Как использовать возможности блокчейна? Поймите его 5 технологических слоев

Технология блокчейн принесла значительную революцию в способе хранения и передачи данных. Она считается одним из самых новаторских изобретений 21-го века. Однако из-за кажущейся сложности ее 5 технологических слоев многие пользователи остаются в неведении относительно ее фундаментальной структуры.

В своей основе блокчейн — это децентрализованный и распределенный реестр, который обеспечивает безопасные, прозрачные и неизменяемые транзакции. Он функционирует через сеть компьютеров, которые проверяют и записывают каждую транзакцию в серии зашифрованных блоков, которые затем связываются вместе, образуя цепочку. Хотя такие криптовалюты, как Bitcoin и Ethereum, популяризировали эту технологию в последние годы, ее применение выходит далеко за рамки только цифровых валют.

Чтобы полностью понять возможности и потенциал технологии блокчейн, необходимо понять множественные слои, которые обеспечивают ее функциональность и эффективность. Бизнесы и инвесторы, желающие использовать блокчейн для своих операций или инвестиций, должны приобрести всестороннее понимание этих базовых компонентов.

Ключевые преимущества технологии блокчейн включают прозрачность, повышенную безопасность, увеличенную эффективность, снижение операционных затрат и устранение посредников. С появлением Web 3.0 и технологии распределенного реестра (DLT) понимание различных слоев блокчейна становится критически важным. Эти слои играют жизненно важную роль в общей архитектуре систем блокчейна, обеспечивая бесперебойное функционирование и организацию децентрализованных сетей. В следующих разделах мы рассмотрим важность этих слоев и то, как они способствуют работе технологии блокчейн.

Компоненты технологии блокчейн

Приложение узла: Приложение узла позволяет любому компьютеру, подключенному к интернету, участвовать в экосистеме блокчейна. Примеры приложений узла включают кошельки Bitcoin и платформы блокчейна. В некоторых случаях, таких как банковская цепочка, участие может быть ограничено определенными субъектами, такими как банки.

Распределенный/Общий реестр (База данных): Система блокчейна использует распределенный реестр, который позволяет участникам получать доступ к общим базам данных и контенту. Реестр содержит набор правил, которым необходимо следовать. Например, в приложении узла bitcoin необходимо соблюдать правила кода программы.

Алгоритм консенсуса: Алгоритмы консенсуса жизненно важны для функциональности и безопасности сети блокчейна. Они обеспечивают целостность и согласованность данных блокчейна. Алгоритм консенсуса определяет, как узлы сети соглашаются, какие транзакции принимать. Кроме того, устойчивость блокчейна к несанкционированным изменениям достигается требованием регенерации всех последующих блоков, если в блок вносится любое изменение.

Виртуальная машина: Виртуальная машина — это программное представление машины, реальной или гипотетической, которой можно управлять с помощью инструкций на определенном языке. Она абстрагирует физические объекты или сущности в виртуальные аналоги на компьютере. Например, кнопка графического приложения на экране вызывает изменение состояния программы внутри компьютера.

Одноранговая (P2P) сеть: Одноранговая сеть — это децентрализованная модель, в которой множество одноранговых узлов взаимодействуют без опоры на центральный сервер. В сетях блокчейна каждый узел действует как клиент и сервер, совместно предоставляя и управляя данными. Эта одноранговая архитектура повышает доступность данных и снижает риск потери информации.

Распутывая многоуровневую архитектуру технологии блокчейн

В архитектуре распределенной сети, такой как блокчейн, каждый участник сети несет ответственность за поддержание, проверку и обновление новых записей. Структура технологии блокчейн основана на коллекции блоков, содержащих транзакции, которые расположены в определенном порядке. Эти списки могут храниться как плоский файл в формате TXT или в простой базе данных. Архитектура блокчейна может принимать различные формы, такие как публичные, частные или консорциумные сети.

Архитектура блокчейна обычно классифицируется на шесть различных уровней. Давайте рассмотрим эти уровни и их значение в контексте технологии блокчейн.

Слой аппаратной инфраструктуры

Слой аппаратной инфраструктуры относится к физическим компонентам и серверам, где хранится содержимое блокчейна в центрах обработки данных по всему миру. В архитектуре клиент-сервер клиенты запрашивают данные или контент у серверов приложений при просмотре веб-страниц или использовании приложений.

Слой одноранговой сети

В блокчейне слой одноранговой (P2P) сети позволяет клиентам напрямую подключаться к другим узлам для обмена данными. Он создает большую сеть компьютеров, которые совместно вычисляют, проверяют и записывают транзакции в общий реестр. Каждый компьютер, участвующий в сети, называется узлом, и они вместе образуют распределенную базу данных, хранящую все данные и транзакции.

Слой данных

Слой данных блокчейна относится к структуре самого блокчейна. Он представлен в виде связанного списка блоков, в которых транзакции упорядочены. Структура данных состоит из блоков, соединенных в цепочку, при этом каждый блок содержит данные и указатели на предыдущий блок. Кроме того, дерево Меркла, бинарное дерево хешей, играет ключевую роль в обеспечении безопасности, целостности и неопровержимости в системе блокчейн.

Слой безопасности и целостности

Для защиты безопасности и целостности данных транзакции в блокчейне подписываются цифровыми подписями. Транзакции подписываются с использованием закрытого ключа, и подпись может быть проверена любым лицом, имеющим соответствующий открытый ключ. Цифровые подписи обеспечивают неизменность и подлинность данных, делая их устойчивыми к подделке или манипуляциям.

Слой сети

Слой сети, также известный как слой P2P или слой распространения, обеспечивает межузловую коммуникацию внутри сети блокчейн. Он способствует обнаружению узлов, распространению транзакций и синхронизации блоков. Слой сети гарантирует, что узлы могут находить и взаимодействовать друг с другом, позволяя сети блокчейн оставаться в согласованном и легитимном состоянии.

Слой консенсуса

Слой консенсуса является критически важным компонентом любой платформы блокчейн. Он проверяет и упорядочивает блоки, обеспечивая согласие среди участников сети. Независимо от того, является ли это Ethereum, Hyperledger или другим блокчейном, слой консенсуса играет жизненно важную роль в поддержании целостности и надежности блокчейна, обеспечивая достижение и поддержание консенсуса во всей сети.

Слой приложений

В архитектуре блокчейна слой приложений включает смарт-контракты, цепной код (chaincode) и децентрализованные приложения (DApps). Этот слой далее делится на слой приложений и слой выполнения, каждый из которых выполняет свои уникальные функции.

Слой приложений состоит из программ, которые позволяют конечным пользователям взаимодействовать с сетью блокчейн. Он включает скрипты, интерфейсы прикладного программирования (API), пользовательские интерфейсы и фреймворки. Эти компоненты обеспечивают бесперебойную связь между пользователями и сетью блокчейн. Пользователи могут получать доступ и использовать функциональность блокчейна через эти приложения, в то время как API служат средством связи между приложениями и базовой сетью блокчейн.

Слой выполнения, с другой стороны, включает смарт-контракты, цепной код и базовые правила. Смарт-контракты — это самоисполняющиеся контракты с заранее определенными условиями и правилами, закодированными в блокчейне. Цепной код относится к коду, который выполняется на платформе блокчейн, управляя выполнением смарт-контрактов и транзакций. Эти компоненты являются частью слоя выполнения, отвечающего за обеспечение логики и правил сети блокчейн.

Когда происходит транзакция, она переходит из слоя приложений в слой выполнения. Однако именно на семантическом уровне внутри слоя выполнения транзакция проверяется и выполняется. Приложения предоставляют инструкции слою выполнения, который затем осуществляет транзакцию и обеспечивает детерминированный характер блокчейна. Это означает, что результат транзакции определяется правилами и логикой, указанными в слое выполнения, что добавляет доверия и надежности сети блокчейн.

Уровни протоколов блокчейна

Уровень 0 в технологии блокчейн

Уровень 0 представляет собой базовую сетевую архитектуру технологии блокчейн, служащую фундаментом всего протокола блокчейн. Он играет ключевую роль в обеспечении необходимой инфраструктуры для эффективного функционирования сети блокчейн.

В своей основе уровень 0 использует нативные токены, широко известные как криптовалюты, для обеспечения разработки и активного участия в сети. Эти нативные токены служат основным средством передачи ценности и стимулирования внутри экосистемы блокчейн.

Несколько известных протоколов блокчейн работают на уровне 0 и имеют связанные с ними нативные токены. К ним относятся:

Bitcoin ($BTC): Bitcoin — это пионерская криптовалюта и самый известный пример протокола блокчейна Layer 0. Он работает в собственной сети и опирается на инфраструктуру Layer 0 для обеспечения безопасных одноранговых транзакций и поддержания реестра блокчейна.

Ethereum ($ETH): Ethereum, еще один заметный протокол блокчейна Layer 0, внедряет функциональность смарт-контрактов в экосистему блокчейна. Он позволяет разрабатывать и выполнять децентрализованные приложения (DApps) и предоставляет платформу для создания и развертывания смарт-контрактов с использованием его нативной криптовалюты, Ether.

Polkadot ($DOT): Polkadot — это мультичейн-платформа, работающая на Layer 0, направленная на обеспечение совместимости между различными сетями блокчейна. Она облегчает межцепочечную коммуникацию и позволяет осуществлять бесшовную передачу активов и данных между разрозненными блокчейнами.

Уровень 0 также включает различные важные компоненты, такие как интернет, оборудование и инфраструктура подключения, необходимые для эффективной работы сети блокчейн. Кроме того, он устанавливает фундаментальные протоколы и стандарты, регулирующие экосистему блокчейн, включая механизмы консенсуса, структуры данных и протоколы сетевой коммуникации.

Обеспечивая прочную основу, уровень 0 позволяет развивать и расширять последующие уровни в стеке технологий блокчейн, способствуя инновациям, масштабируемости и интероперабельности во всей экосистеме.

Уровень 1 в технологии блокчейн

Уровень 1, также известный как уровень реализации, строится на фундаменте, предоставленном уровнем 0, и охватывает основную функциональность сети блокчейн. Он отвечает за хранение фактических данных в блокчейне и играет ключевую роль в обеспечении точности и защищенности от несанкционированного изменения информации блокчейна.

В уровне 1 данные организованы в блоки, которые представляют собой наборы транзакций, проверенных и подтвержденных узлами сети. Эти блоки присоединяются к блокчейну в линейном хронологическом порядке, образуя неизменяемый реестр, который является сердцем технологии блокчейн.

Известные сети блокчейн, такие как Bitcoin, Ethereum, Cardano и Ripple, работают на уровне 1, используя свои соответствующие протоколы для хранения и защиты данных блокчейна. Однако масштабируемость остается проблемой для блокчейнов уровня 1, поскольку любые изменения или проблемы в базовых протоколах уровня 0 могут повлиять на их производительность.

Традиционно системы блокчейна уровня 1, полагающиеся на механизмы консенсуса Proof-of-Work (PoW), такие как Bitcoin и сеть Ethereum до слияния (Merge), сталкивались с проблемами масштабируемости по мере роста сети. Увеличение числа участников требует большей вычислительной мощности, что приводит к повышению комиссий за транзакции (газовых сборов) и увеличению времени обработки.

Чтобы решить эти проблемы масштабируемости, блокчейны уровня 1 переходят к системам Proof-of-Stake (PoS), которые требуют значительно меньше энергии. Кроме того, шардинг, техника, используемая некоторыми системами PoS, помогает улучшить масштабируемость за счет разделения вычислительной нагрузки.

Уровень 2 в технологии блокчейн

Протоколы уровня 2, также называемые решениями для масштабирования, работают поверх уровня 1 и обеспечивают механизмы для достижения более высокой пропускной способности транзакций и снижения комиссий. Эти решения позволяют осуществлять некоторые транзакции вне цепи (off-chain), снижая нагрузку на экосистему уровня 1 и позволяя проводить более дешевые и быстрые транзакции.

Одним из заметных примеров решения уровня 2 является сеть Lightning Network, реализованная поверх блокчейна Bitcoin. Сеть Lightning Network обеспечивает быстрые и экономичные микроплатежи, позволяя выполнять транзакции вне цепи, при этом используя безопасность базового блокчейна уровня 1.

Сайдчейны (sidechains) — еще один тип решений уровня 2, позволяющий улучшить масштабируемость и функциональность. Примером является сеть Ronin, используемая популярной NFT-игрой Axie Infinity. Ronin работает как сайдчейн сети Ethereum, предлагая отдельную среду для проведения транзакций, связанных с игрой. Этот подход помогает смягчить высокие газовые сборы, связанные с системой PoW Ethereum до слияния в 2022 году.

Решения уровня 2 играют ключевую роль в расширении возможностей блокчейнов уровня 1, делая их более масштабируемыми, эффективными и экономичными, при этом сохраняя безопасность и децентрализацию, обеспечиваемые базовой инфраструктурой уровня 1. Будучи уровнем реализации, уровень 1 строится на уровне 0 и поддерживает основную функциональность сети блокчейн. Примерами блокчейнов уровня 1 являются Bitcoin, Ethereum, Cardano и Ripple. Однако масштабируемость остается проблемой на этом уровне, поскольку любые изменения или проблемы в базовых протоколах уровня 0 могут повлиять на уровень 1.

Уровень 3 в технологии блокчейн

Уровень 3, известный как уровень приложений, служит хостом для децентрализованных приложений (dApps) и различных протоколов, которые обеспечивают работу различных приложений в экосистеме блокчейн. Этот уровень важен для достижения настоящей интероперабельности и поддержки разработки практических вариантов использования технологии блокчейн.

Внутри уровня 3 есть подуровни, которые помогают обеспечить эффективное разделение и организацию протоколов блокчейн. Одним из таких подразделений являются подуровни приложений и выполнения, которые работают вместе для обеспечения бесперебойной работы приложений блокчейн.

Уровень 3 играет ключевую роль в предоставлении пользовательских интерфейсов (UI), которые позволяют людям взаимодействовать с блокчейном. Эти интерфейсы обеспечивают бесперебойную связь и взаимодействие с различными децентрализованными приложениями, включая те, что находятся в развивающейся сфере децентрализованных финансов (DeFi). Примерами приложений уровня 3 являются децентрализованные биржи, платформы обеспечения ликвидности, приложения для стейкинга и провайдеры кошельков.

Децентрализованные криптовалютные биржи, такие как Uniswap и PancakeSwap, являются примерами интерфейсов уровня 3, которые позволяют пользователям обменивать криптовалюты в одноранговом режиме. Провайдеры кошельков, такие как Binance и Coinbase, также работают на этом уровне, предоставляя пользователям безопасное хранение и управление их цифровыми активами.

Кроме того, уровень 3 включает протоколы и платформы, которые обеспечивают управление ликвидностью, такие как Compound и Aave. Эти протоколы облегчают кредитование, заимствование и фарминг доходности, позволяя пользователям взаимодействовать со своими активами и получать доход в рамках экосистемы блокчейн.

Размещая dApps и предоставляя удобные пользовательские интерфейсы, уровень 3 приближает технологию блокчейн к реальному внедрению и удобству использования. Его возможности выходят за рамки простых интерфейсов, обеспечивая внутрицепочечную и межцепочечную операционную совместимость и позволяя пользователям взаимодействовать с приложениями блокчейн простым и интуитивно понятным образом.

Заключение

Понимание уровней технологии блокчейн имеет решающее значение для раскрытия ее полного потенциала. Различные уровни, от уровня 0 до уровня 3, обеспечивают фундамент, решения для масштабирования, данные транзакций и приложения, необходимые для надежной экосистемы блокчейн.

Масштабируемость остается серьезной проблемой для технологии блокчейн, но разработчики активно работают над решениями для устранения этой проблемы. Улучшение масштабируемости необходимо для достижения глобального массового внедрения блокчейна и реализации его трансформирующего потенциала во всех отраслях.

Хотя технология блокчейн предлагает огромные возможности, важно устранять уязвимости в безопасности на каждом уровне. Необходимы комплексные аудиты и надежные меры безопасности для снижения потенциальных рисков и обеспечения целостности системы блокчейн.

Несмотря на трудности, технология блокчейн продолжает развиваться и революционизировать различные сектора. Понимая уровни и масштабируемость блокчейна, бизнес, инвесторы и разработчики могут использовать его преимущества для создания безопасных, прозрачных и эффективных решений.

Будущее технологии блокчейн заключается в продолжении исследований, разработки и сотрудничества. Правительства, организации и частные лица все чаще признают ценность блокчейна и его потенциальные приложения. Благодаря постоянным достижениям, блокчейн имеет потенциал переопределить технологии, управление данными и способы проведения транзакций в цифровой экономике.

В заключение, технология блокчейн обладает огромным потенциалом, и, понимая ее уровни и решая проблемы масштабируемости, мы можем раскрыть ее полный потенциал для более безопасного, прозрачного и эффективного цифрового будущего.