Разработка распределенной системы хранения студенческих web-портфолио

ВВЕДЕНИЕ 3
ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 5
1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ НАДЕЖНОСТИ И ДОСТОВЕРНОСТИ ХРАНЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ В СЕТИ ИНТЕРНЕТ 6
1.1. Проблема центрального узла 6
1.2. Распределённое хранение 7
1.3. Описание предметной области 11
1.4. Применимость технологии блокчейн к реализации приложения по хранению студенческих web – портфолио 12
2. ПОСТРОЕНИЕ АРХИТЕКТУРЫ СИСТЕМЫ 13
2.1. Диаграмма деятельности 13
2.2. Диаграмма последовательности 15
2.3. Авторизация пользователя 16
2.4. Регистрация нового пользователя 17
2.5. Диаграмма классов 18
3. СТРУКТУРА ХРАНЕНИЯ ПОРТФОЛИО СТУДЕНТОВ НА ОСНОВЕ ТЕХНОЛОГИИ БЛОКЧЕЙН 19
3.1. Состав системы хранения портфолио студентов 19
4. ВЫБОР СРЕДСТВ РАЗРАБОТКИ 24
4.1. Microsoft Visual Studio 24
4.2. Выбор языка программирования 24
4.3. Windows Forms 26
4.4. Основные элементы приложения 28
4.5. Пользовательский интерфейс и примеры работы приложения 30
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 34
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 35
ПРИЛОЖЕНИЕ А – ЛИСТИНГ ПРОГРАММНОГО КОДА 37

ВВЕДЕНИЕ
В современном мире развитие информационных технологий привело к тому, что мы перешли к так называемому «информационному обществу», где информация имеет ключевое значение. Индустрия информационных технологий в наше время развивается очень стремительно, и новые технологии появляются так часто, что специалисты зачастую не успевают среагировать на их появление. Так произошло и с Blockchain – разработанная в рамках криптовалюты Bitcoin, впервые выпущенной еще в 2009-м году, она долгое время оставалась незамеченной, однако в последнее время набрала популярность. Стандартные методы обработки и хранения данных по- прежнему используются многими компаниями, но Blockchain в этой сфере открывает новые возможности и стандарты безопасности.
Актуальность работы состоит в том, что метод хранения данных при использовании технологии Blockchain – распределенный, а это в разы повышает безопасность данных, что сделает приложение востребованным.
...

ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

Blockchain (блокчейн) — это механизм хранения и изменения данных без центральных узлов.
Bitcoin — платежная система и криптовалюта (считается первой и на сегодня самой популярной). Блокчейн биткоина представляет собой доступный для просмотра список транзакций системы. Каждая транзакция кошельков в сети записывается в блоки.
Mining (майнинг/добыча) — процесс математических вычислений, который проверяет транзакции и добавляет их в цепь блоков.
Hash (хэш) — основа защищенности блокчейна. Это результат работы хэш-функции (шифратора). В результате работы функции из заданного набора данных получается один хэш.
Peer-to-peer (P2P) — прямое взаимодействие двух сторон без участия посредников в одноранговой сети.
Smart contracts (смарт-контракты) — автоматически выполняемый электронный протокол, обеспечивающий условия исполнения сделки в блокчейне обеими сторонами.
...

1.1. Проблема центрального узла

Блокчейн впервые был описан и применен для обеспечения транзакций цифровой валюты. Обычно обмен деньгами происходит так: Есть три контрагента (А, Б и В), у которых на счету есть по 10 долларов. Их счета находятся полностью под управлением банка. Когда контрагент "А" примет решение перевести 5 долларов контрагенту "Б", он отправит запрос в банк. Банк проверит состояние его баланса и отправит деньги адресату, если их хватает на счету. Схема взаимодействия с банком показана на рис. 1.

Рисунок 1- Схема взаимодействия с банком
При таком механизме есть определенные проблемы:
1. Если вдруг банк не работает по каким-либо причинам, клиенты вынуждены ожидать восстановления работы.
2. Персональные данные клиентов банка и доступы к счетам доступны некоторым сотрудникам банка, что является дополнительным риском кражи данных, а также есть вероятность ошибок со стороны сотрудников банка.
...

1.2. Распределённое хранение
При распределенном хранении ситуация с данными будет иной (рис. 2). Для перевода денег от контрагента "А" к "Б" необходимо будет всего лишь опубликовать событие для всей сети, в котором будет указано, что контрагент "А" переводит $5 для контрагента "Б"[5].

Рисунок 2- Распределенное хранение

У каждого контрагента всегда есть возможность удостовериться, что у "А" хватает денег на счету для перевода. Ну и обновить данные в своей собственной таблице. Так, если даже узел "А" захочет перевести больше денег, чем у него есть, остальные узлы не примут эту транзакцию. Открытость и возможность проверить любую транзакцию делают эту систему неуязвимой к обману.

Цепь блоков транзакций.

Для того, чтобы в любой момент времени можно было проверить любую транзакцию, хранилище содержит список транзакций, а не список счетов:

1. А перевел Б: 5000

3. В перевел А: 1000
4. В перевел Б: 1000

Все транзакции для удобства группируются в блоки.
...

1.4. Применимость технологии блокчейн к реализации приложения по хранению студенческих web – портфолио
Хранение студенческих портфолио с использованием технологии блокчейн необходимо для повышения безопасности данных. Приложение и дипломная работа разработаны при Казанском федеральном университете. Приложение разработано в учебных целях для демонстрации применения технологии блокчейн на выбранной теме дипломного проекта.
Блокчейн - революционная технология на рынке IT, которая поможет сделать разработанное приложение более современным и, что немаловажно, максимально безопасными, а значит, не только конкурентоспособными, но и способными превзойти конкурентов, при реализации.
Что даст блокчейн разрабатываемому приложению?
• оцифровку всех процессов (управление по цифровой записи);
• использование криптографии;
• унификацию правил для всех участников;
• прозрачное принятие решений по изменению данных.
...

2.1. Диаграмма деятельности
Диаграмма деятельности отображает последовательность действий, необходимых для достижения определенной цели, то есть показывает специфику поведения системы в определенной ситуации. Диаграммы деятельности, разработанные для моделирования процесса выполнения операций в системах (для обоих сценариев), находятся в приложении. В качестве примера будет рассмотрена диаграмма, описывающая процесс регистрации пользователя.
На рисунке 5 изображен процесс регистрации пользователя в системе. Для регистрации пользователь вводит желаемое имя пользователя, пароль и личные данные пользователя (по желанию). Для безопасной передачи и хранения пароля формируется его хэш-значение. Далее проводится проверка доступности имени пользователя (т.е. ведется поиск такого имени пользователя среди уже существующих имен в базе данных). Если пользователь с таким именем уже зарегистрирован, предлагается ввести другое имя пользователя.
...

3.1. Состав системы хранения портфолио студентов

Исходя из поставленной задачи, в составе системы хранения и подтверждения подлинности портфолио студента должны быть следующие модули: модуль межсетевого взаимодействия, модуль работы с транзакциями (вычисление ключей, проверка), модуль работы с БД. В итоге должно быть создано два модуля. Один для обычных пользователей, который позволяет создавать транзакции и просматривать записи, и второй для узла валидатора, который должен иметь доступ к БД университета.
Модуль межсетевого взаимодействия должен быть построен на основе технологии P2P. Технология peer-to-peer отличается от стандартных подходов масштабирования сетевых инфраструктур. Когда применяется подход "равный- равный" то, главным становится не коммуникация между клиент- сервером, а способы поиска других клиентов в сети, благодаря которым они могут обмениваться информацией между собой [7].
...

4.1. Microsoft Visual Studio
Microsoft Visual Studio — среда разработки компании Microsoft, которая включает интегрированную среду разработки программного обеспечения и другие инструменты для программирования. Данные инструменты позволяют программировать консольные программы, так и приложения с графикой , в том числе с поддержкой технологии Windows Forms , а также веб- страницы, веб-приложения.
Visual Studio содержит в себе текстовый редактор программного кода, можно делать отладку программного кода и рефакторинг. Если возникают ошибки при создании программного обеспечения, то среда разработки наглядно показывает ошибки и предупреждения для исправления кода.
Отладчик кода встроен в среду разработки на уровне исходного кода и также на машинном уровне. Другие встроенные инструменты включают в себя редактор форм, что упрощает создание графического интерфейса программы, редактор веб-страниц, конструктор классов и средство для создания схемы базы данных.
...

[1] Технология распределённого реестра: за рамками блокчейн [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://cryptonyka.com/files/download/31/9bc7b5ca, свободный.
[2] Как blockchain изменит нашу жизнь? [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://rb.ru/opinion/blockchain/, свободный.
[3] Proof of work [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://en.bitcoin.it/wiki/Proof_of_work, свободный.
[4] Proof of Stake [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://en.bitcoin.it/wiki/Proof_of_Stake, свободный.
[5] A Correctness Proof for a Practical Byzantine-Fault-Tolerant Replication Algorithm Miguel Castro and Barbara Liskov Laboratory for Computer Science, Massachusetts Institute of Technology, 545 Technology Square, Cambridge, MA 02139 [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://publications.csail.mit.edu/lcs/pubs/pdf/MIT-LCS-TM-597.pdf, свободный.
[6] Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System. [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://bitcoin.org/bitcoin.pdf, свободный.
[7] Peer-to-peer [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://bitcoin.org/bitcoin.pdf, свободный.
[8] SHA-256 [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.iwar.org.uk/comsec/resources/cipher/sha256-384-512.pdf, свободный.
[9] Merkle tree [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://brilliant.org/wiki/merkle-tree/, свободный.
[10] Алгоритм византийских генералов. [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://blog.artlives.ru/programming/, свободный.
[11] Zebus [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://github.com/Abc- Arbitrage/Zebus/wiki/Documentation, свободный.
[12] Zebus [Электронный ресурс] – Режим доступа:

https://www.slideshare.net/alprema/zebus-pitfalls-of-a-p2p-service-bus.
[13] Protobuf [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://github.com/google/protobuf/wiki, свободный.
[14] CyberForum.ru - форум программистов и сисадминов [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.cyberforum.ru/ , свободный.
[15] Крючкова Е.Н. Архитектурное проектирование и паттерны программирования [Электронный ресурс]: Учебно-методическое пособие / Е.Н. Крючкова, С.М. Старолетов; АлтГТУ. – Барнаул, 2015 – Режим доступа: http://new.elib.altstu.ru/eum/download/pm/Krutkova-Patterns.pdf.
[16] WWW SQL Designer - дизайнер моделей баз данных [Электронный ресурс]. – Режим доступа:http://ondras.zarovi.cz/sql/demo/, свободный.
[17] Станько И. В. Децентрализованная система хранения и потверждения подлиности портфолио студента на основе технологии Blockchain [Электронный ресурс] / И. В. Станько, Е. Н. Крючкова // Горизонты образования. Приложение. Сборник трудов XV всероссийской Научно- технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь – 2017». Секция «Информационные технологии». Подсекция
[18] «Программная инженерия». / Алт. гос. техн. ун-т им. И.И.Ползунова. – Барнаул: изд-во АлтГТУ, 2017. – 92 с. - Режим доступа: http://edu.secna.ru/media/f/pi2017v2.pdf