Что такое Cardano?

Cardano – многоуровневая блокчейн-платформа на базе Proof-Of-Stake, написанная на языке программирования Haskell и предназначенная для создания децентрализованных приложений на основе смарт-контрактов.

Платформа названа в честь Джероламо Кардано (1501 – 1576), выдающегося итальянского математика, физика, биолога, химика, астролога, философа, писателя и любителя азартных игр.

Вполне логично, что создатель Cardano математик Чарльз Хоскинсон назвал именем Кардано проект, нацеленный на создание гибкой и интероперабельной разновидности программируемых денег с помощью научных методов, в основе которых лежат математические доказательства и теория игр.

Нативный криптовалютный токен Cardano – ADA – назван в честь Августы Ады Кинг, графини Лавлейс (1815 – 1852). Дочь поэта Джорджа Байрона, Ада Лавлейс была математиком и автором описания первой вычислительной машины, для которой составила первую в мире программу. Ее считают первым программистом в истории.

Субъединица криптовалюты ADA (0,000001 ADA) носит название Lovelace.

• Чарльз Хоскинсон – основатель Cardano, математик и предприниматель, стоявший у истоков Bitshares и Ethereum.
• Джереми Вуд – сооснователь Cardano, директор по вопросам стратегического развития проекта. В конце 2013 года он занимал должность исполнительного директора Ethereum Foundation, после чего выступал в качестве консультанта в ряде других криптовалютных проектов.
• Аггелос Киайас — главный научный сотрудник проекта, криптограф и профессор Эдинбургского университета.

В июне 2014 года Хоскинсон покинул Ethereum из-за разногласий касательно дальнейшего развития проекта, после чего совместно c Вудом основал компанию Input Output Hong Kong (IOHK), которая в 2015 году начала заниматься разработкой и развитием Cardano.

7 февраля 2017 года разработчики IOHK представили whitepaper блокчейн-протокола Ouroboros.

Официальный запуск платформы Cardano состоялся 29 сентября 2017 года. Торговля токенами началась 1 октября 2017 года.

• Cardano Foundation – зарегистрированная в Цуге, Швейцария, некоммерческая организация, главная функция которой – «стандартизировать, защищать и развивать технологию Cardano». Она отвечает за связи с финансовыми регуляторами, государственными структурами, общественностью, а также развивает стратегическое партнерство с другими проектами.
• IOHK (Input Output Hong Kong) – основанная Вудом и Хоскинсоном инженерная и технологическая компания. IOHK занимается разработкой криптовалюты и исследовательской деятельностью. Компания связана с Cardano Foundation контрактом, по условиям которого она останется главным разработчиком платформы до 2020 года.
• Emurgo – инвестиционный фонд с офисами в Сингапуре, Японии, США, Индонезии и Индии. Его миссия состоит в том, чтобы «развивать и поддерживать коммерческие предприятия, а также помогать интегрировать бизнесы в экосистему Cardano».

В настоящее время для совершения транзакций Cardano использует модель UTXO, которая используется в биткоине. При этом эра Shelley также допускает использование account-модели (аналогично Ethereum/EOS). Адреса такого формата используются для начисления наград. Cardano использует преимущества обоих моделей.

Входы и выходы содержат информацию о происхождении и перемещении средств: входы сообщают, с какого адреса происходят средства, а выходы – с какого адреса осуществляется перевод средств.

Чтобы предотвратить двойную трату, каждая нода в сети ведет учет транзакций. Когда новая транзакция становится доступной (появляясь либо в блоке, либо в мемпуле), ее анализируют с целью выяснить, модифицирует ли она неистраченный выход, связанный с каждым адресом в сети.

Модель UTXO не может оптимально поддерживать функционал смарт-контрактов. Для решения этой проблемы Cardano планирует выпустить собственную адаптированную версию UTXO под названием Extended UTXO (EUTXO).

EUTXO использует механизмы, разделяющие выполнение смарт-контракта на множество транзакций: каждый транзакционный выход содержит поле данных с произвольно выбранной информацией, связанной с определенным смарт-контрактом. Ожидается, что модель EUTXO будет полностью имплементирована в течение фазы Goguen.

В блокчейне Cardano присутствуют блоки двух типов: основные и генезис-блоки. Основной блок состоит из заголовка и тела (внутренней части информационного объекта). Заголовок содержит метаданные блока, а тело – транзакционные данные. Как и основные блоки, генезис-блоки также имеют заголовок и тело, однако генерируются один раз за эпоху, являясь индексами для основных блоков, с которыми они связаны.

Ouroboros – PoS-протокол с доказуемой криптостойкостью. По заявлению разработчиков, протокол Ouroboros представляет собой алгоритм консенсуса, способный стать фундаментом для более надежного и масштабируемого блокчейна и существенного повышения скорости транзакций. Процесс создания блоков делится на эпохи и слоты. Эпоху образует N (количество) слотов, в течение которых установлен определенный уровень распределения стейков. Он либо запрограммирован (на начальной стадии кроссвалидации), либо на более поздней стадии разработки вычисляется по снапшоту блока.

В начале каждой эпохи избираются лидеры, каждый из которых наделен правом обрабатывать транзакции и подписывать блоки в конкретных слотах. Для каждого слота из числа стейкхолдеров случайным образом выбирается лидер, который создает очередной блок, связанный с предыдущим в цепи.

В то время как транзакции записываются в блоках, распределение стейков посредством которого избирается лидер, изменяется. В отличие от алгоритма Byzantine Fault Tolerance, где валидаторы финализируют блоки по мере их создания, в Cardano вероятность признания блоков «каноническими» возрастает по мере того, как растет число создаваемых поверх них блоков (как в схемах Proof-of-Work).

Процессы выбора лидеров и назначения слотов основаны на распределении стейков и лотерее. Однако выигрывает не любой, кто первым получает правильный хеш – лидера для каждого слота определяет число, сгенерированное посредством вычислений ряда стейкхолдеров в предыдущую эпоху. Шансы слота победить пропорциональны сумме его стейка, проценту монет, которые он контролирует либо напрямую, либо через делегатов.

Ouroboros Classic

Ouroboros Classic – первая имплементация протокола Ouroboros, опубликованная в 2017 года. Она заложила фундамент для будущей роли протокола в качестве энергоэффективного соперника Proof-of-Work, стала математической базой для анализа Proof-of-Stake и представила новаторский механизм стимулирования участников в рамках протокола анализа Proof-of-Stake.

Самое главное, что отличало Ouroboros от других блокчейнов и, в частности, от протоколов Proof-of-Stake, – это способность генерировать объективную произвольность в алгоритме выбора лидера протокола и гарантии безопасности, которые он предоставляет.

Произвольность предотвращает формирование шаблонов и критически важна для защиты протокола – предсказуемое поведение участника сети могут эксплуатировать злоумышленники. Обеспечивая полную прозрачность, Ouroboros при этом предотвращает попытки оказать давление на участников сети. Ouroboros стал первым протоколом блокчейна с крайне интенсивным анализом эксплуатационной надежности.

В Ouroboros блокчейн разделяется на слоты (временные интервал) и эпохи. Каждый слот длится 20 секунд, каждая эпоха (ряд слотов) представляет ценность слотов на протяжении приблизительно пяти дней.

Модель Ouroboros исходит из предпосылки неизбежности атак, поэтому протокол имеет встроенную устойчивость к вредным воздействиям, не позволяя атакующим распространять альтернативные версии блокчейна и допуская, что злоумышленники могут в любое время посылать любые сообщения любым участникам сети. Протокол гарантирует защиту до тех пор, пока 51% стейков контролируется честными (следующими протоколу) участниками.

На каждый слот избирается лидер, ответственный за добавление блока к цепи и передающий его следующему лидеру слота. Чтобы защитить протокол от попыток его дестабилизации, от каждого нового слот-лидера требуется рассматривать последние несколько блоков полученной сети в качестве временных или переходных: только цепь, предшествующая предустановленному числу переходных блоков, считается утвержденной. Эта функция также известна как «задержка утверждения». Это также означает, что стейкхолдер может оставаться офлайн и при этом сохранять синхронизацию с блокчейном на протяжении периода «задержки утверждения».

В протоколе Ouroboros каждая сетевая нода хранит копии транзакционного мемпула, куда добавляются транзакции, согласующиеся с существующими транзакциями, и блокчейна. Хранимый локально блокчейн замещается, когда нода узнает об альтернативной, более длинной валидной цепи.

Минусы Ouroboros Classic – он уязвим к адаптированным атакам (эту проблему решил Ouroboros Praos) и не дает новому участнику безопасной возможности выйти из блокчейна (эту проблему решил Ouroboros Genesis).

Ouroboros BFT

Ouroboros BFT (Byzantine Fault Tolerance) – простой протокол, который Cardano использовал на протяжении фазы Byron, когда осуществлялся переход от старой базы исходного кода к новой. BFT был призван подготовить сеть к релизу Shelley и децентрализации.

Благодаря Ouroboros BFT нодам уже не требуется постоянно оставаться онлайн – протокол предлагает интегрированную сеть серверов (блокчейн) и синхронную коммуникацию между ними, обеспечивая консенсус реестра более простым и детерминированным образом.

Дополнительный плюс – мгновенное подтверждение того, что транзакция утверждена (решающим фактором служит скорость сетевого соединения с OBFT-нодой).

Ouroboros Praos

Как и Ouroboros Classic, Ouroboros Praos обрабатывает транзакционные блоки, разделяя чейны на слоты, агрегируемые в эпохи. Однако Ouroboros Praos анализируется в полусинхронной среде и устойчив к адаптированным атакам. Ouroboros Praos допускает две возможности: атакующие могут задерживать сообщения честного участника дольше, чем в течении одного слота, и злоумышленники могут в любое время посылать произвольные сообщения любым участникам.

Благодаря опции выбора приватного лидера и подписям с прямой секретностью и использованием ключей Praos гарантирует, что злоумышленник с мощными ресурсами не может предсказать следующего слот-лидера, запустить DDoS-атаку и откатить протокол.

Также Praos устойчив к задержке доставки сообщений и постепенному увеличению числа коррумпированных участников в растущей популяции стейкхолдеров, что критически важно для сохранения безопасности сети в глобальной среде при условии, что сохраняется большинство честных стейкеров.

Ouroboros Genesis

Ouroboros Genesis содержит опцию выбора цепи, позволяющую сторонам оторваться от генезис-блока – важно, что при этом нет необходимости в доверенных чекпоинтах или допущениях прошлой доступности.

Genesis также обеспечивает подтверждение универсальной сочетаемости протокола с другими протоколами в произвольных конфигурациях в ситуации реального мира. При этом параметры безопасности сохраняются. Таким образом надежность и жизнеспособность протокола и сети, которая его используют, повышаются.

Ouroboros Hydra

Ouroboros Hydra – это офчейн-протокол второго уровня, направленный на дальнейшее масштабирование сети.

Whitepaper Hydra содержит описание многопользовательских каналов состояний, позволяющих параллельно обрабатывать транзакции: это дает возможность значительно увеличить TPS-выход и достичь мгновенного подтверждения транзакций.

Офчейн-«потомки» реестра – каналы состояний – именуются «головами», что делает реестр «многоголовым», в соответствии с названием данной имплементации («Гидра»).

Ouroboros Hydra позволяет Cardano масштабироваться горизонтально, увеличивая производительность благодаря имплементации дополнительных нод, а не вертикально, добавляя более мощное оборудование.

Первые имитационные модели показывают, что каждая «голова» способна совершать до 1000 TPS. 1000 голов позволяют довести этот показатель до 1 000 000 TPS.

Хотя Hydra спроектирован в связке с Ouroboros и Cardano, он может быть имплементирован и в другие сети при условии, что они имеют ряд таких же технических характеристик, что и Cardano.

Процесс разработки включает пять фаз (эр). Каждая эра представляет очередную веху на пути развития сети. Работа над различными компонентами каждой эры ведется параллельно.

Фаза Byron названа в честь поэта Байрона, отца Ады Лавлейс. Это начальный этап (стартовал в сентябре 2017 года), на котором были разработаны ключевые компоненты, а расчетный уровень был подготовлен к децентрализации.

Фаза Shelley (Шелли) названа в честь английского поэта Перси Биши Шелли, друга лорда Байрона и автора знаменитого сонета «Озимандия». Герой сонета находит в пустыне обломки монумента в честь некогда могущественного правителя, от царства которого не осталось и следа. Название намекает на неизбежность децентрализации, которую знаменует фаза Shelley.

По другой версии, данная фаза носит имя английской писательницы Мэри Шелли, жены поэта Шелли. Более всего она известна как автор книги «Франкенштейн, или Современный Прометей». Поспорив с Байроном и своим супругом о том, кто из них троих сумеет создать лучшее произведение в жанре хоррор, Шелли написала повесть, главным героем которой стал ученый, создатель человекоподобного монстра. Повесть была опубликована анонимно и оказала значительное влияние на мировую литературу и массовую культуру.

Хотя экосистема Cardano не имеет никакого отношения к жанру ужасов, на этапе Shelley, благодаря имплементации алгоритма консенсуса Ouroboros Genesis, платформа будет полностью переведена в децентрализованный режим. Также на этапе Shelley в системе появятся стейкинг-пулы, позволяющие любому пользователю делегировать им монеты ADA и получать дивиденды.

Третья фаза Goguen названа в честь американского математика Джозефа Гогена (1941 – 2006), профессора Оксфорда и Калифорнийского университета, который занимался разработками в области алгебраической семантики и формальной верификации.

В период Goguen будут имплементированы нативные токены: более безопасные, стандартизированные и менее ресурсозатратные по сравнению с аналогичными моделями ERC-20 и ERC-721. Их использование не требует создания и исполнения смарт-контрактов.

Далее на этой стадии предполагается внедрение вычислительного уровня, предназначенного для выполнения смарт-контрактов и включающего следующие элементы:

• Plutus – специализированный язык разработки смарт-контрактов и платформа выполнения кода, основанная на функциональном языке программирования Haskell.
• Marlowe – высокоуровневый доменно-специфичный язык, основанный на Plutus. Marlowe упрощает процесс создания смарт-контрактов для финансовых приложений, позволяя профильным экспертам, не имеющим глубоких познаний в программировании, напрямую вносить вклад в Cardano.

Четвертая фаза Basho названа в честь японского поэта Мацуо Басе, мастера поэтического жанра хайку. Это эра оптимизации, а также повышения масштабируемости и интероперабельности сети. Предполагается, что на этом этапе повысится базовая производительность сети и Cardano начнут принимать приложения с высоким объемом транзакций.

Одним из ключевых нововведений Basho станут сайдчейны: новые блокчейны, операционно совместимые с главным блокчейном Cardano. Сайдчейны можно будет использовать в качестве механизма шардинга, перенося нагрузку с основного блокчейна в сайдчейн и увеличивая таким образом эффективность сети. Сайдчейны можно будет использовать для тестирования экспериментальных особенностей, не затрагивая безопасность основного блокчейна.

На стадии Basho состоится имплементация различных моделей учетных записей. Хотя основной блокчейн Cardano продолжит использовать модель UTXO, появится возможность перехода между UTXO и разными моделями учетной записи. В результате повысится интероперабельность и появятся новые сценарии использования.

Пятая фаза Voltaire названа в честь французского философа-просветителя XVIII века Вольтера (Франсуа-Мари Аруэ). Этап Voltaire включает имплементацию децентрализованного ончейн-управления (т. е. прямой демократии, с которой ассоциируют эпоху Просвещения и Вольтера) и казначейской системы.

Три этапа запуска платформы Cardano

Эра Testnet (сентябрь 2015 года – январь 2017 года) включала начальные стадии развертывания сети Cardano, когда первые пользователи могли принимать участие в бета-тестировании. В этот период было продано две трети всех токенов ADA (26 млрд по цене в $0,0024 каждый) и привлечено $62 993 614.

При запуске было доступно 31 112 484 64 токена (эмиссия ADA ограничена 45 000 000 000 токенов). Остальные токены (13 887 515 354 ADA) будут выпущены после запуска финальной стадии основной сети. Часть из них пойдет в казну, часть достанется стейкерам.

Эра Bootstrap («эра раскрутки») начинается с того, что все участвующие в консенсусе ноды находятся под контролем IOHK и партнеров, а поддержка смарт-контрактов отсутствует. В этот период сеть полностью централизована, награды не выпускаются, транзакции направляются не в децентрализованную основную сеть, а в тестнет. 13 декабря 2019 года были запущены Shelley Incentivized Testnet и около 500 стейкинг-пулов.

Запуск тестнета стал экспериментом в реальных условиях, призванным оценить качество механизма награждения владельцев ADA (через делегирование стейков и возможностей управлять стейк-пулом). В течение этой эпохи пользователи получат приблизительно 3,8 млн ADA, однако их невозможно будет потратить до запуска основной сети.

Reward Era («эра вознаграждения») — период запуска основной сети и полноценного режима функционирования расчетного слоя Cardano в качестве PoS-криптовалюты.

В этот период владельцы ADA смогут получать награды за стейкинг своих монет. Держатели ADA смогут управлять стейк-пулами или делегировать своим стейки существующим пулам. Источниками средств для вознаграждения пользователей будут транзакционные сборы и еще не созданные монеты.

21 февраля 2020 года в сети Cardano состоялся хардфорк Ouroboros Byzantine Fault-Tolerant (OBFT), призванный заложить основу для запуска основной сети Shelley.

В марте 2020 года компания IOHK объявила о релизе Ouroboros Hydra – офчейн-протокола второго уровня, направленного на дальнейшее масштабирование. Работа над протоколом велась на протяжении последних пяти лет.

В апреле 2020 года Чарльз Хоскинсон сообщил о добыче нулевого блока в тестовой cети, что еще на шаг приблизило сообщество к обновлению Shelley. Выпуск генезис-блока ознаменовал собой старт закрытого бета-тестирования.

30 июля 2020 года разработчики активировали обновление Shelley в основной сети Cardano. После хардфорка пользователи получили возможность как управлять пулом от имени других держателей Cardano, так и делегировать принадлежащие им монеты, чтобы кто-то другой мог взять на себя эту роль. Подобный функционал уже реализован в кошельке. В стоящей за развитием проекта компании IOHK рассчитывают, что со временем число стейкинг-пулов приблизится к тысяче.