Блокчейн. Принципы и основы

Введение в Ethereum

Спустя примерно пять лет с момента появления сети Биткоин – первой системы, созданной на базе технологии блокчейн, в молодой криптоиндустрии обращалось уже довольно приличное количество проектов. Большинство из них были в значительной степени «биткоиноподобными» и отличались от своего генезисного прообраза лишь в мелких «косметических» деталях. Однако и сам проект Биткоин, равно как и большинство его последующих клонов, представляли собой те же самые, обычные децентрализованные платежные системы, достаточно примитивные по своим возможностям. Тем не менее, оценив все преимущества технологии блокчейн, зарождающаяся на ее основе индустрия начала формировать запросы на более сложный функционал блокчейн-сетей. Криптосообщество осознало необходимость в получении более прогрессивных технологических средств, позволяющих начать построение децентрализованных проектов на новом качественном уровне.

И такой инструментарий действительно был предложен в конце 2013 года одним из криптоэнтузиастов, известным сообществу на тот момент как редактор журнала Bitcoin Magazine. Им был Виталик Бутерин, 19-летний канадский программист с русскими корнями, представивший описание проекта Ethereum, возможности которого привлекли к себе повышенное внимание. В Ethereum были представлены совершенно новые концепции, далеко выходящие за рамки потенциала привычных блокчейн-проектов. Более того, данный проект совершенно не позиционировался как платежная система, а фактически являлся блокчейн-платформой нового поколения. Самым главным нововведением стала система так называемых «умных контрактов», или, как их принято называть в криптоиндустрии, смарт-контрактов. Структуру и принципы работы смарт-контрактов мы рассмотрим позднее, а сейчас отметим основные свойства, отличающие проект Ethereum от Биткоина и ему подобных систем.

Начнем с формирования адресов. Как и проект Биткоин, Ethereum использует схожий алгоритм их создания, но не преобразует их в более «читаемый» вид, оставляя хеш публичного ключа практически без изменений. Это было сделано отчасти еще и потому, что Ethereum, как упоминалось выше, не задумывался изначально как платежная система. Поэтому формирование адресов с более удобной визуализацией, помогающей ручному набору, в этой системе делать не стали. Помимо различий в формировании адресации, создателями проекта было принято решение, что блоки в системе будут создаваться значительно быстрее, чем в сети Биткоин. При этом их размер будет ограничен не количеством байт, а требуемой вычислительной мощностью на обработку данных блока. Подобные меры действительно были оправданными, поскольку наличие смарт-контрактов, как мы убедимся при их более подробном изучении, фактически обязывает разработчиков вводить такого рода лимиты.

Майнинг в сети Ethereum существенно отличается от принципов, на основе которых работает Биткоин, хотя тоже использует для нахождения блоков принцип доказательства работы (Proof-of-Work). Управление сложностью вычислительной задачи, как и в Биткоин, зависит от совокупного хешрейта сети. Однако сама степень сложности значительно снижена, поэтому на создание блока Ethereum требуется гораздо меньше времени. В настоящий момент среднее время создание блока в сети Ethereum составляет около тринадцати секунд – по сравнению с десятью минутами в сети Биткоин. То есть пока в сети Биткоин создается один блок, в Ethereum их будет около пятидесяти. Это привело к тому, что база блоков и транзакций сети Ethereum уже сопоставима по размеру с базой Биткоина, и это несмотря на то, что сеть Ethereum возникла на шесть с половиной лет позже, чем проект, положивший начало блокчейн-индустрии. Для расчетов внутри сети, в том числе для оплаты транзакционных комиссий и формирования вознаграждения за майнинг, используется криптовалюта под названием «эфир» (Ether). В случае, когда сложность поиска валидного хеша при майнинге относительно невысока, блоки в сети создаются довольно быстро. А значит, и величина вознаграждения за майнинг пропорционально невелика и совершенно несопоставима по ценности с премией для создателей блоков в сети Биткоин.

Описывая принципы децентрализованного майнинга в сети Биткоин, мы рассматривали ситуацию коллизии в случае, если разные узлы находят блоки в пределах десятиминутного временного интервала. Образующиеся при этом ответвления в цепочке блоков в конечном итоге должны быть отброшены сетью в пользу более длинной цепочки. Похожий принцип используется и в сети Ethereum. Однако из-за того, что блоки в ней создаются почти в пятьдесят раз быстрее, ситуация с возникновением конкурирующих найденных блоков встречается примерно во столько же раз чаще. Поэтому сеть Ethereum почти всегда находится в состоянии, при котором у нее имеются альтернативные цепочки, угрожающие целостности сети, так что постоянно надо делать выбор в пользу более ценного для системы ответвления. В Ethereum для этого используется протокол GHOST (Greedy Heaviest Observed Sub Tree – «жадное и наиболее весомое из известных ответвлений»). Он отдает предпочтение тем ответвлениям с блоками, на добычу которых было затрачено больше вычислений.

Исходя из того, что конкурирующие блоки довольно часто создаются почти одновременно, возникает вопрос, как вознаграждать майнеров. Если поощрять только одного майнера-победителя, тогда для остальных, также нашедших блок, это станет существенной демотивацией. Поскольку майнеры-конкуренты проводят столь же сложную вычислительную работу, создатели системы решили, что будут выделять часть вознаграждения еще максимум двум параллельно найденным, но не принятым сетью блокам. Такие блоки назвали uncles (от английского uncle – «дядя»), поскольку они являются родственными в силу общего «блока-предка». Майнеры, их создавшие, также получают определенную премию, хотя и меньшую, чем те, которые создают блок, принятый сетью как истинный, – для этого существует специальная формула распределения вознаграждения.

Сама непосредственная процедура майнинга эфиров также отличается от проекта Биткоин. В сети Ethereum используется совершенно иной алгоритм поиска валидных хешей, который разработчики назвали Ethash. Проблема исключительного расхода электроэнергии на добычу биткоинов всегда вызывала озабоченность у создателя проекта Ethereum Виталика Бутерина. Поэтому он решил бороться с чрезмерным увеличением совокупного хешрейта в своем проекте, и в первую очередь – с использованием для майнинга устройств ASIC. В связи с этим было принято решение об усложнении алгоритма перебора хешей до уровня, при котором потребовалось бы существенно больше оперативной памяти, чем алгоритму SHA-256, используемому в сети Биткоин.

Как известно, крупные майнеры получают серьезные вычислительные мощности, конструируя фермы, составленные из устройств ASIC. Наличие ферм считается негативным фактором для любой блокчейн-сети, поскольку они усиливают степень централизации майнинга. А это, в свою очередь, противоречит первоначально задуманному плану – максимально устранить любые возможные точки избыточной консолидации вычислительной мощности при управлении сетью. В одном из своих многочисленных интервью Виталик Бутерин рассказал историю о том, что он, будучи в весьма юном возрасте, проводил много времени за популярной компьютерной игрой World of Warcraft. Время от времени его виртуальный персонаж терял свои способности из-за коррекции игрового баланса, который периодически проводили разработчики компании Blizzard, не считаясь с мнением игрового сообщества. После каждого подобного изменения в правилах игры молодой человек испытывал сильное эмоциональное потрясение из-за того, что его личные усилия для развития своего персонажа практически сводились к нулю. Это происходило из-за неких централизованных решений, на которые лично он не мог никоим образом повлиять. По всей видимости, психологические травмы юности оказали значительное влияние на мировоззренческие позиции Бутерина, который пришел к выводу, что централизация управления есть абсолютное зло.

Несмотря на принятые Бутериным меры по усилению требований к объему памяти для майнинга, полностью защититься от появления ASIC-устройств для сети Ethereum, к сожалению, не получилось. Однако удалось существенно снизить хешрейт для добычи криптомонет этим видом устройств и, как следствие, повысить степень децентрализации майнинга, сделав его таким образом более конкурентным. Если сравнить два майнинговых устройства для сети Биткоин и Ethereum, то мы увидим, что майнер для добычи эфиров перебирает хеши в десятки тысяч раз медленнее, чем его биткоиновый аналог. Это происходит потому, что при майнинге эфиров алгоритм Ethash предусматривает постоянное обращение в оперативную память, где размещены дополнительные данные, необходимые для корректной работы майнинговой процедуры. Эти частые обращения замедляют работу алгоритма настолько, что разница в скорости перебора хешей составляет не менее четырех порядков.

Этот подход позволил также сохранить возможность майнинга монет эфира обычными графическими процессорами видеокарт, что серьезно повышает степень децентрализации процесса нахождения новых блоков Ethereum. В целом же вся сеть Ethereum потребляет чуть ли не втрое меньше электроэнергии, чем сеть Биткоин, хотя и эта величина продолжает оставаться весьма значительной. Поэтому разработчики проекта Ethereum по-прежнему серьезно озабочены проблемой энергоемкости своего проекта и планируют в ближайшее время коренным образом пересмотреть принципы создания блоков в сети. В настоящее время сеть Ethereum находится в процессе постепенного отказа от майнинга на основе протокола консенсуса Proof-of-Work в пользу принципа «доказательства владения» (Proof-of-Stake), которому будет посвящен отдельный рассказ.

Что же касается основной расчетной криптовалюты сети Ethereum – эфира, то в отличие от биткоинов, которые подлежат разделению на 100 млн частей, или могут принимать минимальное значение в восьмом знаке после запятой, эфир разделяется на квинтиллион частей, или на целых 18 десятичных знаков. Мельчайшая частица эфира называется Wei в честь Вэй Дая, создателя проекта B-money, одна миллионная часть эфира названа Szabo в честь Ника Сабо, изобретателя смарт-контрактов и автора проекта Bit Gold, считающегося наиболее близким к самому проекту Биткоин. И, наконец, одна тысячная часть эфира получила название Finney в честь Хэла Финни, одного из разработчиков криптографического PGP-протокола и контрагента Сатоши Накамото по самой первой сделке в сети Биткоин в январе 2009 года.

Еще одним важным отличием от биткоинов является то, что эмиссия эфиров на текущий момент никак специально не ограничена и, таким образом, может быть подвержена инфляции в будущем. Когда Виталик Бутерин представлял свой проект, он одномоментно создал и продал инвесторам около 60 млн монет эфира, выручив за них биткоины на сумму примерно $18,5 млн. Еще около 12 млн монет эфира Бутерин поместил в резервы для будущего финансирования развития проекта. Подобный единовременный выпуск монет обычно называют премайнингом.

Сама платформа была запущена 30 июля 2015 года. С тех пор за прошедшие без малого четыре года при помощи уже обычных процедур майнинга было проведено эмиссий на чуть более чем 30 млн монет. Таким образом, их общее количество превысило 100 млн с совокупной текущей капитализацией чуть менее $20 млрд. По своей популярности эфиры прочно удерживают второе место в криптовалютной индустрии после биткоинов и обращаются почти на всех биржах, предлагающих услуги по торговле криптовалютами. Если биткоин обычно называют «криптовалютным золотом», то эфиру достался титул «серебро».