Post Zrozumienie sieci i węzłów Blockchain pojawił się jako pierwszy w Coinpedia Fintech News

Wstęp

Technologia Blockchain przyniosła wielką rewolucję cyfrową, która zmieniła nasze spojrzenie na transakcje, bezpieczeństwo, decentralizację i przejrzystość. W tym artykule skupiono się na kompleksowym zrozumieniu sieci i węzłów Blockchain. Węzły i sieci są filarami architektury i funkcjonalności łańcuchów bloków. Programiści muszą opanować te koncepcje, aby móc efektywnie rozwijać blockchain i mieć na uwadze szeroką domenę zastosowań w różnych branżach, takich jak finanse i zarządzanie łańcuchem dostaw.

Co to jest sieć Blockchain?

Sieć blockchain to w zasadzie rozproszona księga lub system rejestrów, w którym wiele urządzeń w przejrzysty sposób udostępnia i sprawdza informacje o transakcjach.

Kluczowymi elementami sieci Blockchain są:

  • Węzły: komputery lub urządzenia uczestniczące w sieci

  • Księga główna: baza danych lub cyfrowy zapis wszystkich transakcji

  • Inteligentne kontrakty: Inteligentne kontrakty są określane jako programy wysokiego poziomu, które kompilują się do kodu bajtowego EVM, a także stanowią etap wstępny do wdrożenia w łańcuchu bloków Ethereum. Pozwala nam to na przeprowadzanie niezawodnych transakcji, które są bezpieczne i pozbawione ingerencji osób trzecich, identyfikowalne i nieodwracalne

  • Mechanizm konsensusu: zestaw protokołów, których muszą przestrzegać węzły w sieci w sprawie stanu łańcucha bloków.

Rodzaje sieci blockchain:

  • Publiczny: Jak sama nazwa wskazuje, jest otwarty dla każdego. Żaden pojedynczy podmiot nie kontroluje sieci publicznej. Sieci te są zdecentralizowane i przejrzyste. Przykładami są Bitcoin i Ethereum, a ogólnymi przypadkami użycia są dApps.

  • Prywatne: sieci prywatne są ograniczone tylko do autoryzowanych osób. Kontroluje je jedna organizacja. Przykładami są Hyperldger  Fabric i Corda, a ogólnymi przypadkami użycia są rozwiązania do zarządzania łańcuchem dostaw i dla przedsiębiorstw.

  • Konsorcjum: Sieć konsorcjum to połączenie sieci publicznych i prywatnych, kontrolowanych i zarządzanych przez grupę organizacji. Jest częściowo zdecentralizowany, oferując przejrzystość do pewnego poziomu. Przykładami są Quorum i Energy Webchain. Zwykle używane we współpracy branżowej i aplikacjach konsorcjum.

  • Hybrydowy: Jest to połączenie atrybutów sieci publicznej i prywatnej. Dostęp do sieci hybrydowej można dostosować, przy czym niektóre dane są publiczne, a inne ograniczone. Przykład łańcucha Dragion stosowanego w dostosowywalnych rozwiązaniach dla przedsiębiorstw

Węzły w Blockchain

Węzły można nazwać indywidualnymi urządzeniami lub komputerami, które są częścią sieci blockchain i przestrzegają protokołów. Węzły są nieuniknioną częścią Blockchain, ponieważ przechowują kopię księgi publicznej i uczestniczą w mechanizmach konsensusu.

Rodzaje węzłów:

  • Pełne węzły: Pełne węzły to urządzenia, które utrzymują pełną kopię łańcucha bloków. Węzły te odgrywają kluczową rolę w walidacji bloków transakcyjnych i zapewnieniu integralności bezpieczeństwa łańcucha bloków. Są one uważane za bezpieczne i godne zaufania węzły.

  • Węzły lekkie: Węzły świetlne przechowują po prostu nagłówek bloku, który jest podzbiorem danych łańcucha bloków. Węzły lekkie zależą od pełnych węzłów w zakresie weryfikacji i walidacji transakcji.

  • Węzły wydobywcze: Węzły te uczestniczą w sieci, rozwiązując zagadki kryptograficzne, zwane wydobyciem. Węzły wydobywcze zapewniają bezpieczeństwo sieci poprzez walidację transakcji, a także pomagają w utrzymaniu bezpieczeństwa dzięki Proof of work (PoW).

  • Węzły główne: Węzły główne wykonują specjalne zadania, takie jak sprawdzanie natychmiastowych transakcji lub uczestnictwo w zarządzaniu. Poprawia funkcjonalność i zwiększa stabilność blockchainu. Ze względu na funkcjonalność obliczeniową potrzebuje ogromnych zasobów mocy.

Konfigurowanie i konfigurowanie węzłów

 Przewodnik po konfiguracji różnych typów węzłów:

  • Pełny węzeł: 

  1.  Zainstaluj oprogramowanie klienckie Blockchain, takie jak Bitcoin Core lub Geth.

  2. Pobierz dane sieci i zsynchronizuj je z siecią

  3. Skonfiguruj ustawienia, takie jak pamięć i przepustowość. itp

  • Węzeł świetlny 

  1. Zainstaluj oprogramowanie klienckie, takie jak Electrum dla Bitcoin lub MetaMask dla Ethereum.

  2. Zsynchronizuj je z pełnymi węzłami, aby zweryfikować transakcje

  3. Skonfiguruj pod kątem optymalnej wydajności

  • Węzeł wydobywczy

  1. Zainstaluj oprogramowanie takie jak CGminer lub Ethminer

  2. Dołącz do puli wydobywczej, aby uzyskać wspólne wysiłki i nagrody

  3. Skonfiguruj, aby uzyskać optymalne rezultaty

  • Węzeł główny

  1. Przed założeniem sprawdź wymagania dotyczące zabezpieczeń

  2. Zainstaluj określone oprogramowanie dotyczące blockchain

  3. Skonfiguruj, aby uzyskać lepszą wydajność i efektywność

Najlepsze praktyki dotyczące konfiguracji.

  • Regularnie aktualizuj oprogramowanie

  • Zadbaj o środki bezpieczeństwa wdrażając zapory ogniowe i program antywirusowy

  • Zapewnij odpowiednią alokację zasobów

Względy bezpieczeństwa dotyczące węzłów.

  • Używaj szyfrowania do transmisji danych

  • Zapewnij ochronę przed atakami DDos typu Distributed Denial of Service

  • Regularnie audytuj parametry bezpieczeństwa

Topologie sieci

Topologia sieci to układ połączeń między węzłami w sieci. Topologia opisuje i wyjaśnia, w jaki sposób urządzenia komunikują się, przesyłają, propagują transakcje i osiągają konsensus. Właściwy wybór topologii jest niezbędny dla wydajności, skalowalności i bezpieczeństwa sieci.

Typowe topologie stosowane w sieciach blockchain.

  • Topologia peer-to-peer (P2P): w tej topologii każdy węzeł jest bezpośrednio połączony, dzięki czemu wszystkie węzły są równymi uczestnikami. Ta topologia tworzy zdecentralizowaną sieć, w której wszystkie węzły mogą inicjować i zatwierdzać transakcje. Bitcoin wykorzystuje topologię sieci P2P.

Plusy: 

  • Zdecentralizowany

  • Odporny

  • Bezpieczne

           Cons:

  • Opóźnienia propagacji są wprost proporcjonalne do rozwoju sieci

  • Wiele połączeń prowadzi do dużego narzutu przepustowości.               

  • Topologia stowarzyszona: Topologia stowarzyszona pozwala tylko autoryzowanym osobom uczestniczyć w konsensusie, a inni mogą po prostu dołączyć do tej topologii, ale nie mogą jej sprawdzić. Jest to również znane jako sieć konsorcjum. Popularnie używana w Ripple

Plusy: 

  • Wydajne i szybkie dzięki mniejszej liczbie węzłów w procesie

  • Jest skalowalny ze względu na wyższą przepustowość

  • Kontrolowany dostęp zwiększa bezpieczeństwo

           Cons:

  • Bardziej scentralizowane, co stwarza problemy z zaufaniem

  • Potrzebuje solidnych mechanizmów zarządzania.    

  • Topologia hybrydowa

Jak sama nazwa wskazuje, jest to połączenie topologii P2P i Federacyjnej. Obsługuje wiele warstw i uprawnień do grup urządzeń oraz utrzymuje decentralizację. Dragonchain wykorzystuje topologię hybrydową.

Plusy: 

  • Wydajny i szybki, ponieważ jest połączeniem topologii P2P i Federacyjnej.

  • Elastyczne i konfigurowalne.

           Cons:

  • Kompleksowy projekt i wykonanie

  • Do pewnego poziomu może skłaniać się ku centralizacji.

Mechanizmy konsensusu

Mechanizmy konsensusu to zestaw protokołów, których powinny przestrzegać węzły w sieci, aby uzgodnić stan księgi. Mechanizmy te służą do walidacji i uwierzytelniania transakcji.

Popularne algorytmy konsensusu:

  • Dowód pracy (PoW): Dowód pracy jest również znany jako wydobywanie. W tym mechanizmie konsensusu użytkownicy muszą rozwiązywać łamigłówki kryptograficzne, które ich nagradzają. Jest to konkurs, w którym pierwszy, który rozwiąże, otrzymuje nowy blok. Algorytm ten wykorzystuje haszowanie do zabezpieczenia łańcucha bloków. Trudność łamigłówek PoW zapewnia bezpieczeństwo łańcucha bloków i kontroluje tempo dodawania nowych bloków.

  • Proof of Stake (PoS): Proof of Stake wybiera walidatorów na podstawie liczby posiadanych przez nich monet i stawki jako zabezpieczenia. Proces selekcji nie zależy tylko od stawki, ale także od czynników takich jak wiek monety i losowość. Do dodania nowego bloku wybierani są walidatorzy posiadający najniższą wartość skrótu i ​​najwyższą kwotę stawki. PoS jest bardziej energooszczędny niż PoW. Mechanizm ten jest zaimplementowany w Ethereum 2.0.

  • Delegowany dowód stawki (DPoS): wykorzystuje delegatów i reputację do walidacji transakcji. Używany w EOS

  • Praktyczna tolerancja błędów bizantyjskich (PBFT): Do sprawdzania poprawności używany jest mechanizm głosowania węzłów. Jest to rozwiązanie wysoce odporne na oszustwa i stosowane w strukturze Hyperledger.

  • Proof of Authority (PoA): Mechanizm ten wykorzystuje do walidacji wstępnie wybrane podmioty. Używany w VeChain.

Komunikacja i synchronizacja węzła

Pewnie zastanawiasz się, w jaki sposób węzły komunikują się w sieci. Odpowiedź jest podobna do tego, co robią ludzie: węzły odkrywają inne węzły za pomocą protokołów takich jak Gossip, a następnie propagują wiadomości. Ciekawe, prawda?

Proces synchronizacji węzłów składa się z dwóch etapów: po pierwsze, początkowa synchronizacja, podczas której pobierasz i sprawdzasz synchronizację, oraz synchronizacja w toku, która wymaga jedynie aktualizacji o nowe transakcje

Techniki zapewniające skuteczną i bezpieczną komunikację powinny być:

  • Stosowanie zoptymalizowanych i wydajnych protokołów.

  • Zaszyfruj dane

  • Użyj nadmiarowości, aby uniknąć utraty danych.

Wyzwania i rozwiązania w komunikacji węzłowej:

  • Zmniejsz opóźnienia, wdrażając szybkie połączenia i protokoły

  • Zapewnij silne szyfrowanie i ochronę DDoS

  • Upewnij się, że używasz topologii skalowalnych

Monitorowanie i utrzymywanie sieci Blockchain

Narzędzia i techniki monitorowania sieci blockchain:

  • Prometeusz

  • Grafana

  • Eksplorator bloków

Wydajność sieci zależy od opóźnienia, przepustowości, wydajności węzła monitorowania i czasu tworzenia bloku.

Praktyki konserwacji węzłów.

  • Regularnie aktualizuj oprogramowanie 

  • Zawsze sprawdzaj zastosowaną poprawkę zabezpieczeń.

  • Rutynowe audyty

Rozwiązywanie typowych problemów to problemy z łącznością i problemy z synchronizacją.

Zapewnienie dostępności i niezawodności poprzez wdrożenie redundancji i wykorzystanie technik równoważenia obciążenia.

Skalowalność i optymalizacja wydajności

Wyzwania w skalowaniu sieci blockchain

  • Przepustowość transakcji

Wiele sieci boryka się z problemem niższej przepustowości podczas przetwarzania większej liczby transakcji na sekundę. Tradycyjne mechanizmy konsensusu mogą być powolne i wymagać dużych zasobów.

  • Składowanie

Kolejnym poważnym wyzwaniem, przed którym stoimy, jest pamięć masowa. Wraz ze wzrostem łańcucha bloków zwiększa się także ilość danych, co wpływa na pojemność pamięci i efektywność wyszukiwania danych.

Strategie poprawy skalowalności sieci.

  • Rozwiązania warstwy 2:

Lightning Network: Bitcoin korzysta z tej poprawki poza łańcuchem, aby zapewnić szybsze i tańsze przelewy. Konfiguruje ścieżki płatności pomiędzy użytkownikami. Blockchain rejestruje, kiedy ścieżki się otwierają lub zamykają.

Plazma i Rollupy: Ethereum skaluje się za pomocą tych narzędzi. Zajmują się transakcjami poza łańcuchem i przedstawiają krótkie podsumowanie głównego łańcucha. Ogranicza to pracę dla głównego łańcucha bloków.

  • Fragmentowanie:

Partycjonowanie danych: Sharding dzieli łańcuch bloków na mniejsze, łatwiejsze w zarządzaniu bity (fragmenty). Każdy fragment zajmuje się transakcjami i inteligentnymi transakcjami. Odciąża to całą sieć.

Przetwarzanie równoległe: Odłamki mogą zajmować się transakcjami w tym samym czasie. To znacznie zwiększa liczbę transakcji, które sieć może obsłużyć.

Techniki optymalizacji wydajności węzłów

  • Zoptymalizuj dane i pamięć

  • Wykonaj przycinanie

  • Używaj wydajnych algorytmów konsensusu

  • Skorzystaj z wydajnego systemu zarządzania bazami danych.

Przyszłe trendy w skalowalności blockchain

W ostatnim czasie nastąpiły zmiany w mechanizmach konsensusu. Istnieją nowe dodatki, takie jak Proof of History (PoH) używane przez Solanę. Istnieje także adaptacja zespołu różnych konsensusów w jeden mechanizm. Istnieją postępy w rozwiązaniach warstwy 2, takich jak łańcuchy stanów i łańcuchy boczne oraz integracja interoperacyjności

Studia przypadków i przykłady praktyczne

  • Bitcoiny: 

Bitcoin opiera się na mechanizmie PoW, który ma problemy takie jak skalowalność i przepustowość transakcji, dlatego rozwiązaniem wdrożonym tego problemu był Segregated Witness (SegWit), który zmniejsza rozmiar transakcji i zwiększa pojemność bloku. Wdrożenie rozwiązania warstwy drugiej Lightning Network zwiększa szybkość transakcji. Te ulepszenia były cenne ze względu na napotkane problemy 

  • Przesunięcie Ethereum 2.0: 

Skalowanie przeszkód: pierwszy system PoW Ethereum miał prędkość 15 TPS, podobnie jak Bitcoin. 

Ustawa o równowadze: Ethereum miało trudności z zrównoważeniem bezpieczeństwa, szybkiego wzrostu i skalowalności.

Dowód stawki (PoS): Ethereum 2.0 zamienia PoW na PoS. Ta nowa metoda oszczędza energię i obsługuje więcej transakcji. 

Split Chains: Ethereum 2.0 wprowadza podzielone łańcuchy. Dzięki temu może obsługiwać wiele transakcji jednocześnie, zwiększając jego moc.

 Wniosek

Możemy podsumować stwierdzeniem, że dla wydajnej sieci zrozumienie topologii i architektury sieci jest niezbędne. Programiści wraz z praktykami kodowania muszą odświeżyć swoją wiedzę i stale dowiadywać się o aktualizacjach w tej domenie. Dobre trzymanie się tych koncepcji pomaga programistom tworzyć bezpieczne, wydajne i skalowalne aplikacje typu blockchain, a użytkownicy mogą lepiej poruszać się po domenie blockchain.

Przeczytaj także: Opanuj język programowania Solidity w 5 minut: szkielet inteligentnych kontraktów Ethereum