إيثريوم: منصة العقود الذكية والتطبيقات اللامركزية من الجيل التالي

Abstract

Ethereum — это платформа криптовалюты и децентрализованных приложений следующего поколения, которая представляет блокчейн со встроенным Тьюринг-полным языком программирования. Это позволяет любому писать смарт-контракты и децентрализованные приложения, в которых можно создавать собственные произвольные правила владения, форматы транзакций и функции перехода состояний.

Фундаментальная инновация Ethereum заключается в сочетании блокчейн-технологии, впервые разработанной Bitcoin, с универсальной средой программирования. В то время как Bitcoin предоставляет простую систему перехода состояний для перемещения валюты с одного счёта на другой, Ethereum предоставляет платформу, на которой разработчики могут создавать любые децентрализованные приложения, какие только могут себе представить, от альтернативных валют и финансовых инструментов до систем регистрации доменных имён и децентрализованных организаций.

Ethereum достигает этого, создавая по сути окончательный абстрактный фундаментальный слой: блокчейн со встроенным Тьюринг-полным языком программирования, позволяющим любому писать смарт-контракты и децентрализованные приложения, в которых можно создавать собственные произвольные правила владения, форматы транзакций и функции перехода состояний. Минимальная версия Namecoin может быть написана в двух строках кода, а другие протоколы, такие как валюты и системы репутации, могут быть построены менее чем в двадцати.

Introduction and Existing Concepts

Концепция децентрализованной цифровой валюты, а также альтернативных приложений, таких как реестры собственности, существует уже несколько десятилетий. Анонимные протоколы электронных денег 1980-х и 1990-х годов, в основном основанные на криптографическом примитиве, известном как слепая подпись Чаума, обеспечивали валюту с высокой степенью конфиденциальности, но эти протоколы в значительной степени не смогли получить распространение из-за их зависимости от централизованного посредника. В 1998 году b-money Вэй Дая стал первым предложением, представившим идею создания денег путём решения вычислительных задач, а также децентрализованного консенсуса, однако предложение содержало мало деталей о том, как децентрализованный консенсус может быть реально реализован.

В 2009 году децентрализованная валюта была впервые реализована на практике Сатоши Накамото, объединившим устоявшиеся примитивы управления собственностью через криптографию с открытым ключом с алгоритмом консенсуса для отслеживания владения монетами, известным как «доказательство работы» (proof of work). Механизм, лежащий в основе доказательства работы, стал прорывом в этой области, поскольку он одновременно решал две проблемы. Во-первых, он предоставил простой и умеренно эффективный алгоритм консенсуса, позволяющий узлам сети коллективно согласовывать набор канонических обновлений состояния реестра Bitcoin. Во-вторых, он предоставил механизм свободного входа в процесс консенсуса, решая политическую проблему определения того, кто может влиять на консенсус, одновременно предотвращая атаки Сибила.

Блокчейн Bitcoin доказал свою замечательную устойчивость за годы работы, но он по своей природе ограничен. Скриптовый язык Bitcoin намеренно разработан как ограничительный и не-Тьюринг-полный, лишённый циклов и многих других возможностей, которые были бы необходимы для создания более сложных приложений. Это ограничение существует для предотвращения бесконечных циклов и других форм вычислительных атак, но оно серьёзно ограничивает то, что может быть построено поверх Bitcoin.

За последние пять лет было предпринято множество попыток расширить функциональность Bitcoin. Colored coins стремились использовать блокчейн Bitcoin для отслеживания владения альтернативными активами, Namecoin пытался создать децентрализованную базу данных регистрации имён, а различные протоколы metacoin были направлены на создание дополнительных слоёв поверх Bitcoin. Хотя эти подходы показали перспективность, они были в конечном счёте ограничены скриптовыми возможностями Bitcoin и невозможностью доступа к данным блокчейна из скриптов.

То, что Ethereum намеревается предоставить — это блокчейн со встроенным полноценным Тьюринг-полным языком программирования, который может использоваться для создания «контрактов», способных кодировать произвольные функции перехода состояний, позволяя пользователям создавать любую из описанных выше систем, а также многие другие, которые мы ещё не представили, просто записывая логику в нескольких строках кода.

Bitcoin As A State Transition System

С технической точки зрения реестр криптовалюты, такой как Bitcoin, можно рассматривать как систему перехода состояний, где есть «состояние», состоящее из статуса владения всеми существующими биткойнами, и «функция перехода состояний», которая принимает состояние и транзакцию и выдаёт новое состояние как результат. В стандартной банковской системе, например, состояние — это балансовый отчёт, транзакция — это запрос на перевод \(X от A к B, и функция перехода состояний уменьшает значение на счёте A на \)X и увеличивает значение на счёте B на \(X. Если на счёте A изначально менее \)X, функция перехода состояний возвращает ошибку.

«Состояние» в Bitcoin — это совокупность всех монет (технически, «неизрасходованных выходов транзакций» или UTXO), которые были выпущены и ещё не потрачены, при этом каждый UTXO имеет номинал и владельца (определяемого 20-байтовым адресом, который по сути является криптографическим открытым ключом). Транзакция содержит один или более входов, где каждый вход содержит ссылку на существующий UTXO и криптографическую подпись, созданную закрытым ключом, связанным с адресом владельца, и один или более выходов, где каждый выход содержит новый UTXO, который будет добавлен в состояние.

Функция перехода состояний APPLY(S,TX) - S' может быть приблизительно определена следующим образом:

1. Для каждого входа в TX, если указанный UTXO отсутствует в S, вернуть ошибку.
2. Если предоставленная подпись не соответствует владельцу UTXO, вернуть ошибку.
3. Если сумма номиналов всех входных UTXO меньше суммы номиналов всех выходных UTXO, вернуть ошибку.
4. Вернуть S со всеми входными UTXO удалёнными и всеми выходными UTXO добавленными.

Первая половина первого шага предотвращает трату монет, которые не существуют, вторая половина первого шага предотвращает трату чужих монет, а второй шаг обеспечивает сохранение стоимости. Чтобы использовать это для платежа, протокол следующий: предположим, Алиса хочет отправить 11,7 BTC Бобу. Сначала Алиса ищет набор доступных UTXO, которыми она владеет, в сумме составляющих не менее 11,7 BTC. Реалистично, Алиса не сможет получить ровно 11,7 BTC; допустим, наименьшее, что она может получить — это 6+4+2=12. Затем она создаёт транзакцию с тремя входами и двумя выходами. Первый выход составит 11,7 BTC с адресом Боба в качестве владельца, а второй выход будет оставшейся «сдачей» в 0,3 BTC, владельцем которой является сама Алиса.

Mining

Если бы у нас был доступ к надёжному централизованному сервису, эту систему было бы тривиально реализовать; её можно было бы просто запрограммировать точно так, как описано, используя жёсткий диск централизованного сервера для отслеживания состояния. Однако с Bitcoin мы пытаемся построить децентрализованную валютную систему, поэтому нам нужно будет объединить систему транзакций состояния с системой консенсуса, чтобы обеспечить согласие всех относительно порядка транзакций. Децентрализованный процесс консенсуса Bitcoin требует, чтобы узлы в сети непрерывно пытались создавать пакеты транзакций, называемые «блоками». Сеть предназначена для производства примерно одного блока каждые десять минут, при этом каждый блок содержит метку времени, nonce, ссылку на (т.е. хеш) предыдущий блок и список всех транзакций, произошедших с момента предыдущего блока.

Со временем это создаёт постоянную, непрерывно растущую «блокчейн», которая постоянно обновляется, чтобы отражать последнее состояние реестра Bitcoin. Алгоритм проверки валидности блока, выраженный в этой парадигме, выглядит следующим образом:

1. Проверить, существует ли предыдущий блок, на который ссылается блок, и является ли он валидным.
2. Проверить, что метка времени блока больше метки времени предыдущего блока и менее чем на 2 часа опережает текущее время.
3. Проверить, что доказательство работы блока валидно.
4. Пусть S — состояние в конце предыдущего блока.
5. Предположим, TX — это список транзакций блока с n транзакциями. Для всех i в 0...n-1 установить S = APPLY(S,TX[i]). Если какое-либо применение возвращает ошибку, выйти и вернуть ложь.
6. Вернуть истину и зарегистрировать S как состояние в конце этого блока.

По сути, каждая транзакция в блоке должна обеспечивать валидный переход состояния от того, что было каноническим состоянием до выполнения транзакции, к некоторому новому состоянию. Обратите внимание, что состояние никак не закодировано в блоке; это чисто абстракция, которую должен помнить проверяющий узел, и которая может быть (безопасно) вычислена для любого блока только начиная с генезис-состояния и последовательно применяя каждую транзакцию в каждом блоке.

Майнер вознаграждается за свою вычислительную работу вновь созданными биткойнами плюс комиссиями за транзакции. Процесс майнинга работает следующим образом: майнеры берут заголовок блока и многократно хешируют его с различными значениями nonce, пока не найдут хеш, который ниже определённого целевого значения сложности. Когда майнер находит такой хеш, он транслирует блок в сеть, и другие узлы проверяют, что хеш валиден и что все транзакции в блоке валидны. Целевое значение сложности автоматически корректируется протоколом каждые 2016 блоков (приблизительно две недели), чтобы обеспечить производство блоков с примерно постоянной скоростью.

Обратите внимание, что в долгосрочной перспективе безопасность блокчейна зависит от того, имеют ли майнеры финансовый стимул вести себя честно. Если злоумышленник контролирует более 50% вычислительной мощности сети, он потенциально может выполнить «атаку 51%», создав альтернативный блокчейн, который растёт быстрее, чем честная цепочка. Однако такая атака потребовала бы огромных вычислительных ресурсов и, вероятно, привела бы к тому, что вознаграждения за майнинг атакующего стали бы бесполезными, поскольку сеть потеряла бы доверие к целостности блокчейна.

Merkle Trees

Деревья Меркла являются фундаментальной структурой данных, используемой в блоках Bitcoin для обеспечения эффективной и безопасной верификации включения транзакций. Дерево Меркла представляет собой бинарное дерево хешей, где листовые узлы содержат хеши отдельных транзакций, а каждый внутренний узел содержит хеш своих двух потомков, рекурсивно формируя единственный корневой хеш, который хранится в заголовке блока. Эта иерархическая структура позволяет любому проверить, что конкретная транзакция включена в блок, загрузив лишь ветвь Меркла — цепочку хешей от транзакции до корня — вместо загрузки всех транзакций в блоке.

Выигрыш в эффективности существенен: в то время как полный узел Bitcoin должен хранить всю цепочку блоков (приблизительно 15 ГБ по состоянию на 2013 год), узел упрощённой верификации платежей (SPV) должен загрузить только заголовки блоков, содержащие корни Меркла, что требует всего 4 МБ данных. Для верификации транзакции узел SPV запрашивает ветвь Меркла у полных узлов, что требует лишь O(log n) данных, где n — количество транзакций в блоке. Такое логарифмическое масштабирование делает возможным запуск лёгких клиентов на мобильных устройствах и в средах с ограниченными ресурсами.

Использование деревьев Меркла в Bitcoin демонстрирует ключевой принцип: криптографические структуры могут значительно снизить требования к доверию и ресурсам для участия в децентрализованной сети. Этот же принцип лежит в основе архитектуры Ethereum, где деревья Меркла используются не только для транзакций, но и для хранения состояния и квитанций, что позволяет создавать ещё более сложные протоколы для лёгких клиентов.

Alternative Blockchain Applications

Успех блокчейна Bitcoin вдохновил многочисленные попытки расширить эту концепцию за пределы простой валюты. Namecoin, запущенный в 2010 году, был одним из первых примеров — децентрализованная база данных регистрации имён, построенная на блокчейне, позволяющая пользователям регистрировать имена в распределённом пространстве имён, которое ни одна центральная власть не могла цензурировать или отозвать. Colored coins появились как способ представления альтернативных активов на блокчейне Bitcoin путём «маркировки» определённых выходов транзакций для обозначения владения реальными активами, акциями компаний или другими криптовалютами. Метакоины и мета-протоколы, такие как Mastercoin (позднее Omni), добавляли дополнительную функциональность поверх Bitcoin, кодируя дополнительные данные в транзакциях Bitcoin и строя отдельные правила протокола поверх них.

Однако все эти подходы страдали от фундаментальных ограничений, налагаемых архитектурой Bitcoin. Язык скриптов Bitcoin намеренно ограничен — он не может получить доступ к состоянию блокчейна, не имеет циклов и сложного управления потоком выполнения, а также предоставляет ограниченную интроспекцию значений транзакций. Создание сложных приложений требовало неуклюжих обходных решений: кодирования метаданных в полях транзакций, никогда не предназначавшихся для этого, зависимости от внецепочечной инфраструктуры для сложной логики или принятия серьёзных ограничений на то, что протокол мог реализовать.

Эти ограничения мотивировали поиск более универсальной блокчейн-платформы. Вместо создания ещё одного специализированного протокола поверх ограниченного фундамента Bitcoin, Ethereum использует другой подход: предоставление блокчейна со встроенным Тьюринг-полным языком программирования, позволяющим любому создавать смарт-контракты и децентрализованные приложения с произвольными правилами владения, форматами транзакций и функциями перехода состояний.

Scripting

Bitcoin Script, язык, используемый для определения условий расходования транзакций Bitcoin, намеренно спроектирован с серьёзными ограничениями. Он не является Тьюринг-полным — в первую очередь, в нём отсутствуют циклы и сложные структуры управления потоком выполнения. Язык работает как простая стековая среда исполнения, где операции помещают и извлекают значения, оценивают криптографические условия и в конечном итоге возвращают истину или ложь, определяя, является ли транзакция допустимой. Хотя эта простота обеспечивает преимущества безопасности и упрощает формальный анализ, она также делает невозможной реализацию многих типов приложений.

Эти ограничения делятся на три основные категории. Во-первых, отсутствие Тьюринг-полноты не позволяет реализовать сложные конечные автоматы, деревья решений или любой алгоритм, требующий итерации. Во-вторых, «слепота к значениям» означает, что скрипты не могут определять детальный контроль над суммами снятия — UTXO может быть потрачен только целиком, а сдача отправляется на новый выход. Скрипт не может, например, ограничить снятие максимумом X в день, оставив остаток заблокированным. В-третьих, отсутствие осведомлённости о состоянии блокчейна означает, что UTXO либо потрачены, либо не потрачены, без промежуточных состояний, что делает невозможной реализацию многоэтапных контрактов исключительно в цепочке.

Эти ограничения делают такие сложные приложения, как децентрализованные автономные организации, сберегательные кошельки с лимитами снятия, децентрализованные биржи или рынки предсказаний, либо невозможными, либо требующими неуклюжих внецепочечных механизмов. Продвинутый финансовый контракт может потребовать доступа к рыночным данным, способности поддерживать внутреннее состояние между несколькими транзакциями и сложной условной логики — ничего из этого Bitcoin Script обеспечить не может. Ethereum устраняет эти ограничения, предоставляя Тьюринг-полный язык с полным доступом к состоянию блокчейна.

Ethereum

Фундаментальная цель Ethereum — предоставить блокчейн со встроенным Тьюринг-полным языком программирования, который позволяет любому писать смарт-контракты и децентрализованные приложения, в которых можно создавать собственные произвольные правила владения, форматы транзакций и функции перехода состояний. Вместо разработки протокола для конкретных приложений, таких как валюта, регистрация имён или торговля активами, Ethereum предоставляет фундаментальный слой — платформу распределённых вычислений на основе блокчейна, которую разработчики могут использовать для создания любого приложения, которое они могут себе представить.

Архитектура фундаментально отличается от модели UTXO Bitcoin. Ethereum использует систему на основе счетов, где состояние блокчейна представляет собой отображение адресов в объекты счетов. Каждый счёт имеет баланс, счётчик транзакций (nonce), а для контрактных счетов — связанный код и хранилище. Платформа включает встроенный Тьюринг-полный язык программирования для написания кода контрактов, который выполняется в виртуальной машине Ethereum (EVM) — стековой среде исполнения, обрабатывающей транзакции и переходы состояний.

Эта универсальность позволяет создавать обширный спектр приложений: альтернативные криптовалюты с пользовательскими правилами эмиссии, финансовые деривативы и стейблкоины, системы идентификации и репутации, децентрализованное файловое хранилище, децентрализованные автономные организации (DAO) и многое другое. Whitepaper подчёркивает, что Ethereum не оптимизирован для какого-либо конкретного варианта использования, а предоставляет фундаментальные строительные блоки — счета, транзакции, Тьюринг-полный язык и исполнение с измерением газа — которые разработчики могут комбинировать для создания приложений, востребованных экосистемой.

Ethereum Accounts

В Ethereum состояние формируется из счетов, и существуют два фундаментальных типа. Внешние счета (EOA) контролируются закрытыми ключами и не имеют связанного кода — они представляют пользователей-людей или внешние сущности, взаимодействующие с блокчейном. Контрактные счета контролируются своим кодом контракта и активируются при получении сообщения или транзакции. Оба типа имеют общую структуру: каждый счёт имеет nonce (счётчик, обеспечивающий однократную обработку каждой транзакции), баланс в эфире, а для контрактов — код контракта и постоянное хранилище.

Эфир (ether) является основной внутренней криптовалютой Ethereum, служащей одновременно средством передачи стоимости и фундаментальной единицей для оплаты комиссий за транзакции (газ). В отличие от модели UTXO Bitcoin, где стоимость распределена между несколькими неизрасходованными выходами, счета Ethereum поддерживают простой баланс, который увеличивается при получении эфира и уменьшается при его отправке. Эта модель на основе счетов упрощает многие типы приложений, особенно требующие постоянного состояния или сложного контроля доступа, хотя и вводит другие соображения безопасности по сравнению с подходом Bitcoin.

Различие между EOA и контрактными счетами имеет решающее значение для понимания работы Ethereum. EOA могут инициировать транзакции, создавая и подписывая сообщения своими закрытыми ключами, оплачивая комиссии в газе за включение транзакций в блоки. Контрактные счета не могут инициировать транзакции самостоятельно, но могут отправлять сообщения другим контрактам в ответ на полученную транзакцию или сообщение, обеспечивая сложные цепочки выполнения, где одна внешняя транзакция запускает множественные взаимодействия между контрактами.

Messages and Transactions

Транзакции в Ethereum представляют собой подписанные пакеты данных, создаваемые внешними счетами и транслируемые по сети. Транзакция содержит адрес получателя, криптографическую подпись, подтверждающую личность отправителя, количество эфира для перевода, необязательное поле данных (критически важное для взаимодействия с контрактами), STARTGAS (максимальное количество вычислительных шагов, которое транзакция может совершить) и GASPRICE (комиссия за вычислительный шаг, которую отправитель готов заплатить). Майнеры собирают эти транзакции, проверяют их, исполняют и включают в блоки, получая комиссии в газе в качестве вознаграждения.

Сообщения концептуально аналогичны транзакциям, но создаются контрактами, а не внешними участниками. Когда код контракта исполняется, он может отправлять сообщения другим контрактам — эти внутренние сообщения содержат отправителя (адрес контракта), получателя, количество эфира для перевода, необязательную полезную нагрузку данных и лимит STARTGAS. Сообщения обеспечивают коммуникацию между контрактами, позволяя строить сложные приложения из множества взаимодействующих контрактов, а не из монолитных программ.

Механизм газа критически важен для предотвращения злоупотреблений: каждый вычислительный шаг, операция хранения и байт данных в транзакции потребляет газ. Если транзакция исчерпывает газ до завершения, все изменения состояния откатываются (за исключением оплаты газа майнеру), предотвращая бесконечные циклы или чрезмерные вычисления, способные парализовать сеть. Отправитель указывает как общий бюджет газа (STARTGAS), так и цену, которую он готов платить за единицу (GASPRICE), а неиспользованный газ возвращается после завершения исполнения.

Ethereum State Transition Function

Функция перехода состояний Ethereum APPLY(S,TX) - S' определяет, как транзакция преобразует состояние блокчейна, и следует точной последовательности шагов. Сначала система проверяет допустимость транзакции: верифицирует правильность подписи, подтверждает соответствие nonce значению nonce счёта отправителя и обеспечивает наличие у отправителя достаточного баланса для оплаты авансовой стоимости (STARTGAS x GASPRICE плюс отправляемая сумма). Если любая проверка не проходит, транзакция отклоняется до начала исполнения. При успешной проверке комиссия за транзакцию вычитается со счёта отправителя, nonce отправителя увеличивается, и начальный счётчик газа устанавливается равным STARTGAS за вычетом побайтовой комиссии за данные транзакции.

Далее система переводит указанную сумму эфира от отправителя получателю. Если получатель является внешним счётом, на этом транзакция завершается. Если получатель является контрактным счётом, код контракта запускается в виртуальной машине Ethereum, потребляя газ за каждую операцию до тех пор, пока код не завершится успешно, явно не остановится или газ не будет исчерпан. Во время исполнения контракт может читать и изменять своё хранилище, отправлять сообщения другим контрактам и создавать новые контракты.

Наконец, если перевод средств не удался (недостаточный баланс) или исполнение кода завершилось неудачей (исчерпание газа или ошибка), все изменения состояния откатываются — за исключением того, что отправитель всё равно оплачивает газ майнеру за выполненные вычисления. При успешном исполнении оставшийся газ возвращается отправителю, а потреблённый газ отправляется майнеру в качестве комиссии. Этот механизм гарантирует, что майнеры получают компенсацию за вычисления, одновременно предотвращая неконтролируемое исполнение, потребляющее неограниченные ресурсы.

Code Execution

Виртуальная машина Ethereum (EVM) — это среда исполнения, в которой выполняется код контрактов — низкоуровневая стековая виртуальная машина, концептуально схожая с виртуальной машиной Java или WebAssembly. Код контракта хранится в виде последовательности байтов, где каждый байт представляет операцию (opcode), которую EVM может выполнить. Модель исполнения намеренно проста и детерминистична: каждый узел, исполняющий EVM с одинаковым входным состоянием и транзакцией, должен прийти к одинаковому выходному состоянию, обеспечивая консенсус в сети.

EVM предоставляет три различных типа хранения для вычислений. Стек — это структура «последним вошёл, первым вышел» (LIFO), ограниченная 1024 элементами и используемая для непосредственных значений операций. Память — это бесконечно расширяемый массив байтов, существующий только в течение одного вызова сообщения и сбрасываемый между исполнениями. Хранилище — это постоянное хранилище «ключ-значение», навсегда связанное с каждым контрактным счётом, где контракты поддерживают своё долгосрочное состояние между транзакциями. Эти типы хранения тарифицируются по-разному в газе — операции со стеком и памятью дешёвые, тогда как операции с хранилищем дорогие для предотвращения раздувания блокчейна.

Во время исполнения код контракта имеет доступ к важному контексту: он может читать адрес отправителя сообщения, сумму отправленного эфира, полезную нагрузку данных, предоставленную вызывающей стороной, и свойства уровня блока, такие как текущий номер блока, метка времени и адрес майнера. Код может возвращать выходной массив байтов вызывающей стороне и может отправлять сообщения другим контрактам или создавать новые контракты. Эта модель исполнения является Тьюринг-полной — циклы и сложное управление потоком возможны — но механизм газа гарантирует, что все вычисления завершаются за ограниченное время, решая проблему останова экономически, а не через языковые ограничения.

Blockchain and Mining

Блокчейн Ethereum фундаментально подобен блокчейну Bitcoin, служа базой данных, содержащей каждую когда-либо исполненную транзакцию. Однако, в то время как Bitcoin хранит только список транзакций, Ethereum хранит как список транзакций, так и актуальное состояние. Каждый блок в Ethereum содержит хеш предыдущего блока, корень состояния (корневой хеш дерева Меркла-Патриции, представляющего полное состояние), корень транзакций, корень квитанций (хранящий данные исполнения транзакций), а также значения сложности, метки времени и nonce. Само состояние представляет собой большое дерево Меркла-Патриции, отображающее адреса в объекты счетов, где каждый счёт имеет баланс, nonce, код (при наличии) и хранилище.

Ethereum использует модифицированную версию протокола GHOST (Greedy Heaviest Observed Subtree) для решения проблем безопасности, возникающих при быстром времени создания блоков. В традиционных протоколах с самой длинной цепью быстрые блоки приводят к высокой доле устаревших блоков, снижая безопасность сети и увеличивая риски централизации, поскольку крупные майнеры теряют меньше вычислений на устаревших блоках. GHOST включает устаревшие блоки (называемые «дядями» в Ethereum) в расчёт того, какая цепь является самой длинной, и предоставляет частичные вознаграждения блокам-дядям, стимулируя майнеров ссылаться на них. Это позволяет Ethereum поддерживать целевое время блока приблизительно в 12 секунд, сохраняя при этом безопасность сети.

Алгоритм майнинга работает аналогично доказательству работы Bitcoin, требуя от майнеров найти nonce, при котором хеш блока оказывается ниже определённого целевого значения сложности. Однако алгоритм майнинга с высоким потреблением памяти (Ethash) спроектирован для устойчивости к ASIC, способствуя более децентрализованной экосистеме майнинга. Сложность динамически корректируется на основе времени создания блоков для поддержания цели в ~12 секунд, обеспечивая стабильное производство блоков, в то время как протокол GHOST предоставляет гарантии безопасности, несмотря на более быстрое время блоков по сравнению со средним показателем Bitcoin в 10 минут.

Applications

Приложения, которые можно создать на Ethereum, делятся на три широкие категории. Первая категория — финансовые приложения, предоставляющие пользователям более мощные способы управления деньгами и заключения контрактов с их участием. Сюда входят суб-валюты, финансовые деривативы, контракты хеджирования, сберегательные кошельки с лимитами снятия, завещания, автоматически распределяющие средства, и даже трудовые контракты, рассчитывающие оплату на основе подтверждённого выполнения работы. Эти приложения используют программируемость Ethereum для создания сложных финансовых инструментов, которые были бы невозможны или чрезвычайно сложны для реализации в традиционных системах или даже на Bitcoin.

Вторая категория — полуфинансовые приложения, где деньги задействованы, но присутствует также существенная неденежная составляющая. Идеальный пример — самоисполняющиеся вознаграждения за решения вычислительных задач. Кто-то мог бы опубликовать вычислительную задачу вместе с наградой, и контракт мог бы автоматически проверять представленные решения и выплачивать вознаграждение за первый правильный ответ. Эта категория связывает чистые финансы с другими областями, используя экономические стимулы для решения задач или координации поведения.

Третья категория — приложения, вообще не связанные с деньгами, такие как онлайн-голосование и системы децентрализованного управления. Эти нефинансовые приложения демонстрируют гибкость Ethereum как универсальной платформы. Примеры включают децентрализованные системы доменных имён наподобие Namecoin, системы репутации, децентрализованное файловое хранилище и инструменты организационного управления. Среди всех этих типов приложений токен-системы стали наиболее распространёнными и фундаментальными, служа строительными блоками для многих других приложений.

Token Systems

Токен-системы удивительно просты в реализации на Ethereum, несмотря на то что являются одним из самых мощных и распространённых приложений. По своей сути токен-системы — это просто база данных с одной операцией: вычесть X единиц со счёта A и добавить X единиц на счёт B при условии, что у A было как минимум X единиц до транзакции и транзакция авторизована A. Реализация требует поддержания отображения адресов в балансы и предоставления функции перевода, которая выполняет соответствующие проверки перед перемещением токенов между счетами.

Код контракта для базовой токен-системы замечательно прост и может быть написан всего в нескольких строках. Он состоит из структуры данных, отображающей адреса в балансы, функции инициализации, назначающей начальное предложение токенов, и функции перевода, проверяющей баланс и авторизацию отправителя перед выполнением перевода. Эта простота разительно контрастирует со сложностью, необходимой для реализации аналогичных систем на Bitcoin, которая потребовала бы значительных обходных решений и ограничений из-за ограниченных возможностей скриптов Bitcoin.

Токены на Ethereum могут представлять практически всё, что имеет ценность. Они могут представлять суб-валюты с собственной денежно-кредитной политикой, финансовые деривативы, отслеживающие внешние активы, акции компаний с правами на дивиденды, баллы лояльности в клиентских программах, товары, такие как золото или нефть, или даже представления физической собственности. Программируемость Ethereum позволяет этим токенам иметь произвольные правила, управляющие их поведением, такие как ограничения на переводы, механизмы автоматического сжигания, распределение дивидендов или права управления. Эта гибкость сделала токен-системы фундаментальным строительным блоком значительной части экосистемы Ethereum.

Financial Derivatives and Stable-Value Currencies

Финансовые деривативы представляют одно из наиболее фундаментальных и важных применений смарт-контрактов Ethereum. Простой контракт хеджирования демонстрирует базовый механизм: сторона A вносит определённое количество эфира стоимостью 1000 \(, сторона B вносит эквивалентную сумму, и контракт записывает стоимость эфира в USD на этот момент, используя поток данных. Через 30 дней контракт пересчитывает стоимость и отправляет эфир на сумму 1000 \) стороне A, а остаток — стороне B. Если цена эфира выросла, A получает меньше эфира, но сохраняет стоимость в 1000 $; если упала — A получает больше эфира для поддержания этой стоимости. Это позволяет A хеджировать волатильность, в то время как B спекулирует на ценовых движениях.

Реализация таких контрактов требует доступа к внешним данным через контракты-оракулы или потоки данных. Эти оракулы предоставляют информацию о ценах, погодные данные или другую информацию из реального мира, необходимую контрактам для корректного исполнения. Хотя оракулы вводят зависимость от доверия, они могут быть спроектированы с резервированием и криптоэкономическими стимулами для предоставления надёжных данных. Сам контракт просто запрашивает оракул, выполняет вычисления на основе этих данных и распределяет средства в соответствии со своей запрограммированной логикой.

Стейблкоины и более сложные финансовые инструменты могут быть построены с использованием аналогичных механизмов. Контракт стейблкоина может поддерживать резерв эфира и выпускать токены, привязанные к фиатной валюте, автоматически корректируя предложение или требования к обеспечению на основе ценовых потоков. Опционные контракты, фьючерсы, свопы и другие деривативы, которые обычно требуют сложных юридических структур и доверенных посредников, могут быть закодированы как самоисполняющиеся смарт-контракты. Эта инфраструктура программируемых финансов обеспечивает сложный финансовый инжиниринг, сохраняя при этом гарантии прозрачности и безопасности блокчейн-технологии.

Identity and Reputation Systems

Система регистрации имён, аналогичная Namecoin, тривиально реализуема на Ethereum и служит простейшим примером системы идентификации. Контракт поддерживает базу данных с таблицей «ключ-значение», отображающей имена в связанные данные (такие как IP-адреса, открытые ключи или другую информацию). Любой может зарегистрировать имя, отправив транзакцию контракту вместе с небольшой регистрационной комиссией, при условии что это имя ещё не занято. Владелец может обновить связанные данные в любое время, а имена могут быть сделаны передаваемыми или постоянными в соответствии с правилами, закодированными в контракте.

Более продвинутые системы идентификации могут быть построены на этой основе, включая оценки репутации, отношения сети доверия и децентрализованную верификацию личности. Например, контракт мог бы поддерживать оценки репутации на основе подтверждённых транзакций, оценок коллег или выполнения задач. Эти оценки были бы публично видимыми и криптографически привязанными к конкретным адресам, создавая портативную репутацию, которая следует за пользователями через приложения. Системы сети доверия могли бы позволять пользователям поручаться за личность других, выстраивая социальные графы, помогающие отличить легитимных пользователей от злоумышленников.

Такие системы идентификации и репутации становятся особенно мощными при интеграции с другими приложениями. Маркетплейс мог бы требовать минимальные оценки репутации для продавцов, кредитная платформа — корректировать процентные ставки на основе репутации заёмщика, а социальная сеть — использовать сеть доверия для фильтрации спама и мошеннического контента. Предоставляя общую инфраструктуру для идентификации, которую может запрашивать любое приложение, Ethereum позволяет создать новый класс приложений, основанных на доверии, не зависящих от централизованных провайдеров идентификации или проприетарных систем репутации.

Decentralized File Storage

Децентрализованное файловое хранилище может быть реализовано через контракты Ethereum, координирующие взаимодействие между пользователями, нуждающимися в хранении, и провайдерами, которые его предоставляют. В модели «децентрализованного Dropbox» пользователи платили бы ежемесячную плату за загрузку файлов, а контракт распределял бы платежи провайдерам хранения, которые доказывают, что действительно хранят данные. Механизм доказательства работает через периодические криптографические испытания: контракт случайным образом выбирает фрагменты файлов и просит провайдеров предоставить доказательства на основе дерева Меркла, демонстрирующие, что они обладают этими данными. Провайдеры, не прошедшие испытания или ушедшие в оффлайн, теряли бы свои депозиты и будущий поток платежей.

Этот подход предлагает несколько преимуществ по сравнению с централизованным хранением. Доказательства на основе дерева Меркла обеспечивают эффективную верификацию — пользователи и контракт могут подтвердить доступность файлов без загрузки целых файлов. Система естественно распределяет файлы между несколькими независимыми провайдерами, создавая избыточность без необходимости в явных протоколах репликации. Экономические стимулы согласуют поведение провайдеров с потребностями пользователей: провайдеры зарабатывают деньги, надёжно храня данные, и теряют деньги, если этого не делают. Это устраняет требование доверия, присущее централизованным решениям хранения.

Стоимость хранения в такой системе потенциально может быть ниже, чем у централизованных альтернатив, по нескольким причинам. Устранение монопольного ценообразования позволяет рыночной конкуренции снизить стоимость до уровня, близкого к фактической стоимости хранения. Неявная избыточность от нескольких пользователей, хранящих похожие файлы, может уменьшить общие потребности в хранении. Нет необходимости в дорогостоящей инфраструктуре центров обработки данных или корпоративных накладных расходах. Тем не менее остаются проблемы с механизмами оплаты, обеспечением достаточного участия провайдеров и управлением компромиссом между избыточностью и стоимостью. Несмотря на эти проблемы, децентрализованное хранилище демонстрирует, как Ethereum может координировать сложные многосторонние взаимодействия исключительно через экономические стимулы.

Decentralized Autonomous Organizations

Децентрализованная автономная организация (DAO) — это виртуальная сущность, имеющая набор участников или акционеров, которые коллективно обладают правом расходовать средства организации и изменять её код. Типичная DAO работает по простому правилу: 67% участников необходимы для принятия решений о расходовании средств или изменения кода организации. Участники могут подавать предложения, голосовать по ним, и если предложение получает достаточную поддержку, контракт автоматически исполняет решение. Доли участников могут быть передаваемыми, обеспечивая ликвидный рынок для участия в DAO, а различные классы долей могут иметь различные права голоса или экономические требования.

Простейшая конструкция DAO — это самомодифицирующийся контракт, поддерживающий список участников и требующий голосования с большинством 2/3 для изменения любого аспекта контракта, включая его собственные правила голосования. Участники подавали бы изменения кода в виде транзакций, другие участники голосовали бы, и по достижении порога контракт обновлял бы себя. Более сложные конструкции могут включать системы делегированного голосования, где участники могут передавать свои полномочия голосования представителям, или ликвидную демократию, где голоса могут быть делегированы, но в любой момент возвращены для важных решений.

DAO могут служить различным целям помимо простого управления фондами. DAO может функционировать как децентрализованная корпорация, нанимая подрядчиков, приобретая услуги и распределяя прибыль между акционерами — всё это управляется кодом смарт-контракта, а не традиционными юридическими структурами. Она может действовать как децентрализованный инвестиционный фонд, где участники голосуют за то, какие проекты финансировать. Она может управлять общим ресурсом, где заинтересованные стороны голосуют за правила распределения. Ключевое понимание заключается в том, что, кодируя правила управления в прозрачном, неизменяемом коде и привязывая их к экономической ставке, DAO могут координировать групповые решения без необходимости в традиционном иерархическом управлении или юридическом принуждении.

Further Applications

Помимо уже рассмотренных основных категорий, Ethereum позволяет создавать многочисленные другие приложения. Сберегательные кошельки с продвинутыми функциями безопасности могут устанавливать ежедневные лимиты снятия, предоставляя при этом экстренные ключи для восстановления, защищая пользователей от кражи и сохраняя полный контроль. Контракты страхования урожая могут автоматически выплачивать фермерам на основе потоков метеорологических данных, устраняя обработку претензий и снижая административные расходы. Приложения для одноранговых азартных игр могут работать без каких-либо доверенных посредников, при этом смарт-контракты удерживают ставки и автоматически выплачивают выигрыши на основе верифицируемых случайных чисел или данных о реальных событиях.

Ончейн-рынки предсказаний позволяют пользователям делать ставки на будущие события, создавая мощные механизмы прогнозирования через мудрость толпы. Они могут быть дополнены протоколами типа SchellingCoin для создания децентрализованных оракулов: участники независимо сообщают данные (такие как результаты выборов или погодные условия), и те, чьи отчёты совпадают с большинством, получают вознаграждения, тогда как отклоняющиеся штрафуются. Этот криптоэкономический подход стимулирует честное сообщение данных и может предоставлять надёжные данные реального мира другим контрактам без необходимости доверять какому-либо единственному провайдеру оракула.

Мультиподписные кошельки представляют ещё одно важное приложение, обеспечивающее совместный контроль средств несколькими сторонами. Мультиподписной кошелёк 2-из-3 может требовать одобрения транзакции двумя из трёх назначенных сторон до того, как средства могут быть потрачены, что полезно для эскроу-соглашений, корпоративных казначейств или личной безопасности. Децентрализованные маркетплейсы могут сочетать системы идентификации, оценки репутации, эскроу-контракты и механизмы разрешения споров для обеспечения одноранговой торговли без централизованных платформ. Каждое из этих приложений демонстрирует, как программируемость Ethereum позволяет создавать новые модели доверия и организационные структуры.

Miscellanea And Concerns

Реализация модифицированного протокола GHOST в Ethereum включает специфические правила для включения и вознаграждения дядей. Дяди должны быть прямыми потомками предка текущего блока (от 2 до 7 поколений назад), должны быть валидными заголовками блоков, должны быть отличны от предыдущих дядей и не должны быть прямыми предками текущего блока. Блоки-дяди получают 87,5% стандартного вознаграждения за блок, а включающий блок получает дополнительные 3,125% за каждого включённого дядю (до двух дядей). Эта структура стимулов побуждает майнеров ссылаться на устаревшие блоки, которые они наблюдают, укрепляя безопасность сети и одновременно вознаграждая майнеров, которым временно не повезло с распространением по сети.

Система комиссий основана на концепции «газа», где каждая вычислительная операция имеет фиксированную стоимость в газе. Например, операция умножения стоит 5 газа, хеш SHA256 стоит 20 газа, а каждая транзакция имеет базовую стоимость 21 000 газа. Пользователи указывают как лимит газа (максимум газа, который они готовы потребить), так и цену газа (сколько эфира они заплатят за единицу газа). Эта система служит нескольким целям: она предотвращает бесконечные циклы и атаки типа «отказ в обслуживании», гарантируя оплату всех вычислений, создаёт рынок блочного пространства, где пользователи делают ставки через цены газа, и позволяет майнерам устанавливать минимальную цену газа, которую они готовы принять, защищая ресурсы сети.

Масштабируемость остаётся серьёзной проблемой, поскольку каждый полный узел должен обработать каждую транзакцию для верификации состояния. Текущие архитектуры блокчейна с трудом могут сравниться с пропускной способностью транзакций централизованных систем. Потенциальные решения включают шардинг состояния, где различные узлы обрабатывают различные подмножества транзакций, и переход от доказательства работы к консенсусу на основе доказательства доли, который мог бы обеспечить более эффективное производство блоков. Лёгкие клиенты, использующие доказательства Меркла, могут верифицировать транзакции без обработки всех блоков, но кто-то всё равно должен всё обработать. Эти проблемы масштабируемости представляют активные области исследований и разработок, критически важные для долгосрочной жизнеспособности Ethereum.

Conclusion

Протокол Ethereum изначально был задуман как улучшенная версия криптовалюты, предоставляющая продвинутые функции, такие как ончейн-эскроу, лимиты снятия и финансовые контракты через высокообобщённый язык программирования. Однако протокол Ethereum выходит далеко за рамки простой валюты. Протоколы децентрализованного файлового хранилища, децентрализованных вычислений и децентрализованных рынков предсказаний, среди десятков других концепций, обладают потенциалом для существенного повышения эффективности вычислительной индустрии и массового развития других одноранговых протоколов, впервые добавляя экономический слой.

Вместо предоставления ограниченного набора операций, предназначенных для конкретных сценариев использования, Ethereum предоставляет Тьюринг-полный язык программирования, позволяющий разработчикам создавать любое приложение, которое они могут спроектировать. Хотите изобрести собственный финансовый дериватив? Создать собственную валюту? Основать правительство на блокчейне? Всё это тривиально реализуемо с помощью скриптовой системы Ethereum. Мощь платформы заключается не в предсказании того, какие приложения будут построены, а в предоставлении фундаментальной инфраструктуры, делающей их создание лёгким.

Концепция произвольной функции перехода состояний, реализованная протоколом Ethereum, предоставляет платформу с уникальным потенциалом. Вместо того чтобы быть закрытым протоколом единственного назначения для конкретных приложений в хранении данных, азартных играх или финансах, Ethereum открыт по замыслу, и мы считаем, что он чрезвычайно хорошо подходит для того, чтобы служить фундаментальным слоем для большого количества как финансовых, так и нефинансовых протоколов в ближайшие годы. Приложения, которые будут построены на Ethereum в будущем, могут оказаться теми, которые мы не можем даже вообразить сегодня, и эта открытая возможность представляет собой истинное обещание платформы.

References and Further Reading

Whitepaper Ethereum основывается на обширных предшествующих работах в области исследований криптовалют и распределённых систем. Основополагающий протокол Bitcoin описан в оригинальной статье Сатоси Накамото 2008 года «Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System», которая представила концепцию цифровой валюты на основе блокчейна. Ранние попытки расширить функциональность Bitcoin включают Namecoin — децентрализованную систему регистрации имён, демонстрирующую блокчейн-приложения за пределами валюты, хотя и ограниченную возможностями скриптов Bitcoin.

Whitepaper colored coins предложил метод представления альтернативных активов на блокчейне Bitcoin путём «окрашивания» определённых биткоинов для обозначения других активов, тогда как Mastercoin попытался создать протокольный слой поверх Bitcoin для более сложных финансовых инструментов. Оба подчеркнули ограничения строительства на Bitcoin и мотивировали необходимость более гибкой платформы. Концепция децентрализованных автономных корпораций, исследованная в Bitcoin Magazine, предоставила теоретические основы для организационного управления через смарт-контракты.

Ключевые технические компоненты включают упрощённую верификацию платежей (SPV) для лёгких клиентов, деревья Меркла для эффективной верификации данных и деревья Патриции для представления состояния Ethereum. Протокол GHOST (Greedy Heaviest Observed Subtree), описанный в криптографической статье 2013 года, решает проблемы безопасности, возникающие при быстром времени создания блоков, и формирует основу механизма консенсуса Ethereum. Эти ссылки представляют интеллектуальный фундамент, на котором был построен Ethereum, сочетая знания из криптовалют, распределённых систем, криптографии и теории игр для создания универсальной блокчейн-платформы.