Файл: Д. А. Качан, заместитель директора по научной работе.pdf

ЦИФРОВАЯ ТРАНСФОРМАЦИЯ, № 4 (5), 2018 44
УДК 37:004
НАУЧНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ. ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
Технологии распределенных реестров и перспективы их использования в системе образования
Д. А. Качан, заместитель директора по научной работе
E-mail: kachan@giac.by
Учреждение «Главный информационно-аналитический центр Ми- нистерства образования Республики Беларусь», ул. Захарова, д. 59,
220088, г. Минск, Республика Беларусь
Аннотация. В статье рассмотрены особенности технологии распределенных реестров на базе использования де- централизованных пиринговых сетей. Подробно рассмотрена история возникновения и развития технологии рас- пределенных реестров, проанализированы предпосылки роста ее популярности в различных сферах. Выявлены основные достоинства и недостатки технологии распределенных реестров в целом, а также децентрализованных
(permissionless) и эксклюзивных (permissioned) Блокчейн-платформ в частности. Описаны принципы функциони- рования криптовалют на основе Блокчейн-технологии, в том числе их эмиссии (чеканки). Выявлены основные тенденции развития Блокчейн-технологии на современном этапе. Представлен анализ возможностей использо- вания технологии распределенных реестров органами государственного управления, в том числе в системе обра- зования, в целях повышения безопасности и автоматизации выполняемых функций.
Ключевые слова: технология распределенных реестров; Блокчейн; криптовалюта; майнинг; пиринговые сети; электронные платежи; Proof-of-Work (POW); биткоин; Proof-of-Stake (POS); смарт-контракты; информационные технологии в образовании
Для цитирования: Качан, Д. А. Технологии распределенных реестров и перспективы их использования в системе образования / Д. А. Качан // Цифровая трансформация. – 2018. – № 4 (5). – С. 44–55.
© Цифровая трансформация, 2018
Distributed Ledger Technologies and Prospects of Their Use in the
Education System
D. A. Kachan, Deputy Director of Research
E-mail: kachan@giac.by
Establishment “The Main Information and Analytical Center of the Ministry of Education of the Republic of Belarus”, 59 Zakharova
Str., 220088 Minsk, Republic of Belarus
Abstract. The article discusses the features of distributed ledger technology based on the use of decentralized peer-to- peer networks. The history of the emergence and development of distributed ledger technology considered in detail, the prerequisites for the growth of its popularity in various fields are analyzed. The main advantages and disadvantages of distributed ledger technology in general, as well as decentralized (permissionless) and exclusive (permitted) blockchain platforms in particular, are revealed. The principles of functioning of cryptocurrencies on the basis of blockchain technology, including their issue (coinage) are described. The state of blockchain technologies from the point of view of technology maturity is considered. The main trends in the development of blockchain technology at the present stage are revealed. An analysis of the possibilities of using distributed ledger technology of public administration, including in the education system, in order to improve the safety and automation of functions is presented.
Key words: distributed ledger technology; blockchain; cryptocurrency; mining; peer-to-peer networks; electronic payments; Proof-of-Work (POW); bitcoin; Proof - of-Stake (POS); smart contracts; information technologies in education
For citation: Kachan D. A. Distributed Ledger Technologies and Prospects of Their Use in the Education System. Cifrovaja
transformacija [Digital transformation], 2018, 4 (5), pp. 44–55 (in Russian).
© Digital Transformation, 2018
1. Введение. Технология распределен- ных реестров (далее — Блокчейн) вызывает огромный интерес как у представителей биз- нес-сообщества, так и органов государственно-
brought to you by
CORE
View metadata, citation and similar papers at core.ac.uk

DIGITAL TRANSFORMATION, No 4 (5), 2018 45
го управления. На данную технологию возла- гают большие надежды, считая ее прорывной в части обеспечения надежности хранения дан- ных, обеспечения информационной безопас- ности. На Всемирном экономическом форуме в 2016 году технология распределенных рее- стров была признана одной из наиболее дина- мично развивающихся и перспективных [1]. Ис- следования теории развития информационного управления считают, что технологии распреде- ленных реестров могут быть широко задейство- ваны в будущих инновационных системах кон- троля и отчетности [2].
Предпринимаются попытки провести стан- дартизацию технологии, ее архитектуры и он- тологии, определить требования к программ- но-аппаратным и программным средствам, а также регламентировать сферы применения технологии Блокчейн для широкого внедре- ния. Так, в Российской Федерации издан приказ
Федерального агентства по техническому регу- лированию и метрологии от 15 декабря 2017 г.
№ 2831 «О создании технического комитета по стандартизации “Программно-аппаратные средства технологий распределенного реестра и Блокчейн”».
В Республике Беларусь «легализация» при- менения данной технологии определена Декре- том № 8 Президента Республики Беларусь «О раз- витии цифровой экономики» [3].
В средствах массовой информации поя- вилась и продолжает появляться информация о внедрении данной технологии, формируются бизнес-ассоциации, занимающиеся данной про- блематикой.
Основная часть.
2. Основы для роста популярности тех-
нологии распределенных реестров. Для ана- лиза возможностей применения технологии необходимо обозначить условия, определив- шие возникновение технологии распределен- ных реестров. Зарождение технологии связано с потребностями финансового рынка США и по- пытками оптимизировать схемы безденежных платежей с переводом финансовых транзакций в цифровую среду.
Учитывая бурный рост ИКТ в 1990-х годах и становление цифровой эпохи в указанный пе- риод, ненадежность работы популярного в то время криптографического алгоритма шифро- вания RSA и его низкую скорость работы, иссле- дователи активно начали разработки в данном направлении и к 2000-м годам уже сформиро- вались разнообразные подходы и технические решения, предназначенные для осуществления финансовых микротранзакций. Особо сильно исследователей интересовал вопрос аноним- ности микротранзакций ввиду роста популяр- ности в начале 1990-х годов таких течений, как шифро-панк и крипто-анархизм [4] (из деятелей современности в данном направлении можно выделить Джулиана Пола Ассанжа, основателя известной международной некоммерческой ор- ганизации WikiLeaks).
Исследователи выделили несколько групп решений возникших проблем [5]:
1. Онлайн решения, представленные в виде:
– банковских карт;
– систем анонимных микротранзакций на основе протокола NetBill;
– электронных денег DigiCash и NetCash, электронной чековой книжки NetCheque.
2. Решения на основе использования физи- ческих носителей и вычислительных мощностей, представленные в виде:
– электронных кошельков, представляющих собой защищенную смарт-карту с пополняемым пользователем балансом;
– системы микротранзакций MicroMint, фактически являющейся прообразом технологии распределенных реестров.
3. Решения на основе схемы подписки.
4. Решения на основе цифровых купо- нов — системы PayWord, NetCard, PayTree, micro-iKP.
5. Решения на основе вероятностных схем, предполагающие, что пользователь обозначает свои намерения по осуществлению транзакции, а момент ее завершения зависит от вычислитель- ных мощностей и сформированной очереди на- мерений.
Предложенная модель группировки реше- ний не является показательной в связи с тем, что окончательные технологические решения зача- стую являются комбинированными и сочетают в себе элементы различных групп из перечислен- ных выше.
Среди ограничивающих факторов разви- тия и распространения технологий в период их зарождения выделялись такие, как ограничен- ность в вычислительных мощностях серверов и низкий уровень развития ИКТ. В это же время стало известно об основных недостатках предло- женных решений:
– потребность в наличии постоянного до- ступа к сети (следствие низкого уровня развития

ЦИФРОВАЯ ТРАНСФОРМАЦИЯ, № 4 (5), 2018 46
ИКТ) (фактически проблемой являлось мошен- ничество с электронными платежами, в том чис- ле схемы двойного использования электронных денег, превышение лимита средств на счету, при нахождении в режиме отсутствия подключения к сети и серверной инфраструктуре);
– потребность участия в «гонке вооруже- ний» вычислительных мощностей для обеспече- ния масштабирования системы и, прежде всего, поддержания должного уровня информационной безопасности);
– отсутствие анонимности транзакций поль- зователей вопреки ожиданиям потребителей;
– низкая скорость транзакций;
– сложность построения системы;
– высокие затраты на обработку и хранение данных, в том числе высокая стоимость компью- терных вычислений, накопителей данных, вы- сокие энергозатраты и необходимость создания специализированных центров обработки данных с повышенными требованиями к охлаждению вычислительного оборудования.
Ряд обозначенных проблем являются исто- рическими и обусловлены тем, что идеи обогнали имеющиеся в наличии технологии, однако мно- гие проблемы так и остались нерешенными.
3. Технология распределенных реестров.
Рост популярности технологии распределенных реестров принято связывать с именем Сатоши На- камото, который в 2008 году опубликовал статью
«Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System» [6].
Основная задача, решаемая предложенной технологией — создание механизма формирова- ния реестра записей о транзакциях в условиях отсут- ствия доверительных отношений между участника- ми, т. е. создание журнала транзакций, из которого ни один участник не может удалить запись или под- делать ее. Основным принципом доверенной сре- ды является децентрализация хранения журнала и механизм гарантии его идентичности.
3.1. Основы решения. Фундаментом схем- ного решения, предложенного разработчиками
Блокчейн, является ряд технологий, разработан- ных в период 1980–2000-х годов, среди которых наиболее важными являются:
1) анонимизация электронных платежей с отслеживанием состояния для предотвращения двойного использования электронных монет [7];
2) технология сопряженных меток времени транзакций для их формирования в связанные цепочки [8, 9, 10, 11], изначально разработанная для нотариального заверения деловой переписки и контрактов в цифровом виде;
3) технология построения структуры данных путем вычисления хэш-функций (дерево Меркла) на основе патента США №4309569, опубликован- ного 05.01.1982;
4) технология синхронизации состояния распределенной системы при обмене данными в недоверенной среде [12], которая была впер- вые предложена для защиты от спама, рассылае- мого по электронной почте [13].
5) технология децентрализованного хране- ния и обмена данными посредством одноранго- вых (пиринговых) сетей.
3.2. MicroMint. В 1996 году авторами алго- ритма шифрования RSA Р. Райвестом и А. Шами- ром была опубликована работа «PayWord and
MicroMint: two simple micropayment schemes»
[14], определившая основные вопросы обеспе- чения безопасности инновационной системы ми- кротранзакций и содержащая принципы функци- онирования 2-х различных по принципу работы систем осуществления финансовых транзакций.
Можно утверждать, что одна из двух пла- тежных систем (MicroMint) является прародите- лем технологии, предложенной С. Накамото.
Основным отличием в этих системах яв- ляется то, что «чеканку» электронных монет в системе MicroMint осуществляет так называе- мый брокер, фактически реальный банк, что не подрывает олигополию банковской системы, являющуюся естественным регулятором про- цесса «производства» денежной массы. В соот- ветствии с предложенным решением генерация осуществляется в течение месяца для исполь- зования монет в последующем месяце. Поль- зователь приобретает электронные монеты у брокера и тратит их в сети Интернет. Продавец в течение дня возвращает электронный жетон брокеру в обмен на реальные деньги. В конце месяца происходит обнуление сгенерированной массы виртуальных монет.
Недостатком данной системы, не позво- лившим ей обрести популярность наследницы, является именно ориентирование на олигопо- лию — на момент изобретения данного решения стоимость компьютерного оборудования была значительной и проект требовал больших инве- стиций при распространении в то время глобаль- ной идеи децентрализации и борьбы с засильем корпораций.
В начале 2000-х годов началась эпоха бур- ной компьютеризации, роста и доступности вы- числительных мощностей. Вместе с тем, предло- женная технология предполагала безоговорочное

DIGITAL TRANSFORMATION, No 4 (5), 2018 47
вычислительное преимущество серверных мощ- ностей брокеров, осуществляющих вычисление коллизий хэш-функции при генерации электрон- ных монет. При невыполнении этого требования снижалась криптографическая стойкость систе- мы [15].
3.3. Блокчейн Накамото. Предложенная
Сатоши Накамото технология распределенных реестров, получившая впоследствии название
«Блокчейн», сочетает в себе перечисленные выше решения, либо решения, полученные в ре- зультате их эволюционного развития. Однако наи- более значимым решением является изобрете- ние механизма обеспечения работоспособности этой технологии.
На примере MicroMint уже был известен ос- новной недостаток подобных систем — снижение с течением времени криптографической стойко- сти. Накамото удалось решить данную проблему, сохранив принцип обеспечения вычислительных мощностей брокерами, однако обеспечив такую возможность любому пользователю технологии, то есть фактически нарушив существовавшую ве- ками банковскую олигополию.
Технология стала базироваться на соревно- вании между участниками и ориентировалась ис- ключительно на общество потребления.
Механизм Блокчейн базируется на техно- логии защиты от спама и DOS-атак, которая пред- полагает осуществление ряда компьютерных вы- числений, требующих гарантированных затрат некоторого неопределенного количества време- ни и ресурсов, превышающих суммарную выгоду от вероятных действий злоумышленника.
Изобретение Накамото предполагает, что данные вычисления направлены на обеспечение безопасности и поддержку работы всего реестра.
Участники сети обмена данными распределен- ного реестра выполняют вычислительные задачи и первый участник, нашедший решение, получает право внести в реестр новые записи о транзакци- ях в виде отдельного блока цепочки. В обмен на использование вычислительных мощностей поль- зователя и затрачиваемые ресурсы, пользователь получает некоторое вознаграждение в виде так называемой криптовалюты.
3.4. Децентрализация системы. Основ- ным принципом построения систем, исполь- зующих распределенные реестры, является децентрализация — абсолютное равноправие объединенных между собой электронно-вы- числительных устройств, которые имеют равно- значные функции, и являются клиентом и сер- вером одновременно. Сети, работающие по такому принципу, называются одноранговыми или пиринговыми сетями и представляют собой равноправное объединение ЭВМ всех участ- ников, называемых в таких системах пирами.
От клиент-серверной архитектуры, которая лег- ла в основу построения Интернета, такие сети отличаются непосредственно тем, что подобная организация способна сохранить работоспособ- ность всей пиринговой сети при любом количе- стве доступных узлов, а также при любом их со- четании. То есть, при работе с обычными сетями все зависит от пропускной способности самого сервера, а в случае пиринговых сетей такого су- щественного недостатка нет.
Децентрализованная сеть на основе P2P-се- тей обеспечивает естественное ограничение, определяющее информационную безопасность всего вычислительного объединения – ни один вычислительный кластер не должен иметь более
50 % вычислительной мощности.
4. Алгоритмы достижения консенсуса сети
Блокчейн. В основе технологии Блокчейн лежит алгоритм достижения консенсуса в распределен- ной вычислительной сети.
Одним из способов достижения консенсуса является решение так называемой задачи визан- тийских генералов для синхронизации состояния всех вычислительных узлов системы и приведе- ния системы к общему знаменателю [12].
Первое практическое применение решения задачи византийских генералов Byzantine Fault
Tolerance (BFT) заключалось в защите от спама, рассылаемого по электронной почте [13].
Схожий принцип был использован А. Бэ- ком при разработке механизма защиты от спама на основе программного вычисления коллизий хэш-функции заданной сложности [16].
В 2002 году Бэком в статье «Hashcash — a denial of service counter-measure» для за- щиты от DOS-атак был предложен механизм, предполагающий использование особого крипто- графического жетона (token), генерируемого в результате проведения ряда вычислений и яв- ляющегося подтверждением проведенных крипто- графических вычислений (proof-of-work) [17].
Именно принцип Proof-of-Work (POW) и был использован при создании технологии Блокчейн в 2008 году [6].
Таким образом, на текущий момент в ка- честве алгоритмов достижения консенсуса блок- чейн-платформами используются решения на базе BFT либо на базе POW.

ЦИФРОВАЯ ТРАНСФОРМАЦИЯ, № 4 (5), 2018 48
4.1. Алгоритм POW. Принцип работы ал- горитма с POW заключается в следующем: вы- числительный кластер (вычислительный узел, отдельные вычислительные мощности участни- ка гонки вычислений) вычисляет хэш-сумму всех блоков действительных транзакций, находящихся в состоянии ожидания подтверждения. Затем за- пускаются вычисления для нахождения хеш-ко- да в соответствии с установленными правила- ми Блокчейн-платформы в попытке сделать это раньше иных узлов. В случае успеха вычисленная хэш-сумма блока войдет в Блокчейн, а участники вычислительного узла получат вознаграждение в виде криптовалюты.
Вычислительные узлы, работающие с плат- формами на алгоритмах POW в качестве принци- па достижения консенсуса, имеют значительное энергопотребление вне зависимости от резуль- тата — фактически узлы соревнуются в вычис- лительных мощностях и постоянно работают на предельных нагрузках, затрачивая электрическую энергию как на обеспечение вычислений, так и на удаление избытков тепловой энергии и охлажде- ние. В сети Bitcoin мировое годовое потребление электрической энергии превышает 40 ТВт∙ч, что сравнимо с годовым потреблением Республики
Беларусь — свыше 34 ТВт∙ч [18].
Соревновательный характер извлечения прибыли участниками сети Блокчейн приводит к дополнительной проблеме алгоритма POW, которая заключается в создании крупных вычис- лительных кластеров с суммарной вычислитель- ной мощностью, превышающей 51 % всех мощ- ностей сети. Это дает им возможность добавлять новые блоки, манипулировать двусторонним операциями и не подтверждать новые транзак- ции, а также использовать одну и ту же крипто- монету несколько раз.
4.2. Алгоритм PBFT. Алгоритм PBFT (Practical
Byzantine Fault Tolerance) лег в основу алгоритмов консенсуса, используемых Hyperledger, Ripple,
Stellar и Tendermint. PBFT представляет собой развитие теории, сформулированной в [12].
Практическое решение задачи достигается при условии, что более 1/3 вычислительных узлов — доверенные.
Использование алгоритма PBFT имеет ряд ограничений. Алгоритм работает только если все сообщения доставляются, хоть и с задержкой. Си- стемы, построенные на алгоритме PBFT, имеют заранее определенных участников, осуществляю- щих чеканку виртуальных монет (в терминологии
BFT — «генералов»).
Блокчейн-платформы, построенные на ос- нове PBFT и их производных, относят к эксклю- зивным Блокчейн-платформам (Permissioned, в противоположность децентрализованным —
Permissionless).
4.3. Альтернативные алгоритмы консен-
суса. Ввиду очевидных недостатков POW и цен- трализованного принципа построения систем с PBFT, исследователями был разработан ряд альтернативных алгоритмов, например, POS
(Proof-of-Stake, подтверждение доли участия).
Алгоритм в целом схож с POW, однако узлы со- ревнуются не в вычислительной мощности, а в величине ставки криптовалюты на успеш- ность будущих вычислений. Алгоритм значитель- но менее энергозатратный и является развитием алгоритма POW.
5. Недостатки технологии распределен-
ных реестров. Технология распределенных ре- естров, как и технологические решения, на базе которых построен Блокчейн, имеет ряд недо- статков. Часть из них имеет «врожденный» ха- рактер, часть обнаружилась при росте популяр- ности и связана непосредственно с кризисом роста, часть связана с относительной новизной решений и множеством до конца не проанали- зированных моментов. Среди всех недостатков можно выделить один из важнейших — тех- нология распределенных реестров является популярной платформой для реализации мо- шеннических схем, основанных на схеме Пон- ци — финансовой инвестиционной пирамиде, которая предлагает потенциальным участникам осуществить инвестирование в проекты на базе
Блокчейн-технологий.
5.1. Криптовалюта. В качестве опорной среды поддержки предложенного Накамото тех- нологического решения используется существу- ющая телекоммуникационная инфраструктура
(сети связи) и децентрализованные аппаратно- вычислительные узлы участников. Это обеспе- чивает необходимую гибкость системы, ее мас- штабируемость и надежность. Разработчики вве- ли понятие «криптовалюта» как составляющую, определяющую интересы участников вычисли- тельных узлов.
Таким образом, технология распределен- ных реестров базируется на эмиссии (чеканке или «майнинге») собственной псевдоплатежной виртуальной денежной массы и нежизнеспособ- на при отсутствии возможности конвертировать эмитированные виртуальные монеты в реаль- ные финансовые средства, товары и услуги для