ブロックチェーンネットワークとノードを理解するという記事が最初にCoinpedia Fintech Newsに掲載されました。
導入
ブロックチェーン技術は、取引、セキュリティ、分散化、透明性に対する私たちの見方を変える大きなデジタル革命をもたらしました。この記事では、ブロックチェーン ネットワークとノードの包括的な理解に焦点を当てています。ノードとネットワークは、ブロックチェーンのアーキテクチャと機能の柱です。開発者は、効果的なブロックチェーン開発のためにこれらの概念を習得し、金融やサプライ チェーン管理などのさまざまな業界の幅広いアプリケーション領域を念頭に置く必要があります。
ブロックチェーンネットワークとは何ですか?
ブロックチェーン ネットワークは基本的に、複数のデバイスがトランザクションに関する情報を透過的に共有および検証する分散型台帳または記録システムです。
ブロックチェーン ネットワークの主要コンポーネントは次のとおりです。
ノード: ネットワークに参加するコンピュータまたはデバイス
元帳: すべての取引を記録したデータベースまたはデジタル記録
スマートコントラクト: スマートコントラクトは、EVMバイトコードにコンパイルされる高レベルプログラムであり、イーサリアムブロックチェーンに展開するための前段階でもあります。これにより、第三者の干渉がなく、追跡可能で元に戻せない安全な信頼性の高いトランザクションを実行できます。
コンセンサス メカニズム: ブロックチェーンの状態に関してネットワーク内のノードが従う必要がある一連のプロトコル。
ブロックチェーンネットワークの種類:
パブリック: 名前が示すように、誰にでも開かれています。パブリック ネットワークは、1 つのエンティティによって制御されることはありません。これらのネットワークは分散化されており、透明性があります。例としては、Bitcoin や Ethereum があり、一般的な使用例は dApps です。
プライベート: プライベート ネットワークは、承認されたユーザーのみに制限されます。これらは単一の組織によって制御されます。例としては、Hyperldger Fabric や Corda があり、一般的な使用例としては、サプライ チェーン管理やエンタープライズ ソリューションがあります。
コンソーシアム: コンソーシアム ネットワークは、パブリック ネットワークとプライベート ネットワークの両方を組み合わせたもので、組織のグループによって制御および管理されます。部分的に分散化されており、一定レベルまでの透明性が提供されます。例としては、Quorum や Energy Webchain があります。通常、業界のコラボレーションやコンソーシアム ベースのアプリケーションで使用されます。
ハイブリッド: パブリック ネットワークとプライベート ネットワークの属性を組み合わせたものです。ハイブリッド ネットワークへのアクセスはカスタマイズ可能で、一部のデータは公開され、一部のデータは制限されます。カスタマイズ可能なエンタープライズ ソリューションで使用される Dragion チェーンの例
ブロックチェーンのノード
ノードとは、ブロックチェーン ネットワークの一部であり、プロトコルに従う個々のデバイスまたはコンピューターを指します。ノードは、公開台帳のコピーを維持し、コンセンサス メカニズムに参加するため、ブロックチェーンの不可欠な部分です。
ノードの種類:
フルノード: フルノードは、ブロックチェーンの完全なコピーを維持するデバイスです。これらのノードは、トランザクションブロックを検証し、ブロックチェーンのセキュリティの整合性を確保する上で重要な役割を果たします。これらは、安全で信頼できるノードであると考えられています。
ライト ノード: ライト ノードは、ブロックチェーン データのサブセットであるブロックのヘッダーのみを保存します。ライト ノードは、トランザクションの検証と検証をフル ノードに依存します。
マイニング ノード: これらのノードは、暗号パズルを解くこと、つまりマイニングを行うことでネットワークに参加します。マイニング ノードは、トランザクションを検証することでネットワークにセキュリティを提供し、作業証明 (PoW) を通じてセキュリティの維持にも役立ちます。
マスターノード：マスターノードは、即時トランザクションの検証やガバナンスへの参加などの特別なタスクを実行します。これにより、ブロックチェーンの機能性が向上し、安定性が高まります。計算機能のため、膨大な電力リソースが必要です。
ノードのセットアップと構成
さまざまな種類のノードを設定するためのガイド:
フルノード:
Bitcoin Core や Geth などの Blockchain クライアント ソフトウェアをインストールします。
チェーンのデータをダウンロードし、ネットワークと同期する
ストレージや帯域幅などの設定を構成します。
ライトノード
Bitcoin の場合は Electrum、Ethereum の場合は MetaMask などのクライアント ソフトウェアをインストールします。
フルノードと同期してトランザクションを検証する
最適なパフォーマンスを得るための設定
マイニングノード
CGminerやEthminerなどのソフトウェアをインストールする
共同の努力と報酬のためにマイニングプールに参加しましょう
最適な結果を得るために設定する
マスターノード
設定する前に担保要件を確認してください
ブロックチェーンに関する特定のソフトウェアをインストールする
パフォーマンスと効率を向上させるための設定
構成のベスト プラクティス。
ソフトウェアを定期的に更新する
ファイアウォールやウイルス対策を導入してセキュリティ対策を徹底する
適切なリソースの割り当てを確保する
ノードのセキュリティに関する考慮事項。
データ転送に暗号化を使用する
DDos分散型サービス拒否攻撃に対する保護を確実にする
セキュリティパラメータを定期的に監査する
ネットワークトポロジ
ネットワーク トポロジとは、ネットワーク内のノード間の相互接続の配置です。トポロジは、デバイスがどのように通信、送信、トランザクションの伝播を行い、合意に達するかを概説し、説明します。ネットワークの効率、スケーラビリティ、セキュリティを確保するには、トポロジを適切に選択する必要があります。
ブロックチェーン ネットワークで使用される一般的なトポロジ。
ピアツーピア (P2P) トポロジ: このトポロジでは、各ノードが直接接続され、すべてのノードが同等の参加者になります。このトポロジは、すべてのノードがトランザクションを開始および検証できる分散型ネットワークを作成します。ビットコインは P2P ネットワーク トポロジを使用します。
長所:
分散型
回復力のある
安全な
短所:
伝播遅延はネットワークの成長に正比例する
複数の接続を行うと、帯域幅のオーバーヘッドが高くなります。
フェデレーショントポロジー：フェデレーショントポロジーでは、承認された人だけがコンセンサスに参加でき、他の人はこのトポロジーに参加できますが、検証することはできません。これはコンソーシアムネットワークとも呼ばれます。リップルでよく使用されます。
長所:
プロセス内のノードが少ないため効率的かつ高速
スループットが高いため拡張性が高い
アクセス制御によりセキュリティを強化
短所:
より中央集権化されているため、信頼の問題が生じる
ガバナンスのための強力なメカニズムが必要です。
ハイブリッドトポロジー
名前が示すように、P2P とフェデレーション トポロジの組み合わせです。デバイス グループに対する複数のレイヤーと権限をサポートし、分散化を維持します。Dragonchain はハイブリッド トポロジを使用します。
長所:
P2P とフェデレーション トポロジが混在しているため、効率的かつ高速です。
柔軟かつカスタマイズ可能。
短所:
複雑な設計と実装
ある程度までは中央集権化に向かう可能性があります。
合意形成メカニズム
コンセンサス メカニズムは、ネットワーク内のノードが元帳の状態について合意するために従わなければならない一連のプロトコルです。これらのメカニズムは、トランザクションの検証と認証に使用されます。
一般的なコンセンサスアルゴリズム:
プルーフ オブ ワーク (PoW): プルーフ オブ ワークはマイニングとも呼ばれます。このコンセンサス メカニズムでは、ユーザーは報酬が得られる暗号パズルを解く必要があります。これは、最初に解いた人が新しいブロックを獲得できるコンテストです。このアルゴリズムは、ブロックチェーンのセキュリティを確保するためにハッシュを使用します。PoW パズルの難しさにより、ブロックチェーンのセキュリティが確保され、新しいブロックが追加される速度が制御されます。
プルーフ オブ ステーク (PoS): プルーフ オブ ステークは、保有コイン数と担保としてのステークに基づいてバリデータを選択します。選択プロセスはステークだけでなく、コインの古さやランダム性などの要素にも左右されます。ハッシュ値が最も低く、ステーク額が最も高いバリデータが、新しいブロックの追加に選ばれます。PoS は PoW よりもエネルギー効率に優れています。このメカニズムは Ethereum 2.0 に実装されています。
委任型プルーフオブステーク（DPoS）：トランザクションの検証に委任者と評判を使用します。EOSで使用されます。
実用的なビザンチンフォールトトレランス (PBFT): ノードの投票メカニズムを使用して検証します。これは不正行為に対する耐性が高く、Hyperledger ファブリックで使用されます。
権限証明 (PoA): このメカニズムは、検証のために事前に選択されたエンティティを使用します。VeChain で使用されます。
ノード通信と同期
ノードがネットワーク内でどのように通信するのか疑問に思われるかもしれません。その答えは人間が行うのと似ています。ノードは Gossip などのプロトコルを使用して他のノードを発見し、メッセージを伝播します。興味深いと思いませんか?
ノードの同期プロセスには2つのステップがあります。最初のステップでは同期をダウンロードして検証し、その後、新しいトランザクションで更新する継続同期を行います。
効率的で安全な通信を確保するための手法は次のとおりです。
最適化された効率的なプロトコルの使用。
データを暗号化する
冗長性を使用してデータの損失を回避します。
ノード通信における課題と解決策:
高速接続とプロトコルを実装してレイテンシを改善する
強力な暗号化とDDoS保護を確保する
スケーラブルなトポロジの使用を確実にする
ブロックチェーンネットワークの監視と保守
ブロックチェーン ネットワークを監視するためのツールとテクニック:
プロメテウス
グラファナ
ブロックエクスプローラー
ネットワークのパフォーマンスは、レイテンシ、スループット、モニターノードのパフォーマンス、ブロック作成時間によって決まります。
ノードのメンテナンス方法。
ソフトウェアを定期的に更新する
使用されるセキュリティ パッチを常に確認してください。
定期監査
一般的な問題のトラブルシューティングは、接続の問題と同期の問題です。
冗長性を実装し、負荷分散技術を使用することで、可用性と信頼性を確保します。
スケーラビリティとパフォーマンスの最適化
ブロックチェーンネットワークの拡張における課題
トランザクションスループット
多くのネットワークでは、1 秒あたりに大量のトランザクションを処理する際に、スループットが低下するという問題に直面しています。従来のコンセンサス メカニズムは、速度が遅く、リソースを大量に消費する可能性があります。
ストレージ
直面するもう一つの大きな課題はストレージです。ブロックチェーンが成長するにつれてデータ量も増加し、ストレージ容量とデータ取得効率に影響を及ぼします。
ネットワークのスケーラビリティを向上させる戦略。
レイヤー 2 ソリューション:
ライトニング ネットワーク: ビットコインは、より速く、より安価な転送のためにこのオフチェーン修正を使用します。ユーザー間の支払いパスを設定します。ブロックチェーンは、パスが開いたり閉じたりするとログに記録します。
Plasma と Rollups: Ethereum はこれらのツールによって拡張されます。これらはオフチェーンで取引を処理し、メインチェーンに簡単な要約を提供します。これにより、メインブロックチェーンの作業が削減されます。
シャーディング:
データ パーティショニング: シャーディングは、ブロックチェーンをより管理しやすい小さなビット (シャード) に分割します。各シャードは、その取引とスマート ディールを処理します。これにより、ネットワーク全体の負荷が軽減されます。
並列処理: シャードは同時に取引を処理できます。これにより、ネットワークが処理できる取引の数が大幅に増加します。
ノードのパフォーマンス最適化技術
データとストレージを最適化する
剪定を実行する
効率的なコンセンサスアルゴリズムを使用する
効率的なデータベース管理システムを使用します。
ブロックチェーンのスケーラビリティの将来動向
最近、コンセンサスメカニズムに進展がありました。Solanaが使用するProof of History(PoH)のような新しい追加機能があります。また、さまざまなコンセンサスの集合を1つのメカニズムに適応させるものもあります。ステートチェーンやサイドチェーンなどのレイヤー2ソリューションや相互運用性の統合も進歩しています。
ケーススタディと実例
ビットコイン:
ビットコインは、スケーラビリティやトランザクションスループットなどの問題を抱えるPoWメカニズムに依存しているため、この問題に対するソリューションとして、トランザクションサイズを削減し、ブロック容量を増やすSegregated Witness（SegWit）が実装されました。ライトニングネットワークレイヤー2ソリューションの実装により、トランザクション速度が向上します。これらの改善は、直面している問題に対して価値がありました。
イーサリアム 2.0 シフト:
スケーリングのハードル: イーサリアムの最初の PoW システムの速度は、ビットコインと同様に 15 TPS でした。
バランスの取れた行動: イーサリアムは、セキュリティ、急速な成長、スケーラビリティのバランスを取るのに苦労しました。
プルーフ・オブ・ステーク（PoS）：Ethereum 2.0 では PoW が PoS に置き換えられました。この新しい方法は電力を節約し、より多くの取引を処理できます。
スプリット チェーン: Ethereum 2.0 ではスプリット チェーンが導入されています。これにより、一度に多数の取引を処理できるようになり、そのパワーが大幅に向上します。
結論
結論として、効率的なネットワークには、トポロジとネットワーク アーキテクチャの理解が不可欠です。開発者はコーディング プラクティスとともに知識を磨き、この分野の最新情報を継続的に学習する必要があります。これらの概念をしっかりと把握しておくと、開発者は安全で効率的、かつスケーラブルなブロックチェーン アプリケーションを構築でき、ユーザーはブロックチェーンの分野にうまく適応できるようになります。
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