16.ifca.ai/bitcoin/papers/CDE+16.pdf

41. P2p: throughput
● Block size/ X% effective throughput < block interval
● Для сети биткоин (~4000 нод)
● Для маленьких блоков превалирует latency,
минимальное время между блоками для X90% - 12
секунд.
● Для 10 мин. размер блока < 4 Мб для X90% и 36
Мб. для X50%

42. Technical problems

43. Throughput
● Onchain: Bitcoin-NG, Byzcoin, Unlimited
● Уменьшение размера транзакций
● Offchain: Lightning, Sprites
● Sidechains
● Частично централизованные схемы
(DPoS, Byteball, Dash, Sidechains 2)

44. Confirmation delay
● Более частые блоки – больше форков
● GHOST – используем блоки форков
● Bitcoin-NG, Byzcoin
● Частично централизованные схемы

45. Privacy
● Bitcoin псевдоанонимен
● Есть анонимные форки – monero, zcache
● Ring signatures, composite signatures,
zk-snark

46. Smart money
● Язык смарт контрактов
(Solidity, Tezos, ia.cr/2016/1156)
● Продвинутый язык аутентификации

47. Light validation
● SPV nodes
● Rollerchain
(https://arxiv.org/pdf/1603.07926.pdf)
● Authenticated data structures
(ia.cr/2016/994)
● PoPoW
(http://fc16.ifca.ai/bitcoin/papers/KLS16.pdf)

48. Controllable
● Для внутренней валюты нужен контроль
● RsCoin - криптоваюта с центробанком
● Изменяемые блокчейны

49. Contacts
● https://www.slideshare.net/DmitryMeshkov
● https://twitter.com/DmitryMeshkov
● dmitry.meshkov@iohk.io