Понимание сетей и узлов блокчейна

Введение

Как опытный разработчик блокчейнов с более чем десятилетним опытом работы за плечами, я своими глазами видел проблемы и триумфы в построении масштабируемых и высокопроизводительных сетей. Мой путь начался, когда мне было поручено разработать приложение блокчейна, которое могло бы обрабатывать тысячи транзакций в секунду. В то время эта цель казалась непреодолимой, поскольку большинству сетей не хватало даже части этой пропускной способности.

Технология блокчейн знаменует собой значительный цифровой сдвиг, меняющий наш взгляд на транзакции, безопасность, децентрализацию и прозрачность. В этой статье мы углубимся в обширное исследование сетей и узлов блокчейна. Эти основополагающие элементы лежат в основе инфраструктуры и возможностей блокчейнов. Для эффективной разработки блокчейна разработчикам важно полностью усвоить эти принципы. Приложения этой технологии охватывают различные отрасли, такие как финансы и управление цепочками поставок.

Что такое сеть блокчейн?

Сеть блокчейна функционирует как децентрализованная взаимосвязанная система для обеспечения безопасного и прозрачного учета транзакций, при этом различные устройства синхронно проверяют и обновляют информацию.

Ключевыми компонентами сети Blockchain являются:

• Узлы: компьютеры или устройства, участвующие в сети.

• Реестр: база данных или цифровая запись всех транзакций.

• Смарт-контракты: Смарт-контракты называются программами высокого уровня, которые компилируются в байт-код EVM, а также являются предварительным этапом для развертывания в блокчейне Ethereum. Это позволяет нам выполнять надежные, безопасные, без вмешательства третьих лиц, отслеживаемые и необратимые транзакции.

• Механизм консенсуса: Набор протоколов, которым должны следовать узлы сети в зависимости от состояния блокчейна.

Типы сетей блокчейна:

• Общедоступный: Как следует из названия, он открыт для всех. Никакая организация не контролирует Публичную сеть. Эти сети децентрализованы и прозрачны. Примерами являются Биткойн и Эфириум, а общими вариантами использования являются децентрализованные приложения.

• Частная. Частные сети доступны только авторизованным пользователям. Их контролирует одна организация. Примерами являются Hyperldger Fabric и Corda, а общие случаи использования — управление цепочками поставок и корпоративные решения.

• Консорциум. Сеть консорциума представляет собой сочетание общедоступных и частных сетей, контролируемых и управляемых группой организаций. Он частично децентрализован, обеспечивая прозрачность до определенного уровня. Примерами являются Quorum и Energy Webchain. Обычно используется в отраслевом сотрудничестве и приложениях консорциумов.

• Гибрид: представляет собой комбинацию атрибутов общедоступной и частной сети. Доступ к гибридной сети настраивается: некоторые данные являются общедоступными, а некоторые — ограниченными. Пример цепочки Dragion, используемой в настраиваемых корпоративных решениях

Узлы в блокчейне

Проще говоря, узлы представляют собой отдельные элементы или единицы внутри системы блокчейна, которыми могут быть компьютеры или устройства, которые соответствуют указанным правилам. Наличие узлов имеет важное значение в технологии блокчейна, поскольку они хранят синхронизированную версию общей истории транзакций, известную как публичный реестр, и участвуют в процессах консенсуса.

Типы узлов:

• Полные узлы: Полные узлы — это устройства, которые поддерживают полную копию блокчейна. Эти узлы играют решающую роль в проверке блоков транзакций и обеспечении целостности и безопасности блокчейна. Они считаются безопасными и заслуживающими доверия узлами.

• Легкие узлы: Легкие узлы просто хранят заголовок блока, который является подмножеством данных блокчейна. Легкие узлы зависят от полных узлов для проверки и подтверждения транзакций.

• Узлы майнинга. Эти узлы участвуют в сети, решая криптографические головоломки, т. е. майнинг. Узлы майнинга обеспечивают безопасность сети, проверяя транзакции, а также помогают поддерживать безопасность с помощью доказательства работы (PoW).

• Главные узлы: Главные узлы выполняют специальные задачи, такие как проверка мгновенных транзакций или участие в управлении. Это улучшает функциональность и повышает стабильность блокчейна. Из-за вычислительной функциональности ему необходимы огромные энергетические ресурсы.

Установка и настройка узлов

 Руководство по настройке различных типов узлов:

• Полный узел: 

1.  Установите клиентское программное обеспечение Blockchain, такое как Bitcoin Core или Geth.
2. Загрузите данные цепочки и синхронизируйте с сетью
3. Настройте такие параметры, как хранилище и пропускная способность. и т. д.

• Легкий узел 

1. Установите клиентское программное обеспечение, например Electrum для Bitcoin или MetaMask для Ethereum.
2. Синхронизируйте их с полными узлами для проверки транзакций.
3. Настройка для оптимальной производительности

• Майнинговый узел

1. Установите программное обеспечение, такое как CGminer или Ethminer.
2. Присоединяйтесь к майнинг-пулу для коллективных усилий и вознаграждений
3. Настройте для получения оптимальных результатов

• Главный узел

1. Проверьте требования к обеспечению перед настройкой
2. Установите специальное программное обеспечение, касающееся блокчейна.
3. Настройка для повышения производительности и эффективности

Рекомендации по настройке.

• Регулярно обновляйте программное обеспечение
• Позаботьтесь о мерах безопасности, установив межсетевые экраны и антивирус.
• Обеспечить соответствующее распределение ресурсов

Соображения безопасности узлов.

• Используйте шифрование для передачи данных
• Обеспечьте защиту от распределенных атак типа «отказ в обслуживании» DDos.
• Регулярно проверяйте параметры безопасности

Топологии сети

Схема соединений сети между ее узлами называется топологией сети. Это описание поясняет, как устройства обмениваются информацией, обрабатывают транзакции и устанавливают соглашение в сети. Правильный выбор топологии важен для оптимизации производительности сети, возможности расширения и обеспечения безопасности.

Общие топологии, используемые в сетях блокчейна.

• Топология Peer-to-Peer (P2P): В этой топологии каждый узел напрямую подключен, что делает все узлы равноправными участниками. Эта топология создает децентрализованную сеть, в которой все узлы могут инициировать и проверять транзакции. Биткойн использует топологию сети P2P.

Плюсы: 

• Децентрализованный
• Устойчивый
• Безопасный

           Минусы:

• Задержки распространения прямо пропорциональны росту сети.
• Множественные соединения приводят к высокой нагрузке на полосу пропускания.               
• Федеративная топология: Федеративная топология позволяет участвовать в консенсусе только авторизованным лицам, а другие могут просто присоединиться к этой топологии, но не могут ее проверить. Это также известно как сеть консорциума. Популярно используется в Ripple.

Плюсы: 

• Эффективно и быстро благодаря меньшему количеству узлов в процессе
• Масштабируемость благодаря более высокой пропускной способности.
• Контролируемый доступ повышает безопасность

           Минусы:

• Более централизовано, следовательно, создает проблемы с доверием.
• Ему нужны надежные механизмы управления.    

• Гибридная топология

Dragonchain использует гибридную топологию, которая объединяет функции одноранговых и федеративных сетей. Он допускает несколько уровней и предоставляет разрешения назначенным группам устройств, сохраняя при этом децентрализацию.

Плюсы: 

• Эффективно и быстро, поскольку представляет собой сочетание топологии P2P и федеративной топологии.
• Гибкий и настраиваемый.

           Минусы:

• Комплексное проектирование и реализация
• До определенного уровня может склоняться к централизации.

Механизмы консенсуса

«Механизмы консенсуса относятся к набору правил, которых должны придерживаться узлы в сети, чтобы достичь согласия относительно текущего состояния реестра. Эти процедуры выполняют важную функцию проверки и аутентификации транзакций».

Популярные алгоритмы консенсуса:

• Доказательство работы (PoW): Доказательство работы также известно как майнинг. В этом механизме консенсуса пользователи должны решать криптографические головоломки, за которые они получают вознаграждение. Это соревнование, в котором тот, кто первым решит, получит новый блок. Этот алгоритм использует хеширование для защиты блокчейна. Сложность головоломок PoW обеспечивает безопасность блокчейна и контролирует скорость добавления новых блоков.
• Proof of Stake (PoS): Proof of Stake выбирает валидаторов на основе количества имеющихся у них монет и ставки в качестве залога. Процесс выбора зависит не только от ставки, но и от таких факторов, как возраст монеты и случайность. Для добавления нового блока выбираются валидаторы с наименьшим значением хеш-функции и наибольшей суммой ставки. PoS более энергоэффективен, чем PoW. Этот механизм реализован в Ethereum 2.0.
• Делегированное доказательство доли (DPoS): использует делегатов и репутацию для проверки транзакции. Используется в EOS.
• Практическая византийская отказоустойчивость (PBFT): Для проверки используется механизм голосования узлов. Это очень устойчиво к мошенничеству и используется в структуре Hyperledger.
• Подтверждение полномочий (PoA): Этот механизм использует заранее выбранные объекты для проверки. Используется в VeChain.

Связь и синхронизация узлов

Интересно задуматься о том, как узлы обмениваются информацией внутри сети. Решение в некотором смысле согласуется с человеческим поведением. Узлы идентифицируют другие узлы с помощью таких механизмов, как протокол Gossip, и впоследствии распространяют сообщения.

Процесс синхронизации узлов состоит из двух этапов. При первоначальной синхронизации вы получаете и аутентифицируете необходимые данные. Во время текущей синхронизации обновления требуют только новые транзакции.

Методы обеспечения эффективной и безопасной связи должны быть:

• Использование оптимизированных и эффективных протоколов.
• Зашифруйте данные
• Используйте избыточность, чтобы избежать потери данных.

Проблемы и решения при взаимодействии узлов:

• Уменьшите задержку за счет внедрения высокоскоростных соединений и протоколов.
• Обеспечьте надежное шифрование и защиту от DDoS.
• Обеспечьте использование масштабируемых топологий.

Мониторинг и обслуживание сетей блокчейн

Инструменты и методы мониторинга сетей блокчейн:

• Прометей
• Графана
• Блокировать проводник

На производительность сети влияет несколько факторов, включая задержку, скорость передачи данных (пропускную способность), эффективность узлов мониторинга и время, необходимое для создания новых блоков.

Практика обслуживания узлов.

• Регулярно обновляйте программное обеспечение 
• Всегда проверяйте используемое исправление безопасности.
• Плановые аудиты

Распространенными проблемами устранения неполадок являются проблемы с подключением и проблемы синхронизации.

Поддержание доступности и надежности за счет применения методов резервирования и балансировки нагрузки.

Масштабируемость и оптимизация производительности

Проблемы масштабирования блокчейн-сетей

• Пропускная способность транзакций

Многие сети сталкиваются с проблемой достижения более низких скоростей передачи данных при обработке большего объема транзакций каждую секунду. Традиционные методы консенсуса могут быть неэффективными и ресурсоемкими.

• Хранилище

Одним из серьезных препятствий, с которыми мы сталкиваемся, является управление растущими требованиями к данным в сети блокчейн. По мере роста сети растет и объем хранимой в ней информации, что увеличивает нагрузку на емкость хранилища и замедляет скорость доступа к данным.

Стратегии улучшения масштабируемости сети.

• Решения уровня 2:

Сеть Lightning Network Биткойна обеспечивает более быстрые и дешевые транзакции посредством внеканального решения. Устанавливая каналы оплаты между пользователями, он позволяет мгновенно регистрировать открытые и закрытые пути в блокчейне.

Plasma и Rollups — это решения для масштабирования Ethereum. Управляя транзакциями вне цепочки, они снижают нагрузку на основной блокчейн. Затем основная цепочка получает сводку этих транзакций.

• Шардинг:

Шардинг предполагает разделение блокчейна на более мелкие управляемые сегменты, называемые шардами. Каждый шард отвечает за обработку определенных транзакций и смарт-контрактов. Такой подход снижает нагрузку на всю сеть.» будет:

Проще говоря, благодаря параллельной обработке шарды могут одновременно обрабатывать сделки. Это значительно увеличивает возможности сети по управлению сделками.

Методы оптимизации производительности узлов

• Оптимизируйте данные и хранилище
• Выполнить обрезку
• Используйте эффективные алгоритмы консенсуса
• Используйте эффективную систему управления базами данных.

Будущие тенденции в масштабируемости блокчейна

Как криптоинвестор, я в последнее время заметил некоторые интересные достижения в области механизмов консенсуса. Например, Solana представила Proof of History (PoH) в качестве альтернативы Proof of Work или Proof of Stake. Более того, достигнут прогресс в объединении различных механизмов консенсуса в единый. Кроме того, решения уровня 2, такие как каналы состояний и сайдчейны, быстро развиваются, повышая масштабируемость и функциональную совместимость, они становятся все более интегрированными.

Тематические исследования и практические примеры

• Биткойн: 

Биткойн использует механизм консенсуса Proof of Work (PoW), но этот подход сопряжен с такими проблемами, как масштабируемость и ограниченная пропускная способность транзакций. Для решения этих проблем в качестве решения был предложен Segregated Witness (SegWit). SegWit эффективно уменьшает размеры транзакций и увеличивает емкость блоков. Более того, внедрение Lightning Network, решения второго уровня, значительно повышает скорость транзакций. Эти достижения сыграли важную роль в решении проблем, с которыми сталкивается Биткойн.

• Изменение в Ethereum 2.0: 

Препятствия масштабирования: первая PoW-система Ethereum имела скорость 15 TPS, как и Биткойн. 

Закон о балансе: Ethereum изо всех сил пытался сбалансировать безопасность, быстрый рост и масштабируемость.

В Ethereum 2.0 происходит переход от механизма консенсуса «доказательство работы» (PoW) к механизму консенсуса «доказательство доли» (PoS). Благодаря этому сдвигу Ethereum отходит от энергоемких вычислительных задач и переходит к проверке транзакций на основе количества криптовалюты, поставленной валидаторами. Это изменение не только снижает энергопотребление, но и увеличивает производительность обработки транзакций.

В Ethereum 2.0 введение разделенных цепочек позволяет обрабатывать несколько транзакций одновременно, что значительно увеличивает его возможности.

 Заключение

Проще говоря, четкое понимание топологии и архитектуры сети имеет решающее значение для разработки эффективных сетей блокчейнов. Разработчикам следует поддерживать свои навыки на современном уровне, узнавая о последних достижениях в этой области. Прочная основа этих концепций позволяет разработчикам создавать безопасные, эффективные и масштабируемые приложения блокчейна, упрощая пользователям навигацию по домену блокчейна.

Смотрите также

• Перспективы рынка криптовалюты PUPS: прогнозы цены PUPS•WORLD•PEACE
• Перспективы рынка криптовалюты TOMI: прогнозы цены tomiNet
• Перспективы рынка криптовалюты CLORE: прогнозы цены Clore.ai
• Перспективы рынка криптовалюты BTC: прогнозы цены биткоина
• Перспективы рынка криптовалюты SUI: прогнозы цены Sui
• Перспективы рынка криптовалюты TON: прогнозы цены Toncoin
• Перспективы рынка криптовалюты ARB: прогнозы цены Arbitrum
• Прогноз курса доллара
• Перспективы рынка криптовалюты COTI: прогнозы цены COTI
• Перспективы рынка криптовалюты SAFE: прогнозы цены Safe

2024-07-13 17:38