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:
Zainstaluj oprogramowanie klienckie Blockchain, takie jak Bitcoin Core lub Geth.
Pobierz dane sieci i zsynchronizuj je z siecią
Skonfiguruj ustawienia, takie jak pamięć i przepustowość. itp
Węzeł świetlny
Zainstaluj oprogramowanie klienckie, takie jak Electrum dla Bitcoin lub MetaMask dla Ethereum.
Zsynchronizuj je z pełnymi węzłami, aby zweryfikować transakcje
Skonfiguruj pod kątem optymalnej wydajności
Węzeł wydobywczy
Zainstaluj oprogramowanie takie jak CGminer lub Ethminer
Dołącz do puli wydobywczej, aby uzyskać wspólne wysiłki i nagrody
Skonfiguruj, aby uzyskać optymalne rezultaty
Węzeł główny
Przed założeniem sprawdź wymagania dotyczące zabezpieczeń
Zainstaluj określone oprogramowanie dotyczące blockchain
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