Detail předmětu

Blockchainové systémy a konsensuální protokoly

FIT-BSDAk. rok: 2025/2026

Tento kurz poskytuje ucelený teoretický a praktický úvod do navrhování a implementace blockchainových systémů, aplikací a konsensuálních protokolů, které je podporují. Budeme zkoumat základní principy technologie distribuovaného ledgra, ponoříme se do kryptografických stavebních bloků a analyzujeme různé mechanismy konsensu, které se používají k dosažení dohody v prostředí bez vzájemné důvěry. Kurz pokryje témata od základních konceptů Bitcoinu a Etherea až po pokročilejší témata, jako jsou řešení škálovatelnosti, techniky pro zachování soukromí a budoucnost decentralizovaných systémů.

Okruhy k doktorské státní zkoušce

  1. Vlastnosti centralizovaných a decentralizovaných systémů
  2. Typy a generace konsensuálních protokolů
  3. Jazyky chytrých kontraktů, expresivita, zranitelnosti, bezpečnost
  4. Autentizační schémata, prahové vícenásobné podpisy, soukromí, použitelnost web3 vs. web2
  5. Anonymita a soukromí, mixovací služby, zero-knowledge důkazy, kryptoměny orientované na soukromí
  6. Aplikace a bezpečnost v Decentralizovaných financích (DeFi)
  7. Problémy se škálovatelností a interoperabilitou
  8. Decentralizované e-hlasování
  9. Decentralizovaná správa identit
  10. Aplikace a principy zk-SNARK a SNARK založené na blockchainu

Jazyk výuky

čeština, angličtina

Garant předmětu

doc. Ing. Ivan Homoliak, Ph.D.

Zajišťuje ústav

Ústav inteligentních systémů (UITS)

Učební cíle

  • Navrhovat a nasazovat nové decentralizované aplikace (DAPPs) a chytré kontrakty, se zaměřením na architektonické vzory a bezpečné programovací postupy.
  • Vyhodnocovat a upravovat stávající konsensuální protokoly a navrhovat nové, aby splňovaly specifické požadavky na výkon a bezpečnost.
  • Analyzovat zranitelnosti blockchainových systémů v oblasti bezpečnosti a soukromí a aplikovat pokročilé kryptografické a algoritmické techniky k jejich zmírnění.
  • Prokázat hluboké porozumění základním principům blockchainu, včetně peer-to-peer sítí, kryptografických primitiv a integrity dat.
  • Vytvořit plně funkční, malou decentralizovanou aplikaci od základů, s integrací vlastního konsensuálního protokolu.

Pravidla hodnocení a ukončení předmětu

Odevzdání projektu v termínu, zkouška. V průběhu kurzu je nutné odevzdat projekt (nebo článek) a složit zkoušku. Výuka probíhá formou přednášek nebo řízeného samostudia; zameškané hodiny je nutné
nahradit samostudiem.

Studijní opory

  1. I. Homoliak, S. Venugopalan, D. Reijsbergen, Q. Hum, R. Schumi and P. Szalachowski, "The Security Reference Architecture for Blockchains: Toward a Standardized Model for Studying Vulnerabilities, Threats, and Defenses," in IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol. 23, no. 1, pp. 341-390, Firstquarter 2021, doi: 10.1109/COMST.2020.3033665.
  2. Douceur, John R. "The sybil attack." International workshop on peer-to-peer systems. Springer, Berlin, Heidelberg, 2002.
  3. Cachin, C., & Vukolić, M. (2017). Blockchain consensus protocols in the wild. arXiv preprint arXiv:1707.01873.
  4. Miers, I., Garman, C., Green, M., & Rubin, A. D. (2013, May). Zerocoin: Anonymous distributed ecash from bitcoin. In 2013 IEEE Symposium on Security and Privacy (pp. 397-411). IEEE.
    Solidity Documentation, https://solidity.readthedocs.io/
  5. Sapirshtein, A., Sompolinsky, Y., & Zohar, A. (2016, February). Optimal selfish mining strategies in bitcoin. In International Conference on Financial Cryptography and Data Security (pp. 515-532). Springer, Berlin, Heidelberg.
  6. Luu, L., Narayanan, V., Zheng, C., Baweja, K., Gilbert, S., & Saxena, P. (2016, October). A secure sharding protocol for open blockchains. In Proceedings of the 2016 ACM SIGSAC Conference on Computer and Communications Security (pp. 17-30).

Základní literatura

Cachin, C., & Vukolić, M. (2017). Blockchain consensus protocols in the wild. arXiv preprint arXiv:1707.01873.
Douceur, John R. "The sybil attack." International workshop on peer-to-peer systems. Springer, Berlin, Heidelberg, 2002.
I. Homoliak, S. Venugopalan, D. Reijsbergen, Q. Hum, R. Schumi and P. Szalachowski, "The Security Reference Architecture for Blockchains: Toward a Standardized Model for Studying Vulnerabilities, Threats, and Defenses," in IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol. 23, no. 1, pp. 341-390, Firstquarter 2021, doi: 10.1109/COMST.2020.3033665.
Luu, L., Narayanan, V., Zheng, C., Baweja, K., Gilbert, S., & Saxena, P. (2016, October). A secure sharding protocol for open blockchains. In Proceedings of the 2016 ACM SIGSAC Conference on Computer and Communications Security (pp. 17-30).
Miers, I., Garman, C., Green, M., & Rubin, A. D. (2013, May). Zerocoin: Anonymous distributed ecash from bitcoin. In 2013 IEEE Symposium on Security and Privacy (pp. 397-411). IEEE.
Sapirshtein, A., Sompolinsky, Y., & Zohar, A. (2016, February). Optimal selfish mining strategies in bitcoin. In International Conference on Financial Cryptography and Data Security (pp. 515-532). Springer, Berlin, Heidelberg.
Solidity Documentation, https://solidity.readthedocs.io/

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program DIT-EN doktorský 0 ročník, letní semestr, povinně volitelný
  • Program DIT-EN doktorský 0 ročník, letní semestr, povinně volitelný
  • Program DIT doktorský 0 ročník, letní semestr, povinně volitelný
  • Program DIT doktorský 0 ročník, letní semestr, povinně volitelný

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

39 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

doc. Ing. Ivan Homoliak, Ph.D.

Osnova

  1. Úvod do decentralizovaných a distribuovaných systémů, kryptografické základy
  2. Koncepty blockchainu: účetní knihy, bloky a řetězce, transakce a Merkleovy stromy
  3. Tradiční konsensuální protokoly v distribuovaných výpočtech
  4. Konsensuální protokoly I: Proof-of-Work (PoW) a Proof-of-Resource (POR)
  5. Konsensuální protokoly II: Proof-of-Stake (POS) a Proof-of-Authority (POA)
  6. Chytré kontrakty a Ethereum Virtual Machine (EVM), zranitelnosti, bezpečné programovací postupy
  7. Kategorie blockchainových aplikací a jejich bezpečnostní modely
  8. Autentizační schémata, peněženky pro kryptoměny a web3
  9. Problémy se škálovatelností a interoperabilitou
  10. Soukromí a anonymita v blockchainech
  11. Aplikace a principy zk-SNARK a SNARK založené na blockchainu
  12. Decentralizované e-hlasování a správa identit
  13. Aplikace a bezpečnost v Decentralizovaných financích (DeFi)

Projekt

10 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

doc. Ing. Ivan Homoliak, Ph.D.