Различные Уровни Технологии Блокчейн

Технология блокчейн радикально меняет способы ведения бизнеса и взаимодействия друг с другом. Это мощный инструмент для безопасного хранения, обмена и обработки данных. Чтобы понять как работает блокчейн, важно взглянуть на различные его слои. Каждый уровень архитектуры блокчейна служит определенной цели и имеет определенные характеристики, влияющие на его функционирование. В этой статье мы рассмотрим различные уровни блокчейна и то, как они работают вместе, обеспечивая безопасность и надежность данных.

Что Такое Технология Блокчейн и Как Она Работает?

Блокчейн – это неподкупный цифровой реестр, используемый для защиты данных и записей транзакций. По мере добавления новых блоков этих записей блокчейн растет, при этом узлы по всему миру обновляют свои версии цепочки при каждом добавлении. Эти транзакции можно отследить вплоть до создания блока благодаря их временным меткам. Децентрализация, более низкие затраты на обслуживание, прозрачность (в случае публичных блокчейнов) и неизменяемость без одобрения участников — это лишь некоторые из преимуществ, которые дает технология распределенного реестра. Эксперты утверждают, что исключение человеческого фактора и использование вместо него алгоритмов математических вычислений также способствуют эффективности этой технологии.

Блокчейн — это современная многофункциональная технология, пересечение финансов и информатики, позволяющее обмениваться информацией, не требуя полного доверия. Блокчейн обеспечивает прямые транзакции между сторонами без необходимости использования центрального хранилища данных или посредника для гарантии транзакции. Это достигается за счет полной и неизменной записи всех транзакций постфактум, к которой имеют полный доступ все участники блокчейн-платформы — записи, уже внесенные в базу данных, не могут быть изменены ни участниками, ни их ассоциациями.

Процесс майнинга — это ключевой механизм записи новых операций (в модели Proof of Work) с блоками в блокчейнах с открытым исходным кодом. Этот подход основан на организации соревнования между участниками сети, которые выполняют математические операции по нахождению хеша нового блока и соревнуются за затраченное на это время. По мере того, как майнеры увеличивают (или уменьшают) свою вычислительную мощность, сеть корректирует сложность алгоритма, чтобы поддерживать примерно одинаковое время для генерации новых блоков в цепочке. Такой подход усложняет генерацию блока, отвечающего условию подтверждения, поскольку необходимо попробовать множество «случайных» комбинаций, пока блок не будет подтвержден.

Что Такое Масштабируемость Блокчейна?

Блокчейн — это распределенная система, преследующая две цели: с одной стороны, она позволяет каждому добавлять новые транзакции в общую временную шкалу транзакций, а с другой, она гарантирует, что временные рамки данных транзакций защищены от изменений и несанкционированного доступа. Система блокчейна достигает обеих целей посредством неизменяемой структуры данных, предназначенной только для добавления, которая решает хэш-головоломку каждый раз, когда добавляется новый блок. Решение хэш-головоломки требует много времени, поэтому любая попытка изменить хронологию транзакций потребует слишком больших усилий. К сожалению, такая структура достигается за счет снижения скорости обработки данных, следствием чего является ограниченная масштабируемость системы.

Масштабируемость — это способность сети или базы данных повышать свою производительность в условиях перегрузки. Различают вертикальное (путем улучшения аппаратного обеспечения) и горизонтальное (путем распределения нагрузки равномерно по небольшим сегментам) масштабирование системы. Первое реализуется за счет увеличения мощности центральных узлов, а второе – программными методами. Масштабируемость протокола блокчейна обычно определяется как способность обрабатывать больше транзакций в секунду через обычные цепочки блоков. В наши дни многие блокчейн-системы можно считать масштабируемыми, но их пропускная способность сильно различается. Когда систему называют масштабируемой, она достигает более высокого TPS, чем существующие системы, за счет изменения протокола консенсуса и/или уточнения некоторых параметров системы.

Сегодня существует несколько схем масштабируемости сети блокчейн, основными из которых являются Proof-of-Work, Proof-of-Stake и Byzantine fault tolerance (BFT). Хотя все эти схемы могут различаться по форме и концепции, они могут иметь схожую производительность с точки зрения пропускной способности. В идеале все подходы максимизируют использование полосы пропускания для передачи сообщений и обеспечивают беспрепятственное решение сообщений. Принципиальное различие между ними состоит в том, что масштабируемость в распределенных системах требует линейного увеличения производительности системы и количества серверов (узлов), что для блокчейна принципиально недостижимо из-за децентрализации.

Архитектура Блокчейна: Определение и Обзор

Каждый блокчейн, существующий сегодня в криптопространстве, представляет собой многокомпонентную систему взаимосвязанных элементов, правильная работа каждого из которых обеспечивает стабильность всей архитектуры блокчейна. Архитектура – это набор уровнией, на каждом из которых выполняются определенные процессы, так или иначе влияющие на отдельные аспекты работоспособности сети и определяющие возможность ее масштабирования.

Аппаратный Уровень

Уровень аппаратной инфраструктуры — это самый фундаментальный уровень блокчейна. В нем размещаются узлы, которые обрабатывают и хранят транзакции реестра. Одноранговые сети являются основой блокчейн-платформ. В этой сети узлы соединяются между собой для обмена данными между различными устройствами. Каждому узлу в сети разрешено произвольное отслеживание данных во время транзакций.

Отличительной особенностью блокчейн-сетей является то, что независимо от того, какая группа узлов проверяет только что добытый блок, информация о нем обновляется для всех узлов одновременно. Следовательно, узел проверки действует в этом случае как сервер, а узлы обновления в этом случае действуют как клиент. Такая система, в которой каждый узел может выступать как сервером, так и клиентом, основана на аппаратном уровне, основной целью которого является обеспечение защищенности криптографического реестра блокчейна от несанкционированного доступа путем проверки и хранения транзакций блокчейна в децентрализованным образом.

Для достижения этой цели создается распределенная база данных, в которой вся информация хранится в прозрачном и хронологическом формате блокчейна. Все данные или транзакции, происходящие в блокчейне, проверяются на этом уровне с использованием различных механизмов консенсуса.

Уровень Данных

Уровень данных – это безопасная и стабильная цепочка, которая действует как база данных для хранения информации о транзакциях. Как только узлы проверяют заданное количество транзакций, они добавляются в блок и связываются с предыдущим блоком в цепочке (за исключением первичного блока, который является первым блоком в цепочке). Каждый блок содержит важные детали, такие как корневой хеш дерева Меркла, хеш предыдущего блока, дату и другие соответствующие данные. Это обеспечивает безопасность, целостность и неизменяемость системы.

Каждая транзакция блокчейна использует цифровую подпись, созданную с использованием закрытого ключа, хранящегося в кошельке отправителя. Поскольку этот ключ доступен только отправителю, никто не может получить доступ к данным. Кроме того, цифровая подпись защищает личность владельца, которая зашифрована в целях безопасности. Этот этап процесса называется «завершением».

Сетевой Уровень

Сетевой уровень — это третий уровень архитектуры блокчейна, также называемый одноранговым уровнем. Он отвечает за управление и поддержку сетевой инфраструктуры блокчейна и является уровнем распределения, на котором происходит создание блоков, добавление блоков и связь между узлами. Узлы и майнеры используют вычислительную мощность для решения сложных математических задач на этом уровне, чтобы последовательно передавать транзакционные данные по одноранговой сети и проверять транзакции. Таким образом сетевой уровень обеспечивает легитимность транзакций.

Одноранговый уровень структуры блокчейна позволяет узлам обмениваться данными о транзакциях и договариваться об их действительности. Этот сетевой уровень отвечает за обеспечение P2P-связи между узлами и иногда его также называют уровнем «разветвления». Он содержит такие механизмы, как механизмы P2P-сетей, передачи данных и проверки.

Уровень Консенсуса

Уровень консенсуса имеет решающее значение для блокчейна. Он устанавливает правило консенсуса между узлами и отвечает за критически важные функции блокчейна. Консенсус достигается децентрализованным способом, что означает отсутствие необходимости в центральном органе власти. Данные транзакций контролируются несколькими узлами, и все они должны аутентифицировать транзакции друг друга и согласовывать их. Если уровень консенсуса выходит из строя, вся система блокчейна также выходит из строя.

Уровень консенсуса гарантирует, что все узлы в сети смогут проверять и согласовывать данные транзакций, тем самым гарантируя, что каждая деталь, хранящаяся в блокчейне, одобрена каждым узлом. Этот уровень включает в себя алгоритмы и протоколы, которые позволяют нескольким компьютерам достичь соглашения при создании новых блоков или изменении существующих записей.

Прикладной Уровень

На прикладном уровне находятся программы, которые обеспечивают детерминированный характер блокчейна. Они упрощают взаимодействие потребительских устройств с блокчейном и представляют собой интерфейс, обращенный к пользователю. Стек блокчейна, в свою очередь, действует как серверная часть. Разработчики могут развертывать программы поверх этого стека и заставлять компьютер их выполнять.

Прикладной уровень сети блокчейн состоит из скриптов, API, пользовательских интерфейсов, платформ, смарт-контрактов и dApps. Он разделен на две части: уровень приложения и уровень исполнения. Первый инициирует транзакции, а второй осуществляет процесс проверки. Наконец, их выполняет семантический уровень.

Уровни протоколов блокчейна

Архитектуру блокчейна часто представляют как систему иерархического уровня, где каждый уровень имеет свои особенности и функции. Независимо от того, какой метод консенсуса используется в архитектуре блокчейна, уровни предлагают ряд решений для масштабирования сети. Давайте подробнее рассмотрим эти слои.

Уровень 0

Протокол L0 составляет основу архитектуры блокчейна L1. Одним из подходов к устранению препятствий совместимости и адаптируемости, с которыми в настоящее время сталкивается технология блокчейна, является протокол L0, основа сетей и приложений блокчейна.

Сети, созданные по одному протоколу L0, могут автоматически связываться друг с другом без использования специальных мостов. Блокчейны в экосистеме могут опираться на функции и варианты использования друг друга, применяя разные протоколы передачи между цепями или протоколами L0. Зачастую это приводит к сокращению времени транзакций и повышению эффективности.

В большинстве случаев протоколы L0 действуют как основной блокчейн, поддерживая данные транзакций из нескольких цепочек L1. В дополнение к сетевым протоколам, которые позволяют передавать токены и данные между отдельными криптографическими реестрами, существуют цепочки L1, построенные на основе протоколов L0. В зависимости от протокола L0 архитектура и соединения этих трех компонентов могут сильно различаться.

Уровень 1

Распределенные реестры уровня 1 включают блокчейны, которые обрабатывают и завершают транзакции внутри себя. Этот уровень выполняет масштабные и важные задачи, поддерживающие основы сети: языки программирования, разрешение споров, метод консенсуса и ограничения.

Популярным методом масштабирования уровня 1 для увеличения пропускной способности транзакций является сегментация. Этот тип метода разделения базы данных можно использовать с распределенными реестрами в блокчейнах. Сеть и ее узлы разделены на несколько сегментов для распределения рабочей нагрузки и увеличения пропускной способности транзакций. Каждый сегмент контролирует часть сетевой активности. Поэтому каждый фрагмент имеет свои транзакции, узлы и отдельные блоки.

Уровень 2

Решения уровня 2 – это инфраструктурные решения в виде приложений и программного обеспечения, созданные на основе базовых блокчейнов. Они могут обрабатывать большие объемы транзакций и снижать нагрузку на базовую сеть. Сейчас существует несколько вариантов решений второго уровня: сайдчейны, каналы состояний, а также оптимистические и ZK-коллапы. Решения уровня 2 предназначены для обхода ограничений масштабируемости, изоляции и низкой гибкости для разработчиков.

Уровень 3

Уровень 3, также известный как уровень приложений, представляет собой арену для децентрализованных сетевых приложений и служб, а также протоколов их использования. Хотя некоторые блокчейны, такие как Ethereum или Solana (SOL), поддерживают стабильную экосистему приложений уровня 3, Биткойн для этого не подходит. Решения уровня 2 базовой сети Биткойн в настоящее время являются наиболее популярными. Некоторые проекты пытаются интегрировать возможности DApp в экосистему BTC через развилки исходной сети.

Заключение

Распределенный реестр – это сложная система, которая служит основой для различных цифровых продуктов, криптовалютных приложений и проектов. Поскольку сети блокчейнов различных криптовалют продолжают развиваться и улучшать масштабируемость, использование технологии распределенного реестра станет более распространенным. Этот тип технологии открывает множество потенциальных применений, которые могут оказать серьезное влияние на нашу жизнь и то, как мы ведем бизнес.

Автор

Александр ШишкановВедущий автор / менеджер проектов

Проверил

Антон БойковВедущий автор, отдел контента, департамент маркетинга