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introduzione
La tecnologia Blockchain ha portato una grande rivoluzione digitale che ha cambiato la nostra prospettiva su transazioni, sicurezza, decentralizzazione e trasparenza. Questo articolo si concentra su una comprensione completa delle reti e dei nodi Blockchain. Nodi e reti sono i pilastri dell'architettura e della funzionalità delle blockchain. Gli sviluppatori devono padroneggiare questi concetti per uno sviluppo efficace della blockchain e tenere presente il vasto dominio di applicazioni in vari settori come la finanza e la gestione della catena di fornitura.
Cos'è una rete Blockchain?
Una rete blockchain è fondamentalmente un registro distribuito o un sistema di registrazione in cui più dispositivi condividono e convalidano le informazioni sulle transazioni in modo trasparente.
I componenti chiave della rete Blockchain sono:
Nodi: computer o dispositivi che partecipano alla rete
Ledger: un database o un registro digitale di tutte le transazioni
Contratti intelligenti: gli Smart Contract sono definiti come programmi di alto livello che vengono compilati in bytecode EVM e anche una fase preliminare per l'implementazione sulla blockchain di Ethereum. Ci consente di eseguire transazioni affidabili, sicure senza alcuna interferenza di terzi, tracciabili e irreversibili
Meccanismo di consenso: una serie di protocolli che devono essere seguiti dai nodi della rete sullo stato della blockchain.
Tipi di reti blockchain:
Pubblico: Come suggerisce il nome è aperto a tutti. Qualsiasi entità non controlla la rete pubblica. Queste reti sono decentralizzate e trasparenti. Esempi sono Bitcoin ed Ethereum e casi d’uso generali sono le dApp.
Privato: le reti private sono limitate solo a coloro che sono autorizzati. Sono controllati da un'unica organizzazione. Esempi sono Hyperldger Fabric e Corda, mentre casi d'uso generali sono la gestione della catena di fornitura e le soluzioni aziendali.
Consorzio: una rete di consorzio è una combinazione di reti pubbliche e private, controllate e gestite da un gruppo di organizzazioni. È parzialmente decentralizzato e offre trasparenza fino a un certo livello. Esempi sono Quorum ed Energy Webchain. Solitamente utilizzato nelle collaborazioni di settore e nelle applicazioni basate su consorzi.
Ibrido: è una combinazione di attributi di rete pubblica e privata. L'accesso alla rete ibrida è personalizzabile con alcuni dati pubblici e altri limitati. Esempio di catena di draghi utilizzata in soluzioni aziendali personalizzabili
Nodi nella Blockchain
I nodi possono essere definiti come i singoli dispositivi o computer che fanno parte della rete blockchain e seguono i protocolli. I nodi sono una parte inevitabile della Blockchain poiché mantengono una copia del registro pubblico e partecipano ai meccanismi di consenso.
Tipi di nodi:
Nodi completi: i nodi completi sono i dispositivi che mantengono una copia completa della blockchain. Questi nodi svolgono un ruolo cruciale nella convalida dei blocchi di transazione e nel garantire l’integrità della sicurezza della blockchain. Questi sono considerati i nodi sicuri e affidabili.
Nodi leggeri: i nodi leggeri memorizzano semplicemente l'intestazione del blocco che è un sottoinsieme dei dati blockchain. I nodi leggeri dipendono dai nodi completi per la verifica e la convalida delle transazioni.
Nodi di mining: questi nodi partecipano alla rete risolvendo enigmi crittografici, ovvero mining. I nodi minerari forniscono sicurezza alla rete convalidando le transazioni e aiutano anche a mantenere la sicurezza attraverso la prova di lavoro (PoW).
Nodi master: i nodi master eseguono compiti speciali come la convalida di transazioni istantanee o la partecipazione alla governance. Migliora la funzionalità e migliora la stabilità della blockchain. A causa della funzionalità computazionale, necessita di enormi risorse energetiche.
Impostazione e configurazione dei nodi
Guida per impostare diversi tipi di nodi:
Nodo completo:
Installa software client Blockchain come Bitcoin Core o Geth.
Scarica i dati della catena e sincronizzati con la rete
Configura le impostazioni come spazio di archiviazione e larghezza di banda. eccetera
Nodo Luce
Installa software client come Electrum per Bitcoin o MetaMask per Ethereum.
Sincronizzarli con i nodi completi per verificare le transazioni
Configura per prestazioni ottimali
Nodo minerario
Installa software come CGminer o Ethminer
Unisciti a un pool minerario per sforzi e ricompense collettive
Configura per ottenere risultati ottimali
Nodo principale
Controlla i requisiti collaterali prima della configurazione
Installa il software specifico riguardante la blockchain
Configura per prestazioni ed efficienza migliori
Migliori pratiche di configurazione.
Aggiorna regolarmente il software
Prenditi cura delle misure di sicurezza implementando firewall e antivirus
Garantire un'adeguata allocazione delle risorse
Considerazioni sulla sicurezza per i nodi.
Utilizzare la crittografia per la trasmissione dei dati
Garantisci la protezione contro gli attacchi DDos Distributed Denial of Service
Controllare regolarmente i parametri di sicurezza
Topologie di rete
La topologia di rete è la disposizione delle interconnessioni tra i nodi della rete. La topologia delinea e spiega come i dispositivi comunicano, trasmettono, propagano le transazioni e raggiungono il consenso. La scelta appropriata della topologia è necessaria per l'efficienza, la scalabilità e la sicurezza della rete.
Topologie comuni utilizzate nelle reti blockchain.
Topologia peer-to-peer (P2P): in questa topologia, ogni nodo è direttamente connesso rendendo tutti i nodi partecipanti uguali. Questa topologia crea una rete decentralizzata in cui tutti i nodi possono avviare e convalidare le transazioni. Bitcoin utilizza la topologia di rete P2P.
Professionisti:
Decentralizzato
Resiliente
Sicuro
Contro:
I ritardi di propagazione sono direttamente proporzionali alla crescita della rete
Connessioni multiple comportano un sovraccarico elevato della larghezza di banda.
Topologia federata: la topologia federata consente solo agli autorizzati di partecipare al consenso e gli altri possono semplicemente unirsi a questa topologia ma non possono convalidare. Questa è anche conosciuta come rete del Consorzio. Comunemente utilizzata in Ripple
Professionisti:
Efficiente e veloce grazie al minor numero di nodi nel processo
È scalabile grazie al throughput più elevato
L'accesso controllato aumenta la sicurezza
Contro:
Una maggiore centralizzazione crea quindi problemi di fiducia
Ha bisogno di meccanismi robusti per la governance.
Topologia ibrida
Come suggerisce il nome, è la combinazione di topologie P2P e federate. Supporta più livelli e autorizzazioni per gruppi di dispositivi e mantiene la decentralizzazione. Dragonchain utilizza la topologia ibrida.
Professionisti:
Efficiente e veloce poiché è un mix di topologia P2P e federata.
Flessibile e personalizzabile.
Contro:
Progettazione e implementazione complessa
Fino ad un certo livello può inclinarsi verso la centralizzazione.
Meccanismi di consenso
I meccanismi di consenso sono un insieme di protocolli che dovrebbero essere seguiti dai nodi della rete per concordare lo stato del registro. Questi meccanismi vengono utilizzati per la convalida e l'autenticazione delle transazioni.
Algoritmi di consenso popolari:
Proof of Work (PoW): la Proof of Work è anche nota come mining. In questo meccanismo di consenso, gli utenti devono risolvere enigmi crittografici che li premiano. Si tratta di un concorso in cui il primo che risolve si aggiudica il nuovo blocco. Questo algoritmo utilizza l'hashing per proteggere la blockchain. La difficoltà dei puzzle PoW garantisce che la blockchain rimanga sicura e controlli la velocità con cui vengono aggiunti nuovi blocchi.
Proof of Stake (PoS): Proof of Stake seleziona i validatori in base al numero di monete che hanno e alla puntata come garanzia. Il processo di selezione non dipende solo dalla puntata ma anche da fattori come l’età della moneta e la casualità. Per aggiungere il nuovo blocco vengono scelti i validatori con il valore hash più basso e l'importo della puntata più alto. Il PoS è più efficiente dal punto di vista energetico rispetto al PoW. Questo meccanismo è implementato in Ethereum 2.0.
Proof of Stake delegato (DPoS): utilizza i delegati e la reputazione per la convalida della transazione. Utilizzato in EOS
Tolleranza pratica ai guasti bizantini (PBFT): il meccanismo di voto dei nodi viene utilizzato per convalidare. Questo è altamente tollerante alle frodi e utilizzato nel tessuto Hyperledger.
Proof of Authority (PoA): questo meccanismo utilizza entità prescelte per la convalida. Utilizzato in VeChain.
Comunicazione e sincronizzazione dei nodi
Ti starai chiedendo come comunicano i nodi all'interno della rete. La risposta è simile a ciò che fanno gli umani, i nodi scoprono altri nodi utilizzando protocolli come Gossip e quindi propagano i messaggi. Interessante vero?
Il processo di sincronizzazione dei nodi prevede due passaggi, in primo luogo la sincronizzazione iniziale in cui si scarica e verifica la sincronizzazione, e la sincronizzazione continua che deve solo essere aggiornata con nuove transazioni
Le tecniche per garantire una comunicazione efficiente e sicura dovrebbero essere:
Utilizzo di protocolli ottimizzati ed efficienti.
Crittografare i dati
Utilizzare la ridondanza per evitare la perdita di dati.
Sfide e soluzioni nella comunicazione dei nodi:
Migliora la latenza implementando connessioni e protocolli ad alta velocità
Garantisci crittografia avanzata e protezione DDoS
Garantire l'uso di topologie scalabili
Monitoraggio e mantenimento delle reti Blockchain
Strumenti e tecniche per monitorare le reti blockchain:
Prometeo
Grafana
Esploratore di blocchi
Le prestazioni della rete dipendono dalla latenza, dalla velocità effettiva, dal monitoraggio delle prestazioni del nodo e dal tempo di creazione del blocco.
Pratiche di manutenzione per i nodi.
Aggiorna regolarmente il software
Controllare sempre la patch di sicurezza utilizzata.
Audit di routine
La risoluzione dei problemi più comuni sono problemi di connettività e problemi di sincronizzazione.
Garantire disponibilità e affidabilità implementando la ridondanza e utilizzando tecniche di bilanciamento del carico.
Scalabilità e ottimizzazione delle prestazioni
Sfide nel ridimensionamento delle reti blockchain
Velocità di transazione
Molte reti affrontano il problema del throughput inferiore mentre elaborano un numero maggiore di transazioni al secondo. I tradizionali meccanismi di consenso possono essere lenti e dispendiosi in termini di risorse.
Magazzinaggio
Un’altra grande sfida affrontata è l’archiviazione: man mano che la blockchain cresce, aumenta anche la quantità di dati, il che influisce sulla capacità di archiviazione e sull’efficienza del recupero dei dati.
Strategie per migliorare la scalabilità della rete.
Soluzioni di livello 2:
Lightning Network: Bitcoin utilizza questa soluzione off-chain per trasferimenti più rapidi ed economici. Imposta percorsi di pagamento tra gli utenti. La blockchain registra quando i percorsi si aprono o si chiudono.
Plasma e rollup: Ethereum scala con questi strumenti. Gestiscono le operazioni fuori catena e forniscono alla catena principale un breve riepilogo. Ciò riduce il lavoro per la blockchain principale.
Frazionamento:
Partizionamento dei dati: lo sharding divide la blockchain in bit più piccoli e più facili da gestire (frammenti). Ogni frammento si occupa dei propri scambi e affari intelligenti. Ciò alleggerisce la tensione sull’intera rete.
Elaborazione parallela: i frammenti possono affrontare le operazioni allo stesso tempo. Ciò aumenta notevolmente il numero di operazioni che la rete può gestire.
Tecniche di ottimizzazione delle prestazioni per i nodi
Ottimizza i dati e l'archiviazione
Eseguire la potatura
Utilizzare algoritmi di consenso efficienti
Utilizzare un sistema efficiente di gestione del database.
Tendenze future nella scalabilità della blockchain
Negli ultimi tempi ci sono stati sviluppi nei meccanismi di consenso. Ci sono nuove aggiunte come Proof of History (PoH) utilizzata da Solana. Inoltre, c'è un adattamento di un insieme di diversi consensi in un unico meccanismo. Ci sono progressi nelle soluzioni di livello 2 come catene di stati e catene laterali e integrazione dell’interoperabilità
Casi di studio ed esempi pratici
Bitcoin:
Bitcoin si basa sul meccanismo PoW che presenta problemi come la scalabilità e il throughput delle transazioni, quindi la soluzione implementata a questo problema è stata Segregated Witness (SegWit) che riduce la dimensione della transazione e aumenta la capacità del blocco. L'implementazione della soluzione di livello due di Lightning Network aumenta la velocità delle transazioni. Questi miglioramenti sono stati preziosi per i problemi affrontati
Cambiamento di Ethereum 2.0:
Ostacoli in scala: il primo sistema PoW di Ethereum aveva una velocità di 15 TPS, proprio come Bitcoin.
Balance Act: Ethereum ha faticato a bilanciare sicurezza, crescita rapida e scalabilità.
Proof of stake (PoS): Ethereum 2.0 scambia PoW con PoS. Questo nuovo metodo consente di risparmiare energia e gestire più operazioni.
Catene divise: Ethereum 2.0 introduce catene divise. Ciò gli consente di gestire molte operazioni contemporaneamente, aumentando il suo potere alla grande.
Conclusione
Possiamo concludere dicendo che per una rete efficiente è essenziale la comprensione della topologia e dell'architettura della rete. Gli sviluppatori insieme alle pratiche di codifica devono rispolverare le proprie conoscenze e apprendere continuamente gli aggiornamenti in questo dominio. Una buona conoscenza di questi concetti aiuta gli sviluppatori a creare applicazioni blockchain sicure, efficienti e scalabili e gli utenti possono navigare meglio nel dominio della blockchain.
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