УДК 004.04

Применение гибридного технологического подхода для решения трилеммы распределенных реестров

Волков Михаил Юрьевич - старший преподаватель кафедры инструментального и прикладного программного обеспечения МИРЭА - Российского технологического университета 

Визер Александр Николаевич - магистр МИРЭА - Российского технологического университета 

Аннотация: В данной статье рассматриваются проблемы классической архитектуры распределенного реестра, и приводится потенциальное решение на основе графовой структуры. В работе будут рассмотрены такие решения, как single-chain архитектура, DAG и blockDAG. Также будет рассмотрена концепция распределенной системы и ее ограничения, показаны особенности и этапы развития различных архитектур, рассмотрены плюсы и минусы каждого подхода и подробно изучен механизм работы BlockDAG систем.

Ключевые слова: Распределенный реестр, информационная безопасность, BlockDAG, GHOST.

Вступление 

В последние годы наблюдаются существенные изменения в сфере обработки данных и транзакций, обусловленные появлением инновационных технологий, таких как распределенные реестры (блокчейн). Данные технологии инициировали переход от традиционных централизованных систем к децентрализованным моделям в различных отраслях. Помимо блокчейна, в научном сообществе также активно обсуждаются альтернативные подходы, основанные на применении направленных ациклических графов (DAG) и гибридных структур типа BlockDAG.

В представленной статье дается сравнительный анализ базовых концепций и архитектурных решений в DAG, BlockDAG и блокчейне, основанном на топологии одной цепи. Особое внимание уделяется выявлению ключевых различий в целях определения областей эффективного применения данных технологий для решения прикладных задач. Проводится сопоставление уникальных функциональных возможностей и вариантов использования рассматриваемых платформ с целью оценки их потенциала и перспектив развития.

Предметная область

Предметная область данной статьи охватывает инновационные технологии распределенного реестра и обработки транзакций, в частности блокчейн, направленные ациклические графы (DAG) и гибридные решения типа BlockDAG.

Рассмотрение ведется в контексте современных тенденций цифровизации и децентрализации систем обработки данных в различных сферах (финансы, логистика, управление цепочками поставок и т.д.). Анализируются базовые концепции, архитектурные решения, сравнительные преимущества и недостатки перечисленных технологий.

Основное внимание уделяется выявлению ключевых отличий DAG, BlockDAG и блокчейн в плане используемых моделей данных, консенсус-механизмов, схем обеспечения целостности и производительности. Рассматриваются вопросы масштабируемости, децентрализации, скорости проведения транзакций и безопасности.

Проводится обзор и классификация вариантов использования названных платформ для решения прикладных бизнес-задач. Формулируются выводы об областях эффективного применения блокчейн, DAG и BlockDAG в зависимости от требований.

Архитектура блокчейн системы

Блокчейн представляет собой распределенную децентрализованную технологию, лежащую в основе криптовалют, таких как Биткоин[1] и Эфириум[2]. В своей основе блокчейн состоит из цепочки блоков, каждый из которых содержит пакет транзакций. Эти транзакции группируются, верифицируются и добавляются в цепочку в хронологическом порядке. Одной из наиболее определяющих характеристик блокчейна является его неизменность, означающая, что как только блок добавлен, изменение его содержимого становится крайне затруднительным, что гарантирует целостность и безопасность данных.

Процесс добавления новых блоков в цепочку включает в себя механизм консенсуса, общеизвестный как доказательство работы (PoW) или доказательство доли (PoS). Участники сети (майнеры или валидаторы) соревнуются в решении сложных математических задач или размещают свои криптовалютные средства в качестве ставки для подтверждения транзакций и создания новых блоков. Это гарантирует надежную систему в среде отсутствующего доверия, в которой ни один отдельный субъект не обладает полным контролем над сетью.

Трилемма блокчейна изображена на Рисунке 1.

1

Рисунок 1 - Трилемма блокчейна

В текстовом виде ее можно представить в следующем виде:

  • Децентрализация: количество транзакций, которое сеть может обработать за определенный промежуток времени относительно того на сколько централизована сеть.
  • Безопасность: количество усилий которые необходимо приложить для того чтобы заставить сеть финализировать транзакции производимые злоумышленником.
  • Масштабируемость: насколько сильно ухудшаются показатели производительности и задержки сети по мере её роста (например, увеличения количества нод)

Улучшение одного из качеств зачастую приводит к ухудшению других, потому в традиционных блокчейн системах данную проблему крайне тяжело разрешить.

С увеличением пропускной способности, в конечном итоге жертвуется безопасность и попытки устранить эти слабые места в конечном итоге сводят предполагаемые выгоды к нулю. Этот компромисс был впервые исследован в статье Сомполинского[3], одного из основателей концепции BlockDAG.

Применение DAG в концепции блокчейн системы

Одно из критических ограничений топологии с одной цепочкой заключается в том, что сеть может принимать только один блок в единицу времени. Данное ограничение привело к появлению технологий основанных на DAG.

Направленный ациклический граф (DAG) представляет собой альтернативный подход к структурированию и валидации транзакций по сравнению с линейной природой традиционных блокчейн систем. В DAG (Рисунок 2) каждая транзакция связана с множеством предыдущих, образуя сетевую топологию вместо линейной цепи. Подобная структура данных позволяет ускорить обработку транзакций и масштабирование системы, поскольку валидация может выполняться параллельно для множества транзакций.

2

Рисунок 2 - DAG топология сети

В отличие от блокчейна, в DAG отсутствует глобальный механизм консенсуса типа PoW или PoS. Вместо этого, каждая транзакция валидирует две или более предыдущие транзакции перед подтверждением. Этот процесс создает сеть взаимных верификаций, устраняя необходимость в майнерах (PoW) или валидаторах (PoS) и обеспечивая более децентрализованную и легковесную систему.

Проекты на основе DAG, такие как IOTA и Nano, набирают популярность благодаря возможности обработки большого количества транзакций в секунду при минимальных комиссиях за транзакцию и высокой масштабируемости. Однако они сталкиваются с проблемами безопасности и надежности, возникающими из-за отсутствия глобального механизма консенсуса.

Однако с учетом данных плюсов отсутствие механизма консенсуса также приводит к значительному снижению безопасности системы.

Применение BlockDAG в концепции блокчейн системы

Таким образом был изобретен новый виток развития топологии распределенных систем названный BlockDAG.

BlockDAG объединяет свойства обеих технологий — транзакции группируются в блоки, как в блокчейне, но блоки соединены направленным ациклическим графом, что обеспечивает параллельную обработку. BlockDAG консенсус основывается как на подтверждении блоков, так и валидации транзакций в DAG.

Один из основных механизмов вычисления порядка блоков в графовой структуре это присвоение весов. Для измерения «популярности» каждого блока мы прибегаем к протоколу GHOST[4], также предложенному Зохаром и Сомполинским. GHOST помогает рассчитать вес каждого блока из указателей, встроенных в блок DAG. Вес представляет собой коллективные усилия всех блоков, опирающиеся на рассматриваемый блок, даже если эти усилия не скоординированы и разделены на несколько потомков. Основная идея протокол GHOST заключается в том что каждый блок имеет вес 1. Вес каждого блока равен его собственному весу (1) плюс весу всех блоков указывающего на него. Пример изображен на Рисунке 3.

3

Рисунок 3 - Пример BlockDAG структуры с весами

После вычисления весов требуется определить “anchor chain” или основную (якорную) цепочку. Данная цепочка будет являться самым часто проходимым путем, и иметь наибольший вес (Рисунок 4).

4

Рисунок 4 - Пример основной цепочки в BlockDAG архитектуре

 Для дополнения основной цепочки и компенсации проблемы бесконечный перестановок при добавлении новых блоков был придуман механизм названный “ghost pointer”[5] или призрачный указатель. Основная идея данного механизма заключается в том что блок указывает на все блоки находящиеся перед ним, однако выбирается специальный блок названный “terminating block” или блок, завершающий якорную цепочку. Данный блок является блоком из основной цепочки, который находился в момент создания нового блока перед ним. 

Важной деталью здесь является то, что при выборе “terminating block” в расчет берутся веса только блоков содержащих “ghost pointer”, а не уточняющие указатели. Родительскими становятся только блоки, на которые указывает специальный призрачный указатель и данный блок для каждого блока является единственным.

Комбинация данных механизмов избавляет BlockDAG архитектуру от бесконечной перестановки весов при добавлении новых блоков, позволяя иметь безопасную благодаря консенсусу, быструю благодаря графовой архитектуре масштабируемую и децентрализованную систему благодаря отсутствию необходимости жертвовать данными параметрами в угоду достижения лучшей скорости работы.

На текущий момент существуют несколько проектов реализующих концепцию BlockDAG, такие как Kaspa и Taraxa.

Заключение

В рамках данной статьи проведен сравнительный анализ базовых концепций и архитектурных решений в распределенных технологиях обработки транзакций, а именно блокчейн, DAG и BlockDAG:

  • рассмотрена концепция распределенной системы и ее ограничения;
  • показаны особенности и этапы развития различных архитектур;
  • рассмотрены плюсы и минусы каждого подхода;
  • подробно изучен механизм работы BlockDAG систем и их преимущества.

Список литературы

  1. Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System // bitcoin.org : сайт. – URL: https://bitcoin.org/bitcoin.pdf (дата обращения: 25.12.2023)
  2. Ethereum Whitepaper // Ethereum.org : сайт. – URL: https://ethereum.org/en/whitepaper/ (дата обращения: 25.12.2023)
  3. Secure High-Rate Transaction Processing in Bitcoin // Cryptology ePrint Archive : сайт. – URL: https://eprint.iacr.org/2013/881.pdf (дата обращения: 25.12.2023)
  4. PHANTOM GHOSTDAG A Scalable Generalization of Nakamoto Consensus // Cryptology ePrint Archive : сайт. – URL: https://eprint.iacr.org/2018/104.pdf (дата обращения: 25.12.2023)
  5. Consensus mechanism design based on structured directed acyclic graphs // ScienceDirect : сайт. – URL: https://www.sciencedirect.com/science /article/pii/S2096720921000063 (дата обращения: 25.12.2023)

Интересная статья? Поделись ей с другими: