Compreendendo redes e nós Blockchain 26.07.2024

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Compreendendo redes e nós Blockchain

Introdução

Como desenvolvedor de blockchain experiente, com mais de uma década de experiência, testemunhei em primeira mão os desafios e triunfos na construção de redes escalonáveis e de alto desempenho. Minha jornada começou quando recebi a tarefa de desenvolver um aplicativo blockchain que pudesse processar milhares de transações por segundo. Esse objetivo parecia intransponível na época, já que a maioria das redes enfrentava dificuldades até mesmo com uma fração desse rendimento.

A tecnologia Blockchain marca uma mudança digital significativa, transformando o nosso ponto de vista sobre transações, segurança, descentralização e transparência. Neste artigo, nos aprofundamos em uma extensa exploração de redes e nós Blockchain. Esses elementos fundamentais sustentam a infraestrutura e as capacidades dos blockchains. Para o desenvolvimento proficiente de blockchain, é essencial que os desenvolvedores compreendam plenamente esses princípios. As aplicações desta tecnologia abrangem diversos setores, como finanças e gestão da cadeia de suprimentos.

O que é uma rede Blockchain?

Uma rede blockchain funciona como um sistema descentralizado e interconectado para manter um registro seguro e transparente de transações, com vários dispositivos verificando e atualizando as informações em uníssono.

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 como programas de alto nível que compilam em byte-code EVM e também um pré-estágio para implantação na 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 que estão 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

Em termos mais simples, os nós representam os elementos ou unidades distintas dentro de um sistema blockchain, que podem ser computadores ou dispositivos, que aderem às regras especificadas. A presença de nós é essencial na tecnologia blockchain porque eles mantêm uma versão sincronizada do histórico de transações compartilhadas, conhecido como livro-razão público, e participam de processos 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.

Nodos 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.

Configuração e configuração de 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

Práticas recomendadas 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

O layout das interconexões de uma rede entre seus nós é conhecido como topologia de rede. Esta descrição elucida como os dispositivos trocam informações, processam transações e estabelecem acordos na rede. A seleção adequada da topologia é essencial para otimizar o desempenho da rede, a capacidade de expansão e garantir a segurança.

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 possam aderir a esta 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

Dragonchain emprega uma topologia híbrida que integra recursos de redes peer-to-peer e federadas. Ele permite múltiplas camadas e concede permissões a grupos de dispositivos designados, tudo isso preservando a descentralização.

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

“Mecanismos de consenso referem-se a um conjunto de regras que os nós de uma rede devem aderir para chegar a um acordo sobre a condição atual do livro-razão. Esses procedimentos cumprem a função essencial de verificar e autenticar 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.
Proof of Stake (PoS): O Proof of Stake seleciona validadores com base no número de moedas que eles 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

É intrigante refletir sobre como os nós trocam informações dentro de uma rede. A solução se alinha com o comportamento humano em alguns aspectos. Os nós identificam outros nós através de mecanismos como o protocolo Gossip e, posteriormente, disseminam mensagens.

O processo de sincronização de nós consiste em duas etapas. Na sincronização inicial, você obtém e autentica os dados necessários. Durante a sincronização contínua, apenas novas transações requerem atualização.

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 é influenciado por vários fatores, incluindo latência, taxa de transferência de dados (taxa de transferência), eficiência dos nós de monitoramento e tempo necessário para criar novos blocos.

Práticas de manutenção para nós.

Atualize regularmente o software
Esteja sempre atento ao patch de segurança utilizado.
Auditorias de rotina

A solução de problemas comuns são problemas de conectividade e problemas de sincronização.

Manter a acessibilidade e a confiabilidade por meio da aplicação de métodos de redundância e balanceamento de carga.

Escalabilidade e otimização de desempenho

Desafios no dimensionamento de redes blockchain

Rendigência da transação

Muitas redes enfrentam o desafio de alcançar taxas de transferência de dados mais baixas ao lidar com um volume maior de transações a cada segundo. Os métodos convencionais de consenso podem ser ineficientes e consumir muitos recursos.

Armazenamento

Um obstáculo significativo que encontramos é o gerenciamento dos crescentes requisitos de dados de uma rede blockchain. À medida que a rede cresce, também aumenta o volume de informações que ela contém, sobrecarregando a capacidade de armazenamento e diminuindo a velocidade de acesso aos dados.

Estratégias para melhorar a escalabilidade da rede.

Soluções da Camada 2:

A Lightning Network do Bitcoin permite transações mais rápidas e baratas por meio de uma solução fora do canal. Ao estabelecer canais de pagamento entre usuários, permite o registro instantâneo de caminhos abertos e fechados no blockchain.

Plasma e Rollups são soluções de escalonamento para Ethereum. Ao gerenciar transações fora da cadeia, eles reduzem a carga na blockchain principal. A cadeia principal recebe então um resumo dessas transações.

Fragmentação:

A fragmentação envolve a divisão do blockchain em segmentos menores e gerenciáveis, chamados fragmentos. Cada fragmento é responsável por processar transações específicas e contratos inteligentes. Esta abordagem alivia a pressão sobre toda a rede.” seria:

Em termos mais simples, com o Processamento Paralelo, os shards podem trabalhar simultaneamente no tratamento de negociações. Isto aumenta significativamente a capacidade da rede para gerir negociações.

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 em escalabilidade de blockchain

Como investidor em criptografia, notei recentemente alguns avanços interessantes no cenário dos mecanismos de consenso. Por exemplo, Solana introduziu a Prova de História (PoH) como uma alternativa à Prova de Trabalho ou Prova de Participação. Além disso, houve progresso no sentido de combinar vários mecanismos de consenso num único mecanismo unificado. Além disso, as soluções da camada 2, como canais de estado e cadeias laterais, estão evoluindo rapidamente, melhorando a escalabilidade e a interoperabilidade tornando-se cada vez mais integradas.

Estudos de caso e exemplos práticos

Bitcoin:

O Bitcoin utiliza um mecanismo de consenso de Prova de Trabalho (PoW), mas essa abordagem apresenta desafios como escalabilidade e taxa de transferência limitada de transações. Para resolver esses problemas, o Segregated Witness (SegWit) foi introduzido como uma solução. O SegWit reduz efetivamente o tamanho das transações e aumenta a capacidade do bloco. Além disso, a implementação da Lightning Network, uma solução de camada dois, melhora significativamente a velocidade das transações. Esses avanços foram fundamentais para resolver as preocupações enfrentadas pelo Bitcoin.

Mudança do 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.

No Ethereum 2.0, há uma transição do mecanismo de consenso de prova de trabalho (PoW) para o mecanismo de consenso de prova de participação (PoS). Com essa mudança, o Ethereum deixa de depender de quebra-cabeças computacionais que consomem muita energia e passa a validar transações com base na quantidade de criptomoeda apostada pelos validadores. Essa mudança não apenas reduz o consumo de energia, mas também aumenta a capacidade de processamento de transações.

No Ethereum 2.0, a introdução de cadeias divididas permite processar múltiplas transações simultaneamente, aumentando significativamente sua capacidade.

Conclusão

Em termos mais simples, ter um conhecimento sólido da topologia e arquitetura da rede é crucial para o desenvolvimento de redes blockchain eficientes. Os desenvolvedores devem manter suas habilidades atualizadas, aprendendo sobre os avanços mais recentes neste campo. Uma base sólida nesses conceitos permite que os desenvolvedores criem aplicativos blockchain seguros, eficientes e escaláveis, facilitando a navegação dos usuários pelo domínio blockchain.

2024-07-13 17:38