Blockchain simplified

1 Blockchain   Simpliﬁed

План • Как он устроен? • Демонстрация работы • Реализуем
свой блокчейн • Что такое блокчейн? 2

6 Что такое блокчейн? • Внесение новых записей осуществляется в
соответствии с консенсусом • История, которую нельзя (или очень сложно) подменить • Эта история хранится/создается/ведется всеми участниками • Как правило, такая система не имеет центра или его участие ограничено (частный блокчейн)

10 2 3 Блокчейн - распределенная система 1 4 5
: История

11 Зачем нужен блокчейн? • То есть, блокчейн можно использовать
везде, где речь идет о деньгах, имуществе, деловой репутации, соглашениях итп • Чтобы избежать мошенничества • Когда обеспечить достоверность истории важнее, чем обеспечить быстродействие системы

14 Genesis block Info Устройство блокчейна • Эта структура хранится
у каждого участника распределенной сети • Структура (список/дерево), данные в которой нельзя изменить, можно только добавить новые данные в конец • Данные связаны хеш указателями

15 Genesis block Info Block 1 Info  Genesis hash Устройство
блокчейна • Эта структура хранится у каждого участника распределенной сети • Структура (список/дерево), данные в которой нельзя изменить, можно только добавить новые данные в конец • Данные связаны хеш указателями

16 Genesis block Info Block 1 Info  Genesis hash Block
2 Устройство блокчейна Info  Block hash • Эта структура хранится у каждого участника распределенной сети • Структура (список/дерево), данные в которой нельзя изменить, можно только добавить новые данные в конец • Данные связаны хеш указателями

• При изменении хеша становятся неактуальными указатели на предыдущие блоки
• Любое изменение данных блока ведет к изменению хеша • Алгоритм хеширования (SHA256) устроен таким образом, что не получится искусственно подобрать новый блок с таким же хешем Почему данные нельзя изменить? 19

22 Что входит в блок? Транзакция Транзакция Транзакция Транзакции Транзакция
Транзакция

23 Что входит в блок? Транзакция Транзакция Транзакция Заголовок Транзакции
Хеш заголовка пред. блока Слепок транзакций (хеш) Транзакция Транзакция

24 Что включает в себя транзакция? • Цифровая подпись -
подтверждение воли инициатора • Публичный ключ получателя • Информацию, которую надлежит передать • Хеш указатель на предыдущие транзакции

28 Как связаны транзакции? Транзакция A Блок 1 Транзакция B
Блок 15

29 Транзакция A Блок 1 Транзакция C Блок 100 Транзакция
B Блок 15 Как связаны транзакции?

30 Транзакция A Блок 1 Транзакция C Блок 100 Транзакция
B Блок 15 Транзакция D Блок 150 Как связаны транзакции?

31 Транзакция: Вова -> Петя 5 Bitcoins 10 Bitcoins 15
Bitcoins Inputs Дима Слава 30 Bitcoins Всего у Вовы Рома

32 5 Bitcoins 10 Bitcoins 15 Bitcoins Inputs Дима Слава
30 Bitcoins Всего у Вовы Рома Транзакция: Вова -> Петя

33 5 Bitcoins 10 Bitcoins 15 Bitcoins Inputs Петя Дима
Слава 30 Bitcoins Всего у Вовы Outputs 5 Bitcoins Рома 25 Bitcoins Вова Транзакция: Вова -> Петя

34 5 Bitcoins 10 Bitcoins 15 Bitcoins Inputs Петя Дима
Слава 30 Bitcoins Всего у Вовы Outputs 5 Bitcoins Рома 25 Bitcoins Вова Транзакция: Вова -> Петя Передающий распоряжается всеми своими деньгами

35 Демонстрация работы

36 Транзакции

37 Обработка транзакций Проверка на наличие дубликатов

38 Обработка транзакций Проверка на наличие дубликатов Запрос тела

39 Обработка транзакций Валидация Проверка на наличие дубликатов Запрос тела

40 Обработка транзакций Валидация Проверка на наличие дубликатов Запрос тела
Добавление в список сиротских транзакций Нет предыдущих

41 Обработка транзакций Валидация Проверка на наличие дубликатов Добавление в
список необработанных транзакций Запрос тела Добавление в список сиротских транзакций Есть предыдущие Нет предыдущих

42 Обработка блоков

43 Проблемы • Какие блоки считаются валидными? • Кто и
когда может добавлять блоки? • Какие могут быть нарушения? • Как с ними бороться?

47 Нарушения которые легко обнаружить и устранить

48 Нарушения которые легко обнаружить и устранить сложно/ невозможно обнаружить
или устранить

49 Общие правила • Сколько необработанных транзакций должно быть добавлено?
• Не добавляем «сиротские» транзакции • Продолжаем только самую длинную цепочку • Обрабатываем только валидные блоки • Итд

54 Византийские генералы B C A

55 Византийские генералы B C A retreat attack

56 Византийские генералы B C A retreat attack retreat attack

57 Double Spending Genesis block Block 2

58 Genesis block Block 2 Actual Петя -> Вася: 200
Double Spending

59 Genesis block Block 2 Fraudlent 1 Actual Петя ->
Вова: 200 Петя -> Вася: 200 Double Spending

60 Genesis block Block 2 Fraudlent 1 Actual Петя ->
Вова: 200 Петя -> Вася: 200 Fraudlent 2 Double Spending

61 Proof of work Data

62 Proof of work Data X +

63 Proof of work Data X SHA 256 HASH =
000000…1011101 +

64 Proof of work Data X SHA 256 HASH =
000000…1011101 + N zeroes Average 10 MINUTES

65 Способы достижения консенсуса • Proof of work (bitcoin) -
вероятностный подбор хеша • Proof of stake - наличие ресурсов + вероятность • Proof of activity • Proof of burn • Иные способы

66 • Proof of work (bitcoin) - вероятностный подбор хеша
• Proof of stake - наличие ресурсов + вероятность • Proof of activity • Proof of burn • Иные способы Способы достижения консенсуса

70 Genesis block Block 2 Получение блоков

71 Genesis block Block 2 Получение блоков Block 3

72 Genesis block Block 2 Получение блоков Block 3’ Block
3

3 Block 4

3 Block 4 Orphan 5

76 Получение блоков Очистка пересекающихся tx Передача связанным нодам Добавление
в главную ветку h’ > h longest

77 Получение блоков Передача связанным нодам Добавление в главную ветку
Добавление во второстепенную ветку h’ > h longest h’ <= h longest Очистка пересекающихся tx

Добавление во второстепенную ветку Добавление в ветку, которая становится главной Добавление tx из старой главной ветки h’ > h longest h’ <= h longest Очистка пересекающихся tx Передача связанным нодам h’ > h longest Очистка пересекающихся tx

Добавление во второстепенную ветку Добавление в ветку, которая становится главной Добавление tx из старой главной ветки Добавление сиротского блока Запрос промежуточных блоков h’ > h longest h’ <= h longest Передача связанным нодам h’ > h longest Повторение процедуры для полученных блоков Очистка пересекающихся tx Очистка пересекающихся tx

80 Итого • Обрабатываем только валидные транзакции и блоки •
Продолжаем самую длинную цепочку • Остальные блоки сохраняем, но не передаем • Работаем с пулом транзакций, добавляя и очищая транзакции в зависимости от того, какая цепочка является главной • Решаем, кто делает блок и в каком порядке в соответствии с механизмом консенсуса

Давайте сделаем свой блокчейн! • Не будет полностью децентрализован: компания
HeadHunter выдает регистрацию • Не будет анонимным: регистрация под реальными именами + модерация • Создавать блоки будут только некоторые работодатели, которые за выполнение этой функции получают дополнительные сервисы от HeadHunter (например) • Будем хранить записи о трудовых отношениях, а также отзывы о работе или прохождении испытательного срока 86

Архитектура системы (обмен записями) 90 Работник Private key  Public key
Identity =

Архитектура системы (обмен записями) 91 Работник Работодатель A Private key 
Public key инф. о событии валидация Private key  Public key Identity =

Архитектура системы (обмен записями) 92 Работник Работодатель A Работодатель B
Работодатель C Private key  Public key инф. о событии запись   Работодателя A запись   Работодателя A валидация валидация валидация Private key  Public key Identity =

Архитектура системы (обмен записями) 93 Работник Работодатель A Работодатель B
Работодатель C Private key  Public key инф. о событии запись   Работодателя A запись   Работодателя A валидация записи  еще  не включенные в блок валидация валидация Private key  Public key Identity =

Архитектура системы (обмен блоками) 94 Работодатель B Работодатель C Работодатель
A валидация валидация блок  Работодателя B блок  Работодателя B

95 План • Подписи • Транзакции • Блоки • Структуры
данных - блокчейн • Merkle Tree • Алгоритмы

Подписи 101 protocol DataConvertible { func toData() -> Data }
struct Signed<T: DataConvertible> { let block: T let signature: Data } protocol SignatureChecker { func verify<T>(_ block: Signed<T>, publicKey: Data) -> Bool } protocol SignatureProvider { func sign<T>(_ signable: T, privateKey: Data) -> Signed<T> } extension Signed: DataConvertible {}

struct Signed<T: DataConvertible> { let block: T let signature: Data } protocol SignatureChecker { func verify<T>(_ block: Signed<T>, publicKey: Data) -> Bool } protocol SignatureProvider { func sign<T>(_ signable: T, privateKey: Data) -> Signed<T> } CryptoSwift - sha256 SwCrypt - RSA extension Signed: DataConvertible {}

Запись работника Работник Private key  Public key 106

Запись работника Работник Private key  Public key Событие  Дата Public
key работника Public key работодателя Подпись работника Хеш предыдущей записи 107

Запись работника Работник Private key  Public key Событие  Дата Public
key работника Public key работодателя Подпись работника Хеш предыдущей записи - прохождение интервью - прием на работу - увольнение 108

Запись работника (Swift) 109 extension EmployeeBlock: Signable { func toData()
-> Data { return … } struct EmployeeBlock: DataHashable { let date: Date let employerPublicKey: Data let userPublicKey: Data let event: EmployeeEvent let previousHash: Data let hash: Data }

Запись работодателя Работодатель Private key  Public key 110

Запись работодателя Работодатель Private key  Public key   Данные работодателя
Public key работодателя Подпись работодателя 111 Запись работника

Запись работодателя Работодатель Private key  Public key   Данные работодателя
Public key работодателя Подпись работодателя 112 Запись работника Опциональные: - отзыв о работе

Запись работодателя (Swift) 113 struct EmployerBlock: DataHashable { let employeeBlock:
Signed<EmployeeBlock> let employersOpinion: String let employersPublicKey: Data let hash: Data } extension EmployerBlock: Signable { func toData() -> Data { return … }

Структура блока 114 Заголовок Транзакции Хеш заголовка пред. блока Слепок
транзакций (хеш) Высота блока Merkle Tree

115 Merkle Tree

Merkle tree 116 tx1 hash tx2 hash tx3 hash tx4
hash tx5 hash tx6 hash tx7 hash tx8 hash

Merkle tree 117 tx1 hash tx1tx2 hash = sha256(tx1hash +
tx2hash) A = tx1tx2 hash B = tx3tx4 hash C = tx5tx6 hash D = tx7tx8 hash tx2 hash tx3 hash tx4 hash tx5 hash tx6 hash tx7 hash tx8 hash

Merkle tree 118 AB hash CD hash tx1 hash tx1tx2
hash = sha256(tx1hash + tx2hash) A = tx1tx2 hash B = tx3tx4 hash C = tx5tx6 hash D = tx7tx8 hash tx2 hash tx3 hash tx4 hash tx5 hash tx6 hash tx7 hash tx8 hash

Merkle tree 119 root hash AB hash CD hash tx1
hash tx1tx2 hash = sha256(tx1hash + tx2hash) A = tx1tx2 hash B = tx3tx4 hash C = tx5tx6 hash D = tx7tx8 hash tx2 hash tx3 hash tx4 hash tx5 hash tx6 hash tx7 hash tx8 hash

hash A = tx1tx2 hash B = tx3tx4 hash C = tx5tx6 hash D = tx7tx8 hash tx2 hash tx3 hash tx4 hash tx5 hash tx6 hash tx7 hash tx8 hash

hash A = tx1tx2 hash B = tx3tx4 hash C = tx5tx6 hash D = tx7tx8 hash tx2 hash

122 Genesis block Block 2 Как хранить блоки? Block 3’
Block 3

123 Genesis block Block 2 Как хранить блоки? Block 3’
Block 3 Массив листьев, каждый элемент хранит указатель на родителя вплоть до первого блока

Структуры данных - блокчейн 124 private var orphanBlocks: [Data: BlockchainBlock]
= [:] private var orphanTransactions: [Data: Signed<EmployerBlock>] = [:] private var unprocessedTransactions: [Data: Signed<EmployerBlock>] = [:] private var leafNodes: [ParentTreeNode<BlockchainBlock>] = []

Алгоритмы • Добавление «сиротской» цепи • Добавление блока 129 •
Смена цепочки с второспенной на главную

Добавление блока 132 Genesis block Block 2 Block 3 Block
4 Block 3’ Block 4’’ Block 3’’

Добавление цепи 136 Genesis block Block 2 Block 3 Block
4 Block 3’ Block 3’’ Block 4’’ Block 2 Block 5’’

4 Block 3’ Block 3’’ Block 4’’ Block 5’’

141 Спасибо за внимание!

Blockchain simplified

Blockchain simplified

More Decks by CocoaHeads

Featured

Transcript