Финансовые технологии

Магистратура 2020/2021

Статус: Курс обязательный (Финансовые технологии и анализ данных)

Направление: 01.04.02. Прикладная математика и информатика

Кто читает: Департамент больших данных и информационного поиска

Где читается: Факультет компьютерных наук

Когда читается: 1-й курс, 3 модуль

Формат изучения: без онлайн-курса

Преподаватели: Масютин Алексей Александрович

Прогр. обучения: Финансовые технологии и анализ данных

Язык: русский

Кредиты: 3

Контактные часы: 36

Полная версия программы учебной дисциплины

Аннотация

Курс посвящен изучению методов и средств обеспечения доверия между участниками процессов деловой деятельности, основанных на технологиях распределенного реестра («блокчейн-технологиях»). Рассматриваются основные принципы функционирования и сферы применения систем распределенного реестра. В курс включены сведения об основах криптографии, необходимые для понимания дальнейшего материала. Далее подробно рассматриваются принципы работы систем распределенного реестра открытого (permissionless), закрытого (permissioned) и смешанного типов. Приводятся примеры платформ каждого типа, рассматриваются их характерные особенности. Курс позволяет получить начальные сведения о наиболее распространенных в современном мире блокчейн-платформах, таких как Bitcoin, Ethereum, Hyperledger Fabric, Corda, Quorum, Exonum и др., об основах разработки прикладных программ и программирования смарт-контрактов. В заключительной части курса рассматривается несколько примеров уже реализованных приложений на основе блокчейн-платформ.

Цель освоения дисциплины

Ознакомление студентов с практиками применения финансовых технологий в бизнесе;
Формирование у студентов представления о бизнес-моделях и бизнес-кейсах, исходя их опыта приглашенных специалистов;
Развитие у студентов навыков межличностного общения с профессионалами из области финансовых технологий, приобретение контактов с представителями из бизнеса.

Планируемые результаты обучения

Знать основные принципы функционирования блокчейн-технологий
Знать основные криптографические методы защиты информации и возможности их применения
Понимать основы устройства и особенности блокчейн-платформ различных типов
Уметь выбирать блокчейн-платформы для использования в различных сферах деловой деятельности
Уметь разрабатывать техническое задание на прикладные решения с использованием блокчейн-технологий

Содержание учебной дисциплины

Введение в блокчейн-технологии
Основные идеи, лежащие в основе блокчейн-технологий: децентрализация, распределенный реестр, цепочка блоков, достижение консенсуса. Краткий очерк истории развития блокчейн-технологий. Техническая реализация систем распределенного реестра: транспортный уровень, уровень хранения данных, прикладной уровень. Одноранговые (пиринтовые) сети как основа транспортного уровня. Понятие ноды. Взаимодействие клиентов с нодами. Сетевая структура БД (ациклический ориентированный граф) как основа уровня хранения данных. Смарт-контракты как основа прикладного уровня. Простейшие примеры смарт-контрактов. Два типа блокчейн-платформ: открытые (permissionless) и частные (permissioned), их сравнение. Отличия открытых и частных блокчейн-платформ. Основные проблемы блокчейн-платформ: безопасность и масштабируемость.
Основы криптографии
Криптография как наука о безопасности связи. Основные понятия криптографии. Симметричная и асимметричная криптография. Основы симметричной криптографии. Шифры замены и шифры перестановки, их компози-ции. Классические шифры. Шифр Вернама. Совершенная секретность по Шеннону. Одноразовый шифрблокнот. Симметричное шифрование. Современные практически стойкие шифры. Блочные и поточные шифры. ГОСТ Р 34.12-2015 и ГОСТ Р 34.13-2015. Понятия однонаправленной функции, однонаправленной функции с секретом (с потайной дверью). Основные алгебраические структуры, используемые в криптографии: группы, кольца, по-ля. Примеры алгебраических структур, используемых в криптографии. Открытое распределение ключей. Электронная цифровая подпись (ЭЦП). Применение ЭЦП для контроля подлинности. Сов-местное применение ЭЦП и хэш-функции. Схема подписи RSA. Российский стандарт подписи ГОСТ Р 34.10-2012. Криптографическая хэш-функция. Свойства хэш-функции: сжатие, однона-правленность, трудность обнаружения коллизий. Применение хэш-функции для контроля целост-ности данных. Российский стандарт хэш-функции ГОСТ Р 34.11-2012. Функции криптографии в блокчейн-платформах.
Принципы функционирования блокчейн-платформ
Хранение данных в системах распределенного реестра. Формирование блоков транзакций. Дерево Меркле. Формирование цепочки блоков. Достижение консенсуса в блокчейн-платформах открытого типа путем доказательства выполнения работы (proof-of-work), используемая при этом вычислительно сложная задача подбора значения хэш-функции. Вознаграждение нод, майнинг криптовалют. Особенности доказательства выполнения работы: регулирование сложности задачи, разрешение вилок (forks). Атака 51%. Способы достижения консенсуса в блокчейн-платформах закрытого типа. Фундаментальные теоремы о консенсусе. «Задача о византийских генералах» и её решения для случаев подписанных и неподписанных сообщений. Протоколы византийского соглашения, их характерные особенности и пороги устойчивости к воздействию злоумышленника.
Сферы применения блокчейн-технологий
Чисто реестровые приложения блокчейн-технологий: криптовалюты, доказательная регистрация событий и пр. Блокчейн как платформа децентрализованных вычислений. Смарт-контракты. Примеры смарт-контрактов. Языки программирования смарт-контрактов. Приложения, основанные на ис-пользовании блокчейна как платформы децентрализованных вычислений: управление цепочками поставок, отслеживание происхождения товаров, электронные договоры и сделки, медицинские информационные системы. Краудсорсинговые применения.
Блокчейн-платформы открытого типа
Обзор блокчейн-платформ открытого типа: Bitcoin – первая платформа для поддержки криптовалюты, Altcoins – «альтернативные» криптовалютные платформы, Ethereum – первая платформа с поддержкой смарт-контрактов. Математическая модель системы распределенного реестра открытого типа (на примере платформы Ethereum). Типы аккаунтов на платформе Ethereum: внешние аккаунты и контракт-аккаунты. Модель хранения данных и исполняемого кода. Децентрализованная виртуальная маши-на Ethereum (EVM).
Блокчейн-платформы закрытого типа
Платформы для систем распределенного реестра закрытого типа. Проект Hyperledger. Платформы Hyperledger Fabric, Hyperledger Sawtooth, Hyperledger Iroha, их характерные особенности и ограничения. Платформа Corda. Платформа Quorum. Платформы с поддержкой российской криптографии: «Мастерчейн», Exonum. Математическая модель системы распределенного реестра закрытого типа (на примере платформы Hyperledger Fabric). Формат хранения данных. Архитектура платформы: ноды различных типов – endorsers, orderers, peers. Модульная архитектура платформы, возможность замены протоколов консенсуса. Трехэтапный процесс формирования новых блоков. Гибридные платформы для систем распределенного реестра: BitcoinNG, Omniledger, Toda-Algorand.
Обеспечение информационной безопасности блокчейн-платформ
Разграничение доступа к распределенному реестру на примере платформы Hyperledger Fabric: каналы, частное хранение данных, разделение функций нод, задание политики валидации транзакций. Прямые коммуникации между клиентами блокчейн-платформы: off-chain-вычисления, lightning networks. Обеспечение конфиденциальности исполнения смарт-контрактов. Доказательства с нулевым разглашением: zk-SNARKs, zk-STARKs, Bulletproofs, range proofs и др. Проблемы их применения. Примеры криптовалют, в которых используются доказательства с нулевым разглашением: Monero, Zcash.
Примеры прикладных решений на основе блокчейн-платформ
Пример решения на основе блокчейн-платформы открытого типа – система распределения заказов на работы и поиска исполнителей. Пример решения на основе блокчейн-платформы закрытого типа – прототип системы вало-вых расчетов реального времени Ubin на основе блокчейн-платформ Corda, Hyperledger Fabric и Quorum.

Элементы контроля

Домашнее задание 1
Контрольная работа 1
Домашнее задание 2
Контрольная работа 2
Экзамен (защита проекта)
Оценка за дисциплину выставляется в соответствии с формулой оценивания от всех пройденных элементов контроля. Экзамен не проводится.

Промежуточная аттестация

Промежуточная аттестация (3 модуль)
0.1 * Домашнее задание 1 + 0.1 * Домашнее задание 2 + 0.1 * Контрольная работа 1 + 0.1 * Контрольная работа 2 + 0.6 * Экзамен (защита проекта)

Программа дисциплины