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Introdução
A tecnologia Blockchain trouxe uma grande revolução digital que mudou a nossa perspectiva sobre transações, segurança, descentralização e transparência. Este artigo se concentra em uma compreensão abrangente de redes e nós Blockchain. Nós e Redes são os pilares da arquitetura e funcionalidade dos blockchains. Os desenvolvedores precisam dominar esses conceitos para o desenvolvimento eficaz do blockchain e ter em mente o vasto domínio de aplicações em vários setores, como finanças e gerenciamento da cadeia de suprimentos.
O que é uma rede Blockchain?
Uma rede blockchain é basicamente um livro-razão distribuído ou sistema de registro onde vários dispositivos compartilham e validam informações sobre transações de forma transparente.
Os principais componentes da rede Blockchain são:
Nós: Computadores ou dispositivos que participam da rede
Ledger: Um banco de dados ou registro digital de todas as transações
Contratos Inteligentes: Contratos Inteligentes são denominados programas de alto nível que compilam em byte-code EVM e também um pré-estágio para implantação no blockchain Ethereum. Permite-nos realizar transações confiáveis, seguras, sem qualquer interferência de terceiros, rastreáveis e irreversíveis
Mecanismo de consenso: Um conjunto de protocolos que precisa ser seguido pelos nós da rede sobre o estado do blockchain.
Tipos de redes blockchain:
Público: Como o nome sugere, é aberto a todos. Qualquer entidade não controla a Rede Pública. Essas redes são descentralizadas e transparentes. Exemplos são Bitcoin e Ethereum e casos de uso geral são dApps.
Privado: As redes privadas são restritas apenas àqueles autorizados. Eles são controlados por uma única organização. Exemplos são Hyperldger Fabric e Corda, e casos de uso gerais são gerenciamento da cadeia de suprimentos e soluções empresariais.
Consórcio: Uma rede de consórcio é uma mistura de redes públicas e privadas, controladas e administradas por um grupo de organizações. É parcialmente descentralizado, oferecendo transparência até um certo nível. Exemplos são Quorum e Energy Webchain. Normalmente usado em colaborações industriais e aplicações baseadas em consórcios.
Híbrido: É uma combinação de atributos de rede pública e privada. O acesso à rede híbrida é personalizável, sendo alguns dados públicos e outros restritos. Exemplo de cadeia Dragon usada em soluções empresariais personalizáveis
Nós em Blockchain
Os nós podem ser chamados de dispositivos ou computadores individuais que fazem parte da rede blockchain e seguem os protocolos. Os nós são uma parte inevitável do Blockchain, pois mantêm uma cópia do livro-razão público e participam de mecanismos de consenso.
Tipos de nós:
Nós completos: Nós completos são os dispositivos que mantêm uma cópia completa do blockchain. Esses nós desempenham um papel crucial na validação dos blocos de transação e na garantia da integridade da segurança do blockchain. Estes são considerados nós seguros e confiáveis.
Nós leves: os nós leves apenas armazenam o cabeçalho do bloco, que é um subconjunto dos dados do blockchain. Os nós leves dependem de nós completos para verificação e validação de transações.
Nós de mineração: Esses nós participam da rede resolvendo quebra-cabeças criptográficos, também conhecidos como mineração. Os nós de mineração fornecem segurança à rede ao validar as transações e também ajudam a manter a segurança por meio de Prova de Trabalho (PoW).
Nós mestres: os nós mestres executam tarefas especiais, como validação de transações instantâneas ou participação na governança. Ele melhora a funcionalidade e aumenta a estabilidade do blockchain. Devido à funcionalidade computacional, necessita de enormes recursos de energia.
Configurando e configurando nós
Guia para configurar diferentes tipos de nós:
Nó completo:
Instale software cliente Blockchain como Bitcoin Core ou Geth.
Baixe os dados da cadeia e sincronize com a rede
Defina as configurações como armazenamento e largura de banda. etc.
Nó de Luz
Instale software cliente como Electrum para Bitcoin ou MetaMask para Ethereum.
Sincronize-os com os nós completos para verificar as transações
Configure para desempenho ideal
Nó de mineração
Instale software como CGminer ou Ethminer
Junte-se a um pool de mineração para obter esforços e recompensas coletivas
Configure para obter os melhores resultados
Nó Mestre
Verifique os requisitos de garantia antes de configurar
Instale o software específico referente ao blockchain
Configure para melhor desempenho e eficiência
Melhores práticas de configuração.
Atualize regularmente o software
Cuide das medidas de segurança implementando firewalls e antivírus
Garanta a alocação adequada de recursos
Considerações de segurança para nós.
Use criptografia para transmissão de dados
Garanta proteção contra ataques DDos de negação de serviço distribuída
Audite regularmente os parâmetros de segurança
Topologias de rede
Topologia de rede é o arranjo de interconexões entre os nós da rede. A topologia descreve e explica como os dispositivos se comunicam, transmitem, propagam as transações e chegam ao consenso. A escolha apropriada da topologia é necessária para a eficiência, escalabilidade e segurança da rede.
Topologias comuns usadas em redes blockchain.
Topologia ponto a ponto (P2P): Nesta topologia, cada nó é conectado diretamente, tornando todos os nós participantes iguais. Esta topologia cria uma rede descentralizada onde todos os nós podem iniciar e validar transações. Bitcoin usa topologia de rede P2P.
Prós:
Descentralizado
Resiliente
Seguro
Contras:
Os atrasos de propagação são diretamente proporcionais ao crescimento da rede
Múltiplas conexões levam a uma alta sobrecarga de largura de banda.
Topologia Federada: A topologia federada permite que apenas os autorizados participem do consenso e outros apenas podem ingressar nesta topologia, mas não podem validar. Isso também é conhecido como rede de consórcio. Popularmente usado em Ripple
Prós:
Eficiente e rápido devido a menos nós no processo
É escalável devido ao maior rendimento
O acesso controlado aumenta a segurança
Contras:
Mais centralizado, portanto, cria problemas de confiança
Necessita de mecanismos robustos de governação.
Topologia Híbrida
Como o nome sugere, é a combinação de topologias P2P e federadas. Suporta múltiplas camadas e permissões para grupos de dispositivos e mantém a descentralização. Dragonchain usa topologia híbrida.
Prós:
Eficiente e rápido, pois é uma mistura de topologia P2P e federada.
Flexível e personalizável.
Contras:
Design e implementação complexos
Até um certo nível pode inclinar-se para a centralização.
Mecanismos de consenso
Os mecanismos de consenso são um conjunto de protocolos que devem ser seguidos pelos nós da rede para chegar a um acordo sobre o estado do livro-razão. Esses mecanismos são utilizados para validação e autenticação de transações.
Algoritmos de consenso populares:
Prova de Trabalho (PoW): Prova de Trabalho também é conhecida como mineração. Neste mecanismo de consenso, os usuários têm que resolver quebra-cabeças criptográficos que os recompensam. É um concurso onde o primeiro a resolver fica com o novo bloco. Este algoritmo usa hashing para proteger o blockchain. A dificuldade dos quebra-cabeças PoW garante que o blockchain permaneça seguro e controle a taxa de adição de novos blocos.
Prova de aposta (PoS): A prova de aposta seleciona validadores com base no número de moedas que possuem e na aposta como garantia. O processo de seleção não depende apenas da aposta, mas também de fatores como a idade da moeda e a aleatoriedade. Os validadores com menor valor de hash e maior valor de aposta são escolhidos para adicionar o novo bloco. PoS é mais eficiente em termos energéticos do que PoW. Este mecanismo é implementado no Ethereum 2.0.
Prova de participação delegada (DPoS): usa delegados e reputação para validação da transação. Usado em EOS
Tolerância prática a falhas bizantinas (PBFT): O mecanismo de votação dos nós é usado para validar. Isso é altamente tolerante a fraudes e usado na estrutura Hyperledger.
Prova de autoridade (PoA): Este mecanismo usa entidades pré-escolhidas para validação. Usado no VeChain.
Comunicação e sincronização de nós
Você deve estar se perguntando como os nós se comunicam dentro da rede. A resposta é semelhante ao que os humanos fazem: os nós descobrem outros nós usando protocolos como Gossip e então propagam as mensagens. Interessante, certo?
O processo de sincronização de nós envolve duas etapas: a primeira, a sincronização inicial, onde você baixa e verifica a sincronização, e a sincronização contínua, que só precisa ser atualizada com novas transações.
As técnicas para garantir uma comunicação eficiente e segura devem ser:
Utilização de protocolos otimizados e eficientes.
Criptografe os dados
Use redundância para evitar perda de dados.
Desafios e soluções na comunicação do nó:
Melhore a latência implementando conexões e protocolos de alta velocidade
Garanta criptografia forte e proteção DDoS
Garanta o uso de topologias escaláveis
Monitoramento e manutenção de redes Blockchain
Ferramentas e técnicas para monitorar redes blockchain:
Prometeu
Grafana
Explorador de blocos
O desempenho da rede depende da latência, da taxa de transferência, do desempenho do nó monitor e do tempo de criação do bloco.
Práticas de manutenção para nós.
Atualize regularmente o software
Esteja sempre atento ao patch de segurança usado.
Auditorias de rotina
A solução de problemas comuns são problemas de conectividade e problemas de sincronização.
Garantir disponibilidade e confiabilidade implementando redundância e utilizando técnicas de balanceamento de carga.
Escalabilidade e otimização de desempenho
Desafios no dimensionamento de redes blockchain
Taxa de transferência de transação
Muitas redes enfrentam o problema de menor rendimento ao processar um número maior de transações por segundo. Os mecanismos de consenso tradicionais podem ser lentos e consumir muitos recursos.
Armazenar
Outro grande desafio enfrentado é o armazenamento, à medida que o blockchain cresce, a quantidade de dados também aumenta, o que afeta a capacidade de armazenamento e a eficiência de recuperação de dados.
Estratégias para melhorar a escalabilidade da rede.
Soluções da Camada 2:
Lightning Network: Bitcoin usa essa correção fora da cadeia para transferências mais rápidas e baratas. Ele configura caminhos de pagamento entre usuários. O blockchain registra quando os caminhos abrem ou fecham.
Plasma e Rollups: Ethereum é escalonado com essas ferramentas. Eles lidam com negociações fora da rede e fornecem uma breve recapitulação da cadeia principal. Isso reduz o trabalho do blockchain principal.
Fragmentação:
Particionamento de dados: a fragmentação divide o blockchain em bits menores e mais fáceis de gerenciar (fragmentos). Cada fragmento lida com suas negociações e negócios inteligentes. Isso alivia a pressão sobre toda a rede.
Processamento Paralelo: Os fragmentos podem lidar com negociações ao mesmo tempo. Isso aumenta muito o número de negociações que a rede pode realizar.
Técnicas de otimização de desempenho para nós
Otimize os dados e o armazenamento
Realizar poda
Use algoritmos de consenso eficientes
Use um sistema eficiente de gerenciamento de banco de dados.
Tendências futuras na escalabilidade do blockchain
Houve desenvolvimentos nos últimos tempos nos mecanismos de consenso. Existem novas adições como Prova de História (PoH) usada por Solana. Além disso, há uma adaptação de um conjunto de diferentes consensos num único mecanismo. Existem avanços nas soluções da camada 2, como cadeias estaduais e cadeias laterais e integração de interoperabilidade
Estudos de caso e exemplos práticos
Bitcoin:
Bitcoin depende do mecanismo PoW que tem problemas como escalabilidade e taxa de transferência de transações, portanto a solução implementada para este problema foi Segregated Witness (SegWit) que reduz o tamanho da transação e aumenta a capacidade do bloco. A implementação da solução de camada dois da Lightning Network aumenta a velocidade da transação. Essas melhorias foram valiosas para os problemas enfrentados
Mudança Ethereum 2.0:
Obstáculos de escala: O primeiro sistema PoW do Ethereum tinha velocidade de 15 TPS, muito parecido com o Bitcoin.
Balance Act: Ethereum lutou para equilibrar a segurança, o rápido crescimento e a escalabilidade.
Prova de participação (PoS): Ethereum 2.0 troca PoW por PoS. Este novo método economiza energia e lida com mais negociações.
Cadeias divididas: Ethereum 2.0 traz cadeias divididas. Isso permite que ele lide com muitas negociações ao mesmo tempo, aumentando muito seu poder.
Conclusão
Podemos concluir dizendo que para uma rede eficiente o entendimento da topologia e da arquitetura da rede é essencial. Os desenvolvedores, juntamente com as práticas de codificação, devem aprimorar seus conhecimentos e aprender continuamente sobre as atualizações neste domínio. Um bom domínio desses conceitos ajuda os desenvolvedores a construir aplicativos blockchain seguros, eficientes e escalonáveis e os usuários podem navegar melhor no domínio do blockchain.
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