Принцип работы децентрализованной информационной системы денежных переводов

Научно-технический прогресс входит во все сферы деятельности. Наиболее перспективным направлением является финтехе, в частности, платежные системы на блокчейн технологиях. Следствием совершенствования вычислительных и информационных технологий стало появление нового финансово-расчетного инструмента –

электронных денег, особенность которого заключается в возможности существования как в централизованных, так и в децентрализованных системах. Задаче разработке децентрализованной платежной системы в последнее время уделяется большое внимание в специализированной литературе [1–3].

This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International License

В социальной сфере востребована услуга анонимной и отказоустойчивой системы оплаты. В случае с банковскими системами такой точкой отказа является само предприятие банка. Анонимность в банковских системах зависит от политик информационной безопасности самого предприятия и от качества программного обеспечения.

Технология криптовалют решает данные проблемы иначе.

Проблема отказоустойчивости решается созданием децентрализованной сети. Эти сети еще называют Peer to Peer или Р2Р. Теперь не конкретное предприятие совершает транзакцию пользователя, а участник сети. Таким образом, решается проблема отказоустойчивости. Решение этой проблемы проиллюстрировано на рисунке 1.

Рисунок 1. Отличие децентрализованных подходов и централизованных

Figure 1. The difference between decentralized approaches and centralized

Рисунок 2. Подходы к созданию транзакций

Figure 2. The difference between business processes

Проблему анонимности в банковской среде трудно решить окончательно, так как у третьих лиц всегда имеется возможность узнать личные данные пользователя, или воспользоваться уязвимостями информационных систем. По этой причине и пользователю приходится доверять организации банка и надеяться, что его личные данные не будут использоваться в корыстных целях.

Проблема анонимности решается за счет того, что при регистрации пользователя в децентрализованной системе, не нужно указывать свои личные данные. Достаточно сгенерировать

Коробова Л.А. и др. Вестник ВГУИТ, 2022, Т. 84, №. 3, С. приватный ключ, который будет являться секретом пользователя для подтверждения денежного перевода. И публичный ключ, который будет являться адресом, на который имеется возможность перевести деньги. Таких пар ключей у пользователя может быть несколько для разных целей. Данный подход проиллюстрирован на рисунке 2 [4, 5].

Также можно встроить алгоритм JoinCoin, который позволяет соединять транзакции. Теперь злоумышленник не может однозначно связать информацию о покупке с конкретным лицом.

Рисунок 3. Пример применения JoinCoin

Figure 3. Example of using the JoinCoin algorithm

Чтобы объяснить это рассмотрим рисунок 3. Люди на рисунке обозначают публичные ключи (адресаты), причем несколько публичных ключей может принадлежать одному физическому лицу. Стрелками обозначены направления денежных переводов. Информация о транзакциях означена в прямоугольниках. На текущий момент уже не известно, происходит перевод другому физическому лицу или самому себе по разным счетам. Если произошел перевод между физическими лицами, также не известно с какой целью был произведен перевод, за оказание услуги, перевод зарплаты, или акт дарения денежных средств. Кроме этого, неизвестна точная конечная сумма, так как транзакции можно вложить друг в друга благодаря механизмам JoinCoin и UTXO. Данные механизмы опциональны, т. е. присутствует определенная нечеткость выбора одного из нескольких возможных способов действий. Любая неопределенность ведет к возникновению споров и конфликтов [8]. Для разрешения конфликтных ситуаций можно использовать более прозрачные способы оплаты [9, 10].

Чтобы создать децентрализованную сеть, требуется определить протокол транспортного уровня и протокол per to peer. Протоколом сетевого уровня может являться, например: TCP, UDP. Для протокола peer to peer сети может подойти Gossip. Цели протокола peer to peer:

• 1)    обнаружение участников децентрализованной сети;

• 2)    маршрутизация – поиск ближайших соседей для эффективной отправки сообщений;

• 3)    идентификация участника по публичному ключу.

Очевидно, что теперь нет единой базы данных, в которой бы поддерживался актуальный баланс счетов. Для решения этой задачи можно использовать структуру blockchain и алгоритм консенсуса.

Рисунок 4. Пример хранения цепочки блоков

Figure 4. Visualization of an example of blockchain storage and block Structure

На рисунке 4 представлены механизм blockchain (хранение цепочки блоков) и структура одного блока. В блоке выделены следующие элементы: транзакции, производимые пользователями (t1, t2, t3, t4, t5, t6), ссылка на предыдущий блок, hash текущего блока, индекс, временная метка, индивидуальный (уникальный) номер – случайное число. Ссылкой на предыдущий блок является hash. Таким образом, выстраивается цепочка блоков. Данная цепочка распространяется ближайшим участникам сети. Самая длинная цепочка является актуальной, не актуальные цепочки не принимаются во внимание. Для проверки блоков можно применить алгоритм РоW (Prof of Work).

Рисунок 5. а) алгоритм Prof of Work и б) алгоритм консенсуса

Figure 5. a) РоW algorithm and b) Consensus algorithm

На рисунке 5 видно, что «Добыча блока» это цикличный и трудоемкий процесс, который и является доказательством работы алгоритма РоW. Инициализация работы алгоритма РоW является защитой от злоумышленников, которые захотят изменить цепочку блоков с целью выгоды. Так как добыча блоков это долгий процесс, то с увеличением числа блоков все менее целесообразно подменить транзакцию. Для того, чтобы был стимул поддерживать систему, майнерам (добытчикам блока) выплачивается комиссия за успешную генерацию блока.

Обсуждение

Генерацию блоков «честной» цепочки и цепочки блоков злоумышленника (атакующего) оценивают биномиальным случайным блужданием. Изменение расширения цепочки блоков на один со знаком «+» (+1), определяется как событие успеха или увеличение преимущества «честной» цепочки. По аналогии, изменение цепочки блоков на один блок со знаком «–» (-1), определяется как событие неудачи или расширение цепочки злоумышленника (атакующего) на один блок.

Вероятность безубыточности транзакции, или вероятность того, что атакующий когда-либо догонит «честную» транзакцию, начиная с z блоков ( q z ), определим следующим выражением:

1, если p < q q = <                       ^,

(q / p) , если p > q где p – вероятность, что «честная» цепочка не изменена с целью выгоды, q – вероятность, что злоумышленник найдет следующий блок, z – количество блоков транзакции. Значение потенциального прогресса злоумышленника можно оценить по распределению Пуассона с ожидаемым значением X = zq/p .

Вероятность того, что атакующий все еще может догнать, умножаем распределение Пуассона для каждой величины прогресса, который он мог бы достичь, на вероятность того, что он сможет догнать с определенной точки:

^ X k Кe"^X ( q / p )⁽ z ^k ) если k <  z

• k = о ^k ! 1 если k >  z

где k - счетчик блоков транзакции k = 1, .

Применим к предыдущей формуле перестановку, с целью не допустить суммирования бесконечного хвоста распределения. Таким образом, получаем следующую формулу для расчета вероятности того, что злоумышленник совершит успешную атаку на «честную» транзакцию, i-'L ^^ (i-(q / p V-*'), k = 0     k !

где k - счетчик блоков транзакций k = 1, z [6-8].

Исходя из этого, процессом подтверждения транзакции является ожидание добавления нескольких новых блоков в цепочку. Это гарантирует то, что данная транзакция не будет изменена злоумышленником. Процесс подтверждения транзакции представлен на рисунке 6.

На рисунке 6 можно заметить новый элемент – цифровая подпись. Данный механизм, требуется для идентификации принадлежности транзакции публичному ключу (адресу пользователя), а также подтверждение того факта, что данные транзакции не были изменены в процессе добычи блоков другим участником сети.

Рисунок 6. Процесс работы с транзакциями

Figure 6. Transaction lifecycle

Рисунок 7. Алгоритм работы электронной подписи

Figure 7. Algorithm of digital signature operation

На рисунке 7 показаны процессы подписания транзакции и проверки подписи. Если проверка подписи пройдена, это означает, что только владелец секретного ключа мог создать данную транзакцию. Следовательно, злоумышленник не сможет перевести деньги с нашего счета в децентрализованной сети.

Узнать баланс можно посчитав разность между общей суммой поступающих средств и трат денег. Это можно реализовать, так как в сети хранится полная история транзакций.

Определим необходимый функционал программного клиента:

• 1)    генерация пары ключей;

• 2)    импорт пары ключей;

• 3)    экспорт пары ключей;

• 4)    получение списка пиров (клиентов участвующих в сети);

• 5)    подключение к пирам;

• 6)    публикация списка знакомых клиенту пиров;

• 7)    опрос пиров;

• 8)    получение транзакции и передача другим пирам;

• 9)    создание транзакции и передача другим пирам;

• 10)    подтверждение транзакции;

• 11)    расчет текущего баланса;

• 12)    добавление нового блока в цепочку;

• 13)    публикация своего блокчейна;

• 14)    добыча блока.

Замечание . В блоке указывается много транзакций, так как требуется провести большой объем работы, для этого и привлекаются майнеры.

Если транзакций больше чем нужно, то они ранжируются в зависимости от предложенной клиентом комиссии. Список транзакций называют transaction pool [10–20].

Рассмотрим пример работы децентрализованной сети, представленной на рисунке 8. «Node 1» отправляет транзакцию майнерам. Майнеры распространяют транзакцию на другие пиры. «Mainer 1» успел найти блок первым, поэтому отправляет блок остальным пирам, в том числе «Mainer 2» и «Node 1». «Mainer 2» в свою очередь пересылает блок «Node 3». «Node 1» ожидает N новых блоков, пока не проверит легитимность транзакции.

Рисунок 8. Пример работы децентрализованной сети Figure 8. Example of a decentralized network messaging

Заключение

В статье проведен анализ работы децентрализованной платежной системы. Рассмотрены алгоритмы реализации бизнес-процессов, а также механизмы защиты распределенной информационной системы.