Как запустить свой блокчейн: выбираем движок

Перед разработкой собственного блокчейна ваша команда должна четко понимать, для чего необходим блокчейн и какой бюджет вы сможете выделить на его содержание.

Проектирование и запуск блокчейна имеют свои нюансы. Их можно легко упустить при планировании, если вы неверно оценили объем и сложность задачи.

Чтобы помочь проектам избежать таких ошибок, руководитель отдела исследований MixBytes Сергей Прилуцкий подготовил пошаговое руководство по запуску блокчейна.

Данная статья поможет вам определиться с выбором движка для построения собственного блокчейна. Технические свойства и ограничения блокчейна описаны здесь, выбор алгоритма консенсуса — здесь.

Блокчейн с нуля

Попытки создать блокчейн с нуля без сомнения похвальны, ведь благодаря им появились многие существующие решения. Тем не менее нужно трезво оценивать возможности своей команды.

Написание с нуля кода блокчейн-ноды напоминает создание собственной базы данных с механизмом надежной сетевой репликации. Если вы поищете, сколько таких БД было создано за последние десятилетия, то найдете максимум сотню проектов. Огромной долей рынка владеют всего несколько компаний (Oracle, MS SQL Server, MySQL, PostgreSQL), а разработчики ядра таких систем ценятся крайне высоко.

Для разработки блокчейн-ноды вам придется собрать команду очень крутых и редких специалистов, имеющих опыт работы с многопоточным программированием, криптографией, сетевыми протоколами, сложными внутренними алгоритмами и понимающих работу современных операционных систем.

Особенное место для блокчейнов занимает тестирование, так как алгоритмы консенсуса могут прекрасно себя вести на нескольких валидаторах и совершенно по другому при наличии десятков и сотен узлов под нагрузкой. Увеличение числа разработчиков в данном случае приведет разве что к усложнению коммуникаций внутри команды.

По опыту нашей компании, бизнес-заказчики редко выбирают этот путь. Создание своего блокчейна — это задача для группы исследователей, энтузиастов, которые могут себе позволить работать свободно, не имея жестких сроков и бизнес-плана. Такая команда должна иметь возможность свободно исследовать любой встретившийся вопрос, не сильно заботясь о сроках сдачи проектов. На текущий момент работа над такими проектами, как биткоин и Ethereum, производится независимыми разработчиками по всему миру, без жестких дедлайнов. Внешнее давление бизнес-факторов может сыграть с вашим проектом злую шутку, заставив быстрее решать проблемы, не продумав последствия.

Готовые блокчейн-движки

Я намеренно назвал раздел «движки», так как этот термин в области ПО часто используется для обозначения комплексов разнопланового ПО, предназначенного для решения конкретной задачи. Например, «поисковый движок» или «графический движок» — это не только код, но и вспомогательное ПО, дополнительные утилиты, описания алгоритмов и многое другое. Учитывая существование нескольких основных ядер блокчейнов, на базе которых построены уже существующие сети, будет удобно называть их движками (например, «построен на движке Ethereum»).

Если ваш блокчейн не обладает уникальной архитектурой и ваша задача — доставка решения за определенный промежуток времени, лучшим вариантом будет работа с уже существующими движками. Они позволяют реализовать ваш вид консенсуса и транзакций, по-своему организовать управление валидаторами сети. Вы сможете использовать готовый открытый код, проверенный в реальных сетях. Вам не придется изменять код блокчейн-ноды, а для реализации своей логики нужно будет менять только часть, предусмотренную разработчиками движков. Не внося новых уязвимостей и не решая проблемы сетевого слоя, вы сможете сосредоточиться только на бизнес-логике вашего блокчейна.

Разберем готовые для работы блокчейн-движки, используя которые вы сможете запустить собственный блокчейн, спроектировать и реализовать его внутреннюю экономику и организовать запуск для проведения сложных сделок.

Ethereum

Этот комплекс ПО построен на базе ядра публичного блокчейна Ethereum. Публичный Ethereum использует консенсус типа Proof-of-Work, а его многочисленные тестовые сети — различные виды Proof-of-Authority и Proof-of-Stake консенсусов. ПО отвечает самым строгим критериям безопасности, проверено в десятках реально работающих сетей и, на мой взгляд, является наиболее развитым для создания блокчейнов с любыми видами консенсусов и полноценными, многофункциональными смарт-контрактами.

Нужно отметить роль проекта POA Network, чьи разработчики проделали огромную работу и запустили уже несколько быстрых и надежных сетей. POA Network существенно быстрее оригинального Ethereum, но при этом обладает той же стойкостью и универсальностью для заключения любых сделок, а роль валидаторов (майнеров) исполняют компьютеры, честная работа которых заверяется юридически. Эту сеть можно считать эталоном для запуска корпоративных блокчейнов на базе Ethereum.

Код блокчейн-ноды и консенсус

Существуют две основных имплементации кода ноды Ethereum: на языке Rust (код, названия: poa-parity (старое) или openethereum(новое)) и на Go (код, название: geth).

На момент написания при построении PoA-сети на geth (Go) вам будет доступен только консенсус Clique — это простейший и небезопасный протокол без финализации, который можно использовать только в тестовых целях.

Консенсус, реализованный в poa-parity (Rust), состоит из двух алгоритмов: schedule валидаторов Aura и finality gadget GRANDPA. Именно этот вариант, проверенный и безопасный, работает в POA-сетях на базе Ethereum. POA Network работают также над имплементацией перспективного BFT-консенсуса HoneyBadger.

Отдельного упоминания заслуживает новая блокчейн-нода Nethermind, написанная на C# для платформы .NET Core. Она полностью поддерживает Ethereum, большое число операционных систем и является отличным выбором для компаний, которые используют .NET Core.

Смарт-контракты и управление сетью

POA Ethereum использует виртуальную машину EVM и смарт-контракты, которые лучше всего писать на языке Solidity. EVM давно стала стандартом для виртуальных машин с большим количеством готового кода и паттернов разработки. Код контрактов под EVM отвечает за большие суммы криптовалюты, и любая найденная уязвимость вызывает мощную реакцию сообщества и СМИ, поэтому безопасность контрактов EVM на текущий момент крайне высока.

Управление списком валидаторов осуществляется посредством смарт-контрактов — это потрясающе удобно. Можно оперировать одним или несколькими токенами или вообще избавиться от них. Можно сделать процедуру добавления валидаторов гибкой или максимально упростить, добавив «всемогущий» аккаунт. Мощь этой схемы в том, что буквально один разработчик контрактов может создать полную экономику сети на одной платформе с высочайшим уровнем безопасности и переносимости, реализовав сразу и управление сетью, и логику сделок, и другие свойства.

Дополнительное ПО

С Ethereum можно использовать JavaScript-библиотеку web3.js, вне зависимости от консенсуса, валидаторов и ее расположения.

Для POA Ethereum существует репозитарий для автоматизации операций по развертыванию готовой сети — deployment-playbooks.

Если вы планируете запускать POA Ethereum, используйте эту инструкцию. Она проведет вас от создания ключей валидаторов к запуску первых нод, развертыванию системных контрактов и запуску интерфейса валидаторов и обозревателя блоков.

Готовая POA-сеть Ethereum присутствует в AWS, но я все же рекомендую контролировать запуск своими руками. Вы должны понимать, какие сервисы вы запускаете и как они работают.

EOS и его форки

Вторым по гарантиям работоспособности и безопасности будет EOS. “OS” в его названии появилась не случайно.

EOS можно запустить в качестве отдельной сети, в PoS- или PoA-варианте. Как и Ethereum, это ПО уже проверено в бою, обладает высокой безопасностью и функционалом, который позволяет запустить собственный блокчейн со смарт-контрактами для автоматизации любых сделок

Если Ethereum имеет простую систему адресов, то в EOS сразу же используется иерархическая система аккаунтов и права на различные действия. Все это делает EOS похожей по дизайну на операционную систему — «программу для запуска других программ».

В качестве межкорпоративной платформы EOS позволяет из коробки получить удобную систему управления аккаунтами и быстрый консенсус, а также легко интегрировать практически любой функционал при помощи плагинов на C++ и смарт-контрактов на C++/WebAssembly (например, можно добавить другую криптографию).

Дизайн консенсуса в EOS и быстрые блоки позволяют достичь очень быстрого времени ответа пользователю, что крайне важно для построения децентрализованных приложений со сложным функционалом (например, проекты Cyberway, Golos.io или соцсеть Commun). Cyberway недавно произвел сложнейшую миграцию всей бизнес-логики из предыдущего блокчейна прозрачно для пользователей, что лишний раз доказывает гибкость и универсальность EOS.

Код блокчейн-ноды и консенсус

Код EOS написан на C++ и развивался на основе опыта, полученного разработчиками при работе над движками Graphene, Bitshares, Steemit. Используется собственный вариант DPoS-консенсуса.

Сейчас почти все проекты, использующие DPoS, строят свои алгоритмы очень похожим на EOS образом: это аккаунты, «голосующие» балансом токена за топ валидаторов. Валидаторы подписывают блоки по одиночке, но каждый в назначенный квант времени, согласно расписанию. Затем они коллективно фиксируют так называемый Last Irreversible Block (LIB), на котором собирается 2/3 + 1 подписей от валидаторов.

Многие форки EOS пытаются улучшить это консенсус. Например, наш вариант Haya использует для фиксации LIB другой finality gadget — RANDPA, чтобы достичь времени финальности в 2-3 секунды.

Переход к корпоративному POA-консенсусу не вызывает затруднений, так как список валидаторов управляется системными смарт-контрактами.

Смарт-контракты и управление сетью

Смарт-контракты в EOS используют модифицированную виртуальную машину WebAssembly, обычно пишутся на языке C++ и могут создаваться и использоваться любым аккаунтом. Писать смарт-контракты не сложно, во многом они перекликаются с Solidity.

В EOS, как и в POA Ethereum, управление сетью, основной токен (или токены) и типы транзакций можно реализовать в системных смарт-контрактаx (вот, например, системный токен). Интересной особенностью контрактов EOS является использование абстракции table для хранения данных контракта. В Ethereum в основном используется mapping (ассоциативный массив).

Еще одна особенность смарт-контрактов в EOS — upgradeability. Владелец контракта может заменить его, обновив логику или исправив ошибку. Это сильно отличается от Ethereum, где неизменность контрактов — важное условие, гарантирующее, что логика контракта никогда уже не будет изменена, если не произойдет хардфорк.

Для межкорпоративных блокчейнов, на мой взгляд, возможность изменять код контрактов — важное преимущество. Незаметно что-то украсть здесь все равно не получится, зато обновить код по соглашению сторон можно без всякого участия валидаторов.

В EOS возможно организовать «спонсорские» транзакции, оплачиваемые владельцами контракта, а не самими пользователями. Это мощнейшая возможность для привлечения новых пользователей. Вы ведь помните, что «бесплатных» транзакций без потери безопасности в блокчейнах не бывает?

Дополнительное ПО

BOSCore, Telos, Haya и еще десяток форков EOS доказывают, что это ПО интересно большому количеству проектов. Для EOS существует достаточно инструментов, и вам не придется с нуля реализовывать сопутствующее ПО.

Eosjs — аналог web3.js, позволяет работать с контрактами любой сети на базе EOS из браузера и любых приложений.

EOSTracker — обозреватель блоков с открытым кодом и децентрализованными приложениями для голосований за валидаторов.

У EOS нет одного большого и мощного интегратора, как POA Network для Ethereum, поэтому каждый проект строит собственное решение. Тем не менее, основной код ноды стабилен и работает под серьезными нагрузками без сбоев.

Parity Substrate

Substrate создается командой компании Parity. Разработано огромное количество ПО: кошельки, блокчейн-ноды, системы смарт-контрактов, компиляторы, виртуальные машины.

Parity Substrate позволяет разработчику достаточно легко создать свой вариант блокчейна из готовых модулей со сложным консенсусом и логикой обработки транзакций. Substrate — это конструктор блокчейнов, на котором, к примеру, можно сделать блокчейн-ноду Ethereum или биткоина.

Substrate — это часть крупного проекта Polkadot — системы, состоящей из основной цепочки и множества цепочек-шардов с индивидуальной логикой.

Преимущество «подключения» своего блокчейна к Polkadot заключается в возможности ончейн-обмена данными с другими цепочками и возможностью использовать их контракты, аккаунты, токены без дополнительного ПО.

Код блокчейн-ноды и консенсус

Код Substrate написан на языке Rust. На мой взгляд, в структуре Substrate чувствуется большой опыт команды по созданию блокчейнов, так как все компоненты отлично структурированы, разделены на отдельные модули, а в коде присутствуют подробные комментарии. Доказательством гибкости этого движка является существование клиента для сети биткоина и ZCash на основе кода Substrate.

Что касается консенсуса, то можно выбрать из нескольких готовых вариантов или написать свой собственный. В большинстве случаев это PoA или DPoS, что в случае Substrate означает использование алгоритма Aura и GRANDPA.

Производительность блокчейнов на базе Substrate высока. Основная цепочка Polkadot была протестирована нами в конфигурации с 99 валидаторами, распределенными по трем континентам, и показала отличные результаты.

Преимуществом Substrate я считаю продуманность архитектуры, стек разработки (Rust), и огромное поле для развития. Это крайне гибкая сеть, на базе которой можно построить решения любого уровня сложности.

Смарт-контракты и управление сетью

Substrate, в отличие от Ethereum и EOS, обрабатывает транзакции при помощи кода, который размещается валидаторами, а не пользователями. Это код называется “runtime” и исполняется виртуальной машиной WebAssembly.

Напомню, что runtime — это по сути один большой смарт-контракт, который обновляется валидаторами и собирается разработчиком из отдельных модулей. Модули содержат логику аккаунтов, токенов, сделок любой сложности, и т.д. Именно это свойство превращает Substrate в конструктор. Вполне возможно, для решения ваших задач потребуется просто скомбинировать несколько готовых модулей или незначительно доработать один из них.

Особого упоминания заслуживают модули пользовательских смарт контрактов: WASM и EVM. Они дают возможность пользователям размещать свои смарт-контракты, поэтому запуск универсального блокчейна на Substrate тоже возможен.

Ограничения на запуск транзакций реализуются разработчиками runtime — можно сделать все транзакции за одну и ту же цену, учитывать ресурсы с точностью до бита или сделать все бесплатным и вообще не использовать внутреннюю криптовалюту.

В плане гибкости у runtime есть множество преимуществ — разработчик может комбинировать их, создавать сложные роли, объединять управление сетью, внутреннюю логику и экономику. Учитывать следует лишь то, что обновление кода runtime проводится кворумом валидаторов.

Дополнительное ПО

Для Substrate есть ряд полезных решений: polkascan — обозреватель блоков и комплекс программ на JS для работы с Polkadot и сетями на базе Substrate. Возможно, вам пригодятся ansible-сценарии для развертывания готового кластера на базе Substrate, который мы использовали для тестирования Polkadot.

У Substrate нет богатого выбора универсального ПО, кошельков и обозревателей блоков, как у Ethereum или EOS, так как цепочки могут сильно отличаться между собой. Проект активно развивается, и множество команд параллельно создают сопутствующее ПО.

Cosmos SDK

Cosmos — это проект на базе одной основной цепочки и множества дочерних блокчейнов, называемых «zones». Дочерние цепочки строятся на основе Cosmos SDK — набора ПО для построения блокчейнов.

Cosmos — это продолжение проекта Tendermint, из которого ключевыми технологиями является надежный консенсус и концепция Application, сходная с runtime в Substrate.

Как и в случае Polkadot+Substrate, блокчейн, созданный с помощью Cosmos SDK, может жить отдельно или подключиться к экосистеме Cosmos как дочерняя цепочка.

Весь комплекс ПО Cosmos написан на Go и отлично структурирован и активно используется. На его основе уже работают несколько проектов, среди которых Binance Chain.

Если ваши разработчики пишут на Go — Cosmos SDK может вам подойти. Он работает и активно развивается в реальных проектах, чьи блокчейны и транзакции можно увидеть в публичных сетях.

Код блокчейн-ноды и консенсус

Главная концепция Cosmos называется Application. Любой блокчейн представляет собой машину состояний, и в Cosmos она вынесена в отдельную часть кода.

По сути, разработчик просто задает правила, по которым одни данные превращаются в другие при внешнем воздействии, программируя так называемую функцию state transition. Это сложно звучит, но по факту обработка транзакции — это state transition, которая меняет несколько балансов. Именно этим занимается Application — принимает некоторое воздействие извне (транзакцию) и меняет свое состояние (state). Получившиеся изменения фиксируются в блокчейне. При этом разработчик не должен решать проблемы консенсуса и сети — сеть сама договорится между собой и придет к консенсусу относительно результатов.

Консенсус в Cosmos построен на базе консенсуса Tendermint, крайне близкого к pBFT. Его особенность в том, что подтверждения валидаторов собираются на каждый блок, что означает мгновенную финальность, как только блок принят сетью. Этот алгоритм требует много сообщений между валидаторами, и в случае проблем с сетью этот консенсус будет медленнее финализировать цепочку.

Зато он является наиболее предсказуемым, защищенным от форков, имеет формальные математические доказательства надежности и, по моему мнению, является наиболее строгим и безопасным решением из всех существующих консенсусов.

Смарт-контракты и управление сетью

Application в Cosmos можно рассматривать как единый смарт-контракт, ответственный за обработку всех видов транзакций. Вот пример структуры Application для сервиса регистрации имен.

Одновременно с созданием кода для блокчейн-нод, Cosmos SDK создает код клиента, который умеет формировать транзакции нужных типов.

Для ограничения транзакций в Cosmos, как в Ethereum, используется газ. Исполняя транзакцию, валидаторы вычисляют ее стоимость в условных единицах «gas». Отправляя транзакцию, пользователь указывает цену, которую он готов платить за единицу газа и лимит, который он готов потратить. Это является основанием для вычисления цены за транзакцию.

Важным для Application в Cosmos являются требования к детерминизму кода, т.е. разрабатываемые операции не должны порождать разные результаты в разные моменты времени или на разных архитектурах, иначе блокчейн не будет работать.

Дополнительное ПО

Параллельно с созданием кода Application, Cosmos SDK позволяет сразу же получить код, который вызывает нужные функции с клиентских машин. Этот код можно использовать на сайте, работающем с Cosmos, или в кошельке (клиенте) сети.

На JavaScript я нашел несколько полезных библиотек: js-cosmos, cosmosjs и универсальную js-abci, реализующую интерфейс ABCI. Их удобно использовать, если взаимодействие с вашим блокчейном планируется из браузера. ABCI позволяет создавать Application на разных языках, среди которых Java, C++, Python. Проект lotion, например, позволяет создать блокчейн полностью на Javascript.

Cosmos бурно развивается, на этом движке запускается много разных проектов. Рекомендую обратить на него внимание, если у вас есть экспертиза в Go и вы хотите надежное работающее решение.

Подписывайтесь на канал Forklog в YouTube!