Основы блокчейна: вводный курс для начинающих в 25 небольших главах

• Большинство критических сбоев программного обеспечения, таких как потери данных, необъяснимое поведение, доступ посторонних лиц к личным закрытым данным, является результатом нарушения целостности системы.

Глава 2

Более подробная картина

Архитектура программного обеспечения и ее связь с технологией блокчейна

В этой главе не только представлена более подробная картина среды, в которой существует технология блокчейна, но и более точно определяется место расположения этой технологии в общей картине. Чтобы лучше увидеть все это, в главе вводится концепция архитектуры программного обеспечения и объясняется ее связь с концепцией разделения системы на уровни и аспекты. Чтобы помочь вам в определении места расположения технологии блокчейна в общей картине, здесь особо отмечаются взаимосвязи между технологией блокчейна и архитектурой программного обеспечения. В конце главы главная цель технологии блокчейна формулируется буквально в одном предложении. Правильное восприятие этой главной цели является важнейшей основой понимания всей технологии блокчейна и содержимого всех последующих глав.

Метафора

У вас есть автомобиль? Большинство людей имеет автомобили. Даже если вы никогда не покупали машину, вероятнее всего, вы все же знаете, что машины оснащены различными типами двигателей (например, дизельными, бензиновыми или электрическими). Это пример применения принципа модульности как результата реализации идеи разделения на уровни для автомобилей. Возможность выбора одного из нескольких типов двигателя при покупке машины может привести к значительным различиям функциональных возможностей транспортных средств.

Две машины, внешне выглядящие абсолютно одинаково, могут совершенно отличаться по мощности их двигателей, следовательно, обеспечивать различные скорости вождения. Кроме того, выбор двигателя повлияет и на другие характеристики автомобиля, такие как цена, стоимость техобслуживания, тип потребляемого топлива, система отвода выхлопных газов, размеры тормозных колодок. Мысленно представляя схему этих взаимосвязей, можно гораздо быстрее понять роль технологии блокчейна в общей картине программной среды.

Платежная система

Применим концепцию разделения на уровни к платежной системе. В табл. 2.1 показаны некоторые потребности пользователей и некоторые нефункциональные аспекты на уровне приложения и на уровне реализации.

Таблица 2.1 Аспекты и уровни платежной системы

Вы обратили внимание на знак вопроса в той части таблицы, где обычно находится информация о технологии, обеспечивающей работу системы? Часть таблицы, помеченная знаком вопроса, оставлена незаполненной с определенной целью. Это то место, где вы решаете, какой «двигатель» должен использоваться, чтобы система работала. В следующем разделе более подробно рассматривается аналог двигателя в программных системах.

Два типа архитектуры программного обеспечения

Существует много способов реализации программных систем. Но одним из основных решений в процессе реализации системы становится определение ее архитектуры, то есть схемы организации ее компонентов и взаимосвязей между ними. Двумя основными типами архитектуры программных систем являются централизованная и распределенная [32].

В централизованных программных системах выделяется один центральный компонент, с которым соединяются отдельные периферийные компоненты. В противоположность такой схеме компоненты распределенных систем формируют сеть взаимосвязанных элементов без выделения какого-либо центрального элемента с функциями координации и управления.

Рис. 2.1 Распределенная (слева) и централизованная (справа) архитектуры системы

На рис. 2.1 схематично изображены эти две противоположные архитектуры. Закрашенные серым цветом кружки представляют компоненты системы, также называемые узлами (nodes), а линии обозначают связи между ними. В этот момент несущественны подробности, касающиеся того, что эти компоненты делают и какая информация передается между узлами. Здесь самым важным является сам факт существования двух различных способов организации программных систем. В левой части рис. 2.1 распределенная архитектура демонстрирует, как соединяются друг с другом компоненты без какого-либо центрального элемента. Важно понять, что в этой схеме нет компонентов, напрямую связанных со всеми прочими компонентами. Но при этом все компоненты взаимосвязаны друг с другом, по крайней мере, не напрямую. В правой части рис. 2.1 показана централизованная архитектура, в которой каждый компонент связан с одним центральным компонентом. Периферийные компоненты не имеют прямых связей друг с другом. Для каждого периферийного компонента существует единственная прямая связь с центральным компонентом.

Преимущества распределенных систем

Ниже перечислены основные преимущества распределенной системы по сравнению с отдельными компьютерами [32]:

• более высокая вычислительная мощность;

• снижение стоимости (накладных расходов, издержек);

• более высокая надежность;

• возможность естественного роста.

Более высокая вычислительная мощность

Вычислительная мощность распределенной системы определяется как сумма объединенных вычислительных мощностей всех компьютеров, входящих в состав такой системы. Таким образом, распределенные системы обычно обладают более высокой вычислительной мощностью, чем каждый компьютер в отдельности. Этот факт подтверждается даже при сравнении распределенных систем, состоящих из компьютеров с относительно низкой вычислительной мощностью, с отдельными суперкомпьютерами.

Снижение стоимости (накладных расходов, издержек)

Цены на обычные типовые компьютеры, устройства памяти, дисковые накопители и сетевое оборудование постоянно и очень быстро снижаются в течение последних 20 лет. Поскольку распределенные системы состоят из множества компьютеров, первоначальная стоимость распределенных систем выше, чем первоначальная стоимость отдельного компьютера. Но затраты на создание, обслуживание и поддержку функционирования суперкомпьютера остаются гораздо более высокими, чем затраты на создание, сопровождение и обеспечение функционирования распределенной системы. Наиболее ярким подтверждением этого факта является отсутствие какого-либо заметного воздействия на систему в целом при замене отдельных компьютеров в распределенной среде.

Более высокая надежность

Повышенная надежность распределенной системы основана на том факте, что сеть компьютеров как единое целое способна продолжать работу даже при выходе из строя отдельных машин, составляющих ее. В распределенной системе нет так называемой единой точки отказа (single point of failure – SPOF). При отказе одного элемента все прочие элементы продолжают работу. Таким образом, отдельный суперкомпьютер обладает меньшей надежностью, чем распределенная система.

Возможность естественного роста

Вычислительная мощность распределенной системы определяется как сумма объединенных вычислительных мощностей всех ее компонентов. Вычислительную мощность всей системы можно увеличить, просто подключив к ней дополнительные компьютеры. Следовательно, вычислительную мощность распределенной системы можно регулировать с достаточно высокой точностью, постепенно наращивая ее. Такая методика поддерживает запросы многих организаций, которым требуется постоянное увеличение вычислительных мощностей. Постепенный рост распределенной системы абсолютно отличается от наращивания мощностей отдельных компьютеров. Вычислительная мощность отдельного компьютера остается неизменной до тех пор, пока он не будет заменен на более мощный компьютер. Такое дискретное повышение вычислительной мощности далеко не всегда является приемлемым вариантом для потребителей разнообразных современных сервисов.

Недостатки распределенных систем

Ниже перечислены недостатки распределенных систем по сравнению с отдельными компьютерами:

• издержки на координацию работы;

• издержки на организацию обмена информацией;

• зависимость от сетевой среды;

• более высокая сложность программного обеспечения;

• проблемы безопасности.

Издержки на координацию работы

В распределенных системах нет центральных объектов, которые координируют работу прочих объектов. То есть координацию осуществляют сами элементы системы. Координация совместно работающих компонентов распределенной системы представляет собой трудную задачу и требует существенных трудозатрат и вычислительных мощностей, отвлекаемых от выполнения основной задачи. Это и называется издержками, или накладными расходами на координацию работы.

Издержки на организацию обмена информацией

Для осуществления координации необходим обмен информацией. Следовательно, компьютеры, составляющие распределенную систему, должны обмениваться информацией друг с другом. Для этого обязательно требуется наличие коммуникационного протокола, а также средства отправки, приема и обработки сообщений, что также требует трудозатрат и вычислительных мощностей, отвлекаемых от выполнения основной задачи. Таким образом, и здесь возникают издержки (накладные расходы) на организацию обмена информацией.

Зависимость от сетевой среды

Для любого вида обмена информацией требуется носитель. Носитель отвечает за передачу информации между объектами, ведущими диалог. Компьютеры в распределенных системах обмениваются информацией в виде сообщений, передаваемых по сети. Сети обладают собственными недостатками и создают дополнительные затруднения, в свою очередь отрицательно воздействуя на координацию и обмен информацией между компьютерами распределенной системы. Но без сети распределенную систему создать невозможно, так как отсутствует обмен информацией, следовательно, нет средств координации узлов. Таким образом, распределенная система зависит от сетевой среды.

Более высокая сложность программного обеспечения

Для выполнения вычислительных (и прочих) задач требуется написание отдельных программ и комплексного программного обеспечения. Из-за проблем, описанных выше, программное обеспечение для распределенных систем обязательно должно обеспечивать решение вспомогательных задач, таких как координация, обмен информацией и поддержка работы в сетевой среде. Это увеличивает сложность программного обеспечения.

Проблемы безопасности

Обмен информацией в сетевой среде означает передачу и совместное использование данных, чрезвычайно важных для выполнения основной задачи. Но передача информации в сети создает проблемы защиты данных, так как ненадежные посторонние объекты могут воспользоваться сетью для несанкционированного доступа к приватной информации и нелегального ее использования. Следовательно, любая распределенная система непременно должна обеспечивать защиту информации. Чем меньше ограничений доступа к сети, по которой осуществляется обмен информацией между распределенными узлами, тем больше угроз для безопасности распределенной системы.

Распределенные пиринговые системы

Пиринговые (peer-to-peer), или одноранговые, сети представляют собой особый тип распределенных систем. Они состоят из отдельных компьютеров (также называемых узлами), вычислительные ресурсы которых (например, все средства обработки данных, емкость внешних накопителей, хранимые данные, пропускная способность сети и т. д.) напрямую доступны всем прочим узлам этой сети без какого-либо центрального пункта координации. Все узлы такой сети имеют равные права и одинаковые роли в системе. Более того, все они являются как поставщиками, так и потребителями ресурсов.