Jste zde

Princip Blockchainu a problematika jeho použití v průmyslu

Antonín Vojáček, 24. Červenec 2022 - 20:21

Jak technologie Blockchain vlastně reálně funguje a jaká je její problematika využití v průmyslových aplikacích? Jaké výhody a nevýhody se vyskytují v implementaci blockchainu v digitálních transakcích? Pojďme se na to srozumitelně podívat...

Jaký je princip funkce blockchainu?

Blockchain je v informatice speciální druh distribuované decentralizované databáze uchovávající neustále se rozšiřující počet záznamů, které jsou chráněny proti neoprávněnému zásahu. Nejčastější aplikací technologie blockchainu je použití jako účetní kniha kryptoměn (např. bitcoinu), jež uchovává transakce provedené uživateli. Kombinace s kryptografií umožňuje zajistit anonymitu operací a přitom zabránit neoprávněným transakcím. Implementace blockchainu sestává ze dvou druhů záznamů: transakcí a bloků. Transakce představují data vložená do databáze uživateli, bloky pak záznamy potvrzující, kdy a jak byla konkrétní transakce přidána do databáze blockchainu.

Blockchain je tak v první řadě protokol všech transakcí (tj. změn stavu) provedených v systému. Protokol, který je v podstatě „svědkem“ minulého a současného stavu systému, je replikován a synchronizován mezi více uzly. Kdykoli dojde k nové transakci (nejen např. objednávka bitcoinu nebo etheru, ale i odeslání nějakého závazného příkazu nebo založení nové logistické polohy), tato data jsou odeslána do sítě P2P propojených počítačů (peer-to-peer uzlů), které pak řeší matematické rovnice k ověření transakce. Všechny uzly jsou rovnocenné, takže žádný „hlavní uzel“ nebo „hlavní kopie“ protokolu nikde neexistuje. Interně je protokol lineární posloupnost záznamů (tj. „had bloků“ obsahujících transakce), které jsou individuálně nezměnitelné a opatřené časovým razítkem. Samotnou sekvenci lze upravit pouze přidáním nových záznamů na její konec (tj. prodloužit "hada" bloků). Integrita záznamů i celé sekvence je průběžně po připojení každého bloku šifrována a tedy chráněna pomocí silných kryptografických algoritmů. Kromě toho musí být všechny záznamy schváleny konsensem jednotlivých spolupracujících počítačových uzlů (jednotek). K tomu se využívá nějakého typu mechanismu tzv. byzantské tolerance chyb BFT (Byzantine Fault Tolerance) jako záruky, že vždy lze dosáhnout dohody o efektivním stavu systému. A to i když některé počítačové uzly (jednotky) jsou nedostupné nebo se chovají špatně (ať již v dobré víře nebo pro záměrné škodlivé účely / podvody). Každá transakce, kterou uzly nakonec závazně ověří a přidají jako nový blok na konec stávajícího blockchainu, je tak již odsouhlasená a trvalá.

Blockchain je v základu (a dle názvu) posloupnost zašifrovaných bloků dat opatřené časovou značkou (Timestamp) pro přesnou identifikaci každé změny, transakce či vydaného příkazu.

Blockchain se tedy používá k vytvoření tzv. distribuovaných účetních knih (Distributed Ledger), které sledují účetní transakce a účty (Ledgers tracks), což si právě můžeme představit jako databázi, která uchovává informace. Obecně distribuované účetní knihy nemusí být přímo realizované v prostředí blockchainu, aby byly považovány za distribuované. Stačí je sdílet s různými počítači ve společné síti. Blockchainové provedení od tradičních databází kontrolovaných finančními institucemi odděluje několik funkcí. Jednak mezi ně patří již výše zmíněné neměnné záznamy a pak tzv. chytré smlouvy (Smart Contracts). Chytrá smlouva je samovykonatelná smlouva dle podmínek přímo zapsanými do řádků kódu blockchainu. To ji umožňuje automaticky provést / aktivovat / uvést v platnost, jakmile jsou v ní definované podmínky splněny. Nutně to však nemusí být smlouvy se smyslu různých právnických smluv, ale může jít i o definování různých budoucích závazných transakcí či i výrobních posloupností či příkazů, které mají být chráněny proto náhodné či tajné / nežádoucí záměrné změně. To technologii Blockchain dělá zajímavou i pro průmyslové aplikace, výrobu, skladování a logistiku.

Příklad použití blockchainu pro potřeby zcela digitální (bezpapírové), procesně transparentní a zabezpečené zpracovatelské a logistické procesy.

Problematické vlastnosti blockchainu pro průmysl

Celý výše popsaný proces blockchainu je prakticky o důvěře, kde je klíčový onen protokol konsensu, který zaručuje, že všechny schválené transakce odpovídají obchodní logice, na které se "dohodly" jednotlivé uzly a o kterých pak protokol poskytuje nevyvratitelné důkazy. Aby to fungovalo i v prostředí nulové důvěry, kde se jednotlivé spolupracující "subjekty" (ony počítačové uzly) navzájem neznají (natož důvěřují), je nutné přidat ještě jeden další mechanismus: ekonomickou pobídku. Ta odměňuje „správné“ chování a činí tak náklady na případné podvádění nebo maření transakcí mnohem vyšší než je možný zisk. Vzhledem k tomu, že celý systém musí být soběstačný a navíc autonomní, je taková pobídka založena na nativních digitálních penězích, tedy oné známé kryptoměně. V tomto směru tak všechny veřejné blockchainové sítě potřebují kryptoměnu, které "pohánějí" jejich BFT mechanismus, tedy scénář, který byl nazván kryptoekonomie. Pro některé z nich (např. bitcoin) je hlavním cílem celého systému samotná kryptoměna. Transakce a záznamy se tedy zde používají pouze k zaznamenávaní převodů mezi uživateli. Jiné systémy (např. Ethereum) jsou sice mnohem flexibilnější, ale stále systém odměňování kryptoměnou pro své fungování vyžadují. Tento požadavek však pak brání flexibilnímu použití technologie blockchainu ve firemním světě a zejména v nefinančních průmyslových aplikacích. To je jedním problémem.

Kryptoměna je v základním principu blockchainu nutnou součástí celého systému. Pro průmyslové aplikace to ale bývá jednou z překážek použití.

Dalším klíčovým bodem Blockchain technologie je tzv. problém „konečnosti transakce“. Většina implementací BFT mechanismu se při řešení konfliktů mezi peer uzly spoléhá na tzv. systém „vidlice“. Zde když existují dva neslučitelné názory na platnost nějaké transakce, protokol se rozdělí na dvě větve, z nichž každá odpovídá jedné alternativní vizi reality – tedy stavu systému. Ostatní uzly sítě si pak musí vybrat, která větev je platná, a udělají to připojením svých nových bloků pouze ke jejich „správné“ větvi. Postupem času se konsensus nakonec ustálí na jedné konkrétní větvi (té, která má připojeno více nových bloků, tedy aplikuje se rozhodovací pravidlo 51%), a větev, která prohrála, je opuštěna / zapomenuta / neuchována. I když je toto schéma skutečně účinné pro dosažení BFT ve veřejných sítích, má jeden důležitý důsledek. Neexistuje zde žádná absolutní záruka, že daná nová transakce zůstane platná, protože může být následně postupem času "rozhodnuto" o její neplatnosti. Jinými slovy, daná transakce (operace či příkaz) se může objevit pouze na té „špatné“ větvi rozvětvení a bude tedy zrušena / zapomenuta / vrácena, když časem celý systém blockchainu dojde k alespoň 51% konsensu, že nebyla „správná“. Takto fungují blockchainy první generace.

Z uvedeného popisu je zřejmé, že toto chování blockchainu není přijatelné ve scénářích, kdy má transakce má mít okamžité další účinky na jiné systémy či další sled událostí, například v dodavatelském, logistickém či výrobním řetězci, jinak řečeno, je extrémně neefektivní pro úlohy zpracování online transakcí (OLTP). To je nanejvýš nešťastné zejména v situaci, když blockchain platformy druhé generace (jako např. Ethereum) zavedly již zmíněný koncept „Smart Contracts“. Chytré smlouvy byly původně koncipovány jako způsob, jak mohou uživatelé definovat svou vlastní obchodní logiku pro transakce a tedy učinit blockchain interaktivnější („chytřejší“) díky možnému rozšíření nebo dokonce nahrazení vestavěné logiky. Pak se ukázalo, že Smart Contracts, pokud jsou správně využity, by také mohly proměnit blockchain v distribuovanou výpočetní platformu s neomezeným potenciálem. Distribuované aplikace by se však stále musely vypořádat s limitovanou škálovatelností, odezvou a problematikou konečností transakcí základního BFT mechanismu, což výrazně omezuje rozsah možných případů použití.

Příklad použití technologie Blockchainu pro flexibilní řízení výroby v reálném čase využívající účetní vrstvu "Ledger Tier" a systém chytrých smluv "Smart Constracts" pro automatické zabepečené řízení výrobních kroků. Zde je však systémy odměňování kryptoměnou a dlouhé časy validace "transakcí" nejsou pro reálný provoz vhodné.

Úpravy a provedení blockchainu pro průmyslové využití

K vyřešení výše uvedeného problému se vývojářská komunita v současné době ubírá dvěma samostatnými cestami:

Upgradováním architektury BFT mechanismu.
Zmírňováním funkčních požadavků.

První přístup je ambiciózní, ale pomalý a obtížný. Využívají ho třetí generace blockchainových platforem, které navrhují nějaké inovativní řešení, i když konečnost transakcí se stále zdá být otevřeným problémem téměř všude.

To druhý přístup je mnohem jednodušší. Pokud můžeme předpokládat určitou omezenou míru důvěry mezi stranami, můžeme radikálně zjednodušit architekturu BFT a odstranit tak nejhorší úzká hrdla. Z této úvahy se v posledních letech zrodil zcela nový druh blockchainů, tzv. „povolené“ blockchainy (PERMISSIONED BLOCKCHAINS). Vzhledem k jejich jednodušší architektuře jsou již dnes dostupná provedení s povolením komerční úrovně (např. Hyperledger).

Povolené blockchainy jsou architektury druhé generace, které nepodporují anonymní uzly a nespoléhají na kryptoekonomiku. V zásadě mají schopnost průmyslu alespoň do určité míry zpřístupnit sílu blockchainu a chytrých smluv. Jejich BFT je stále decentralizovaný proces prováděný peer uzly, ale proces již probíhá pod dohledem ústředního orgánu. To znamená, že všechny uzly musí mít silnou digitální identitu (žádné anonymní strany) a musí jim věřit centrální dohledový úřad, aby se mohly připojit k systému. Důvěru, a tím i přístup k blockchainu, lze pak kdykoli odvolat. Protokol BFT se pak může spolehnout na některé základní předpoklady a fungovat mnohem rychleji, čímž se snižuje rozdíl od standardů OLTP, pokud jde o odezvu i propustnost. Některé implementace BFT (např. Hyperledger Fabric) také podporují i finální transakce, protože konsensu o platnosti transakce lze dosáhnout téměř v reálném čase předtím, než je cokoli zapsáno do protokolu.

Systémy blockchainu konsorcia / komunity HYPERLEDGER vyvinuté a dále vyvíjené speciálně pro potřeby obchodu a průmyslu.

Klíčovým bodem povolených blockchainů je tedy fakt, že jsou pouze částečně decentralizované, takže role správy a řízení zůstává v rukou vedoucího subjektu – ať už jde o jedinou organizaci nebo konsorcium. Tento aspekt je z pochopitelných důvodů přínosem pro podnikové přijetí. Obvykle jsou tyto sítě také mnohem menší než ty veřejné, s pozitivním vedlejším účinkem omezení neefektivity ukládání dat způsobené masivní replikací dat napříč uzly. Celkově lze tvrdit, že povolené blockchainy jsou životaschopným kompromisem mezi původním konceptem a staršími centrálně řízenými OLTP systémy. Ale do jaké míry?

Blockchainy dostupné od komunit s otevřeným zdrojovým kódem využívají k vyhodnocení funkce pomocných kritérií posuzující i konečnost transakcí, například systémy Hyperledger Fabric (HLF) jako zastánce povolených blockchainů a Neo Smart Economy (NEO) jako zastánce standardního systému 2. generace. HLF vzešel z testů jako vhodně životaschopná platforma pro aplikace M2M (Machine-to-Machine) v CPPS systémech (Cyber-Physical Production Systems). Vzhledem k tomu, že NEO řešení je penalizováno značnou latencí několika sekund, která je nezávislá na pracovní zátěži (očekávaný výsledek pro „klasickou“ blockchainovou architekturu, která definuje pevné zpoždění pro zpracování každého bloku), je HLF řešení schopné akceptovat zátěž až 160 transakcí za sekundu s relativně nízkou latencí (0,1-1s.). Při větším pracovním zatížení, až 1000 transakcí za sekundu, je pak zase NEO jasným vítězem díky své konstantní latenci, zatímco výkon HLF se postupně snižuje (> 50 s).

Možnosti nasazení v průmyslových aplikacích

Hnací silou trhu jsou trendy hromadného přizpůsobení a reshoringu, jinak řečeno vzrůstá potřeba agilních výrobních linek, které podporují i výroby jen „jedné šarže“ a umožňují se vyrovnat s častými změnami požadavků, prostředí a pracovní zátěže. V běžné výrobní praxi bývá obvykle důležité provést snadnou migraci ze starších provozovaných továrních systémů. Na takovou migrační cestu lze nahlížet ze dvou různých, ale vzájemně se doplňujících perspektiv:

Přístup shora dolů - zvažuje, jak přiblížit výpočetní výkon tam, kde je skutečně potřeba pro zvýšení efektivity (klasický přístup Edge Computing).
Přístup zdola nahoru - hlavním zájmem je rozložit monolitickou výrobní linku na řadu nezávislých modulů, které lze dynamicky přeskupovat.

Blockchain poskytuje v obou těchto směrech společný „virtuální prostor“, kde lze bezpečně sdílet data a konzistentně provozovat obchodní logiku. Uživatelé však mohou tuto příležitost využít dvěma způsoby. Jedním jednodušším, ale poněkud omezeným, druhým obtížnějším a ambicióznějším:

Jednodušší přístup je typu „brownfield“ - zde stačí migrovat některé funkce centralizovaného monitorování a řízení továrny do služeb Ledger Services na úrovni koordinační "účetní vrstvy" Ledger Tier. Díky Edge zařízením tvořícím Gateway Tier mohou být starší centralizované služby „zosobněny“ v místním měřítku, tj. základní regulační konfigurace výrobní linky či aplikace zůstávají stejné. Hlavními výhodami této konfigurace jsou zmírnění problémových míst ve výkonu (silný síťový provoz je omezen lokálně) a přidaná odolnost (segmenty výroby / aplikace mohou být funkční i při dočasném odpojení od hlavní sítě). Flexibilita je také vylepšena, ale jen v hrubém měřítku: modularity je dosaženo jen seskupením několika lokálních jednotek (uzlů) pod záštitu jedné brány Edge Gateway, takže se všechny dohromady stávají jediným „modulem“ jen s určitým omezeným stupněm soběstačnosti, inteligence a autonomie.
Ambicióznější přístup je typu "zelená louka" - zde jde o delegování zodpovědnosti na nové jednotlivé chytré objekty ve výrobě (aplikaci), které všechny spolu komunikují prostřednictvím koordinující "účetní vrstvy" Ledger Tier. Logika ve službě Ledger Services je zde v porovnání s předchozím scénářem na vyšší úrovni. Jde tu více o správu a řízení než o přímou kontrolu. Úroveň brány má jen okrajovou roli, většinou se omezuje na analýzu velkých dat. V této konfiguraci jsou centrální úzká místa zcela odstraněna a stupeň flexibility je extrémní. Cena, kterou je třeba zaplatit, je, že je vyžadována kompletní revize výrobních prostor stávajících továren a nahrazení automatizace na bázi PLC inteligentními stroji.

Například podle projektu FAR-EDGE (FAR-EDGE research and innovation project funded by the European Commission’s Horizon 2020) je nejvyšší vrstva výsledkem rozdělení některých centrálních IT systémů podniku/továrny do několika menších, místně zaměřených výpočetních jednotek Edge Gateways (EG). Každá EG je v případě zachování původních prvků (tj. starší senzory a akční členy, které se využijí), zde tzv. „pasivních“ Edge Nodes (EN), odpovědná za přímé monitorování a řízení Pokud jsou však v základně modelu "Field Tier" již použity tzv. Smart Objects (SO), tedy prvky nebo stroje s inteligencí (určitým stupněm autonomního chování), jde již modernější výrobní systémy, které nemusí dodržovat hierarchický architektonický standard ISA-95, také známý jako „automatizační pyramida“ a jsou tedy flexibilnější. Velká výzva je tedy spojit starší a novější tovární architektury bezproblémovým způsobem tak, aby by šlo k získat to nejlepší z rozsáhlé decentralizace, ale přesto si zachovat kontrolu nad výrobním procesem jako celkem. Klíčovou technologií pro tento úkol je právě Blockchain, který je umístěn na samostatné úrovni „Ledger Tier“, která z koncepčního hlediska funguje jako inteligentní komunikační kanál spojující uzly EG a SO do P2P (Peer-to-Peer) sítě. Konkrétněji je tato komunikace implementována jako sdílený procesní stav, který je udržován na Blockchainu a spravován pomocí Smart Contracts, který jde zde v uvedeném příkladu pojmenován jako Ledger Services (LS).

Příklad struktury vyvinuté v projektu FAR-EDGE a příklad její aplikace na flexibilní výrobu různě zákaznicky vybavených / nakofigurovaných specifikací nákladních automobilů.

Závěr

Blockchain je jen jednou z několika technologií, které má pomoci průmyslovému odvětví zajistit bezproblémovou sledovatelnost, protože výměna nosičů nákladu je extrémně složitá a v současné době stále chybí, pokud jde o efektivitu a transparentnost. Tato decentralizovaná datová technologie byla původně vyvinuta pro obchodování s kryptoměnami, ale v současnosti se stále více využívá ve výrobě a logistice.

Například společnost Danone je jednou z firem, která se rozhodla používat technologii blockchain ke sledování své dětské výživy. Zde Blockchain umožňuje realizovat zabezpečené, ale zcela bezpapírové řízení pohybu a předávání přepravních nosičů nákladů. Od technologií RFID a blockchainu se tak očekává, že v budoucnu ještě zefektivní správu nosičů nákladu. To zase zajistí úplnou kontrolu procesů v dodavatelských řetězcích.