Н.Н. Ляшенко
Криптовалюты: их роль и будущее
        Криптовалюты и, в частности, биткоин, привлекают всё больше внимания как со стороны финансистов, так и исследователей в разных областях. В последние годы вышло много статей, посвящённых криптовалютам, где анализируются социально-экономические и политические аспекты. Не обижены вниманием и технологические вопросы: математические алгоритмы и поддерживающее их программирование. С начала века и до настоящего времени криптовалюты и используемые в них технологии прошли заметную эволюцию. Цель настоящей статьи – проследить направление движения этих технологий и рассмотреть их возможное будущее. При этом мы ограничимся в основном структурно-кибернетическим и математическим аспектами.
Экономическая подоплека
        Читатель, интересующийся этой тематикой, прекрасно представляет себе логическую связь в исторической цепочке:         В появлении обсуждаемых нами электронных денег, разумеется, нет ничего необычного. Все отрасли мирового производства перешли на цифровые технологии, включающие использование компьютерных систем и информационных сетей. При этом деньги не были исключением. Для значительной части населения они уже давно превратились в абстрактные данные (числа) в памяти банковских электронных систем. Банки и правительства всё серьёзнее рассматривают вопрос о ликвидации наличных денег. Какова же роль в этом процессе таких новшеств как биткоин? Только ли в том, что они следующий шаг в упразднении наличности? Конечно, нет. Дело обстоит сложнее.
Появление и идея Биткоина
        Начнём с краткого анализа наиболее известной и разработанной цифровой валюты – биткоина. В популярных изданиях биткоин часто описывается как претендент на роль будущей всемирной валюты. При этом многие его свойства выглядят экзотическим вызовом сложившимся в финансовом мире принципам. Хотя в таких публикациях есть доля правды, в целом они уводят читателя в сторону от сути дела. Чтобы разобраться что существенно и что нет, полезно вспомнить каковы были предпосылки появления биткоина. Его известность началась с кoроткой девятистраничной статьи [1], опубликованной 31 октября 2008 года на сайте https://bitcoin.org. Автор, личные данные которого не известны, называет себя Сатоши Накамото. Никто не знает является ли он/она мужчиной, женщиной или группой лиц, но несмотря на это не совсем обычное положение вещей, содержание статьи очень чётко, конструктивно, обоснованно, и, добавлю, весьма своевременно.
        Дело в том, что статья явилась реакцией на глобальный финансовый кризис 2008 года. Одним из социальных последствий кризиса была потеря доверия значительной части населения финансовым органам. В результате статья Накамото, описывавшая систему транзакций, не требовавшую доверия, упала на благодатную почву. Посмотрим как сам Накамото резюмирует свою идею в начале публикации (в моём переводе).
«Версия электронных денег, оперирующая исключительно между субъектами, позволяет одному субъекту платить другому, не прибегая к помощи финансовых организаций. Цифровые подписи обеспечивают часть решения (этой задачи), но их основные преимущества теряются, если некоторая доверенная третья сторона все ещё обязана предотвращать повторное расходование (электронных) денег. Мы предлагаем решение проблемы двойного расходования на основе одноранговой (peer-to-peer) сети. Эта сеть ставит временные штампы на транзакциях, включая их хэш-коды в продолжающуюся цепь, называемую доказательством работы, и образуя тем самым запись, которая не может быть изменена без того, чтобы повторно не проделать все вычисления для доказательства работы.   Самая длинная цепь не только служит свидетельством последовательности событий, но также доказательством того, что она создана наибольшим количеством работы процессоров. До тех пор пока большая часть работы процессоров контролируется узлами сети, не объединившимися для атаки на всю сеть, они создадут самую длинную цепь и опередят атакующих. Для самой сети нужна минимальная структура. Сообщения передаются наилучшим возможным образом, и узлы могут произвольно покидать сеть и возвращаться в нее, принимая самую длинную цепь доказательства работы как свидетельство того, что случилось в их отсутствие».
        Это весьма сжатое изложение, после которого Накамото описывает детали (которые мы далее обсудим). Резюме по крайней мере выделяет две основные цели системы биткоин, которые представляются более приземлёнными и практичными чем популярные фантазии о будущем всемирной валюты:
        а) Устранение внешних посредников в процессе транзакций.
        б) Предотвращение возможной вредоносной деятельности участников.
Технологии, на которые опирается биткоин
Предшествующие попытки
        Нужно отметить, что Накамото не первый, кто предложил вариант цифровой крипто-валюты. Социальные предпосылки и технические идеи обсуждались задолго до публикации [1]. В частности, сам Накамото использует технические идеи и ссылается на публикацию Wei Dai [2], появившуюся десятилетием ранее. Эта публикация не была оформлена как самостоятельная статья, а представляла собой одно из открытых писем, созданных в ходе продолжавшейся дискуссии.
        Основное отличие работы Накамото от предшественников – в её утилитарной направленности и детальной разработанности практического воплощения. В ней чётко отделены сугубо технические вопросы от спекуляций о возможных социально-политических последствиях. Читатель легко поймет что я имею в виду, если сравнит процитированное резюме Накамото с первым абзацем статьи W. Dai (за которым следуют технические соображения):
        Я восхищен крипто-анархией Тима Мэя. В отличие от сообществ, традиционно ассоциирующихся со словом анархия, в крипто-анархии правительство не временно уничтожено, а окончательно запрещено и не нужно. Это общество, где угроза насилия не работает, потому что насилие невозможно, а насилие невозможно, потому что его участники не могут быть привязаны к их настоящим именам или физическому местонахождению.
        На фоне дискуссий такого рода работа Накамото выглядит для меня как призыв: «Давайте перейдем от слов к делу и сосредоточимся на узкой практической задаче».
Задача
        Предлагается система оплаты только для транзакций онлайн. Накамото подчёркивает, что ряд его предосторожностей не нужны, если две персоны пользуются физической валютой. Цель системы – обеспечить честное поведение в сетевой среде, сделав нечестное практически невозможным (иными словами, вместо юридических законов, охраняющих честных участников системы, использовать законы природы).
Обеспечение идентичности
        Необходимо обеспечить идентичность трёх компонент: платящего, получающего и передаваемых электронных денег как таковых (детали ниже). Для этого используется уже знакомое понятие электронных подписей. Индивид представлен открытым и закрытым ключами (кодами). Платящий пользуется ими, подписывая сообщение о транзакции, представляющее собой некоторый зашифрованный текст. Получающий проверяет сообщение с помощью открытого ключа. Нужно также проверить идентичность самих денег, а не только величины суммы.
        Сама сумма представлена уникальным кодом (хэш-кодом). В отличие от физических денег, где их материальное воплощение передаётся другому лицу в буквальном смысле, и платящий расстаётся с монетами или купюрами, в электронной среде знание кода сохраняется, и становится возможным повторное использование тех же денег для других платежей (так называемое двойное расходование). Этого можно избежать, если представлять передаваемую сумму не просто закодированным кодом о текущем платеже, но целой историей «конкретного биткоина», передаваемого от одного лица к другому. Так мы приходим к более сложной структуре, представляющей биткоин.
Физическое представление биткоина
        По причине, объяснённой выше, нам нужен механизм, позволяющий любому участнику системы видеть временну'ю последовательность перехода биткоина из рук в руки. Если бы плата не происходила во враждебной среде (т.е., при гарантии честного поведения участников), сообщение о транзакции могло бы состоять только из указания суммы. Однако на деле возможны попытки повторного расходования. Предлагаемое решение делает это весьма трудным. Биткоин определяется как история денежной единицы (мировая линия). При этом используются известные, хорошо зарекомендовавшие себя алгоритмы надёжного датирования.
        Последовательности транзакций видны всем участникам и проверяются алгоритмами, их осуществляющими. Если запрещённая деятельность замечена, изменения, внесённые ею, уничтожаются. Для успеха аферы необходимо снова проделать все вычисления в длинной цепи транзакций и сделать это быстрее её роста.
Блокчейн
        Работа по обработке очередных заявок на транзакции осуществляется так называемыми майнинг алгоритмами. Одна из необходимых операций – это сбор предлагаемых транзакций в блоки и создание ссылок на другие относящиеся к ним ранее созданные блоки. В результате образуется связная структура называемая блокчейном (т.е., цепью блоков). Из предыдущего должна быть ясна важность связности. Она значительно затрудняет создание фиктивной непротиворечивой структуры взаимозависимых блоков (т.е., переписывание весьма сложной истории, не вызывая подозрений).
Оценка вероятности успешной атаки
        Один из разделов работы [1] посвящен математической оценке вероятности успешной атаки (в контексте предыдущего раздела). Приведу основной результат, полученный Накамото.
Пусть
р – вероятность того, что честный узел сети находит следующий блок;
q – вероятность того, что атакующий узел находит следующий блок;
qz – вероятность того, что атакующий когда-либо догонит головной узел, отставая на старте на z блоков.
Тогда
        При условии, что р > q, эта вероятность экспоненциально убывает с ростом z . В статье Накамото иллюстрирует формулу конкретными вычислениями, показывающими ничтожность величины qz.
Как делить и комбинировать суммы?
        Читатель вероятно заметил, что я до сих пор уклонялся от прямого определения биткоина. Так же, как и в случае выписывания обычных чеков, основную роль играет не существование купюр или монет, а величина суммы. Но если конкретное представление валюты – это история, то как можно уплатить требуемое количество, имея набор других значений? Механизм очень прост: для уплаты нужны одно или несколько значений, в сумме равных или превышающих требуемое. Предыдущие истории участвующих величин сохраняются, а в случае превышения требуемой суммы даётся сдача, т.е., вводится дополнительная (обратная) транзакция. Истории при этом похожи на мировые линии взаимодействующих частиц, образующих одну или две новые частицы. (Её графическое изображение могло бы выглядеть как диаграмма Фейнмана.)
Эмиссия денег
        Эмиссия денег (добавление новых денег к системе) организована таким образом, чтобы не допустить единовременного вброса больших сумм и ограничить общее возможное количество денег. Это задача уже упоминавшихся майнеров, составляющих новые блоки. Они же запускают алгоритм эмиссии (добывания новых биткоинов). Майнеры соревнуются между собой. Они должны как можно скорее сгенерировать новый случайный хэш-код, удовлетворяющий некоторым требованиям. Одно из требований – наличие заданного числа нулей в начале кода. Если это требование не соблюдается, процесс генерации начинается снова. Для генерации каждого нового биткоина заданное число нулей меняется. В целом оно растет, делая эмиссию все более трудной и требующей все больше ресурсов: времени, вычислительных мощностей, и, следовательно, энергии. Максимальное число биткоинов возможное в системе, не превоходит 21 миллион.
Некоторые итоги
        Теперь, когда мы в общих чертах рассмотрели элементы технологии биткоина, обратимся к вопросу о её возможном расширении. Фигура 1 суммирует описанные нами технологические компоненты.

Фигура 1. Системные свойства биткоина.
Жёлтые круги – внешние взаимодействия (или их отсутствие),
Голубые – внутренние механизмы системы.
Пояснения к Фиг. 1.
    u – Среда: Интернет
    c – Самодостаточная денежная система (не поддержанная такими внешними объектами как золото, ВВП, и т.п.)
    e – Эмиссия денег ограничена. Новые единицы денег создаются, но большой вброс валюты невозможен. Существует предельное возможное количество биткоинов: 21 миллион.
    a – Анонимность (система не хранит информации, связывающей пользователя с его/ее личными данными, и не может быть использована для опознания участника системы).
    n – Одна из важных целей системы – максимально устранить посредников, обычно участвующих в финансовых транзакциях.
    Во – Внутренние отношения.
    К – Система старается обспечить консенсус между участниками.
    А – Система препятствует нарушениям правил, вызваных антагонистическими целями участников.
    Т – Механизм транзакций преследует такие цели как: алгоритмическая эффективность, анонимность, безвозвратность транзакций, малая комиссия за транзакции.
        Перечисленные свойства (условия) наряду с правилами оперирования системой определяют правила некоторой игры в математическом смысле (т.е. принятия решений в условиях неполной информации). Как они технологически поддерживаются – в общих чертах мы уже объяснили. С системной точки зрения, первые пять свойств (жёлтые элементы) играют по-существу изоляционистскую роль. Они значительно уменьшают возможность воздействия на систему извне. Например, анонимность препятствует применению насильственных методов изъятия денег. Как побочный эффект, ненужность многих обычных посредников вносит дополнительный вклад в эффективность системы (наряду с алгоритмической эффективностью).
        Внутренние механизмы (голубые элементы) регулируют внутренние отношения между «участниками игры». С одной стороны, игра невозможна без консенсуса между игроками о правилах. С другой стороны, было бы нереалистично предполагать, что между участниками не возникнут противоречия. Мы видели, что два механизма помогают их разрешить. В случае, если противоречие не наносит ущерб системе, правила транзакций не узаконивают их до тех пор пока участники не достигнут согласия. Если же один или группа участников препринимают действия угрожающие целостности системы, срабатывают механизмы, не позволяющие такие действия осуществить.
Часто упоминаемые недостатки системы биткоин
        Чтобы предугадать пути дальнейшей эволюции криптовалют, и, в частности, биткоина, полезно обратить внимание на их часто упоминаемые недостатки.
        а) Ограниченность возможного числа биткоинов. Непомерный расход энергии в майнинге только для того, чтобы затруднить «противоправную» деятельность, – ещё один серьёзный фактор, ограничивающий рост.
        б) Помимо количественной ограниченности, чисто сетевые системы не охватывают все виды использования денег. Изоляция системы от внешнего мира, превращённого в сообщество виртуальных людей, порождает дополнительные препятствия к расширению (например, проблема найма, невозможность кредитов, проблема налогов и т.п.).
        в) Специфические виды риска: невосполнимость утери данных, зависимость от спроса, высокий риск ликвидности, нестабильный курс.
        г) Теоретически каждый может проверить любую транзакцию, но с ростом числа участников непомерно большой объём базы транзакций приведёт к неполной проверке (уже в своей основополагающей статье Накамото упоминает о полезности сокращённой проверки).
        Заметим, что точный подсчёт количества людей, имеющих биткоины (как и любую криптовалюту) невозможен. Люди могут иметь несколько ключей. Грубый вероятностный подсчёт, опубликованный в [5] и основанный на прошлогодних данных, оценивает это количество в 3,3 миллиона.
Можно ли создать глобальную систему типа биткоин?
        Краткий ответ: прямолинейным способом нельзя, но, по-видимому, возможно путём обобщения вовлечённых сюда технологий сблизить анонимный крипто-мир с личностным миром настоящих физических людей. Для этого, оба мира должны сделать шаг навстречу друг другу. Признаки такого сближения уже наблюдаются. Самая заметная тенденция такого рода – это делающиеся попытки расширить и применить технологию блокчейн во многих областях далеко за пределами криптоденег. В настоящее время, многие специалисты в области искуственного интеллекта и теории алгоритмов осознали, что очень важным и, быть может, самым ценным аспектом блокчейна является его способность устранять посредников во всевозможных видах сделок (контрактов), где подразумевается (далеко не всегда обоснованно) доверие между участниками.
        Процитирую отрывок из журнала «IEEE. Spectrum» за октябрь 2017:
      «Теперь, восемь лет спустя после того, как был построен первый блокчейн, люди с переменным успехом пытаются применить его к процессам далеко за пределами перемещемия денег. Фактически они спрашивают: какие ещё соглашения блокчейн может автоматизировать? Каких ещё посредников блокчейн может отправить на пенсию?» [3], с. 28.
        Важным практическим и научно-техническим шагом явились новые исследования, включающие моделирование различных видов деятельности с заменой обычой организационной структуры на расширенную технологию блокчейн. Хороший пример – новая система блокчейна Ethereum и связанная с ним криптовалюта «эфир» (ether). Зародыш идеи существовал с самого начала появления биткоина, но прошло несколько лет, прежде чем Виталик Бутерин, 19-летний студент по специальности информатика, в Торонто (Канада) сконструировал совершенно новый блокчейн Ethereum. Многие черты системы Ethereum напоминают блокчейн биткоина, но вместо тракзакций, используются более сложные объекты – мини-программы, называемые «умными контрактами» (smart contracts). Система гарантирует полную открытость правил, неизменность контрактов третьими лицами, работу правил независимо от присутствия заключивших контракт, а также отсутствие цензуры. В настоящее время проводится моделирование с целью автоматизации такси сервиса Uber, видео-сервиса Netflix и сервиса всех авиа-страховых компаний. В настоящее время эфир считается второй после биткоина криптовалютой по популярности. В 2015 г. Эфир был допущен в качестве валюты для биржевой торговли.
Проблема затрат энергии; объем памяти
        Ещё одна причина озабоченности ростом биткоина – растущий объём памяти занимаемый системой и, в особенности, непомерно большое потребление энергии. Всё острее поднимается вопрос об энергосберегающей рекострукции блокчейна. Одна из свежих дислуссий о возможных инженерных решениях опубликована в статье [4] под названием «Кормление зверя Блокчейн». Отмечается, что сейчас системе биткоина приходится генерировать 5•1018 криптографических 256-битовых хэш-кодов в секунду, потребляя мощность приблизительно 500 МВт. Это в 5000 раз больше чем расходы на транзакции кредитной карты Visa.
        Несомненно, что усилия снизить потребление энергии за счёт разработки более эффективных процесоров могут помочь делу, но вряд ли радикально. Прирост эффективности постепенно снижается, в то время как ожидаемый расход энергии системой биткоин в течение года вырастет до 700 МВт. Согласно диссертации доктора Дитмана (Deetman) из Лейденского университета, к 2020-му году этот расход вырастет до 14 ГВт.
        По моему мнению, радикальные решения проблемы лежат в алгоритмической области. Одно из перспективных решений – это альтернатива майнингу биткоина, предложенная в системе эфир. Решая по существу те же проблемы, эфир заменяет трудоёмкий процесс «доказательства работы», используемый в биткоине, на алгоритм, называемый «доказательством ставки» (proof of stake). Не вдаваясь в подробности алгоритма, отмечу только, что вместо сражения майнеров за право создания блоков, новое решение отдаёт предпочтение участникам, имеющим большую долю владения валютой эфир. Идея дать бо'льшие права тем, кто меньше всего заинтересован в коррупции системы, интересна, но только будущее покажет насколько она продуктивна.
Заключение: перспективы
        Я описал лишь небольшую, но надеюсь, представительную часть процессов, связанных с криптовалютой и поддерживающими её технологиями. Многие элементы этих технологий сравнительно молоды и продолжают быстро развиваться. Не удивительно, что нас ожидают сюрпризы. Однако уже сейчас видно, что процесс эволюции криптотехнологий не будет всемирной экспансией одной системы, будь то биткоин, эфир или другая криптовалюта.
В духе фигуры 1, технологии, первоначально зародившиеся внутри криптосистемы, изменят как саму систему, так и индустриальную (а за ней и общественную) среду, в которой она обитает.
        Вполне возможно, что многие, если не все, проблемы, упомянутые мной в списке недостатков, будут решены. Они изменят наше понимание более глубоких, общественных проблем. Не забудьте, что толчком к биткоину и его альтернативам явились негативные события в мировой экономике плюс такие идеи как крипто-анархия.
        Я не думаю, что мы идем к крипто-анархии, но ясно, что баланс между фокусом людей на «личной свободе” и на заботе об организационных задачах общества будет той подводной частью айсберга, на вершине которого мы увидим новые технологические попытки решить инженерным путем глубокие человеческие проблемы.
Ссылки
1.S. Nakamoto, https://bitcoin.org/bitcoin.pdf», 2008.
2.W. Dai, «b-money, «http://www.weidai.com/bmoney.txt», 1998.
3.Morgen E. Peck; «Blockchains: how they work and why they will change the world»; IEEE Spectrum, October 2017, p. 26-35.
4.Peter Fairley, «Feeding the blockchain beast. If bitcoin ever does go mainstream, the electricity needed to sustain it will be enormous.»; IEEE, Spectrum, October 2017, pp. 36-37, 58-59
5.https://steemit.com/bitcoin/@hisnameisolllie/how-many-people-own-bitcoin
В оглавление