معماری بلاک چین Blockchain

اجزاء، ساختار، مزایا و ایجاد بلاک چین ( Blockchain )

انتشار محتوای سایت ایران سایبر فقط با ذکر منبع رسمی مجاز است

اصطلاح بلاک چین blockchain برای اولین بار در سال ۱۹۹۱ مطرح شد و گروهی از محققان خواستار ایجاد یک ابزاری برای تایید اسناد زمانبندی شده دیجیتالی شدند به طوری که قابل بازگشت به عقب و یا تغییر نباشند .

این تکنیک توسط Satoshi Nakamoto اقتباس شده و دوباره ساخته شد. در سال ۲۰۰۸، ناکاموتو نخستین فرآیند رمزنگاری را ایجاد کرد و این فرآیند مبتنی بر Blockchain را  بیت کوین Bitcoin نامید .

به طور کلی ، فن آوری بلاک چین blockchain دارای ویژگی های زیادی است از اصلی ترین ویژگی آن غیر متمرکز بودن ، قابلیت اکانتینگ و امنیت است . این تکنیک می تواند کارایی عملیاتی را بهبود بخشده و هزینه ها را به میزان قابل توجهی کاهش دهد تقاضا و استفاده از برنامه های ساخته شده در معماری بلاک چین blockchain فقط تکامل خواهد یافت بنابراین اکنون زمان مناسبی برای تحصیل و پژوهش در این موضوع است.

ساختار بلاک چین blockchain اجزای آن و تعامل آنها به شرح زیر می باشد :

• Nodes within P2P network

• Properties of block & genesis block

• Transactions within the ledger

• The validation process – mining

• The “consensus” within a blockchain architecture

• Proof-of-work

ابتدا باید بینش های کلیدی را یاد بگیریم تا به راحتی بتوانیم درکی از چگونگی تکنولوژی بلاک چین blockchain داشته باشیم . شاید این پژوهش انجام شده ، شما را تشویق به فکر کردن بیشتر در مورد ساختن راه حل های مختلف Blockchain خود کند .

معماری بلاک چین blockchain چیست؟

برای شروع ابتدا باید این سوال را از خود بپرسیم که بلاک چین blockchain چیست ؟ به طور منطقی ، blockchain زنجیره ای از بلوک ها که حاوی اطلاعات خاص (پایگاه داده) هستند و در یک متدولوژی مطمئن و واقعی با هم در شبکه (peer to peer) گروه بندی می شوند . به عبارت دیگر ، بلاک چین blockchain ترکیبی از کامپیوترهای متصل به یکدیگر به جای یک سرور مرکزی است ، به این معنی که کل شبکه غیر متمرکز است.

به عنوان مثال مفهوم blockchain را می توان با کار انجام شده در Google Docs مقایسه کرد

تکنیک بلاک چین blockchain این اجازه را می دهد تا اطلاعات دیجیتالی به جای کپی شدن توزیع شود این تکنیک توزیع شده شفافیت، اعتماد و امنیت اطلاعات را فراهم میکند . معماری بلاک چین blockchain به طور گسترده ای در حوزه مالی مورد استفاده قرار می گیرد. با این حال امروزه این تکنولوژی نه تنها برای رمزنگاری ارزها بلکه برای حسابداری، دفتر اسناد دیجیتال و قراردادهای هوشمند نیز استفاده می شود.

معماری بانک اطلاعاتی در مقابل بلاک چین blockchain

کلاینت – سرور در مقابل شبکه P2P

همانطور که می دانید معماری سنتی World Wide Web از یک شبکه سرویس گیرنده استفاده می کند و در آن ، سرور تمام اطلاعات مورد نیاز را در یک مکان نگه می دارد تا فرآیند به روز رسانی آسان تر باشد . و دلیل این امر این است که سرور یک پایگاه داده متمرکز است که توسط تعدادی از مدیران با مجوز کنترل می شود.

در مورد شبکه توزیع شده معماری بلاک چین blockchain هر کاربر درون شبکه می تواند مطالب جدید را تأیید و به روز رسانی کند . این سیستم نه تنها توسط کاربران جداگانه کنترل می شود ، بلکه توسط افراد درون شبکه بلاک چین blockchain نیز کنترل می شود . هر عضو تضمین می کند که تمام پرونده ها و رویه ها با نظم و ترتیب خاصی است که موجب اعتبار و امنیت داده ها می شود . بنابراین احزاب و بخش های مختلف که لزوما به یکدیگر اعتماد ندارند قادر به دستیابی به توافق مشترک هستند.

اگر بخواهم به طور خلاصه بیان کنم : تکنولوژی بلاک چین blockchain یک حساب کاربری غیرمتمرکز، توزیع شده (عمومی یا خصوصی) از انواع تبادلات انجام شده در یک شبکه P2P یا نظیر به نظیر است . این شبکه متشکل از رایانه های بسیاری است ولی داده ها را بدون اجماع کل شبکه (هر یک از کامپیوترهای جداگانه) تغییر نمی دهند.

ساختار تکنولوژی بلاک چین blockchain لیستی از بلوک هایی است که با یک نظم و ترتیب خاصی نمایش داده می شود . این لیست ها می توانند به عنوان یک فایل (فرمت TXT) یا به صورت یک پایگاه داده ساده ذخیره شوند . دو ساختار داده حیاتی که در بلاک چین blockchain استفاده می شود عبارتند از:

• اشاره گرها – متغیرهایی هستند که اطلاعات مربوط به محل متغیرهای دیگر را نگه داری می کنند و طور مشخص به موقعیت متغیر دیگر اشاره دارد

• لیست های مرتبط – یک رشته ای از بلوک ها است که در آن هر بلوک دارای اطلاعات خاص بوده و پیوند به بلوک بعدی با کمک یک اشاره گر است .

فرآیند هش شدن بلاک چین blockchain

به لحاظ منطقی اولین بلوک حاوی اشاره گر نیست چون اولین بلوک در زنجیره اول است و همزمان به طور بالقوه یک بلوک نهایی که در زنجیره آخر قرار دارد در پایگاه داده بلاک چین blockchain می باشد که یک اشاره گر بدون مقدار دارد .

نمودار توالی بلاک چین blockchain زیر یک لیست متصل شده از رکوردها و مقدارها است :

ساختار Blockchain

معماری بلاک چین Blockchain می تواند  اهداف زیر را برای سازمان ها و شرکت ها داشته باشد :

• کاهش هزینه – صرفه جویی در نگهداری منابع پایگاه داده (به عنوان مثال بانک ها، موسسات دولتی) با نگه داشتن اطلاعات جاری پایگاه داده ها می توان صرفه جویی مالی و زمانی زیادی از جرایم اینترنتی و دیگر اهداف فاسد و غیر مجاز داشت .

• تاریخچه داده ها – در ساختار بلاک چین blockchain می توان تاریخچه هر تراکنش را در هر لحظه از زمان بررسی کرد . این فرآیند را می توان یک آرشیو در حال رشد دانست ، در حالی که یک پایگاه داده متمرکز بیشتر یک عکس فوری از اطلاعات در یک نقطه خاص است .

• امنیت و تایید داده ها – با توجه به ماهیت و ساختار بلاک چین blockchain هنگامی که وارد این فناوری شوید متوجه می شوید که دست کاری داده ها بسیار سخت است و انجام تایید رکوردها یا تراکنش ها زمان زیادی صرف می شود . از آنجا که این روندها در هر یک از شبکه های کامپیوتری به طور مستقل انجام می شود و از پردازش همزمانی استفاده نمی کند طبیعتا سیستم را فدای عملکرد می کند ، اما امنیت اطلاعات و اعتبار بالایی را تضمین می کند .

گره های عمومی در مقابل Blockchains خصوصی

تمام سازه های بلاک چین blockchain به سه دسته تقسیم می شوند :

• معماری عمومی بلاک چین blockchain

یک معماری عمومی بلاک چین blockchain به این معنی است که داده ها و دسترسی به سیستم برای هر کسی که مایل باشد در آن شرکت کند (مانند Bitcoin، Ethereum و Litecoin system blockchain عمومی) در دسترس باشد .

• معماری خصوصی بلاک چین blockchain

معماری خصوصی blockchain یک سیستم خصوصی است که تنها توسط کاربران از یک سازمان خاص یا کاربران مجاز که دعوت به مشارکت می کنند ، کنترل می شود.

Consortium معماری بلاک چین blockchain

این نوع ساختار blockchain می تواند شامل چند سازمان باشد . در یک کنسرسیوم ، روش ها توسط کاربران تعیین می شود و توسط کاربران تعیین شده ، کنترل نیز می شوند.

جدول زیر مقایسه های دقیق در میان این سه معماری است :

همانطور که اشاره شد ، تکنولوژی blockchain در اصل یک مجله توزیع شده است که تمام بخش ها و احزاب دارای دسترسی به کپی محلی را دارند  با این حال، بر اساس نوع ساختار blockchain و زمینه آن ، سیستم می تواند بیشتر متمرکز و یا غیر متمرکز باشد . این مسئله به طراحی معماری بلاک چین blockchain اشاره می کند و این موضوع را کنترل می کند.

هسته اصلی معماری بلاک چین blockchain : چگونه کار می کند

اجزای اصلی معماری هسته بلاک چین blockchain :

• Node : کاربر یا رایانه درون معماری بلاک چین blockchain (هر کدام یک کپی مستقل از کل کتابخانه بلاک چین)

• Transaction : کوچکترین بلوک ساختمان یک سیستم بلاک چین blockchain (سوابق، اطلاعات، و غیره) که به عنوان هدف blockchain عمل می کند

• Block : ساختار داده ای که برای نگهداری مجموعه ای از تراکنش ها است و در تمام گره ها در شبکه توزیع می شود

• Chain : دنباله ای از بلوک ها در یک سفارش خاص

• Miners : گره های خاصی که قبل از اضافه کردن هر چیزی به ساختار بلاک چین ، روند تأیید بلوک را انجام می دهند

• Consensus (پروتکل اجماع) – مجموعه ای از قوانین و ترتیبات برای انجام عملیات blockchain

هر رکورد یا تراکنش جدید در بلاک چین blockchain  مستلزم ساخت یک بلوک جدید است. هر رکورد پس از تایید شدن برای اثبات درست بودن آن به صورت دیجیتالی امضاء می شود و قبل از اینکه بلوک به شبکه اضافه شود باید توسط اکثر گره ها در سیستم تأیید شود .

نمودار معماری blockchain زیر نشان می دهد که چگونه به صورت یک کیف پول دیجیتال کار می کند.

اکنون نگاهی دقیق تر به یک بلوک در blockchain خواهیم داشت

 هر بلوک blockchain شامل:

• داده های خاص

• هش بلوک

• هش از بلوک قبلی

داده های ذخیره شده درون هر بلوک بستگی به نوع بلاک چین blockchain آن دارد . به عنوان مثال، در ساختار Blockchain Bitcoin ، بلوک اطلاعات مربوط به گیرنده، فرستنده و مقدار سکه را حفظ می کند.

هش شبیه یک اثر انگشت است (رکورد طولانی شامل برخی از اعداد و حروف) هر هش بلوک ، با کمک الگوریتم هش رمزنگاری (SHA 256) تولید می شود در نتیجه ، این فرایند به راحتی به ما کمک می کند تا هر بلوک در ساختار blockchain شناسایی شود . لحظه ای که یک بلوک ایجاد می شود آن را به طور خودکار با هش ضمیمه میکند لذا هر تغییری که در یک بلوک انجام می شود هش را نیز تحت تاثیر قرار داده و به سادگی می توان بیان کرد که هش ها به شناسایی هر گونه تغییر در بلوک کمک می کند.

عنصر نهایی درون بلوک هش از بلوک قبلی آن گرفته می شود . این فرآیند یک زنجیره ای از بلوک ها را ایجاد می کند و عنصر اصلی امنیتی معماری بلاک چین محصوب می شود . به عنوان مثال ، بلوک ۴۵ امتیاز برای بلوک ۴۶٫

اولین بلوک در یک زنجیره ، کمی خاص است و تمام بلوک های تأیید شده و معتبر از بلوک پیدایش اولیه استخراج می شود .

هر گونه تلاش اشتباه و مخرب باعث تحریک بلوک ها دیگر می شود . سپس تمام بلوک های بعدی اطلاعات نادرستی را ارائه می دهند و کل سیستم Blockchain نامعتبر می شود . از سوی دیگر در حالت تئوری ، می توان تمام بلوک ها را با کمک پردازنده های قوی کامپیوتری تنظیم کرد . با این حال یک راه حل وجود دارد که این امکان را به نام اثبات کاری حذف می کند و به کاربر اجازه می دهد تا روند ایجاد بلوک های جدید را کاهش دهد. در معماری بیت کوین ، Blockchain  حدود ۱۰ دقیقه طول می کشد تا کار لازم را انجام دهد و یک بلوک جدید را به زنجیره اضافه کند. این کار توسط ماینر ها انجام می شود ( گره های ویژه در ساختار Blockchain Bitcoin )

  ماینرها هزینه های معامله از بلوک که به عنوان پاداش تایید می شود را می توانند حفظ کنند .

 هر کاربر جدید (گره) که به شبکه peer-to-peer blockchain وارد شود می تواند یک نسخه کامل از سیستم را دریافت کند . هنگامی که یک بلوک جدید ایجاد می شود ، به هر گره درون سیستم blockchain ارسال می شود. سپس هر گره بلوک را بررسی می کند که آیا اطالعات اظهار شده در آن درست است یا خیر. اگر همه چیز درست باشد بلوک به بلوک های محلی دیگر در هر گره اضافه می شود .

تمام گره های داخل معماری بلاک چین یک پروتکل اجماعی ایجاد می کنند که این سیستم اجماعی مجموعه ای از قوانین شبکه است و اگر هر کس از آنها پیروی کند، درون blockchain به خودی خود اعمال می شوند.

به عنوان مثال :

در Blockchain Bitcoin یک قاعده اجماع وجود دارد که میزان معامله باید پس از هر ۲۰۰،۰۰۰ بلوک به نصف برسد. این بدان معنی است که اگر یک بلوک پاداش تایید از ۱۰BTC را تولید کند ، پس از هر ۲۰۰،۰۰۰ بلوک این مقدار باید نصف شود.

حداکثر ۲۱ میلیون بیت کوین BTC در پروتکل بیت کوین سیستم بلاک چین وجود دارد و هنگامی که ماین کنندگان این تعداد را کاوش کردند ، عرضه بیت کوین به پایان می رسد مگر اینکه پروتکل آن تغییر کند.

ایجاد یک معماری بلاک چین blockchain خصوصی

برنامه بلاک چین غیر متمرکز همانند سایر محصولات نرم افزاری نرمال طراحی شده است . مشخصات عملیاتی ، طرح های UX / UI و یک طرح معماری برای توسعه آن ضروری است . این مهم است که عملکرد برنامه ، نقش کاربر  و تعمق کردن در مورد جریان سیستم و تعامل بین کاربران و اطلاعات شناسایی و بررسی شود .

برای ساختن معماری بلاک چین blockchain لازم است موارد زیر را در نظر بگیرید :

• شبکه Blockchain : اشاره به زیرساخت های نرم افزار قرار داده شده در یک محیط خاص در داخل یک یا چند سازمان است.

• کد Blockchain : اشاره به وظایف ، اهداف و راه حل بلاک چین برای توسعه است.

چند راهکار منبع باز وجود دارد که برای ساخت یک ساختار بلاک چین خصوصی استفاده می شود . محبوب ترین در میان آنها Hyperledger توسط بنیاد لینوکس است. این پروژه همچنین توسط آی بی ام و سایر سازمان های معروف فناوری مورد استفاده قرار می گیرد. Composer Hyperledger مجموعه ای از ابزارهایی برای ساختن معماری بلاک چین را فراهم می کند . بعضی از راه حل های دیگر برای ساختن بلوک های خودتان وجود دارد مانند Ethereum و Corda .

ساخت شبکه Blockchain

هنگامی که یک سازمان یا چند نفر تصمیم به پیاده سازی یک فناوری بلاک چین می کنند در گام اول شبکه ای را ایجاد می کنند. برای پیاده سازی کامل و بنیادی ابتدا باید موارد زیرساختی را در نظر بگیریم مثلا چرخه روند استخراج الماس را مثال میزنیم : در طول هر بخش از روند ، از استخراج الماس تا نتیجه نهایی آن، خطرات و چالش های مرتبط با موارد تجاری وجود دارد .

مصرف کنندگان می خواهند مطمئن باشند که آنها الماس های واقعی را خریداری می کنند. نهادهای دولتی می خواهند مالیات و صادرات خود را دنبال کنند بنابراین معماری Blockchain می تواند برای از بین بردن این خطرات استفاده شود.

طرف های درگیر در این مثال عبارتند از:

• سازندگان الماس

• موسسات دولتی

• حمل و نقل الماس

• فروشندگان الماس

در این حوزه ، راه حل های Blockchain این است که تمام این بخش ها را به یک شبکه همکار به هم وصل کند . این کار تمام خطرات ذکر شده را حذف و به ایجاد یک سیستم شفاف کمک می کند . هر کس می تواند به داده های همگام شده دسترسی و “یک کتابخانه متحرک و قابل تغییر” را دریافت کند و بتواند الماس را از تولید به مصرف کننده نهایی پیگیری کند . blockchain ledger دنباله ای از تمام اقدامات رخ داده شده مانند معدن ، پالایش و توزیع الماس را در خود نگه می دارد.

در بیشتر موارد هر سازمان یک کپی از همگام سازی در شبکه خود همراه با پروتکل های هوشمندانه و لایه های فنی شبکه ایجاد می کند (به نام peers) همچنین، به منظور نشان دادن چند فرایند در همان زمان، خدمات همگام سازی وجود دارد . این در میان تمام طرفهای تصمیم گیری در معاملات در ساختار بلاک چین و سفارشات آنها به اشتراک گذاشته شده است.

در موارد چند کاربره ، یک ارائه دهنده خدمات عضویت (MSP) وجود دارد که اجازه دسترسی به کاربران خاص را در داخل شبکه می دهد. در پایان ، تمام معاملات در طول این مسیر در یک فهرست عمومی (به عنوان مثال داده با عکس های الماس ، محل استخراج  ، رنگ، شماره سریال ، محل برش ، تمیز کردن ، فروش ، و غیره) نگهداری می شود. این اطلاعات کامل و معتبر است.

نمودار زیر یک معماری hyperelder سطح بالا برای ایجاد یک راه حل بلاک چین است 

نموداری از Composer Hyperledger

ایجاد کد بلاک چین blockchain

پس از تنظیم شبکه بلاک چین ، گام بعدی توافق نوع معاملات تجاری است که در داخل معماری بلاک اتفاق می افتد. در واقع این قوانین در موافقتنامه های قانونی نوشته شده و به طور منطقی در داخل کد بلاک چین اشاره به قرارداد هوشمند (به عنوان Chaincode یا تعریف یک شبکه تجاری که از Hyperledger Composer نامیده می شود) را دارد .

برای هر تراکنش یک تابع پردازنده تراکنشی نوشته شده است (reflects JavaScript) و مواردی را که پس از انجام تراکنش اتفاق می افتد، مشخص می کند.

مهارت های مورد نیاز برای ساخت معماری بلاک چین

توسعه دهنده بلاک چین وظیفه سختی بر روی دوش خود دارد که نیاز زیادی به مهارت های فنی و زمینه ای پیچیده دارد . به طور کلی برای کار با معماری بلاک چین ، زمینه ای قوی در علوم کامپیوتر و فناوری اطلاعات مورد نیاز است . همچنین، دانش مربوط به روشهای اجماع ، ساختارهای داده ، حسابداری غیر متمرکز ، رمزنگاری و رمزنگاری ارزشیابی و امنیت اطلاعات نیز بسیار مورد نیاز است.

اخیرا فرآیند توسعه بلاک چین با کمک Ethereum و سایر نرم افزارهای مشابه Blockchain ساده شده است . Ethereum یک پلت فرم نرم افزار منبع باز مبتنی بر فن آوری بلاک چین است که اجازه ساخت و استفاده از برنامه های غیر متمرکز (DApps) را می دهد.

با توجه به مهارت های برنامه نویسی مورد نیاز برای توسعه فرآیند بلاک چین ، باید با طیف وسیعی از زبان های برنامه نویسی آشنا شد . اگر هدف این است که یک سیستم blockchain قابل تنظیم را اجرا کنید ، زبان برنامه نویسی مانند C ++، Python، C، Java و Ruby برای انجام این کار کمک می کند. همچنین مهارت های توسعه وب مانند HTML، CSS، Node JS می تواند مفید باشد.

در صورتی که علاقه مند به نوشتن قراردادهای هوشمند هستید (قراردادهای هوشمند برنامه هایی هستند که در سیستم بلاک چین ذخیره می شوند و به صورت خودکار مبادله سکه ها و یا سایر وجوه بر اساس شرایط از پیش تعریف شده را انجام می دهند ) می توانید از Ethereum استفاده کنید و زبان برنامه نویسی مبتنی بر قرارداد ، Solidity است که مورد نیاز می باشد . بجز مهارت های برنامه نویسی سخت، توسعه دهندگان بلاک چین نیاز به درک نیازهای تجاری و عملیاتی ، و نیز داشتن مهارت های همکاری و مذاکره عالی دارند .

ویژگی های کلیدی معماری بلاک چین

معماری Blockchain مزایای زیادی برای کسب و کارها دارد . در اینجا به چند ویژگی جاسازی شده اشاره می کنیم :

• رمزنگاری – Cryptography : معاملات blockchain با توجه به محاسبات پیچیده و اثبات رمزنگاری در میان احزاب مشارکت کننده معتبر و قابل اعتماد هستند

• غیر قابل تغییر بودن – Immutability : هر رکوردی که در blockchain ساخته شده است نمی تواند تغییر کند یا حذف شود

• بررسی مدارک – Provenance : اشاره به این واقعیت است که امکان ردیابی منشاء هر تراکنش در داخل دایرکتوری Blockchain وجود دارد.

• غیر متمرکز بودن – Decentralization : هر عضو ساختار blockchain دسترسی به کل پایگاه داده توزیع شده را دارد.

• ناشناس بودن – Anonymity : هر یک از شرکت کنندگان در شبکه بلاک چین دارای آدرس تولید شده هستند ، نه هویت کاربر . بنابراین این مسئله کاربران را به ویژه در ساختار بلاک چین عمومی ناشناس نگه می دارد

• شفافیت – Transparency : سیستم بلاک چین نمی تواند تخریب شود و بسیار بعید است که این اتفاق بیافتد ، زیرا نیاز به قدرت محاسباتی زیادی برای بازنویسی این شبکه است

معماری Blockchain خود را ایجاد کنید

فن آوری بلاک چین را می توان از منظر تجاری ، قانونی و فنی به عنوان یک راه حل عالی مشاهده کرد . این فناوری می تواند به کسب و کارها کمک کند تا عملیات روزانه به راحتی در شبکه های بزرگ متقابلا انجام شود . از منظر قانونی اگر بخواهیم نگاه کنیم ، تمامی واسطه ها از فهرست ارجاع blockchain خارج می شوند و هر ارتباطی فقط بین طرفین مستقیما برقرار میگردد . در عین حال از لحاظ فنی ، کنترل ، امنیت و حریم خصوصی داده ها را در داخل سیستم تضمین می کند.

در سازمانها و شرکت ها ، تکنولوژی Blockchain به روش های زیر امکان پذیر است :

• امکان انجام معاملات بسیار سریع و با اعتماد

• کاهش هزینه ها برای کسب و کارها و یا فرایندهای متقابل سازمانی که از بین بردن واسطه ها ، ناکارآمدی ها و تکثیر در آنها دشوار است .

• معرفی تعامل دیجیتال مدرن

• امکان کنترل دقیق فرآیندهای کسب و کار و معاملات بدون یک نقطه کنترل مرکزی

• حذف تقلب ، حملات سایبری یا سایر جرایم الکترونیکی

نتیجه گیری :

تکنولوژی بلاک چین با سازوکارهای شفاف و حداکثر وضوح کاری ، موجب انقلابی در نحوه انجام امور شخصی و جوامع بشری می شود . پروژه های زیادی با استفاده از فناوری بلاک چین در بازار موجود است مانند :

• TenX به رمزنگاری ارز دیجیتالی کمک می کند

• IO قابلیت های برنامه های غیر متمرکز را ارائه می دهد (DApps)

• Augur بازار پیش بینی شده برای رویدادهای آینده، و غیره را تجزیه و تحلیل می کند

به نظر می رسد آینده خوبی برای راه حل های blockchain  وجود دارد . این موارد در زمینه هایی مانند بودجه جمعیت، تجارت سهام ، اقتصاد به اشتراک گذاری شده ، در بسیاری از جنبه های صنعت مراقبت های بهداشتی و غیره اعمال می شود.