Tìm hiểu về mạng và nút Blockchain

Giới thiệu

Là một nhà phát triển blockchain dày dạn kinh nghiệm với hơn một thập kỷ kinh nghiệm, tôi đã tận mắt chứng kiến những thách thức và thành công trong việc xây dựng các mạng hiệu suất cao và có thể mở rộng. Hành trình của tôi bắt đầu khi tôi được giao nhiệm vụ phát triển một ứng dụng blockchain có thể xử lý hàng nghìn giao dịch mỗi giây. Mục tiêu này dường như không thể vượt qua vào thời điểm đó vì hầu hết các mạng đều phải vật lộn với dù chỉ một phần thông lượng đó.

Công nghệ chuỗi khối đánh dấu một sự thay đổi kỹ thuật số quan trọng, thay đổi quan điểm của chúng tôi về giao dịch, bảo mật, phân quyền và minh bạch. Trong bài viết này, chúng tôi đi sâu vào khám phá sâu rộng về Mạng và Nút Blockchain. Những yếu tố nền tảng này củng cố cơ sở hạ tầng và khả năng của chuỗi khối. Để phát triển blockchain thành thạo, điều cần thiết là các nhà phát triển phải nắm bắt đầy đủ các nguyên tắc này. Các ứng dụng của công nghệ này trải rộng trên nhiều ngành công nghiệp khác nhau như tài chính và quản lý chuỗi cung ứng.

Mạng Blockchain là gì?

Mạng blockchain hoạt động như một hệ thống phi tập trung, được kết nối với nhau để duy trì hồ sơ giao dịch an toàn và minh bạch, với nhiều thiết bị khác nhau xác minh và cập nhật thông tin cùng một lúc.

Các thành phần chính của mạng Blockchain là:

Nút: Máy tính hoặc thiết bị tham gia vào mạng

Sổ cái: Cơ sở dữ liệu hoặc bản ghi kỹ thuật số của tất cả các giao dịch

Hợp đồng thông minh: Hợp đồng thông minh được gọi là các chương trình cấp cao biên dịch thành mã byte EVM và cũng là giai đoạn tiền triển khai trên chuỗi khối Ethereum. Nó cho phép chúng tôi thực hiện các giao dịch đáng tin cậy, an toàn mà không có bất kỳ sự can thiệp nào của bên thứ ba, có thể theo dõi và không thể đảo ngược

Cơ chế đồng thuận: Một tập hợp các giao thức cần được các nút trong mạng tuân theo ở trạng thái của chuỗi khối.

Các loại mạng chuỗi khối:

Công khai: Đúng như tên gọi, nó mở cửa cho tất cả mọi người. Bất kỳ một thực thể nào không kiểm soát Mạng công cộng. Các mạng này được phân cấp và minh bạch. Ví dụ là Bitcoin và Ethereum và các trường hợp sử dụng chung là dApp.

Riêng tư: Mạng riêng tư chỉ bị hạn chế đối với những người được ủy quyền. Họ được kiểm soát bởi một tổ chức duy nhất. Ví dụ như Hyperldger Fabric và Corda và các trường hợp sử dụng chung là các giải pháp doanh nghiệp và quản lý chuỗi cung ứng.

Consortium: Mạng consortium là sự kết hợp của cả mạng công cộng và mạng riêng, được kiểm soát và quản lý bởi một nhóm tổ chức. Nó được phân quyền một phần, mang lại sự minh bạch ở một mức độ nhất định. Ví dụ như Quorum và Energy Webchain. Thường được sử dụng trong các hoạt động hợp tác trong ngành và các ứng dụng dựa trên tập đoàn.

Kết hợp: Nó là sự kết hợp của các thuộc tính mạng công cộng và riêng tư. Quyền truy cập vào mạng kết hợp có thể tùy chỉnh với một số dữ liệu được công khai và một số bị hạn chế. Ví dụ về chuỗi Dragion được sử dụng trong các giải pháp doanh nghiệp có thể tùy chỉnh

Các nút trong Blockchain

Nói một cách đơn giản hơn, các nút đại diện cho các thành phần hoặc đơn vị riêng biệt trong hệ thống blockchain, có thể là máy tính hoặc thiết bị, tuân thủ các quy tắc đã chỉ định. Sự hiện diện của các nút là điều cần thiết trong công nghệ blockchain vì chúng giữ phiên bản đồng bộ hóa của lịch sử giao dịch được chia sẻ, được gọi là sổ cái công khai và tham gia vào các quy trình đồng thuận.

Các loại nút:

Nút đầy đủ: Nút đầy đủ là thiết bị duy trì bản sao hoàn chỉnh của chuỗi khối. Các nút này đóng một vai trò quan trọng trong việc xác thực các khối giao dịch và đảm bảo tính toàn vẹn về tính bảo mật của chuỗi khối. Đây được coi là các nút an toàn và đáng tin cậy.

Nút nhẹ: Nút nhẹ chỉ lưu trữ tiêu đề của khối là tập hợp con của dữ liệu chuỗi khối. Các nút nhẹ phụ thuộc vào các nút đầy đủ để xác minh và xác thực giao dịch.

Các nút khai thác: Các nút này tham gia vào mạng bằng cách giải các câu đố về mật mã hay còn gọi là khai thác. Các nút khai thác cung cấp bảo mật cho mạng bằng cách xác thực các giao dịch và cũng giúp duy trì bảo mật thông qua Bằng chứng công việc (PoW).

Nút chính: Các nút chính thực hiện các nhiệm vụ đặc biệt như xác thực các giao dịch tức thời hoặc tham gia quản trị. Nó cải thiện chức năng và nâng cao tính ổn định của chuỗi khối. Do chức năng tính toán nên nó cần nguồn năng lượng rất lớn.

Thiết lập và định cấu hình nút

Hướng dẫn thiết lập các loại nút khác nhau:

Nút đầy đủ:

Cài đặt phần mềm máy khách Blockchain như Bitcoin Core hoặc Geth.
Tải dữ liệu của chuỗi và đồng bộ với mạng
Định cấu hình các cài đặt như lưu trữ và băng thông. vân vân

Nút nhẹ

Cài đặt phần mềm Máy khách như Electrum cho Bitcoin hoặc MetaMask cho Ethereum.
Đồng bộ hóa chúng với các nút đầy đủ để xác minh giao dịch
Cấu hình để có hiệu suất tối ưu

Nút khai thác

Cài đặt phần mềm như CGminer hoặc Ethminer
Tham gia nhóm khai thác để có được những nỗ lực và phần thưởng chung
Cấu hình để có được kết quả tối ưu

Nút chính

Kiểm tra các yêu cầu về tài sản thế chấp trước khi thiết lập
Cài đặt phần mềm cụ thể liên quan đến blockchain
Cấu hình để có hiệu suất và hiệu quả tốt hơn

Các phương pháp hay nhất về cấu hình.

Thường xuyên cập nhật phần mềm
Chú ý đến các biện pháp bảo mật bằng cách triển khai tường lửa và phần mềm chống vi-rút
Đảm bảo phân bổ nguồn lực hợp lý

Các cân nhắc về bảo mật cho nút.

Sử dụng mã hóa để truyền dữ liệu
Đảm bảo bảo vệ chống lại các cuộc tấn công từ chối dịch vụ phân tán DDos
Thường xuyên kiểm tra các thông số bảo mật

Cấu trúc liên kết mạng

Cách bố trí các kết nối của mạng giữa các nút của nó được gọi là cấu trúc liên kết mạng. Mô tả này làm sáng tỏ cách các thiết bị trao đổi thông tin, xử lý giao dịch và thiết lập thỏa thuận trong mạng. Việc lựa chọn cấu trúc liên kết phù hợp là điều cần thiết để tối ưu hóa hiệu suất mạng, khả năng mở rộng và đảm bảo an ninh.

Các cấu trúc liên kết phổ biến được sử dụng trong mạng blockchain.

Cấu trúc liên kết ngang hàng (P2P): Trong cấu trúc liên kết này, mỗi nút được kết nối trực tiếp khiến tất cả các nút đều là những người tham gia như nhau. Cấu trúc liên kết này tạo ra một mạng lưới phi tập trung nơi tất cả các nút có thể bắt đầu và xác thực các giao dịch. Bitcoin sử dụng cấu trúc liên kết mạng P2P.

Ưu điểm:

Phi tập trung
Đàn hồi
Chắc chắn

Nhược điểm:

Độ trễ lan truyền tỷ lệ thuận với sự phát triển của mạng
Nhiều kết nối dẫn đến chi phí băng thông cao.
Cấu trúc liên kết: Cấu trúc liên kết chỉ cho phép những người được ủy quyền tham gia vào sự đồng thuận và những người khác chỉ có thể tham gia cấu trúc liên kết này nhưng không thể xác thực. Đây còn được gọi là mạng Consortium. Được sử dụng phổ biến trong Ripple

Ưu điểm:

Hiệu quả và nhanh chóng do có ít nút hơn trong quy trình
Nó có khả năng mở rộng do thông lượng cao hơn
Truy cập được kiểm soát tăng cường bảo mật

Nhược điểm:

Tập trung hơn do đó tạo ra các vấn đề về niềm tin
Nó cần cơ chế mạnh mẽ để quản trị.

Cấu trúc liên kết lai

Dragonchain sử dụng cấu trúc liên kết lai tích hợp các tính năng của mạng ngang hàng và liên kết. Nó cho phép nhiều lớp và cấp quyền cho các nhóm thiết bị được chỉ định, đồng thời duy trì tính phân cấp.

Ưu điểm:

Hiệu quả và nhanh chóng vì nó là sự kết hợp giữa cấu trúc liên kết P2P và Liên kết.
Linh hoạt và tùy biến.

Nhược điểm:

Thiết kế và triển khai phức tạp
Lên đến một mức độ nhất định có thể thiên về tập trung hóa.

Cơ chế đồng thuận

“Cơ chế đồng thuận đề cập đến một tập hợp các quy tắc mà các nút trong mạng phải tuân thủ để đạt được thỏa thuận về tình trạng hiện tại của sổ cái. Các quy trình này phục vụ chức năng thiết yếu là xác minh và xác thực giao dịch.”

Các thuật toán đồng thuận phổ biến:

Bằng chứng công việc (PoW): Bằng chứng công việc còn được gọi là khai thác. Trong cơ chế đồng thuận này, người dùng phải giải các câu đố mật mã để nhận phần thưởng. Đây là một cuộc thi mà người giải quyết đầu tiên sẽ giành được khối mới. Thuật toán này sử dụng hàm băm để bảo mật blockchain. Độ khó của câu đố PoW đảm bảo chuỗi khối vẫn an toàn và kiểm soát tốc độ thêm các khối mới.
Bằng chứng cổ phần (PoS): Bằng chứng cổ phần chọn người xác thực dựa trên số lượng xu họ có và số cổ phần làm tài sản thế chấp. Quá trình lựa chọn không chỉ phụ thuộc vào số tiền đặt cược mà còn phụ thuộc vào các yếu tố như tuổi của đồng tiền và tính ngẫu nhiên. Trình xác thực có giá trị băm thấp nhất và số tiền đặt cược cao nhất được chọn để thêm khối mới. PoS tiết kiệm năng lượng hơn PoW. Cơ chế này được triển khai trong Ethereum 2.0.
Bằng chứng cổ phần được ủy quyền (DPoS): Sử dụng ủy quyền và danh tiếng để xác thực giao dịch. Được sử dụng trong EOS
Dung sai lỗi Byzantine thực tế (PBFT): Cơ chế bỏ phiếu của các nút được sử dụng để xác thực. Điều này có khả năng chống gian lận cao và được sử dụng trong kết cấu Hyperledger.
Bằng chứng về quyền hạn (PoA): Cơ chế này sử dụng các thực thể được chọn trước để xác thực. Được sử dụng trong VeChain.

Giao tiếp và đồng bộ hóa nút

Thật thú vị khi suy ngẫm về cách các nút trao đổi thông tin trong mạng. Giải pháp này phù hợp với hành vi của con người theo một số cách. Các nút xác định các nút khác thông qua các cơ chế như giao thức Gossip và sau đó chúng phổ biến các thông điệp.

Quá trình đồng bộ hóa các nút bao gồm hai giai đoạn. Trong lần đồng bộ hóa đầu tiên, bạn thu thập và xác thực dữ liệu cần thiết. Trong quá trình đồng bộ hóa liên tục, chỉ những giao dịch mới mới yêu cầu cập nhật.

Các kỹ thuật đảm bảo liên lạc hiệu quả và an toàn phải là:

Sử dụng các giao thức tối ưu và hiệu quả.
Mã hóa dữ liệu
Sử dụng Dự phòng để tránh mất dữ liệu.

Những thách thức và giải pháp trong giao tiếp nút:

Cải thiện độ trễ bằng cách triển khai các kết nối và giao thức tốc độ cao
Đảm bảo mã hóa mạnh mẽ và bảo vệ DDoS
Đảm bảo việc sử dụng các cấu trúc liên kết có thể mở rộng

Giám sát và duy trì mạng chuỗi khối

Các công cụ và kỹ thuật giám sát mạng blockchain:

Prometheus
Grafana
Khối thám hiểm

Hiệu suất của mạng bị ảnh hưởng bởi một số yếu tố, bao gồm độ trễ, tốc độ truyền dữ liệu (thông lượng), giám sát hiệu quả của các nút và thời gian cần thiết để tạo các khối mới.

Các phương pháp bảo trì cho nút.

Thường xuyên cập nhật phần mềm
Luôn kiểm tra bản vá bảo mật được sử dụng.
Kiểm toán định kỳ

Khắc phục sự cố thường gặp là sự cố kết nối và sự cố đồng bộ hóa.

Duy trì khả năng tiếp cận và độ tin cậy thông qua việc áp dụng các phương pháp dự phòng và cân bằng tải.

Khả năng mở rộng và tối ưu hóa hiệu suất

Những thách thức trong việc mở rộng mạng lưới blockchain

Thông lượng giao dịch

Nhiều mạng gặp phải thách thức đạt được tốc độ truyền dữ liệu thấp hơn khi xử lý khối lượng giao dịch lớn hơn mỗi giây. Các phương pháp đồng thuận thông thường có thể không hiệu quả và tốn nhiều tài nguyên.

Bộ nhớ

Một trở ngại đáng kể mà chúng tôi gặp phải là quản lý các yêu cầu dữ liệu mở rộng của mạng blockchain. Khi mạng phát triển, khối lượng thông tin mà nó lưu giữ cũng tăng lên, gây áp lực lên dung lượng lưu trữ và làm chậm tốc độ truy cập dữ liệu.

Chiến lược cải thiện khả năng mở rộng mạng.

Giải pháp lớp 2:

Lightning Network của Bitcoin cho phép giao dịch nhanh hơn và rẻ hơn thông qua giải pháp ngoài kênh. Bằng cách thiết lập các kênh thanh toán giữa những người dùng, nó cho phép ghi nhật ký ngay lập tức các đường dẫn mở và đóng trên blockchain.

Plasma và Rollups là giải pháp mở rộng quy mô cho Ethereum. Bằng cách quản lý các giao dịch ngoài chuỗi, họ giảm tải cho chuỗi khối chính. Chuỗi chính sau đó nhận được bản tóm tắt về các giao dịch này.

Phân mảnh:

Sharding liên quan đến việc chia blockchain thành các phân đoạn nhỏ hơn, có thể quản lý được gọi là phân đoạn. Mỗi phân đoạn chịu trách nhiệm xử lý các giao dịch cụ thể và hợp đồng thông minh. Cách tiếp cận này làm giảm bớt áp lực lên toàn bộ mạng.” sẽ là:

Nói một cách đơn giản hơn, với Xử lý song song, các phân đoạn có thể đồng thời hoạt động để xử lý các giao dịch. Điều này làm tăng đáng kể khả năng quản lý giao dịch của mạng.

Kỹ thuật tối ưu hóa hiệu suất cho các nút

Tối ưu hóa dữ liệu và lưu trữ
Thực hiện cắt tỉa
Sử dụng thuật toán đồng thuận hiệu quả
Sử dụng hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu hiệu quả.

Xu hướng tương lai về khả năng mở rộng blockchain

Với tư cách là một nhà đầu tư tiền điện tử, gần đây tôi đã nhận thấy một số tiến bộ thú vị trong bối cảnh cơ chế đồng thuận. Chẳng hạn, Solana đã giới thiệu Bằng chứng lịch sử (PoH) như một giải pháp thay thế cho Bằng chứng công việc hoặc Bằng chứng cổ phần. Hơn nữa, đã có tiến bộ trong việc kết hợp các cơ chế đồng thuận khác nhau thành một cơ chế thống nhất. Ngoài ra, các giải pháp lớp 2 như kênh trạng thái và chuỗi bên đang phát triển nhanh chóng, nâng cao khả năng mở rộng và khả năng tương tác ngày càng được tích hợp.

Nghiên cứu điển hình và ví dụ thực tế

Bitcoin:

Bitcoin sử dụng cơ chế đồng thuận Proof of Work (PoW), nhưng cách tiếp cận này đi kèm với những thách thức như Khả năng mở rộng và thông lượng giao dịch hạn chế. Để giải quyết những vấn đề này, Segregated Witness (SegWit) đã được giới thiệu như một giải pháp. SegWit giảm quy mô giao dịch một cách hiệu quả và nâng cao dung lượng khối. Hơn nữa, việc triển khai Lightning Network, giải pháp lớp hai, cải thiện đáng kể tốc độ giao dịch. Những tiến bộ này là công cụ giúp giải quyết những mối lo ngại mà Bitcoin phải đối mặt.

Sự thay đổi của Ethereum 2.0:

Rào cản mở rộng: Hệ thống PoW đầu tiên của Ethereum có tốc độ 15 TPS giống như Bitcoin.

Đạo luật cân bằng: Ethereum đấu tranh để cân bằng tính bảo mật, tăng trưởng nhanh chóng và khả năng mở rộng.

Trong Ethereum 2.0, có sự chuyển đổi từ cơ chế đồng thuận bằng chứng công việc (PoW) sang cơ chế đồng thuận bằng chứng cổ phần (PoS). Với sự thay đổi này, Ethereum chuyển từ việc dựa vào các câu đố tính toán tốn nhiều năng lượng sang xác thực các giao dịch dựa trên số lượng tiền điện tử được đặt cược bởi người xác thực. Sự thay đổi này không chỉ làm giảm mức tiêu thụ điện năng mà còn tăng khả năng xử lý giao dịch.

Trong Ethereum 2.0, việc giới thiệu chuỗi phân tách cho phép nó xử lý đồng thời nhiều giao dịch, tăng đáng kể khả năng của nó.

Kết luận

Nói một cách đơn giản hơn, việc nắm vững cấu trúc và cấu trúc liên kết mạng là rất quan trọng để phát triển mạng blockchain hiệu quả. Các nhà phát triển nên cập nhật kỹ năng của mình bằng cách tìm hiểu về những tiến bộ mới nhất trong lĩnh vực này. Nền tảng vững chắc trong các khái niệm này cho phép các nhà phát triển tạo ra các ứng dụng blockchain an toàn, hiệu quả và có thể mở rộng, giúp người dùng điều hướng trong miền blockchain dễ dàng hơn.

2024-07-13 17:38