Blockchain für Entwickler – Was steckt wirklich dahinter?

In zehn Jahren werden wir Blockchains so selbstverständlich nutzen wie heute Datenbanken – und das nicht wegen seltsamer Cryptowährungen, die bereits heute schon mehr an Tulpenmanie als an seriöses Software-Engineering denken lassen. In dieser Session zeigen Ihnen Manuel Rauber und Ingo Rammer die konkreten Motivationen, Hintergründe, Technologie und Anwendungsfälle, die den Hype überstehen werden. Sie lernen die fundamentalen Elemente, Arten und Betriebsmodi von öffentlichen und privaten Blockchains kennen und wissen am Ende, wie Sie diese Technologien in Ihren Projekten einsetzen können. Und das nicht nur abstrakt und theoretisch, sondern an konkreten Codebeispielen auf Basis von aktuellen Blockchain-Entwicklertechnologien.

GitHub: https://github.com/thinktecture/basta-spring-2018-blockchain-demo

Transcript

1. Blockchain für Entwickler Was steckt wirklich dahinter? Ingo Rammer, Manuel Rauber @ingorammer, @manuelrauber
2. Ingo Rammer Gründer und Geschäftsführer der Thinktecture AG Mein Fokus: Blockchain Technologien für B2B-Verwendung Manuel Rauber Consultant bei Thinktecture AG @ingorammer, @manuelrauber ingo.rammer@thinktecture.com, manuel.rauber@thinktecture.com https://thinktecture.com
4. Aber darum geht‘s heute nicht.
5. Blockchain im Business (denn Cryptowährungen sind nur ein UseCase)
6. • Prozesstransparenz für Kunden und Geschäftspartner • Nachverfolgbarkeit von digitalen und physischen Gütern (nicht nur Cryptowährungen à Markenartikel, Medikamente, ...) • Mit IoT-Daten: Position des Containers, ... • Revisionssicherheit • Möglichkeit für Read-Only Zugriffe von Auditoren • ... und alles ohne zentrale Stellen! Neue Use Cases
7. Rufnummernportierung – nach einer wahren Begebenheit (mit ein bisschen kreativer Freiheit)
8. Telco A Telco B 0151-123 123 123 Max Mustermann 1.1.1911 0151-123 123 123 Max Mustermann 1.1.1911 Fax, Email, Brief, ... SMS, Email, Brief, ...
9. Telco A Telco B Fax, Email, Brief, ... Haben wir nie bekommen Haben noch keine Info von Telco A! Daten waren fehlerhaft Wurde ohne Gründe abgelehnt Vertrag existiert nicht Diese Nummer ist nicht bei uns Falscher Name für diese Nummer Ja, die Nummer haben wir bereits portiert Sollte eigentlich schon gehen Ne, also da kann ich Ihnen nicht weiterhelfen! Ne, also da kann ich Ihnen nicht weiterhelfen! ?
10. • 3.437 gemeldete Telekommunikationsunternehmen • 31% aller Anfragen bei Bundesnetzagentur (19.000 Fälle, 3.000 Eskalationen) • 300.000 EUR Bußgelder in 2016 Quelle: Jahresbericht 2016 der Bundesnetzagentur, Seite 62 ff. (https://goo.gl/cPQcXV) Umfang des Problems
11. • Punkt-zu-Punkt Web Services statt Fax, Email, Brief? Klassische Lösung #1 – Punkt zu Punkt Telco A Telco B Telco C Telco E Telco H Telco G Telco D Telco F • Anzahl an Schnittstellen: n * (n-1) /2 • Keine Prozesstransparenz von außen
12. • Zentralisierte Prozesskoordination (zB Lösung von 2002) • Single Point of Failure • Kann monopolunterstützend/diskriminierend sein (zB Kosten) Klassische Lösung #2 – Zentralisiert Telco A Telco B Telco C Telco E Telco H Telco G Telco D Telco F Koordinator
13. • Unabhängige Akteure • Unterschiedliche Vertrauensstellungen • Wunsch nach Transparenz, zB durch vertrauenswürdige, replizierte Datenstrukturen • Ohne Notwendigkeit zentraler Stellen Alternativen für unser Szenario?
14. Lösungsmodell #3 – Blockchain Node 1 Node 2 Node 3 Node 4 Node 5 Node 6 Node 7 Node 8 Node 9
15. Blockchain Basics
16. "Eine Blockchain [...] ist eine kontinuierlich erweiterbare Liste von Datensätzen, genannt „Blöcke“, welche mittels kryptographischer Verfahren miteinander verkettet sind. Jeder Block enthält dabei typischerweise einen kryptographisch sicheren Hash des vorhergehenden Blocks, einen Zeitstempel und Transaktionsdaten." Wikipedia, 19.02.2018 Blockchain – Was ist das?
17. Blockchain Genesis Block Block 1 Random Content Genesis Hash Content Genesis Hash Block 1 Hash Block 2 Content Block 1 Hash Block 2 Hash Block 3 Content Block 2 Hash Block 3 Hash Config
18. Node 1 Peer-to-Peer Replikation Genesis Block Block 1 Block 2 Block 3 Node 2 Genesis Block Block 1 Block 2 Block 3 Node n Genesis Block Block 1 Block 2 Block 3 Block 4 Block 4 Block 4 Block 5 Block 5 Block 5
19. Node 1 Nodes laufen unabhängig, ohne Zentrale Node 2 Node 3 Node 4 Node 5 Node 6 Node 7 Node 8 Node 9
20. Zwei unterschiedliche Modelle Öffentliche Blockchains Ethereum, Bitcoin, ... Private Blockchains Telco E Telco C Telco A Telco F Telco G Telco B Telco D BNA Telco X Verbände, Konsortien, Regierungen, ... ? ! Telco X
21. Wo sind die Clients?
22. AWS für Telco B Infura RZ Telco Z Azure Azure (VM Telco C) RZ Telco A Client (Telco A) Client (Telco X) Client (Telco Y) Client (Telco Z) Node 1 Node 2 Node 3 (Telco A) Node 4 (Infura) Node 5 Node 6 (Telco B) Node 7 (Telco C) Client (Telco B) RZ Telco C Client (Telco C) Client – hat Private Key Node ist Teil der BC Verbindung zu vertrauenswürdiger Node (HTTPs, Web Sockets, IPC, ...)
23. Blöcke und Transaktionen
24. • Aussagen, die technisch später nicht änderbar und nicht löschbar sind (= Transaktionen) Was ist in einem Block? (Das ganze natürlich maschinenlesbar, zB als Transaktions-Records) Der verifizierte Kunde Max Mustermann, geboren am 1.1.1911 möchte seine Telefonnummer 0151-123 123 123 von Telco A zu uns übertragen Signiert: Telco B Wir sind mit der Übertragung einverstanden. Signiert: Telco A
25. • Transaktionen sind in einer eindeutigen Sequenz Eigenschaften von Transaktionen Block 1 Tx #1 Tx #2 Tx #3 Block 2 Tx #4 Tx #5 Block 3 Tx #6 Tx #7 Tx #8 Block 4 Tx #9 Block 5 Tx #10 ...
26. • Transaktionen sind signiert Eigenschaften von Transaktionen Tx #1 Signiert: User A • Können pseudonymisch signiert sein (zB BitCoin)
27. • Transaktionsteile können verschlüsselt sein Eigenschaften von Transaktionen {"tx":"requestTransfer", "phone":"0151-123123123", owner: "TelcoA", encryptedCustomerData: "0xe2cbcf5f890afabc4dbd236d19f949db 05fcec2155..."} Signiert: Telco B Mit dem Public Key von Telco A verschlüsselt • Nur der Empfänger kann entschlüsseln • Empfänger kann pseudonymisiert sein!
28. • Inhalte können auch Hashes von externen Daten sein Eigenschaften von Transaktionen {"tx":"requestTransfer", "phone":"0151-123123123", owner: "TelcoA", signedScannedContractHash: "0x80ebe76679b4812cde61d555c9026...", encryptedCustomerData: "..."} Signiert: Telco B "Ich hab hier ein PDF (das ich aber nicht herzeige) mit diesem Hash" • Für spätere Beweisbarkeit der Existenz und Unversehrtheit von externen Daten zur Zeit der Transaktionserstellung
29. Blockchain: replizierte, unveränderliche* Sequenz von Transaktionen * in genau definierten Grenzen. Später mehr dazu. Zwischenfazit
30. • Wie wird geprüft, ob Transaktionen überhaupt durchgeführt werden dürfen? Gültigkeit von Transaktionen? Wir sind mit der Übertragung der Nummer 0151-123 123 123 einverstanden. Signiert: Telco B Telco C 0151-123 123 123 ist gar nicht bei Telco B, sondern bei uns! • Könnte organisatorisch durch Gesetze, Verträge und Strafen gelöst werden. Oder technisch.
31. Blockchains und Programmcode
32. • Die Regeln, nach denen bestimmt wird, ob eine Transaktion gültig ist • Lesen und schreiben den "World State" • Ist-Zustand aller Daten einer Blockchain • Kann über die Blöcke (als Transaktionslog) aufgebaut werden Smart Contracts
33. Node 1 Key Value 0151123123123 Telco C 01511111111111 Telco A 01511111111112 Telco Z Wir sind mit der Übertragung der Nummer 0151-123 123 123 an Telco A einverstanden. Signiert: Telco B // Pseudocode function confirmTransfer(tx) { if (state[tx.data.number] == tx.signer) { state[tx.data.number] == tx.data.receiver; } else throw; } {"transact": "confirmTransfer", "data": { "number": "0151123123123", "receiver": "Telco A" }} state[tx.data.number] == tx.signer Kryptographische Prüfung (hier Pseudocode!) throw Transaktion als ungültig markiert Failed
34. Node 1 Key Value 0151123123123 Telco C 01511111111111 Telco A 01511111111112 Telco Z Wir sind mit der Übertragung der Nummer 0151-123 123 123 an Telco A einverstanden. Signiert: Telco C // Pseudocode function confirmTransfer(tx) { if (state[tx.data.number] == tx.signer) { state[tx.data.number] == tx.data.receiver; } else throw; } {"transact": "confirmTransfer", "data": { "number": "0151123123123", "receiver": "Telco A" }} state[tx.data.number] == tx.signer Kryptographische Prüfung (hier Pseudocode!) state[tx.data.number] == tx.data.receiver World State wird geändert Key Value 0151123123123 Telco A 01511111111111 Telco A 01511111111112 Telco Z OK
35. Alle Nodes benötigen gleichen Stand der Smart Contracts um korrekt zu funktionieren!
36. Docker-Container (managed) Wo laufen die Smart Contracts? Ethereum Node In der Node Konfigurierter Prozess Smart Contract Execution Environment Tendermint Node Server-Code (Interface- Konvention: ABCI) Contract Creation Transaktion Prozessstart & Config GRPC/Socket Managed Container Hyperledger Fabric Node Chaincode (Go, JS via Go-Bridge) Socket peer chaincode install
37. Wie kommen die Transaktionen in die Blöcke?
38. Node 1 – Max Block: 20 Node 1 – Max Block: 21 Node 2 – Max Block: 20 Key Value 0151123123123 Telco C 01511111111111 Telco A 01511111111112 Telco Z Node 3 – Max Block: 20 Key Value 0151123123123 Telco C 01511111111111 Telco A 01511111111112 Telco Z Block 21 (in Progress) Tx #78 Tx #79 Key Value 0151123123123 Telco C 01511111111111 Telco A 01511111111112 Telco Z Pending Transactions (Mempool, p2p Sync) Tx X Tx Y Tx Y Tx Z Tx Z Tx X Tx X Tx Z Tx Y Smart Contract Ausführung für #78 Failed! Smart Contract Ausführung für #79 Block hash Key Value 0151123123123 Telco A 01511111111111 Telco A 01511111111112 Telco Z Block abgeschlossen
39. Node 1 – Max Block: 20 Node 1 – Max Block: 21 Node 2 – Max Block: 20 Key Value 0151123123123 Telco C 01511111111111 Telco A 01511111111112 Telco Z Node 3 – Max Block: 20 Key Value 0151123123123 Telco C 01511111111111 Telco A 01511111111112 Telco Z Key Value 0151123123123 Telco A 01511111111111 Telco A 01511111111112 Telco Z Pending Transactions (Mempool, p2p Sync) Tx Z Block 21 Block 21 Block 21 Block 21 Tx #78 Tx #79 Failed! Block hash Block 21 Block 21 Block 21 Block 21 Tx #78 Tx #79 Failed! Block hash Block 21 Block 21 Block 21 Block 21 Tx #78 Tx #79 Failed! Block hash
40. Node 1 – Max Block: 20 Node 1 – Max Block: 21 Node 2 – Max Block: 21 Key Value 0151123123123 Telco A 01511111111111 Telco A 01511111111112 Telco Z Node 3 – Max Block: 21 Key Value 0151123123123 Telco A 01511111111111 Telco A 01511111111112 Telco Z Key Value 0151123123123 Telco A 01511111111111 Telco A 01511111111112 Telco Z Pending Transactions (Mempool, p2p Sync) Tx Z Block 21 Block 21 Block 21 Block 21 Tx #78 Tx #79 Failed! Block hash Block 21 Block 21 Block 21 Block 21 Tx #78 Tx #79 Failed! Block hash Block 21 Block 21 Block 21 Block 21 Tx #78 Tx #79 Failed! Block hash
41. • Smart Contracts müssen deterministisch sein (für alle Nodes im Netzwerk) • Externe Kommunikation: asynchron (Events), mit signierter Antwort-Transaktion an Smart Contract • Diese Konzept heißt "Oracle" Smart Contracts, Externe Daten & Co
42. Blockchain: replizierte, unveränderliche Sequenz von Transaktionen, die bestimmten Regeln entsprechen Zwischenfazit
43. Block-Ersteller
44. • Wer bestimmt den nächsten Block? (Bzw: "wer könnte die Geschichte der Chain neu schreiben?") • Krypto-ökonomische Verfahren • Proof-of-Work: Kryptorätsel (Stromverbrauch!) • Proof-of-Stake: Monetäre Auswirkungen • Proof-of-Authority: Vertragliche Vereinbarung Auswahl des Blockerstellers
45. Kollisionen
46. Node 1 17 ... 18 19 20 Node 3 17 ... 18 19 20 Node 2 17 ... 18 19 20 Node 4 17 ... 18 19 20 21a 21a 21a 21b 21b 21b 21a 21a 21b 21b
47. Node 1 17 ... 18 19 20 Node 3 17 ... 18 19 20 Node 2 17 ... 18 19 20 Node 4 17 ... 18 19 20 21a 21a 21b 21b 21a 21a 21b 21b
48. Node 1 17 ... 18 19 20 Node 3 17 ... 18 19 20 Node 2 17 ... 18 19 20 Node 4 17 ... 18 19 20 21a 21a 21b 21b 21a 21a 21b 21b 22 22 22 22 23 22 22 22 22 23 23 23
49. • Nur eine Node erstellt üblicherweise einen neuen Block (dynamisches Auswahlverfahren pro Block) • Vor allem bei Proof-of-Work Blockchains: • Kollisionen: Protokollspezifische Definition der korrekten Chain • Number of Confirmations!
50. Blockchain: replizierte, unveränderliche Sequenz von Transaktionen, die bestimmten Regeln entsprechen und die einer genau definierter Konfliktbehandlung folgen.
51. Demo-Time
52. Benutzer Client Web API Node Tendermint Smart Contract World State
53. • Beobachten – Hype ignorieren • Ausprobieren – It's not Magic • Vorbereiten – Neue Usecases Nächste Schritte • Tools in diesem Talk: Tendermint, Ethereum, Quorum, Hyperledger Fabric • Client/Server/Contract-Kommunikation: web3 (Ethereum), Tendermint ABCI • Samples: https://github.com/thinktecture/basta-spring-2018-blockchain-demo • Slides: https://speakerdeck.com/ingorammer • Contact: @ingorammer, @manuelrauber
54. Jetzt doch: Cryptocurrencies! pragma solidity ^0.4.16; contract TokenSample { mapping (address => uint256) public balances; event Transfer(address indexed _from, address indexed _to, uint256 _value); function TokenSample(uint256 _initialAmount) public { balances[msg.sender] = _initialAmount; } function transfer(address _to, uint256 _value) public returns (bool success) { require(balances[msg.sender] >= _value); balances[msg.sender] -= _value; balances[_to] += _value; Transfer(msg.sender, _to, _value); return true; } }
55. • Stromverbrauch durch Mining à Proof-of-Stake statt Proof-of-Work • Transaktionsdurchsatz à Layer 2 Protokolle (zB Hierarchische Blockchain-Strukturen für Sharding und/oder Off-Chain Integrationen mit externen State-Channels) • Governance: On-Chain (Voting durch Coinholder) vs Off-Chain (Hard Fork durch Miner) Größte aktuelle Entwicklungen