Нода (node) — що це таке в блокчейні?

Світ криптовалют і блокчейн-технологій стрімко розвивається, залучаючи все більше учасників. Проте за красивими інтерфейсами криптобірж та гаманців прихована складна інфраструктура, що забезпечує роботу всієї системи. У центрі цієї інфраструктури знаходяться ноди – фундаментальні елементи будь-якої блокчейн-мережі. Що таке нода, які функції вона виконує і чому вони такі важливі для роботи криптовалют? У цій статті ми детально розберемо всі аспекти роботи нод та їхню роль в сучасних блокчейн-мережах.

Що таке нода (node) в блокчейні?

Основне визначення

Нода (node) в блокчейні – це комп’ютер або пристрій, підключений до блокчейн-мережі, який зберігає копію всього блокчейна або його частини і бере участь у процесі перевірки та розповсюдження транзакцій. Кожна нода є точкою зв’язку в децентралізованій мережі, обробляючи та передаючи інформацію про транзакції та блоки іншим нодам.

За суттю, нода – це сервер, який виконує спеціальне програмне забезпечення, що дозволяє взаємодіяти з певною блокчейн-мережею. Наприклад, щоб стати нодою в мережі Bitcoin, необхідно встановити програму Bitcoin Core, а для Ethereum – Geth або Parity.

Слово “node” перекладається з англійської як “вузол”, що дуже точно відображає функцію цих пристроїв – вони є вузлами зв’язку в глобальній мережі блокчейна, забезпечуючи її цілісність, безпеку та децентралізацію.

Як нода бере участь у процесі підтвердження транзакцій

Процес підтвердження транзакцій – одна з ключових функцій вузлів у блокчейні. Коли користувач ініціює транзакцію (наприклад, відправляє криптовалюту іншому користувачеві), ця інформація поширюється мережею і потрапляє в пул непідтверджених транзакцій.

Вузли виконують наступні дії при підтвердженні транзакцій:

1. Перевірка валідності: вузли перевіряють, чи відповідає транзакція правилам мережі. Наприклад, вони переконуються, що відправник дійсно має достатню кількість криптовалюти для відправлення, і що цифровий підпис вірний.
   
2. Поширення інформації: якщо транзакція визнана валідною, вузол передає її іншим вузлам у мережі.
   
3. Включення в блок: майнінгові вузли об’єднують верифіковані транзакції в блоки і намагаються знайти розв’язання криптографічної задачі (в мережах, що використовують Proof of Work).
   
4. Перевірка нових блоків: коли новий блок створений, всі вузли перевіряють його і, якщо він валідний, додають у свою копію блокчейна. Потім вони передають інформацію про новий блок іншим вузлам.
   
5. Зберігання історії: вузли зберігають історію всіх підтверджених транзакцій, забезпечуючи прозорість і незмінність блокчейна.
   

Завдяки цьому процесу, блокчейн-мережа може функціонувати без центрального органу управління, а користувачі можуть бути впевнені в збереженні та коректності своїх транзакцій.

Види нод: повна, легка, майнінгова

У блокчейн-мережах існують різні типи вузлів, кожен з яких виконує певні функції:

1. Повний вузол (Full node) – зберігає повну копію блокчейна і перевіряє всі транзакції та блоки на відповідність правилам мережі. Повні вузли є основою децентралізації, оскільки вони незалежно перевіряють всі дані, не покладаючись на довіру до інших учасників.
   
2. Легка нода (Light node) – зберігає лише заголовки блоків, а не повну історію транзакцій. Для перевірки транзакцій легкі вузли покладаються на повні вузли. Вони вимагають менше ресурсів і можуть працювати на пристроях з обмеженими можливостями, таких як смартфони.
   
3. Майнінгова нода (Mining node) – особливий тип повного вузла, який, окрім перевірки транзакцій, також бере участь у створенні нових блоків. Майнерські вузли змагаються один з одним у вирішенні складних математичних задач, щоб отримати право додати новий блок до ланцюга і отримати винагороду.

Окрім цих основних типів, існують також:

• Архівні вузли – зберігають не лише теперішній стан блокчейна, але й усю історію змін, що робить їх особливо цінними для аналітики та досліджень.
  
• Майстерноди – спеціальні вузли в деяких блокчейн-мережах, які виконують додаткові функції, такі як забезпечення приватних транзакцій, голосування з питань управління мережею тощо. Для запуску майстерноди зазвичай потрібно внести заставу в токенах відповідної мережі.
  
• Стейкінгові вузли – беруть участь у процесі підтвердження транзакцій у мережах, що використовують Proof of Stake, блокуючи (стейкаючи) певну кількість криптовалюти.
  

Вибір типу вузла залежить від цілей учасника мережі, його технічних можливостей і готовності вкладати ресурси в підтримання блокчейна.

Як працює нода в мережі блокчейн?

Як ноди пов’язані одна з одною

Блокчейн-мережа представляє собою однорангову (peer-to-peer) мережу, де вузли безпосередньо взаємодіють один з одним без необхідності в централізованому сервері. Це взаємодія забезпечує цілісність і безпеку всієї системи.

Механізм взаємодії вузлів включає:

1. Виявлення вузлів: коли новий вузол приєднується до мережі, він повинен знайти існуючі вузли для підключення. Це може бути зроблено через заздалегідь запрограмовані “seed nodes” (початкові вузли), через DNS-сервери або через інші механізми виявлення.
   
2. Встановлення з’єднань: кожен вузол підтримує кілька з’єднань з іншими вузлами, формуючи складну мережу зв’язків. Наприклад, вузол у мережі Bitcoin зазвичай підтримує від 8 до 125 активних з’єднань.
   
3. Протоколи обміну даними: вузли використовують спеціальні протоколи для обміну інформацією. Ці протоколи визначають, які дані і в якому форматі передаються між вузлами.
   
4. Синхронізація: нові вузли при підключенні до мережі повинні синхронізуватися з поточним станом блокчейну, завантажуючи всі блоки з моменту створення мережі (для повних вузлів) або лише необхідну інформацію (для легких вузлів).
   
5. Поширення інформації: коли вузол отримує нову транзакцію або блок, він перевіряє їх і, якщо вони валідні, передає інформацію всім підключеним вузлам, забезпечуючи швидке розповсюдження даних по всій мережі.
   

Така архітектура забезпечує високу стійкість мережі до збоїв і атак. Навіть якщо деякі вузли вийдуть з ладу або будуть скомпрометовані, мережа продовжить функціонувати через залишені з’єднання.

Принцип роботи нод у процесі валідації і передачі даних

Основне завдання вузлів – підтримувати консенсус щодо стану блокчейну. Для цього вони виконують ряд складних процесів:

1. Отримання та перевірка транзакцій:
   
   • Коли користувач відправляє транзакцію, вона потрапляє в mempool (пул пам’яті) кількох вузлів.
   • Кожен вузол перевіряє відповідність транзакції правилам протоколу: коректність цифрового підпису, достатність засобів, відповідність формату тощо.
   • Валідні транзакції зберігаються в мемпулі вузла і передаються іншим вузлам у мережі.
     
2. Формування блоків (для майнінгових вузлів):
   
   • Майнінгові вузли вибирають транзакції з мемпула, надаючи перевагу тим, які пропонують вищу комісію.
   • Вони створюють кандидата на новий блок, включаючи в нього хеш попереднього блоку, часову мітку, кореневий хеш дерева Меркле для включених транзакцій і інші необхідні дані.
   • Потім вони намагаються знайти таке значення nonce (одинарного числа), за якого хеш блоку буде відповідати певним умовам складності (в мережах Proof of Work).
     
3. Перевірка та прийняття нових блоків:
   
   • Коли нода отримує інформацію про новий блок, вона проводить серію перевірок: відповідність структури блоку протоколу, валідність усіх включених транзакцій, коректність хеша блоку тощо.
   • Якщо блок проходить усі перевірки, нода додає його до своєї версії блокчейну та передає інформацію про новий блок іншим нодам.
   • Якщо нода виявляє альтернативну версію блокчейну (форк), вона дотримується правила вибору найдовшого ланцюга або ланцюга з найбільшою накопиченою складністю (залежно від протоколу).
     
4. Обробка форків:
   
   • Іноді в мережі можуть виникати ситуації, коли різні майнери одночасно знаходять дійсні блоки, що призводить до тимчасового розбіжності в блокчейні (форку).
   • Ноди продовжують працювати з обома гілками, поки одна з них не стане довшою. Потім вони вважають більш довгий ланцюг дійсним і відкидають альтернативну версію.
     
5. Оновлення стану:
   
   • Після прийняття нового блоку нода оновлює своє уявлення про поточний стан блокчейну: баланси адрес, стан смарт-контрактів (в мережах, які їх підтримують) тощо.

Цей складний процес забезпечує цілісність і узгодженість даних у всій мережі, незважаючи на відсутність центрального органу управління.

Типи нод

Повна нода

Повна нода (Full node) – це фундамент будь-якої блокчейн-мережі. Вона завантажує та зберігає повну копію блокчейну, починаючи з самого першого блоку (genesis block), і самостійно перевіряє кожну транзакцію на відповідність правилам мережі.

Характеристики повної ноди:

1. Повна незалежність – повні ноди не покладаються на довіру до інших учасників мережі, вони самостійно перевіряють усі дані.
   
2. Значні системні вимоги – для зберігання та обробки повного блокчейну потрібно достатньо потужне обладнання. Наприклад, для повної ноди Bitcoin необхідно приблизно 500 ГБ вільного місця на жорсткому диску (станом на 2024 рік), а для Ethereum – ще більше.
   
3. Тривалий час початкової синхронізації – під час першого запуску повної ноди може знадобитися кілька днів для завантаження та перевірки всієї історії блокчейну.
   
4. Висока цінність для мережі – чим більше повних нод у мережі, тим вона більш децентралізована та стійка до атак.
   

Функції повної ноди:

• Зберігання повної історії всіх транзакцій з моменту створення мережі
• Незалежна перевірка всіх транзакцій та блоків
• Розповсюдження інформації про нові транзакції та блоки
• Обслуговування запитів від легких клієнтів (в деяких мережах)
• Участь у голосуваннях по оновленням протоколу (в деяких блокчейнах)

Приклади програмного забезпечення для повних нод:

• Bitcoin Core для мережі Bitcoin
• Geth або Parity для Ethereum
• Solana Validator для Solana
• Cardano Node для Cardano

Запуск повної ноди надає користувачеві максимальну безпеку та приватність, оскільки всі транзакції перевіряються локально, без необхідності довіряти зовнішнім серверам. Крім того, учасники мережі, що запускають повні ноди, вносять важливий внесок у здоров’я та децентралізацію блокчейну.

Легка нода (Light node)

Легка нода (Light node), також відома як легкий клієнт, являє собою спрощену версію ноди, яка не зберігає повну копію блокчейну. Замість цього вона завантажує лише заголовки блоків та мінімальну інформацію, необхідну для перевірки конкретних транзакцій.

Характеристики легкої ноди:

1. Низькі системні вимоги – легкі ноди можуть працювати на пристроях з обмеженими ресурсами, таких як смартфони або планшети.
   
2. Швидка синхронізація – для початку роботи потрібно завантажити лише заголовки блоків, що значно швидше, ніж синхронізація повної ноди.
   
3. Довірча модель – легкі вузли покладаються на повні вузли для отримання інформації про стан блокчейна і перевірки транзакцій.
   
4. Менший внесок у безпеку мережі – легкі вузли не беруть участі в повній перевірці всіх транзакцій, тому їх внесок у безпеку мережі менший, ніж у повних вузлів.
   

Функції легкого вузла:

• Завантаження та перевірка заголовків блоків
• Використання спрощеної перевірки платежів (SPV, Simplified Payment Verification) для перевірки конкретних транзакцій
• Створення та відправка власних транзакцій у мережу
• Моніторинг певних адрес або смарт-контрактів, що представляють інтерес для користувача

Технологія роботи:

Легкі вузли використовують метод спрощеної перевірки платежів (SPV), запропонований Сатоші Накамото в оригінальній статті про Bitcoin. Цей метод дозволяє перевірити, чи включена транзакція в блок, не завантажуючи весь блок:

1. Вузол запитує у повних вузлів доказ включення цікавої транзакції в блокчейн (це зазвичай робиться з використанням дерева Меркле).
2. Повна нода надає шлях Меркле, який доводить, що транзакція дійсно включена в певний блок.
3. Легкий вузол перевіряє це доказ і переконується в існуванні транзакції, не завантажуючи всі дані блока.

Приклади легких клієнтів:

• Electrum для Bitcoin
• Metamask для Ethereum
• Trust Wallet для різних блокчейнів
• Atomic Wallet для мультивалютних операцій

Легкі вузли забезпечують хороший компроміс між безпекою та зручністю використання. Вони дозволяють звичайним користувачам взаємодіяти з блокчейном без необхідності виділяти значні ресурси на підтримання повного вузла.

Майнінгова нода (Mining node)

Майнинговий вузол (Mining node) – це спеціалізований тип повного вузла, який не тільки перевіряє і поширює транзакції, але й активно бере участь у створенні нових блоків. Ці вузли грають критичну роль у мережах, що використовують алгоритм узгодження Proof of Work (PoW), таких як Bitcoin, Litecoin та деякі інші.

Характеристики майнингового вузла:

1. Високі вимоги до обчислювальної потужності – для ефективного майнінгу потрібне спеціалізоване обладнання, таке як ASIC-майнери для Bitcoin або потужні графічні процесори (GPU) для деяких інших криптовалют.
   
2. Споживання значної кількості електроенергії – процес майнінгу вимагає великої кількості енергії, що є одним з основних операційних витрат.
   
3. Змагальна модель – майнери змагаються один з одним за право створити новий блок і отримати винагороду.
   
4. Фінансова мотивація – майнери отримують винагороду у вигляді нових монет і комісій за транзакції, включені в блок.
   

Процес роботи майнінгової ноди:

1. Збір транзакцій – майнінгова нода збирає неперевірені транзакції з мемпулу, віддаючи перевагу тим, які пропонують вищі комісії.
   
2. Створення кандидата на блок – нода формує заголовок блоку, що включає хеш попереднього блоку, мітку часу, кореневий хеш Меркле для вибраних транзакцій та інші необхідні дані.
   
3. Пошук рішення – майнер багаторазово змінює nonce (разове число) в заголовку блоку і обчислює хеш, намагаючись знайти таке значення, при якому хеш відповідатиме вимогам складності мережі (зазвичай це означає, що хеш повинен бути меншим за певне цільове значення).
   
4. Оголошення рішення – коли рішення знайдено, майнер негайно оголошує про новий блок у мережі, щоб інші ноди могли перевірити його і додати у свої копії блокчейну.
   
5. Отримання винагороди – майнер, який знайшов дійсне рішення, отримує винагороду у вигляді нових монет (наприклад, у Bitcoin це винагорода за блок) і комісій за всі транзакції, включені в блок.
   

Майнінгові пули:

Через зростаючу складність майнінгу в популярних мережах окремі майнери часто об’єднуються в майнінгові пул – групи учасників, які комбінують свої обчислювальні потужності та ділять отримане винагороду пропорційно внесеній обчислювальній роботі. Це дозволяє отримувати більш стабільний дохід, хоча й менший, ніж при самостійному виявленні блоку.

Екологічні міркування:

В останні роки значну увагу приділяють екологічному впливу майнінгу, особливо в мережах з високою обчислювальною складністю, таких як Bitcoin. Це призвело до пошуку більш енергоефективних альтернатив, таких як Proof of Stake (PoS), де творці нових блоків обираються на основі кількості заблокованих (застейканих) монет, а не обчислювальної потужності.

Приклади програмного забезпечення для майнінгу:

• CGMiner і BFGMiner для Bitcoin
• T-Rex та NBMiner для різних GPU-майнінгових алгоритмів
• XMRig для Monero

Майнінгові вузли є найважливішим елементом систем Proof of Work, забезпечуючи безпеку мережі та підтвердження транзакцій.

Як ноди підтримують безпеку і децентралізацію мережі?

Роль нод у децентралізації блокчейна

Вузли відіграють фундаментальну роль в забезпеченні децентралізації блокчейн-мереж – одного з ключових принципів, що відрізняють цю технологію від традиційних централізованих систем.

Основні аспекти впливу вузлів на децентралізацію:

1. Розподілене зберігання даних:
   
   • Кожен повний вузол зберігає повну копію блокчейну, що означає, що дані не зосереджені на одному сервері чи групі серверів.
   • Навіть якщо значна частина вузлів вийде з ладу, дані залишаться доступними через залишкові вузли.
   • Це робить блокчейн стійким до цензури та фізичних атак на інфраструктуру.
     
2. Незалежна верифікація:
   
   • Кожен повний вузол самостійно перевіряє всі транзакції та блоки, не покладаючись на довіру до інших учасників мережі.
   • Це виключає необхідність у довірених посередниках чи центральних авторитетах.
   • Користувачі можуть бути впевнені в коректності даних, не довіряючи нікому конкретно, а тільки правилам протоколу.
     
3. Географічне розподілення:
   
   • Ноди зазвичай розподілені по всьому світу, в різних юрисдикціях і політичних системах.
   • Це захищає мережу від локалізованих атак, відключень інтернету або правових обмежень в окремих країнах.
   • Чим ширше географічне розподілення нод, тим вища стійкість мережі до регіональних проблем.
     
4. Відкритий доступ:
   
   • У більшості публічних блокчейнів будь-хто може запустити ноду без необхідності отримання дозволу.
   • Це знижує бар’єри для участі і запобігає монополізації мережі окремими організаціями.
   • Відкрита модель участі сприяє зростанню кількості нод і посиленню децентралізації.
     
5. Управління консенсусом:
   
   • В деяких блокчейн-мережах оператори нод можуть брати участь у голосуваннях щодо оновлень протоколу чи змін правил.
   • Це створює децентралізовану модель управління, де рішення приймаються колективно.
   • Прикладом може слугувати процес активації софтфорків в Bitcoin через сигналізування готовності нодами.

Виклики для децентралізації:

Незважаючи на переваги, існують фактори, які можуть обмежувати децентралізацію:

• Технічні бар’єри – запуск повної ноди вимагає певних технічних знань і ресурсів, що може обмежувати коло учасників.
• Економічні стимули – в деяких мережах недостатньо економічних стимулів для запуску невалідаційних нод, що може призвести до їх недостатньої кількості.
• Концентрація обчислювальної потужності – в PoW-мережах майнінг може концентруватися в руках великих пулів або компаній з доступом до дешевої електроенергії.
• Розмір блокчейна – з ростом розміру блокчейна вимоги до зберігання даних збільшуються, що може призвести до скорочення кількості повних нод.

Заходи для посилення децентралізації:

Блокчейн-проекти вживають різні заходи для підтримки і посилення децентралізації:

• Розробка оптимізацій, що знижують вимоги до ресурсів для запуску вузла
• Створення програм винагороди за запуск вузлів
• Розробка ASIC-стійких алгоритмів майнінгу для запобігання централізації обчислювальної потужності
• Впровадження механізмів, що стимулюють географічне розподілення вузлів

Чим більше незалежних учасників запускають вузли, тим більш децентралізованою і стійкою стає мережа блокчейн, що відповідає основним принципам цієї технології.

Принципи консенсусу, підтримувані нодами

Консенсус – це механізм, який дозволяє всім вузлам у децентралізованій мережі досягати згоди щодо стану блокчейна. Вузли відіграють критичну роль у підтримці різних протоколів консенсусу, забезпечуючи надійну роботу всієї системи.

Основні механізми консенсусу в блокчейн-мережах:

1. Proof of Work (PoW) – Доказ роботи:
   
   • Застосовується в Bitcoin, Litecoin, Dogecoin та інших
   • Роль вузлів: майнінгові вузли змагаються в розв’язанні складних математичних задач, які потребують значних обчислювальних ресурсів. Повні вузли перевіряють коректність знайденого рішення та валідність створеного блоку.
   • Безпека: ґрунтується на припущенні, що отримання контролю над більшою частиною обчислювальної потужності мережі економічно недоцільно.
   • Вузли узгоджують найдовший (з найбільшою накопленою складністю) ланцюг як дійсну версію блокчейна.
     
2. Proof of Stake (PoS) – Доказ частки володіння:
   
   • Застосовується в Ethereum 2.0, Cardano, Solana та інших
   • Роль вузлів: валідатори (особливий тип вузлів) блокують (стейкають) певну кількість криптовалюти як заставу і отримують право створювати блоки пропорційно розміру своєї частки.
   • Безпека: ґрунтується на економічних стимулках – валідатори ризикують втратити свій стейк, якщо будуть діяти недобросовісно.
   • Вузли обирають як дійсну ту ланцюг, яка має найбільшу загальну частку стейка валідаторів.
     
3. Делеговане доказательство частки (DPoS) – Делеговане доказательство частки:
   
   • Застосовується в EOS
     

Висновок

Вузли відіграють ключову роль у функціонуванні та безпеці будь-якої блокчейн-мережі. Вони забезпечують цілісність даних, підтвердження транзакцій та децентралізацію, що робить їх незамінними елементами криптоекосистеми. Розуміння принципів роботи вузлів та їх типів важливе не лише для розробників та валідаторів, а й для інвесторів, які хочуть глибше розуміти інфраструктуру цифрових активів. Вибір правильного типу вузла дозволяє не лише підтримувати мережу, але й отримувати винагороду за свою активність.

Чому важлива роль вузлів у блокчейн-мережах

Вузли (ноди) – це комп’ютери або пристрої, які підключені до блокчейн-мережі та виконують важливі функції для її стійкості та безпеки. Основні завдання вузлів включають:

• Зберігання повної або часткової копії блокчейну. Це гарантує, що історія всіх транзакцій залишається доступною та незмінною.
  
• Підтвердження транзакцій та блоків. Валідуючі вузли беруть участь у консенсусі, перевіряючи правильність транзакцій та нових блоків.
  
• Забезпечення децентралізації. Чим більше активних вузлів у мережі, тим менший ризик централізації, що робить мережу більш стійкою до атак та збоїв.
  

Наприклад, у мережах, таких як Bitcoin або Ethereum, вузли допомагають синхронізувати дані між учасниками та запобігають подвійним витратам. Завдяки вузлам блокчейн залишається відкритим, захищеним і повністю прозорим.

Як вибрати підходящий тип вузла для участі в мережі

Вибір типу вузла залежить від ваших цілей та ресурсів. Існує кілька основних типів вузлів:

1. Повні вузли (Full Node).
   Зберігають повну копію блокчейну і беруть участь у перевірці всіх транзакцій і блоків. Це найбільш надійний варіант для тих, хто хоче максимально сприяти безпеці мережі. Однак такі ноди вимагають значних обчислювальних потужностей і великого обсягу пам’яті.
   
2. Легкі ноди (Light Node або SPV Node).
   Зберігають тільки заголовки блоків і запитують необхідну інформацію за потребою. Цей варіант підходить користувачам з обмеженими ресурсами, які хочуть взаємодіяти з мережею без повної синхронізації.
   
3. Мастерноди (Masternode).
   Забезпечують додаткові функції мережі (наприклад, миттєві транзакції, управління DAO) і зазвичай вимагають внесення застави в нативній криптовалюті мережі. Натомість мастерноди отримують винагороду, що робить їх цікавим вибором для довгострокових інвесторів.
   
4. Архівні ноди (Archive Node).
   Призначені для тих, хто потребує доступу до всіх даних мережі, включаючи всі історичні стани рахунків. Корисні для аналітиків і розробників.
   

При виборі ноди важливо враховувати:

• Обсяг сховища і швидкість Інтернету;
  
• Бюджет на обслуговування та можливі винагороди;
  
• Ваші технічні навички і готовність до адміністрування.
  

Для початківців легка нода — оптимальне рішення. Більш досвідченим учасникам ринку, які прагнуть до глибокого залучення та отримання пасивного доходу, варто розглянути запуск повної ноди або мастерноди.