Блокчейн. Принципы и основы

Теория игр и блокчейн

Когда мы рассматривали децентрализацию как способ управления, была обозначена проблематика сложности взаимодействия равных по правам субъектов в системах, где консолидирующий и управляющий центр отсутствует как класс. И ведь действительно, каким же наиболее эффективным образом равноправным участникам системы следует приходить к единым решениям, которые устроят если не абсолютно всех, то подавляющее большинство? Очевидно, должна существовать некая процедурно обусловленная форма общественного согласия, позволяющая принимать решения, обязательные к исполнению всем сообществом. При этом она не должна создавать неразрешимые конфликты, ведущие к разрушению системы в целом. Этот комплекс мер называется формированием правил для прихода к консенсусу, то есть единодушия во мнениях между заинтересованными лицами при принятии важных для системы решений без затратной, с точки зрения ресурсов, процедуры прямого голосования.

Совокупность стремлений участников системы извлечь собственную или общественную выгоду, преодолевая при этом явное или скрытое сопротивление других участников с противоположными интересами, можно описать словом «игра». Разумеется, для реализации своих целей каждый из участников оперирует той или иной специально разработанной стратегией, которая стремится к достижению максимального эффекта в решении поставленных задач. В математике существует специальный раздел, посвященный изучению оптимальных стратегий в играх. Он так и называется – «теория игр», и мы рассмотрим ее отдельные элементы, поскольку они являются важным звеном при построении блокчейн-систем, которые почти всегда децентрализованы, а ее участники равноправны. Речь идет в первую очередь о методах формирования консенсуса между узлами сети при создании цепочки блоков, а также наборов транзакций в них. Но об этом чуть позднее. Сначала попробуем уяснить для себя, что же является эффективной или неэффективной стратегией при достижении общего согласия.

Эффективность стратегии неразрывно связана с понятием рационального поведения участников. Чтобы убедиться, что сотрудничество между участниками «игры» не всегда гарантировано, даже если это сообразуется с их общими интересами, рассмотрим известную «Дилемму заключенного». Она была представлена в 1950 году американскими математиками Мерилом Фладом и Мелвином Дрешером. В тюрьму почти одновременно и за одно и то же деяние попадают двое преступников. Небезосновательно предполагая возможный сговор между ними, полиция изолирует их друг от друга, а затем предлагает каждому одинаковые условия сотрудничества со следствием. Форма сотрудничества предполагает свидетельство одним заключенным против другого в обмен на немедленное освобождение. Также предполагается, что, если второй заключенный на сотрудничество с полицией не идет, он получает максимальный тюремный срок. В случае если оба отказываются сотрудничать, каждый получает минимальный срок. Если же имеет место взаимное обличение, то оба получают средний по длительности срок. Понятно, что, находясь в изоляции, заключенные не знают о решении друг друга. Какова же тогда в этом случае наиболее эффективная стратегия для каждого из заключенных?

Дилеммой эта ситуация называется потому, что для каждого отдельно взятого заключенного и при рассмотрении их как группы предпочтительные стратегии диаметрально противоположны по смыслу. Для конкретного заключенного выгоднее переложить всю вину на другого, и тогда у него есть шанс немедленно выйти из тюрьмы. Но двум заключенным как группе выгоднее молчать, поскольку суммарный срок заключения для обоих будет минимальным среди всех возможных исходов. То есть если по отдельности оба субъекта ведут себя рационально, то в совокупности результатом становится нерациональное решение. Подобная ситуация в какой-то степени отражает сложность проблематики, которую изучает теория игр, когда один участник пытается максимизировать собственный интерес в ущерб общей выгоде. В блокчейн-системах подобная практика реализуется на следующем наглядном примере.

Допустим, что в децентрализованной системе, хранящей цифровые активы, имеющие эквивалент денежной стоимости (например, криптовалюты), нашелся некий узел, который при помощи различных недобросовестных практик сумел навязать всей сети искусственную транзакцию, в результате которой стал обладателем огромного количества цифровых монет. Вопрос: кто выиграет от этой акции? Кто-то, возможно, подумает, что выигрывает злоумышленник, поскольку результатом его действий явилось прямое личное обогащение. Проиграли, безусловно, бывшие владельцы активов, которые потеряли их в результате атаки на сеть и на свои персональные счета. Остальные же участники системы не пострадали, оставшись при своих активах, до которых вредоносный узел не добрался. Однако это лишь поверхностные выводы. Своей атакой на сеть злоумышленник на самом деле совершил непоправимое – подорвал общее доверие к сети в целом. К ее концепции безопасности, криптографической неуязвимости, а также к протоколу формирования консенсуса. А это означает, что все ценностные активы, принадлежащие данной сети и имеющие монетарную или даже биржевую оценку, мгновенно утратят свою стоимость. Это касается в том числе и неправедно полученных активов самого злоумышленника. Что фактически превращает его действия из лично эффективных в общественно бесполезные. Сеть разрушается и прекращает свое существование. Победителей в данной ситуации нет, есть одни только проигравшие.

Этот пример очень хорошо показывает, насколько важен протокол общего согласия в децентрализованных системах. Он играет не менее существенную роль, чем криптостойкость используемых в системе алгоритмов шифрования данных. Какие же методы достижения консенсуса могут использоваться в блокчейн-проектах? Одним из наиболее популярных является консенсус на базе «Задачи о византийских генералах». Перенесемся в период позднего Средневековья, когда Византийская империя уже переживала упадок. Представим, что Византия находится в состоянии войны и император послал на захват одного из вражеских городов некоторое количество армий, во главе каждой из которых стоит генерал. Казалось бы, генералы – люди военные, не чуждые понятию верности и чести, однако в Византии того периода дела с этими личными качествами военачальников обстояли довольно скверно. В силу этого обстоятельства каждый из генералов с некоторой долей вероятности мог оказаться подкуплен противником, иначе говоря – стать предателем. В зависимости от степени своей лояльности каждый отдельный генерал мог напрямую последовать поступающему свыше приказу, а мог и осуществить прямо противоположные действия, тем самым способствуя поражению империи в войне. Возвращаясь к математике, рассмотрим варианты возможных исходов.

● Лояльные генералы, согласно приказу, вместе ведут свои армии в атаку на город – город взят, война выиграна. Очевидно, что это наилучший исход для Византии.

● Лояльные генералы, согласно приказу, одновременно отступают – город не взят, но все армии сохранены для будущих сражений. Данный исход можно считать промежуточным.

● Лояльные генералы атакуют, как и было приказано, однако генералы-предатели вместо атаки начинают отступать – в результате все армии уничтожены противником, а сама война Византией проиграна. Это наихудший из возможных вариантов.

Иногда задачу дополнительно усложняют присутствием главнокомандующего, который имеет право отдавать приказы нижестоящим генералам. Суть усложнения состоит в том, что сам главнокомандующий тоже может быть предателем. И тогда он будет отдавать разным генералам противоположные по смыслу приказы, чтобы гарантированно добиться наихудшего исхода для Византии. В этом случае наиболее эффективным поведением для всех генералов была бы стратегия полного игнорирования приказов главнокомандующего. Оставим в стороне вопросы военной дисциплины и сосредоточимся на том, каким образом можно было бы добиться наилучшего исхода в подобной ситуации. Очевидно, что если каждый генерал будет действовать по собственному разумению (скажем, равновероятно в отношении решения атаковать или отступать), вероятность благоприятного и даже промежуточного исхода для Византии крайне мала. Единственное оптимальное решение в данной ситуации – это прямой обмен информацией генералами между собой.

Информация, которой обмениваются генералы, может носить различный характер. Это могут быть сведения о численности каждой из армий либо просто обозначение своего намерения – атаки или отступления. Важно то, что каждый из генералов (допустим, что их число равно n) передает всем остальным генералам свою информацию и получает от них назад n-1 наборов подобных же сведений. Но это еще не все. Получается, что каждый генерал обладает неким объемом информации, полученным от всех остальных генералов при прямом общении. И он может как ретранслировать полученную информацию всем генералам, так и получить себе подобные же наборы данных от других. То есть каждый генерал располагает не только той информацией, которую он получил напрямую от каждого из прочих генералов, но и имеет в распоряжении всю коммуникационную картину в формате «какой генерал какому генералу что сообщил». Однако мы должны принимать во внимание тот факт, что один или даже несколько генералов могут быть предателями и, соответственно, намеренно искажать передаваемую информацию. Тем не менее всегда есть возможность проверить, что каждый конкретный генерал сообщал другим генералам, и найти либо совпадения, либо расхождения в информации. На базе полученных данных можно выявить часть нелояльных генералов и оценить их долю в общей массе. Математически доказано, что в случае более 2/3 лояльных узлов система считается устойчивой и консенсус может быть достигнут. В противном случае система утрачивает работоспособность и как следствие доверие участников.

Принцип устойчивости к «византийской проблеме» – это классическая задача из «теории игр», которая является важным элементом безопасности при формировании консенсуса в блокчейн-проектах. Каждый узел в системе должен строго следовать ее правилам, прописанным в виде алгоритмической логики программного обеспечения узла. Однако почти все программное обеспечение в блокчейн-проектах поставляется в виде открытого кода, который каждый узел может при желании модифицировать таким образом, чтобы попытаться получить преференции, которые ему в обычной ситуации не полагались. Но даже если какие-то несанкционированные сетью изменения будут все же внесены отдельным узлом (или даже группой узлов), для успешности атаки необходимо, чтобы таких узлов было достаточно много. Иначе остальная сеть будет отвергать информацию от нарушителей, поскольку она не будет соответствовать общим правилам, которыми руководствуется большинство. В этом и состоит суть консенсуса, который применяется для управления в децентрализованных системах. Целостность системы нарушается, если количество «инакомыслящих» узлов начинает превышать критическую массу, после чего происходит разделение сети, которое называется «форк». Узлы, исповедующие разные правила консенсуса, образуют разные сети, которые с момента разделения начинают жить отдельной жизнью, становясь, по сути, различными проектами, хотя и со схожей технологией – по крайней мере, на первых порах. К понятию «форк» как важному явлению в блокчейн-индустрии мы еще вернемся.