Zkoušky

Search

SearchSearch

Blockchain

Jan 15, 20257 min read

Distribuované transakce

  • Transakce, která zahrnuje více uzlů v DS.
  • Mezibankovný převod (různé systémy), zápis do více různých DB, …

Distribuovaný commit

One-phase commit:

  • Koordinátor zahájí operaci a řekne ostatním, co mají udělat.
  • Problém: Chybí zpětná vazba, pokud uzel nedokáže operaci provést, není koordinátor informován.

Two-phase commit:

  • Koordinátor pošle všem VOTE-REQUEST.
  • Uzel pošle VOTE-COMMIT, pokud je připraven provést commit. Jinak VOTE-ABORT.
  • Pokud koordinátor obdrží od všech VOTE-COMMIT, pošle všem zprávu GLOBAL-COMMIT, jinak GLOBAL-ABORT.
  • Pokud uzel obdrží GLOBAL-COMMIT provede commit.

Problém:

Mnoho bodů selhání, řešení jsou časovače.

  • Uzel, který neobdrží VOTE-REQUEST po čase pošle VOTE-ABORT.
  • Koordinátor ve stavu wait po čase pošle GLOBAL-ABORT.
  • Uzel v ready stavu (čeká na koordinátora) má dvě možnosti:
    • Blokovat dokud koordinátor nepošle zprávu.
    • Po čase kontaktovat jiný uzel a zeptat se zda neobdržel GLOBAL-*
    • Pokud v tomto bodu selže koordinátor, pak nekonečné blokování.

Three-phase commit:

  • Navíc PREPARE-COMMIT zpráva.
    • Koordinátor ve stavu PRE-COMMIT, po čase může poslat GLOBAL-COMMIT.
    • Uzel ve stavu READY nebo PRE-COMMIT analogické jako u 2-fázového commitu, ale pokud je více jak polovina uzlů ve stavu READY, tak VOTE-ABORT.

Blockchain

  • Blockchain je datová struktura pro realizaci distribuované účetní knihovny.

  • Myšlenka blockchainu vznikla v roce 2008, když někdo, který používal pseudonym Satoshi Nakamoto, publikoval bílou knihu s názvem “Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System”. Tato publikace byla zveřejněna na kryptografickém fóru.

  • První blockchain byl implementován jako součást kryptoměny Bitcoin, která byla spuštěna v lednu 2009.

  • Jelikož sdílíme data, tak podle CAP teorému, musíme učinit volbu:

    • Typicky pro blockchain zachováváme AP na úkol C.

  • Bitcoin, Ethereum, Dogecoin, …

  • Ale nejen kryptoměny:

    • DNS, IoT, lékařské záznamy, smart contracts, …

  • Jsou nejen veřejmé:

    • Nějaká míra centralizace, omezení přístupnosti nebo transparentnosti, …
    • Privátní (centralizovaný)
    • Hybridní (řízený důvěryhodným konsorciem, s autentizací)

Bloky a jejich provázání

  • Blockchain - řetězec (provázaných) bloků

  • Blok obsahuje:

    • Data (transakce, záznamy, …),
    • Timestamp,
    • Hash dat (většinou kryptografický),
    • Hash předchozího bloku (většinou kryptografický),
    • …

  • První blok v řetězci se nazývá genesis block

    • Jediný blok, který nemá předchozí hash block.

  • Hash dat zabezpečuje blok:

    • Jelikož používáme kryptografickou hashovací funkci, tak jedna z její podmínek je, že mi malá změna v datech udělá velkou změnu po zahashování.
    • Takže velmi snadná verifikace změny.
    • Předchozí bloky prakticky nelze měnit.

  • Provázání bloků zabezpečuje blockchain:

    • Každý blok potvrzuje předešlé.
    • Potvrzení spočívá v tom, že máme vždy hash předešlého bloku (odkaz).

  • Každý uzel může mít vlastní kopii blockchainu.

  • Stačí shoda jenom na jednom (posledním) bloku.

Shoda, Pow

  • Proof of Work.

Jak funguje:

  • Vytvoření nového validního bloku vyžaduje velké množství práce.
  1. Zájemce posbírá transakce do bloku.
  2. Sestaví základ bloku.
  3. Musí blok doplnit tak, aby vyřešil nějakou výpočetně náročnou hádanku.
  4. Hádanka má upravitelnou obtížnost (dle aktuálních možností sítě).
  • Kdo to zvládne první, získává odměnu za blok (poplatky, nové prostředky, …)
  • Ověření validity bloku (výsledku hádanky) musí být triviální.
  • Změna bloku = přepočítání všech dalších bloků nereálné.

Problémy:

spotřeba, pooly, rychlost

  • Např. Bitcoin a délka nulového prefixu hashe.

Shoda, PoS

  • Proof of Stake.
  • Problémy PoW místo práce zástava.

Jak funguje:

  • Vytvoření nového bloku vyžaduje (relativně) velkou zástavu.
  1. Zájemce (validátor) nabídne zástavu (kryptoměnu daného blockchainu).
  2. Systém vybere zájemce
  • Podle velikosti zástavy,
  • podle dlouhodobé důvěryhodnosti,
  • s prvkem náhody.
  1. Vítěz posbírá transakce do bloku a připojí jej do sítě.
  • Ostatní validátoři ověří plastnosti bloku ( odměna).
    • OK: Vítěz získává odměnu za blok.
    • KO: Vítěz ztrácí zástavu, je penalizován v síti.
  • Podvod vyžaduje mít hodně prostředků útok na sebe sama.

Problém:

Potenciální centralizace bohatství (a moci).

Shoda, další

  • Delegated PoS
  • Proof of Authority
  • Proof of Elapsed Time
  • Practical Byzantine Fault Tolerance

Hrozby

  • 51% útok - ovládnutí většiny v síti.
  • Sybil(a) útok - vydávání se za více účastníků.
  • Eclipse útok - oddělení uzlu.
  • Chyby v chytrých smlouvách (smart contracts) - zneužití bugu.
  • Fyzická/linková vrstva - útok na podpurné vrstvy.
  • Kryptografie - aktuálně kvantové počítače a SHA-256.
  • DDoS - přetížení sítě.
  • Sociální inženýrství - útoky na uživatele obecně.

Bitcoin

  • První úplná implementace DLT.
  • Alternativa k fiat měnám.
  • Fixní počet 21,000,000 BTC
  • 1 BTC = Satoshi (lze rozdělit).
  • Na začátku byla odměna 50 BTC v bloku.
    • Halving každých 210.000 bloků.
  • Hashovací funkce SHA-256
  • Privátní klíč podepisuje transakce
  • Veřejný klíč ověřuje
  • Velikost bloku do 1MB (dnes už 4MB)
  • PoW: Doplnit blok o nonce(číslo), aby hash měl prefix .
  • Délka prefixu je nastavitelná.

Ethereum

  • ”Druhá nejvýznamnější” kryptoměna.
  • Záměr: Blockchain může poskytovat více než jen měnu (smart contracts).
  • Nemá limit, ale má jiné nástroje pro omezení inflace.
  • Hash: Keccak-256 (modifikace SHA-3).
  • Primární klíč podepisuje.
  • Veřejný klíč ověřuje.
  • Původně PoW, paměťově náročné operace.
  • Nyní PoS. Snížení spotřeby o 99%.
  • Podporuje smart contracts:
    • součástí je EVM (Ethereum Virtual Machine)
    • Vlastní bytekód, Turingovsky úplný.
    • Jazyky: Solidity, vyper
    • V transakci očekává vstup a platbu.

*Shoda, bitcoin jak byla probírána s panem doktorem Trnečkou.

Shoda

  • Practical Byzantine Fault Tolerance je algoritmus navržený pro dosažení tolerance Byzantských chyb v DS. Tato tolerance je klíčová v situacích, kdy některé komponenty systému mohou selhat nebo jednat zákeřně.

Základní princip fungování:

  • Role uzlů:
    • Klienti:
      • Klienti jsou entitami, které iniciovaly transakce a chtějí je provést v DS.
    • Uzly:
      • Uzly, které udržují kopie stavu systému a spolupracují na dosažení shody ohledně transakcí.
  • Fáze algoritmu:
    • Fáze pre-prepare:
      • Klient pošle žádost o transakci primárnímu uzlu.
      • Ten pošle ostatním PRE-PREPARE zprávu spolu s next-sequence number (NSN) a daným požadavkem.
    • Fáze prepare:
      • Uzel obdrží PRE-PREPARE zprávu a přijme ji pokud neobdržel žádnou další zprávu s daným NSN a pošle PREPARE zprávu ostatním uzlům.
    • Fáze commit:
      • Uzel čeká až obdrží nadpoloviční většinu PREPARE a následně pošle COMMIT zprávu.
      • Poté čeká na nadpoloviční většinu COMMIT zpráv a následně provede požadavek.
      • Nakonec pošle REPLY klientovi.

Problémy:

  • Při vytvoření nového bloku je tento blok broadcastem poslán všem uzlům.

  • Každý uzel si blok přidá do svého blockchainu.

  • Může dojít ke kolizi - uzel obdrží více různých bloků.

    • Dojde k větvení, což lze vyřešit, že uzel náhodně vybere nejdelší větev.

  • Nyní může dojít k livelocku, protože přidání bloku je rychlejší než jeho poslání do sítě, což lze vyřešit časovačem.

  • Ale jakou dobu vybrat - čím delší, tím méně větvení, ale pomalejší přidání bloku.

  • A co když uzel bude “podvádět” a neustále, bez ohledu na časovač, přidávat bloky?

    • Existují nějaké hw řešení, ale ty jsou nedostatečné.
    • Takže potřebujeme zpomalit vytvoření samotného bloku.
      • Na vytvoření bloku musíme vyřešit složitý matematický problém.
      • Potřebujeme ale snadnou verfikaci, že problém byl správně vyřešen.
      • Tohle se běžně označuje jako proof-of-work.

Bitcoin

  • V bloku jsou uloženy transakce

    • Zjednodušeně: kdo, komu, kolik.
    • V bloku je minimum informací, kompletní data jsou uložena centrálně.
    • Asymetrické šifrování (Eliptické křivky):
      • Bitcoin využívá asymetrického šifrování založeného na eliptických křivkách.
      • Každý účastník sítě má dva klíče: veřejný a soukromý.
      • Veřejný klíč se používá k vytvoření adresy peněženky.
      • Soukromý klíč slouží k podepisování transakcí.
    • Veřejný klíč = peněženka
      • Veřejný klíč je veřejně sdílená adresa peněženky, kterou může kdokoli znát.
      • Peněženka je v podstatě kombinací veřejného klíče a privátního klíče.
      • Kdo zná váš veřejný klíč, může vám poslat Bitcoin.
    • Digitální podpis pro verifikaci:
      • Při provedení transakce je třeba ji digitálně podepsat.
      • To znamená použití soukromého klíče k vytvoření digitálního podpisu.
      • Tento digitální podpis spolu s veřejným klíčem (adresou peněženky) umožňuje ostatním členům sítě ověřit, že transakce byla skutečně provedena majitelem příslušné peněženky.

  • Bitcoin blockchain jsou všechny transakce od samotného počátku.

  • Mining je vytvoření nového bloku za pomoci proof-of-work.

Vytvoření bloku

  • Umístění transakcí do bloku, přidání odkazu a ověření podmínke.
  • Cílem je uhodnout jaké data (nonce) přidat k datům nové transakce, aby výsledný hash měl na začátku aspoň nul.
    • určuje obtížnost, která se mění každých 2016 bloků.
  • Přidáním bloku se získá odměna, což jsou nové bitcoiny.
  • Blok je považován za potvrzený, pokud jej potvrzuje a více bloků.

Další informace

  • Alternativní algoritmy:
    • proof-of-stake
    • proof-of-space
    • proof-of-authority
    • proof-of-elapsed-time
    • …
  • Minimální škálovatelnost počtu transakcí za sekundu

Graph View

Backlinks