Создание смарт-контрактов Solidity для блокчейна Ethereum. Практическое руководство

Введение

Наша книга предназначена для тех, кто хочет не только понять принципы работы блокчейна Ethereum, но и получить практические навыки в создании распределенных приложений DApp на языке программирования Solidity для этой сети.

Эту книгу лучше не просто читать, а работать с ней, выполняя практические задания, описанные в уроках. Для работы вам потребуются локальный компьютер, виртуальный или облачный сервер с установленной ОС Debian или Ubuntu. Также для выполнения многих заданий можно использовать Raspberry Pi.

На первом уроке мы рассмотрим принципы работы блокчейна Ethereum и основную терминологию, а также расскажем о том, где можно использовать этот блокчейн.

Цель второго урока – создать узел приватного блокчейна Ethereum для дальнейшей работы в рамках этого курса на сервере Ubuntu и Debian. Мы рассмотрим особенности установки основных утилит, таких как geth, обеспечивающего работу узла нашего блокчейна, а также демона децентрализованного хранилища данных swarm.

Третий урок научит вас проводить эксперименты с Ethereum на недорогом микрокомпьютере Raspberry Pi. Вы установите операционную систему (ОС) Rasberian на Raspberry Pi, утилиту Geth, обеспечивающую работу узла блокчейна, а также демон децентрализованного хранилища данных Swarm.

Четвертый урок посвящен аккаунтам и криптовалютным единицам в сети Ethereum, а также способам перевода средств с одного аккаунта на другой из консоли Geth. Вы научитесь создавать аккаунты, инициировать транзакции перевода средств, получать состояние транзакции и ее квитанцию.

На пятом уроке вы познакомитесь со смарт-контрактами в сети Ethereum, узнаете об их выполнении виртуальной машиной Ethereum.

Вы создадите и опубликуете в приватной сети Ethereum свой первый смарт-контракт и научитесь вызывать его функции. Для этого вы будете использовать среду разработки Remix Solidity IDE. Кроме того, вы научитесь устанавливать и использовать пакетный компилятор solc.

Также мы расскажем о так называемом бинарном интерфейсе приложения Application Binary Interface (ABI) и научим его использовать.

Шестой урок посвящен созданию скриптов JavaScript, работающих под управлением Node.js и выполняющих операции со смарт-контрактами Solidity.

Вы установите Node.js в ОС Ubuntu, Debian и Rasberian, напишете скрипты для публикации смарт-контракта в локальной сети Ethereum и вызова его функций.

Кроме того, вы научитесь переводить с помощью скриптов средства между обычными аккаунтами, а также зачислять их на аккаунты смарт-контрактов.

На седьмом уроке вы научитесь устанавливать и использовать популярную среди разработчиков смарт-контрактов Solidity интегрированную среду Truffle. Вы научитесь создавать скрипты JavaScript, вызывающие функции контрактов с помощью модуля truffle-contract, а также выполните тестирование своего смарт-контракта средствами Truffle.

Восьмой урок посвящен типам данных Solidity. Вы напишете смарт-контракты, работающие с такими типами данных, как знаковые и беззнаковые целые числа, числа со знаком, строки, адреса, переменные сложных типов, массивы, перечисления, структуры и словари.

На девятом уроке вы приблизитесь еще на шаг к созданию смарт-контрактов для основной сети Ethereum. Вы научитесь публиковать контракты при помощи Truffle в приватной сети Geth, а также в тестовой сети Rinkeby. Отладка смарт-контракта в сети Rinkeby очень полезна перед его публикацией в основной сети – там практически все по-настоящему, но бесплатно.

В рамках урока вы создадите узел тестовой сети Rinkeby, пополните его средствами и опубликуете смарт-контракт.

Урок 10 посвящен распределенным хранилищам данных Ethereum Swarm. Используя распределенные хранилища, вы экономите на хранении данных большого объема в блокчейне Ethereum.

В рамках этого урока вы создадите локальное хранилище Swarm, выполните операции записи и чтения файлов, а также каталогов с файлами. Далее вы научитесь работать с публичным шлюзом Swarm, напишите скрипты для обращения к Swarm из Node.js, а также с помощью модуля Perl Net::Ethereum::Swarm.

Цель урока 11 – освоить работу со смарт-контрактами Solidity с применением популярного языка программирования Python и фреймворка Web3.py. Вы установите этот фреймворк, напишите скрипты для компиляции и публикации смарт-контракта, а также для вызова его функций. При этом Web3.py будет использован как сам по себе, так и совместно с интегрированной средой разработки Truffle.

На 12 уроке вы научитесь передавать данные между смарт-контрактами и реальным миром при помощи оракулов. Это пригодится вам для получения данных с Web-сайтов, устройств интернета вещей IoT, различных приборов и датчиков, и отправки данных из смарт-контрактов на эти устройства. В практической части урока вы создадите оракул и смарт-контракт, получающий актуальный курс обмена USD на рубли с сайта ЦБ РФ.

Обратная связь

Вы можете связаться с автором этой книги по адресам [e-mail] или https://www.facebook.com/frolov.shop2you.

Пожалуйста, отправляйте ваши замечания и рекомендации, автор постарается их учесть при переиздании книги.

Урок 1. Кратко о блокчейне и сети Ethereum

Цель урока: познакомиться с принципами работы блокчейна Ethereum, областями его применения и основной терминологией.

Практические задания: в этом уроке не предусмотрены.

Едва ли сегодня есть разработчик программного обеспечения (ПО), который бы ничего не слышал о технологии блокчейн (Blockchain), криптовалютах (Cryptocurrency или Crypto Currency), биткоинах (Bitcoin), первичном размещении монет (ICO, Initial coin offering), смарт-контрактах (Smart Contract), а также других понятиях и терминах, имеющих отношение к блокчейну.

Технология блокчейна открывает новые рынки и создает рабочие места для программистов. Если вы постигнете все тонкости криптовалютных технологий и технологий смарт-контрактов, то у вас не должно быть проблем с применением этих знаний на практике.

Надо сказать, что вокруг криптовалют и блокчейнов возникает много спекуляций. Мы оставим в стороне рассуждения об изменениях курсов криптовалют, о создании пирамид, о тонкостях криптовалютного законодательства и т.п. В нашем учебном курсе мы сосредоточимся главным образом на технических аспектах применения смарт-контрактов блокчейна Ethereum (эфириум, эфир) и разработки так называемых децентрализованных приложений (Distributed Application, DApp).

Что такое блокчейн

Блокчейн (Blockchain, Block Chain) представляет собой цепочку блоков данных, связанных друг с другом определенным образом. В начале цепочки находится первый блок, который называется первичным блоком (genesis block) или блоком генезиса. За ним следует второй, потом третий и так далее.

Все эти блоки данных автоматически дублируются на многочисленных узлах сети блокчейна. Таким образом обеспечивается децентрализованное хранение данных блокчейна.

Вы можете представить себе систему блокчейна как большое количество узлов (физических или виртуальных серверов), объединенных в сеть и реплицирующих все изменения в цепочке блоков данных. Это как бы гигантский мультисерверный компьютер, причем узлы такого компьютера (серверы) могут быть разбросаны по всему миру. И вы тоже можете добавить свой компьютер в сеть блокчейна.

Распределенная база данных

Блокчейн можно представить себе как распределенную базу данных, реплицируемую на все узлы сети блокчейна. В теории блокчейн будет работоспособен до тех пор, пока работает хотя бы один узел, хранящий все блоки блокчейна.

Распределенный реестр данных

Блокчейн можно представить себе как распределенный реестр данных и операций (транзакций). Еще одно название такого реестра – гроссбух.

В распределенный реестр можно добавлять данные, но невозможно их изменять или удалять. Такая невозможность достигается, в частности, применением криптографических алгоритмов, специальных алгоритмов добавления блоков в цепочку и децентрализованным хранением данных.

При добавлении блоков и выполнении операций (транзакций) используются приватные и публичные ключи. Они ограничивают пользователей блокчейна, предоставляя им доступ только к своим блокам данных.

Транзакции

Блокчейн хранит информацию об операциях (транзакциях) в блоках. При этом старые, уже выполненные транзакции невозможно откатить или изменить. Новые транзакции хранятся в новых, добавленных блоках.

Таким образом в блокчейне может быть записана в неизменном виде вся история транзакций. Поэтому блокчейн может быть использован, например, для надежного хранения банковских операций, сведений об авторском праве, истории изменений владельцев объектов недвижимости и т.п.

Блокчейн Ethereum содержит так называемые состояния системы. По мере выполнения транзакций состояние изменяется от начального до текущего. Транзакции записываются в блоки.

Публичные и приватные блокчейны

Тут нужно отметить, что все сказанное верно только для так называемых публичных сетей блокчейн, которые не могут контролироваться никакими отдельными физическими или юридическими лицами, государственными органами или правительствами.

Так называемые приватные сети блокчейн находятся под полным контролем их создателей, и там возможно все, например, полная замена всех блоков цепочки.

Практические применения блокчейна

Для чего может пригодиться блокчейн?

Если кратко, блокчейн позволяет безопасным образом проводить операции (сделки) между не доверяющими друг другу персонами или компаниями. Записанные в блокчейн данные (транзакции, персональные данные, документы, свидетельства, договоры, накладные и т.п.) невозможно подделать или заменить после записи. Поэтому на базе блокчейна можно создавать, например, доверенные распределенные реестры различного рода документов.

Конечно, вы знаете, что на базе блокчейнов создаются криптовалютные системы, призванные заменить обычные бумажные деньги. Бумажные деньги еще называют фиатными (от Fiat Money).

Блокчейн обеспечивает хранение и неизменность транзакций, записанных в блоки, поэтому его и можно использовать для создания криптовалютных систем. Он содержит всю историю передачи крипто-средств между различными пользователями (аккаунтами), причем любая операция может быть отслежена.

Хотя операции внутри криптовалютных систем могут быть анонимными, вывод криптовалюты и обмен ее на фиатные деньги обычно приводит к раскрытию личности владельца криптовалютного актива.

Так называемые смарт-контракты, представляющие собой программное обеспечение, работающее в сети Ethereum, позволяют автоматизировать процесс заключения сделок и контроль их выполнения. Особенно это эффективно, если оплата по сделке проводится криптовалютой Ether (эфир).

Блокчейн Ethereum и смарт-контракты Ethereum, написанные на языке программирования Solidity, могут использоваться, например, в таких областях:

• альтернатива нотариальному заверению документов;

• хранение реестра объектов недвижимости и сведений об операциях с объектами недвижимости;

• хранение сведений об авторских правах на объекты интеллектуальной собственности (книги, изображения, музыкальные произведения и т.п.);

• создание систем независимого голосования;

• сфера финансов и банковская деятельность;

• логистика в международных масштабах, отслеживание перемещения грузов;

• хранение персональных данных как аналог системе удостоверений личности;

• безопасные сделки в коммерческой области;

• хранение результатов медицинских обследований, а также истории назначенных процедур.

Проблемы с блокчейном

Но, разумеется, не все так просто, как могло бы показаться!

Есть проблемы с верификацией данных перед их добавлением в блокчейн (например, не поддельные ли они?), проблемы в безопасности системного и прикладного ПО, применяемого для работы с блокчейном, проблемы с возможностью использования методов социальной инженерии для похищения доступа к кошелькам с криптовалютой и т.п.

Опять же, если речь идет не о публичном блокчейне, узлы которого разбросаны по всему миру, а о приватном блокчейне, принадлежащем персоне или организации, то уровень доверия здесь будет не выше, чем уровень доверия к этой персоне или этой организации.

Также следует учитывать, что данные, записанные в блокчейн, становятся доступны для всех. В этом смысле блокчейн (особенно публичный) не подходит для хранения конфиденциальной информации. Однако тот факт, что информацию в блокчейне невозможно изменить, может помочь предотвратить или расследовать различного рода мошеннические действия.

Децентрализованные приложения Ethereum будут удобны, если платить за их использование криптовалютой. Чем больше людей, владеющих криптовалютой или готовых ее приобрести, тем большую популярность получат приложения DApp и смарт-контракты.

Среди общих проблем блокчейна, затрудняющих его практическое применение, можно упомянуть ограниченную скорость добавления новых блоков и относительно высокую стоимость транзакций. Но технологии в этой области активно развиваются, и есть надежды, что технические проблемы со временем будут решены.

Еще одна проблема заключается в том, что смарт-контракты блокчейна Ethereum работают в изолированной среде виртуальных машин и не имеют доступа к данным реального мира. В частности, программа смарт-контракта не может сама прочитать данные с сайтов или каких-либо физических устройств (датчики, контакты и т.п.), а также не может вывести данные на какие-либо внешние устройства. Эту проблему и способы ее решения мы будем обсуждать на уроке, посвященном так называемым Оракулам – информационным посредникам смарт-контрактов.

Также есть ограничения в области законодательства. В некоторых странах, например, запрещается использовать криптовалюту как платежное средство, но можно владеть ей как неким цифровым активом, наподобие ценных бумаг. Такие активы можно покупать и продавать на бирже. В любом случае, при создании проекта, работающего с криптовалютами, необходимо ознакомиться с законодательством той страны, под юрисдикцию которой попадает ваш проект.

Как формируется цепочка блокчейна

Как мы уже говорили, блокчейн представляет собой простую цепочку блоков данных. Сначала формируется первый блок этой цепочки, потом к нему добавляется второй и так далее. Предполагается, что данные транзакций хранятся в блоках и добавляются в самый последний блок.

На рис. 1.1. мы показали простейший вариант последовательности блоков, где первый блок ссылается на следующий.

Рис. 1.1. Простая последовательность блоков

В таком варианте, однако, можно очень легко подделать содержимое любого блока цепочки, так как блоки не содержат никакой информации для защиты от изменений. Учитывая, что блокчейн предназначен для использований людей и компаний, между которыми нет доверия, можно сделать вывод, что такой способ хранения данных для блокчейна не подходит.

Давайте займемся защитой блоков от подделки. На первом этапе мы попробуем защитить каждый блок контрольной суммой (рис. 1.2.).

Рис. 1.2. Добавляем защиту данных блоков контрольной суммой

Теперь злоумышленник не может просто так изменить блок, так как в нем находится контрольная сумма данных блока. Проверка контрольной суммы покажет, что данные были изменены.

Для вычисления контрольной суммы можно использовать одну из функций хеширования, такую как MD-5, SHA-1, SHA-256 и т.п. Хеш-функции вычисляют некоторое значение (например, в виде текстовой строки постоянной длины) в результате выполнения необратимых операций над блоком данных. Операции зависят от вида хеш-функции.

Даже при небольшом изменении содержимого блока данных значение хеш-функции также изменится. Анализируя значение хеш-функции, невозможно восстановить блок данных, для которого она была вычислена.

Будет ли достаточна такая защита? К сожалению, нет.

В этой схеме контрольная сумма (хеш-функция) защищает только отдельные блоки, но не всю цепочку блоков. Зная алгоритм вычисления хеш-функции, злоумышленник может легко подменить содержимое блока. Также ничто не помешает ему удалить блоки из цепочки или добавить новые.

Чтобы защитить всю цепочку в целом, можно хранить в каждом блоке вместе с данными еще и хеш данных предыдущего блока (рис. 1.3.).

Рис. 1.3. Добавляем в блок данных хеш предыдущего блока

В этой схеме, чтобы изменить какой-нибудь блок, нужно пересчитать хеш-функции всех последующих блоков. Казалось бы, в чем проблема?

В реальных блокчейнах дополнительно созданы искусственные трудности для добавления новых блоков – используются алгоритмы, требующие много вычислительных ресурсов. С учетом того, что для внесения изменений в блок пересчитать нужно не один этот блок, а все последующие, сделать это будет крайне сложно.

Вспомним также, что данные блокчейна хранятся (дублируются) на многочисленных узлах сети, т.е. используется децентрализованное хранение. А это многократно усложняет подделку блока, т.к. изменения требуется внести на все узлы сети.

Так как блоки хранят информацию о предыдущем блоке, то можно проверить содержимое всех блоков цепочки.

Блокчейн Ethereum

Блокчейн Ethereum представляет собой платформу, на базе которой можно создавать распределенные приложения DApp. В отличие от других платформ, Ethereum позволяет использовать так называемые умные контракты (смарт-контракты, smart contracts), написанные на языке программирования Solidity.

Эта платформа была создана в 2013 году Виталиком Бутериным, основателем журнала Bitcoin Magazine, и запущена в 2015 году. Все, что мы будем изучать или делать в нашем учебном курсе, имеет отношение именно к блокчейну Ethereum и смарт-контрактам Solidity.

Майнинг, или Как создаются блоки

Майнинг (mining) представляет собой довольно сложный и ресурсоемкий процесс добавления новых блоков в цепочку блокчейна, а вовсе не «добычу криптовалют». Майнинг обеспечивает работоспособность блокчейна, т.к. именно этот процесс отвечает за добавление транзакций в блокчейн Ethereum.

Люди и организации, занимающиеся добавлением блоков, называются майнерами (miner).

Программное обеспечение (ПО), работающее на узлах майнеров, пытается подобрать для последнего блока параметр хеширования с названием Nonce, чтобы получилось определенное значение хеш-функции, заданной сетью. Алгоритм хеширования Ethash, применяемый в Ethereum, позволяет получить значение Nonce только путем последовательного перебора.

Если узел майнера нашел правильное значение Nonce, то это является так называемым доказательством работы (PoW, Proof-of-work). В этом случае, если блок будет добавлен в сеть Ethereum, майнер получает определенное вознаграждение в валюте сети – Ether. На момент подготовки нашей книги вознаграждение составляет 5 Ether, однако со временем оно будет снижено.

Таким образом, майнеры Ethereum обеспечивают работу сети, добавляя блоки, и получают за это криптовалютные деньги. В интернете вы найдете массу информации о майнерах и майнинге, а мы сосредоточимся на создании контрактов Solidity и децентрализованных приложений DApp в сети Ethereum.

Итоги урока

На первом уроке вы познакомились с блокчейном и узнали, что он представляет собой особым образом составленную последовательностью блоков. Содержимое ранее записанных блоков невозможно изменить, так как для этого придется пересчитать все последующие блоки на многих узлах сети, на что нужно очень много ресурсов и времени.

Блокчейн может применяться для сохранения результатов выполнения транзакций. Его главное назначение – организация безопасного выполнения транзакций между сторонами (персонами и организациями), между которыми нет доверия. Вы узнали, в каких конкретно областях бизнеса и в каких сферах можно использовать блокчейн Ethereum и смарт-контракты Solidity. Это банковская сфера, регистрация прав собственности, документов и т.п.

Вы также узнали, что при использовании блокчейна могут возникать различные проблемы. Это проблемы верификации информации, добавляемой в блокчейн, скорость работы блокчейна, стоимость транзакций, проблема обмена данными между смарт-контрактами и реальным миром, а также потенциально возможные атаки злоумышленников, направленные на похищение криптовалютных средств с аккаунтов пользователей.

Также мы кратко рассказали о майнинге как о процессе добавления новых блоков в блокчейн. Майнинг необходим для выполнения транзакций. Те, кто занимается майнингом, обеспечивают работоспособность блокчейна и получают за это вознаграждение в криптовалюте.

Урок 2. Подготовка рабочей среды в ОС Ubuntu и Debian

Цель урока: создать узел собственного приватного блокчейна Ethereum для дальнейшей работы в рамках этого курса на сервере Ubuntu и Debian.

Практические задания: установка операционной системы Ubuntu и Debian, установка ПО geth, обеспечивающего работу узла нашего блокчейна, а также демона децентрализованного хранилища данных swarm. Вам будет нужно создать собственный приватный блокчейн Ethereum, выполнить его инициализацию. Подключившись к узлу блокчейна, вы научитесь выдавать простейшие команды в приглашении geth.

Прежде чем мы займемся изучением смарт-контрактов Ethereum, нам необходимо подготовить рабочую среду – установить операционную систему (ОС) и необходимое программное обеспечение (ПО).

Мы могли бы приступить к работе сразу в какой-либо интегрированной среде разработки (IDE, Integrated Development Environment), например, Remix или Truffle. Возможно, это был бы самый быстрый путь к изучению смарт-контрактов Solidity. Однако для того, чтобы глубже разобраться в том, как работает Ethereum, мы начнем с базовых инструментов.

Выбор операционной системы

Свой первый узел сети Ethereum мы будем делать на базе клиента Go Ethereum (https://geth.ethereum.org/). Это ПО представляет собой реализацию протокола Ethereum и реализовано на языке программирования Go и доступно в виде программы Geth. На базе Geth можно создать полнофункциональный узел сети Ethereum.

Для работы с узлом Geth можно использовать интерфейс командной строки, а также программный интерфейс (API, Application Programming Interface) JSON RPC. Используя этот интерфейс и различные фреймворки, вы сможете создавать ПО, работающее с узлами Ethereum, практически на всех современных языках программирования.

Клиент Geth может работать на платформах, где имеется Go (это, например, Linux, Mac OSX, Windows, Raspberry Pi, Android OS, iOS). На странице загрузки https://geth.ethereum.org/downloads/ доступны реализации для Linux, macOS и Windows. Также вы можете загрузить исходные коды Geth.

При работе над книгой мы использовали OC Ubuntu Live Server 18.04.2, Ubuntu 18.10 cosmic, Debian версий 9 и 10 Alfa 5, хотя Geth можно установить и на другие сборки Linux. На следующем уроке мы выполним установку Geth на OC Rasberian для микрокомпьютера Raspberry Pi 3.

Для изучения Ethereum можно арендовать виртуальный или облачный сервер у одного из провайдеров. Также вы можете установить эти ОС на свой настольный компьютер, непосредственно на его диск или на виртуальную машину, например, VMware Workstation, или воспользоваться другой системой виртуализации.

Описание процесса установки Ubuntu и Debian выходит за рамки нашей книги, но в интернете есть немало достаточно подробных руководств, посвященных этому вопросу. Кроме того, при аренде виртуального или облачного сервера провайдер обязательно поможет установить на него ОС. Учтите, что вам нужна 64-разрядная версия ОС Ubuntu и Debian.

Для работы над книгой мы использовали облачный виртуальный сервер в следующей конфигурации:

• 4 ядра CPU с тактовой частотой 2 GHz;

• 2 GB RAM;

• 20 GB Disk SSD.

Мы также установили OC Ubuntu 18.10 cosmic в виртуальную машину VMware Workstation с такой конфигурацией: