文章《理解區塊鏈網路與節點》首先出現在 Coinpedia 金融科技新聞上
介紹
區塊鏈技術帶來了一場偉大的數位革命，改變了我們對交易、安全、去中心化和透明度的看法。本文重點在於全面瞭解區塊鏈網路和節點。節點和網路是區塊鏈架構和功能的支柱。開發人員需要掌握這些概念才能進行有效的區塊鏈開發，並牢記金融和供應鏈管理等各行業的廣泛應用領域。
什麼是區塊鏈網絡？
區塊鏈網絡基本上是一個分佈式賬本或記錄系統，其中多個設備透明地共享和驗證有關交易的信息。
區塊鏈網絡的關鍵組成部分包括：
節點：參與網絡的計算機或設備
分類賬：所有交易的數據庫或數字記錄
智能合約：智能合約是編譯爲 EVM 字節碼的高級程序，也是在以太坊區塊鏈上部署的前置階段。它使我們能夠執行可靠的交易，這些交易是安全的，不受任何第三方干擾，可追溯且不可逆轉
共識機制：網絡中節點對於區塊鏈狀態需要遵循的一組協議。
區塊鏈網絡的類型：
公共：顧名思義，它對所有人開放。任何一個實體都無法控制公共網絡。這些網絡是去中心化且透明的。例如比特幣和以太坊，一般用例是 dApp。
私有：私有網絡僅限於獲得授權的用戶使用。它們由單個組織控制。例如 Hyperldger Fabric 和 Corda，一般用例是供應鏈管理和企業解決方案。
聯盟：聯盟網絡是公共網絡和私有網絡的混合體，由一組組織控制和管理。它部分去中心化，提供一定程度的透明度。例如 Quorum 和 Energy Webchain。通常用於行業協作和基於聯盟的應用程序。
混合：它是公有和私有網絡屬性的組合。混合網絡的訪問是可定製的，一些數據是公開的，一些數據是受限制的。可定製企業解決方案中使用的示例 Dragion 鏈
區塊鏈中的節點
節點可以指區塊鏈網絡中遵循協議的單個設備或計算機。節點是區塊鏈不可或缺的一部分，因爲它們維護公共賬本的副本並參與共識機制。
節點類型：
全節點：全節點是維護區塊鏈完整副本的設備。這些節點在驗證交易區塊和確保區塊鏈安全性的完整性方面起着至關重要的作用。這些節點被認爲是安全且值得信賴的節點。
輕節點：輕節點僅存儲區塊頭，即區塊鏈數據的一個子集。輕節點依賴全節點進行交易驗證和確認。
挖礦節點：這些節點通過解決加密難題（又稱挖礦）參與網絡。挖礦節點通過驗證交易爲網絡提供安全性，並通過工作量證明 (PoW) 幫助維護安全性。
主節點：主節點執行特殊任務，例如驗證即時交易或參與治理。它提高了功能性並增強了區塊鏈的穩定性。由於計算功能，它需要巨大的電力資源。
設置和配置節點
不同類型節點設置指南：
完整節點：
安裝區塊鏈客戶端軟件，如 Bitcoin Core 或 Geth。
下載鏈上數據並與網絡同步
配置存儲和帶寬等設置。
輕節點
安裝客戶端軟件，例如比特幣的 Electrum 或以太坊的 MetaMask。
將它們與完整節點同步以驗證交易
配置以獲得最佳性能
挖礦節點
安裝 CGminer 或 Ethminer 等軟件
加入採礦池，共同努力，獲得回報
配置以獲得最佳結果
主節點
在設立之前檢查抵押品要求
安裝與區塊鏈相關的特定軟件
配置以獲得更好的性能和效率
配置最佳實踐。
定期更新軟件
通過實施防火牆和防病毒軟件來採取安全措施
確保適當的資源分配
節點的安全考慮。
使用加密傳輸數據
確保防範 DDos 分佈式拒絕服務攻擊
定期審覈安全參數
網絡拓撲
網絡拓撲是網絡中節點之間互連的安排。拓撲概述並解釋了設備如何通信、傳輸、傳播交易並達成共識。選擇合適的拓撲對於網絡的效率、可擴展性和安全性至關重要。
區塊鏈網絡中使用的常見拓撲。
點對點 (P2P) 拓撲：在此拓撲中，每個節點都直接連接，使所有節點都成爲平等的參與者。此拓撲構成一個去中心化的網絡，所有節點都可以發起和驗證交易。比特幣使用 P2P 網絡拓撲。
優點：
去中心化
有彈性的
安全的
缺點：
傳播延遲與網絡的增長成正比
多個連接導致帶寬開銷較大。
聯合拓撲：聯合拓撲僅允許授權者參與共識，其他人只能加入此拓撲但無法驗證。這也稱爲聯盟網絡。在 Ripple 中廣泛使用
優點：
由於流程中的節點較少，因此高效、快速
由於吞吐量更高，因此具有可擴展性
控制訪問增強安全性
缺點：
更加中心化因此產生信任問題
它需要強有力的治理機制。
混合拓撲
顧名思義，它是 P2P 和聯合拓撲的組合。它支持多層和設備組的權限，並保持去中心化。Dragonchain 使用混合拓撲。
優點：
由於它是 P2P 和聯合拓撲的混合，因此高效且快速。
靈活且可定製。
缺點：
複雜的設計和實施
達到一定程度就會傾向於集中化。
共識機制
共識機制是網絡中節點應遵循的一組協議，以就賬本的狀態達成一致。這些機制用於驗證和認證交易。
流行的共識算法：
工作量證明 (PoW)：工作量證明也稱爲挖礦。在這種共識機制中，用戶必須解決密碼難題才能獲得獎勵。這是一場競賽，第一個解決的人將獲得新區塊。該算法使用哈希來保護區塊鏈。PoW 難題的難度確保區塊鏈保持安全並控制添加新區塊的速度。
權益證明 (PoS)：權益證明根據驗證者擁有的代幣數量和作爲抵押品的股份來選擇驗證者。選擇過程不僅取決於股份，還取決於代幣的年齡和隨機性等因素。選擇具有最低哈希值和最高股份金額的驗證者來添加新區塊。PoS 比 PoW 更節能。該機制在以太坊 2.0 中實現。
委託權益證明 (DPoS)：使用委託人和聲譽來驗證交易。用於 EOS
實用拜占庭容錯 (PBFT)：使用節點投票機制進行驗證。這具有高度的欺詐容忍度，並用於 Hyperledger 結構中。
權威證明（PoA）：該機制使用預先選擇的實體進行驗證。在VeChain中使用。
節點通信和同步
您一定想知道節點如何在網絡中通信。答案與人類的做法類似，節點使用 Gossip 等協議發現其他節點，然後傳播消息。很有趣吧？
節點的同步過程包括兩個步驟，首先是初始同步，即下載並驗證同步；然後是持續同步，只需使用新交易進行更新
確保高效、安全通信的技術應包括：
使用優化且高效的協議。
加密數據
使用冗餘來避免數據丟失。
節點通信中的挑戰及解決方案：
通過實施高速連接和協議來改善延遲
確保強大的加密和 DDoS 保護
確保使用可擴展拓撲
監控和維護區塊鏈網絡
監控區塊鏈網絡的工具和技術：
普羅米修斯
格拉法納
區塊瀏覽器
網絡的性能取決於延遲、吞吐量、監控節點性能和塊創建時間。
節點的維護實踐。
定期更新軟件
始終檢查所使用的安全補丁。
例行審計
解決的常見問題是連接問題和同步問題。
通過實施冗餘和使用負載平衡技術來確保可用性和可靠性。
可擴展性和性能優化
擴展區塊鏈網絡的挑戰
交易吞吐量
許多網絡在每秒處理大量交易時面臨吞吐量較低的問題。傳統的共識機制可能速度緩慢且耗費資源。
貯存
面臨的另一個主要挑戰是存儲，隨着區塊鏈的增長，數據量也會增加，這會影響存儲容量和數據檢索效率。
提高網絡可擴展性的策略。
第 2 層解決方案：
閃電網絡：比特幣使用這種鏈下解決方案來實現更快、更便宜的轉賬。它爲用戶之間設置支付路徑。區塊鏈會記錄路徑何時打開或關閉。
Plasma 和 Rollups：以太坊使用這些工具進行擴展。它們處理鏈下交易併爲主鏈提供簡要回顧。這減少了主區塊鏈的工作量。
分片：
數據分區：分片將區塊鏈分割成更小、更易於管理的部分（分片）。每個分片處理其交易和智能交易。這減輕了整個網絡的壓力。
並行處理：分片可以同時處理交易。這大大提高了網絡可以處理的交易數量。
節點性能優化技術
優化數據和存儲
執行修剪
使用高效的共識算法
使用高效的數據庫管理系統。
區塊鏈可擴展性的未來趨勢
共識機制近年來取得了一些進展。新增了一些功能，例如 Solana 使用的歷史證明 (PoH)。此外，還將不同的共識集合改編爲一種機制。第 2 層解決方案（例如狀態鏈和側鏈）以及互操作性的集成也取得了進展
案例研究和實例
比特幣：
比特幣依賴於 PoW 機制，該機制存在可擴展性和交易吞吐量等問題，因此針對該問題實施的解決方案是隔離見證（SegWit），它可以減少交易規模並增加區塊容量。閃電網絡第二層解決方案的實施提高了交易速度。這些改進對於所面臨的問題非常有價值
以太坊 2.0 的轉變：
擴展障礙：以太坊的第一個 PoW 系統的速度爲 15 TPS，與比特幣非常相似。
平衡法案：以太坊努力平衡安全性、快速增長和可擴展性。
權益證明（PoS）：以太坊 2.0 將 PoW 替換爲 PoS。這種新方法可以節省電力並處理更多交易。
分鏈：以太坊 2.0 引入了分鏈。這使得以太坊能夠同時處理多筆交易，從而大大增強其能力。
結論
我們可以總結一下，爲了實現高效的網絡，瞭解拓撲和網絡架構至關重要。開發人員除了編碼實踐之外，還必須複習他們的知識並不斷了解該領域的更新。掌握這些概念有助於開發人員構建安全、高效且可擴展的區塊鏈應用程序，用戶可以更好地進入區塊鏈領域。
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