RU2770746C1 - Система распределенного реестра - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к системе распределенного реестра. Технический результат заключается в повышении надежности системы распределенного реестра. Система содержит блок преобразования смарт-контрактов с предметно-ориентированного языка на язык системы компьютерной логики HOL4, блок формальной верификации смарт-контрактов на основе библиотеки теорем и тактик в системе HOL4, блок трансляции смарт-контрактов в абстрактное синтаксическое дерево языка функционального языка программирования CakeML, блок формально-верифицированного компилятора CakeML в машинный код, узлы СРР, каждый из которых содержит верифицированную операционную систему, подсистему исполнения смарт-контрактов, подсистему сетевых взаимодействий, при этом узлы СРР связаны между собой посредством верифицированного протокола консенсуса. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Изобретение относится к информационным технологиям, а именно к созданию надежных систем распределенных реестров и может быть использовано для применения в критически важных отраслях промышленности с высокими требованиями к безопасности и среде работы с данными.

На сегодняшний день системы распределенного реестра (СРР) находят свое применение в различных направлениях информационных технологий и в различных секторах экономики, начиная с традиционного для них финансового сектора и заканчивая специфическими применениями в области робототехники, транспорта, связи и многих других.

СРР представляют собой распределенные системы, функционирующие в реальном масштабе времени. К надежности СРР предъявляются особые требования. Это связано с тем, что свойства СРР, с одной стороны, по определению обеспечивают доступ к данным для всех участников системы без ограничений, а также согласованность и целостность данных. С другой стороны, любой дефект в исходном коде СРР может обернуться серьезной уязвимостью для системы в целом ввиду того, что нет единой точки доступа для устранения проблемы.

Одним из основных понятий СРР является понятие смарт-контракта. Смарт-контракт - это функция, реализованная в виде программного обеспечения, аргументами которой являются (1) текущее состояние СРР и (2) данные пользователя, инициировавшего транзакцию в СРР, приводящую к активации данного смарт-контракта. Результатов выполнения смарт-контракта является новое состояние СРР. Понятие состояния СРР будет раскрыто в дальнейшем.

Из патента № RU2679532 «Система децентрализованного цифрового расчетного сервиса» (G06Q 30/00, G06Q 30/00, G06Q 20/401, 11.02.2019) известно решение, представляющее собой СРР, включающую N серверов банков, каждый из которых содержит автоматизированную банковскую систему с базой данных, распределенный реестр для осуществления финансовых операций напрямую между аккаунтами пользователей без участия систем банка и платежных систем в режиме онлайн, клиентский портал, содержащий модуль доступа к СРР, который хранит публичный и приватный ключи портала, k мобильных устройства клиентов. Недостатками этого известного решения являются отсутствие формальной верификации на всех уровнях работы СРР, что не обеспечивает гарантированной надежности ее работы. В частности, известное решение не содержит специальных механизмов защиты от некорректной логики финансовых операций, ошибок в системе исполнения финансовых операций, ошибок при достижении согласованного состояния распределенного реестра, ошибок в операционном окружении.

В широко распространенной СРР Ethereum были выявлены многочисленные ошибки (уязвимости), связанные с системой исполнения смарт-контрактов. Во многих случаях эти ошибки позволили злоумышленникам совершить хищения цифровых финансовых активов, реализованных на платформе СРР Ethereum.

Традиционные методы обеспечения качества программного обеспечения, такие как тестирование, аудит кода, проектирование по контракту, в принципе не могут гарантировать надежность распределенных систем, работающих в реальном масштабе времени, в том числе СРР. При наличии критических требований по надежности и безопасности таких систем, единственным методом обеспечения качества, включая корректность, надежность, безопасность и безотказность системы, является формальная верификация программного обеспечения.

Методы формальной верификации применяются, начиная с 1990-х годов, для обеспечения надежности программного обеспечения в таких отраслях, как атомная энергетика, аэрокосмическая техника, высокоскоростной железнодорожный транспорт. Так, автоматическая система управления 14-й линией парижского метро (Meteor) была спроектирована и построена на основе метода формальной верификации B. Однако при разработке СРР методы формальной верификации пока применялись недостаточно широко. Известна СРР Tezos с предметно-ориентированным языком смарт-контрактов Archetype, для которого разработаны методы формальной верификации. Однако данные методы охватывают только уровень собственно программной логики смарт-контрактов и не предоставляют гарантий корректного исполнения смарт-контрактов в узлах СРР и их операционном окружении, а также гарантий корректности протокола консенсуса, используемого в СРР.

Задачей и техническим результатом заявляемого решения является создание полностью формально-верифицированной системы распределенного реестра, обеспечивающей надежность исполнения смарт-контрактов и безопасность обработки данных за счет обеспечения доказательства корректности работы смарт-контрактов на всех этапах в среде исполнения, включая операционное окружение. Доказательства корректности функционирования системы верифицируются автоматически в системах компьютерной логики и, таким образом, не допускаются ошибки в работе СРР.

Технический результат достигается тем, что система распределенного реестра (СРР) содержит блок преобразования смарт-контрактов с предметно-ориентированного языка на язык системы компьютерной логики HOL4, блок формальной верификации смарт-контрактов на основе библиотеки теорем и тактик в системе HOL4, блок трансляции смарт-контрактов в абстрактное синтаксическое дерево языка функционального языка программирования CakeML, блок формально-верифицированного компилятора CakeML в машинный код, узлы СРР, каждый из которых содержит верифицированную операционную систему, подсистему исполнения смарт-контрактов, подсистему сетевых взаимодействий, при этом узлы СРР связаны между собой посредством верифицированного протокола консенсуса.

А также тем, что в качестве верифицированной операционной системы узлов СРР применена формально-верифицированная операционная система seL4.

А также тем, что взаимодействие узлов СРР с внешними системами и базами данных осуществляется через подсистему взаимодействия, реализованную на фреймворке Erlang/OTP.

А также тем, что протокол консенсуса между узлами СРР верифицирован методом Model checking.

Сущность заявленного решение поясняется на фиг.1, 2

На фиг.1 изображена схема архитектуры разрабатываемой системы.

На фиг.2 изображено верхнеуровневое представление связей между компонентами узла СРР.

На фигурах введены следующие обозначения:

1 – Блок составления смарт-контракта на предметно-ориентированном языке;

2 – Блок трансляции смарт-контракта с предметно-ориентированного языка на язык системы компьютерной логики HOL4;

3 – Блок транслированного смарт-контракта на языке HOL4;

4 – Блок трансляции смарт-контракта с языка HOL4 в абстрактное синтаксическое дерево языка CakeML;

5 – Блок транслированного смарт-контракта в абстрактное синтаксическое дерево языка CakeML;

6 – Блок верификации программного обеспечения;

7 – Блок библиотеки доказательств и тактик;

8 – Блок формально-верифицированного компилятора CakeML в машинный код;

9 – Блок скомпилированного в машинный код смарт-контракта;

10 – Подсистема исполнения смарт-контракта;

11 – Подсистема сетевых взаимодействий;

12 – Блок верифицированной операционный системы;

13 – Узел системы распределенного реестра;

14 – Блок взаимодействия между узлами СРР посредством верифицированного протокола консенсуса;

15 – Узлы системы СРР;

16 – Подсистема взаимодействия с внешними системами;

17 – Внешние источники (потребители, БД, другие внешние СРР);

18 - Круговой управляющий блок;

19 - Круговое состояние;

20 - Безопасность;

21 - Хранилище блоков;

22 - Синхронизатор;

23 - Алгоритм консенсуса;

24 - Диспетчер соединения;

25 - Диспетчер обнаружения;

26 - Сетевой администратор;

27 - Состояние сети;

28 - Сеть;

29 - Хранилище;

30 - Блок вычисления состояния распределенного реестра.

Все компоненты, необходимые для работы СРР, приведены на фиг. 1. Блок 1 функционально обеспечивает составление смарт-контракта на предметно-ориентированном языке, разработанном для возможности создания смарт-контрактов без понимания технических тонкостей работы СРР, что обеспечивает простоту составления смарт-контракта. Для предметно-ориентированного языка также специфицируется формальная семантика на языке системы компьютерной логики HOL4. HOL4 – это среда, в которой есть все необходимое для формальной верификации, в его основе лежит язык Standard ML. Для доказательства надежности исполнения полученного кода на предметно-ориентированном языке, происходит трансляция кода смарт-контракта из предметно-ориентированного языка в язык HOL4 (блок 2).

Транслированный код на языке HOL4 (блок 3) верифицируется при помощи заранее доказанных теорем посредством обращения к блоку 6 верификации программного обеспечения, который, в свою очередь, взаимодействует с блоком 7, который представляет собой библиотеку доказательств и тактик. Такой подход возможен, благодаря заданию формальной семантики предметно-ориентированного языка внутри HOL4. Для доказательства используется система верификации (блок 6), которая обращается к библиотеке теорем и тактик (блок 7). Результатом работы блока 6 верификации является код смарт-контракт на языке HOL4, для которого доказана логическая корректность.

На следующем шаге производится генерация абстрактного синтаксического дерева языка CakeML из верифицированного кода смарт-контракта на языке HOL4. CakeML – это язык семейства Standard ML и среда, в которой есть формально-верифицированный компилятор. Для того, чтобы использовать его возможности, необходимо транслировать полученный из блока 3 код на HOL4 во входные данные компилятора CakeML (блок 8). В состав среды CakeML входит библиотека (в составе блока 7), специально разработанная для трансляции кода HOL4 в абстрактное синтаксическое дерево языка CakeML . Транслятор из HOL4 в CakeML (блок 4) использует эту библиотеку и генерирует абстрактное синтаксическое дерево СakeML (блок 5), которое затем компилируется в машинный код при помощи формально-верифицированного компилятора CakeML (блок 8). Применение формально-верифицированного компилятора гарантирует, что полученный машинный код (блок 9) является корректным.

Узел СРР (блок 13) -- это компонент программного обеспечения СРР, осуществляющий исполнение смарт-контрактов, сетевые взаимодействия с другими узлами СРР, исполнение протокола консенсуса в рамках согласования блоков из транзакций, обеспечение корректности исполнения транзакций, вычисление нового состояния СРР и его сохранение в персистентное хранилище, отправку сообщений в рамках протокола консенсуса, а также за синхронизацию состояния отставшего узла, управление персистентным хранилищем данных, которое используется для хранения данных протокола консенсуса и состояния СРР.

Каждый узел СРР функционирует на физической или виртуальной аппаратной платформе, подключенной к сети Интернет, работающей под управлением формально-верифицированной операционной системы seL4 (блок 12), основанной на архитектуре микроядра. Использование seL4 направлено на исключение потенциальных ошибок функционирования ядра СРР, вызванных некорректным функционированием операционной системы.

Подсистемы исполнения смарт-контрактов (блок 10) и сетевых взаимодействий (блок 11) относятся к узлу СРР и созданы для того, чтобы скомпилированный смарт-контракт мог выполняться в СРР.

Смарт-контракт, представленный в виде машинного кода (блок 9), загружается на узел СРР. Пользователи СРР имеют возможность совершать транзакции, то есть вводить в СРР данные определенного формата, приводящие к активации заданного смарт-контракта. При этом текущее состояние СРР и данные, введенные пользователем, являются аргументами при выполнении данного смарт-контракта.

Результатом выполнения смарт-контакта на узле СРР (блок 13) является изменение состояния этого узла. Под состоянием узла СРР понимаются записи определенного формата, персистентно хранящиеся в памяти узла. Под состоянием СРР в целом понимается единообразное состояние всех правильных узлов СРР, достигаемое в результате применения протокола консенсуса. При этом правильным узлом называется узел, являющийся доступным для сетевых взаимодействий и выполняющий протокол консенсуса, а неисправным узлом -- узел, являющийся недоступным или отклоняющийся от протокола консенсуса. Под протоколом консенсуса понимается алгоритм, выполняемый совокупностью всех (правильных) узлов СРР, приводящий к возникновению единообразного состояния этих узлов после каждой транзакции.

Под i-ой версией системы понимается состояние СРР, полученное после принятия i-ой транзакции и выполнения смарт-контракта, активированного этой транзакией. Формально-верифицированный протокол консенсуса гарантирует, что для любой конечной i-ой версии системы, при числе неисправных узлов, составляющем строго менее половины от числа правильных узлов, все правильные узлы имеют одинаковое согласованное состояние (свойство безопасности), и это состояние изменяется в зависимости от версии системы i (свойство отсутствия тупиков).

На этапе протокола консенсуса транзакции группируются в блоки, что делается исключительно для ускорения принятия транзакций узлами СРР. После принятия блока транзакций в результате работы протокола консенсуса, сохраняются только индивидуальные транзакции с доказательством их согласования в рамках протокола консенсуса. Каждая принятая транзакция из блока транзакций исполняется детерминировано и единообразно на всех правильных узлах СРР, что приводит к увеличению счетчика версий системы i на число выполненных транзакций из принятого блока.

Необходимо отметить, что представленное на фиг. 1 исполнение узла 13 отражает, в том числе, и исполнение всех остальных узлов СРР 15. Узел 13 приведен для понимания строения всех узлов СРР. Для согласования состояния всех узлов -- участников СРР (блок 15) используется протокол консенсуса, представленный блоком 14, верифицированный при помощи теорем и тактик на HOL4, а также с помощью метода Model checking. Взаимодействие СРР с внешними системами и базами данных (блок 17) осуществляется через подсистему (блок 16), реализованную на фреймворке Erlang/OTP, который обеспечивает высокую надежность исполнения.

На фигуре 2 изображено верхнеуровневое представление связей между компонентами узла СР. Одним из важнейших компонентов узла является протокол консенсуса 14, работа которого представляется в виде взаимодействия следующих модулей: Круговой управляющий блок 18, Круговое состояние 19, Безопасность 20, Хранилище блоков 21, Синхронизатор 22.

Модуль протокола консенсуса (блок 23) взаимодействует с Сетью (блок 28), Хранилищем СРР (блок 29) и вычисляет состояние СРР (блок 30). Протокол консенсуса включает в себя определенное число раундов обмена сетевыми сообщениями между всеми узлами СРР, с целью достижения одинакового состояния всех правильных узлов. Данный модуль включает в себя компоненты:

- Круговой управляющий блок (блок 18), который ответственен за управление жизненным циклом и за обработку событий протокола консенсуса. Этот блок отвечает за главный цикл обработки сообщений узлом.

- Круговое состояние (блок 19), которое управляет состоянием протокола консенсуса: хранит и обновляет номер текущего раунда, отслеживает голоса узлов СРР, полученные в текущем раунде при формировании консенсуса, генерирует сертификаты кворума при наборе достаточного количества голосов (или событие тайм-аута, если кворум не был достигнут за заданное время), управляет жизненным циклом таймера раунда.

- Безопасность (блок 20) -- это компонент, который ответственен за формирование голоса данного узла СРР при получении блока от лидера раунда в процессе формирования консенсуса. Помимо этого, компонент управляет ЭЦП, т.е подписывает сообщения от имени валидатора, а также проверяет подписи сообщений других валидаторов.

- Хранилище блоков (блок 21) - это компонент, который управляет структурой данных блоков в виде дерева, активирует принятие блока в случае выполнения необходимых условий, а также хранит сертификаты, необходимые для протокола консенсуса и синхронизации.

- Синхронизатор (блок 22) - это компонент, который ответственен за синхронизацию состояния консенсуса и СРР.

Сеть (блок 28) - это компонент, который, в свою очередь, состоит из нескольких субкомпонентов (процессов):

- Диспетчер соединения (блок 24) - это процесс, который отвечает за поддержку соединения с узлами СРР.

- Диспетчер обнаружения (блок 25) - это процесс, который отвечает за получение, передачу и обработку информации об известных узлах СРР.

- Сетевой Администратор (блок 26) - это процесс, который отвечает за исполнение команд отправки сообщений и функций алгоритма консенсуса.

- Состояние сети (блок 27) - это процесс, реализующий базы данных, в которой хранится информация об известных узлах и текущих соединениях.

Синхронизатор 22 - это компонент, который ответственен за формирование заданий на синхронизацию сетевому слою (Сеть, блок 28) и применение результата к текущему состоянию узла 13.

Таким образом, предлагаемый объект позволяет совершать безопасные и надежные транзакции путем реализации СРР с проверкой полной корректности выполнения на всех этапах выполнения смарт-контракта, а именно:

- трансляция смарт-контракта из предметно-ориентированного языка в HOL4 и его верификация в системе компьютерной логики HOL4 гарантирует логическую корректность смарт-контракта на уровне исходного кода;

- трансляция смарт-контакта из HOL4 в CakeML и далее из CakeML в машинный код исключает ошибки компиляции, то есть гарантирует генерацию корректного машинного кода смарт-контракта;

- формальная верификация алгоритмов функционирования узла СРР в системе HOL4 гарантирует логическую корректность этих алгоритмов, а реализация узла на CakeML гарантирует генерацию корректного машинного кода узла;

- формальная верификация протокола консенсуса с использованием системы HOL4 и с помощью метода Model checking гарантирует свойства безопасности и отсутствия тупиков в протоколе консенсуса;

- использование формально-верифицированной операционной системы seL4 в качестве основы реализации узла СРР гарантирует отсутствие ошибок, вызванных некорректным функционированием операционной системы.

Claims (4)

1. Система распределенного реестра (СРР), содержащая блок преобразования смарт-контрактов с предметно-ориентированного языка на язык системы компьютерной логики HOL4, блок формальной верификации смарт-контрактов на основе библиотеки теорем и тактик в системе HOL4, блок трансляции смарт-контрактов в абстрактное синтаксическое дерево языка функционального языка программирования CakeML, блок формально-верифицированного компилятора CakeML в машинный код, узлы СРР, каждый из которых содержит верифицированную операционную систему, подсистему исполнения смарт-контрактов, подсистему сетевых взаимодействий, при этом узлы СРР связаны между собой посредством верифицированного протокола консенсуса.

2. Система распределенного реестра по п.1, отличающаяся тем, что в качестве верифицированной операционной системы узлов СРР применена формально-верифицированная операционная система seL4.

3. Система распределенного реестра по п.1, отличающаяся тем, что взаимодействие узлов СРР с внешними системами и базами данных осуществляется через подсистему взаимодействия, реализованную на фреймворке Erlang/OTP.

4. Система распределенного реестра по п.1, отличающаяся тем, что протокол консенсуса между узлами СРР верифицирован методом Model checking.

Images