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.
Для пиринговых систем существуют весьма полезные способы применения, например совместное использование файлов, распространение контента, защита частной секретной информации. Большинство этих приложений использует простую, но мощную идею: превращение обычных пользовательских компьютеров в узлы, формирующие единую распределенную систему. В результате чем больше пользователей или клиентов-покупателей использует такую программную среду, тем больше и мощнее становится система в целом. Эта идея, ее развитие, трудности, связанные с ее реализацией, будут более подробно рассматриваться в следующих главах.
Объединение централизованных и распределенных систем
Централизованные и распределенные системы являются полными противоположностями с точки зрения архитектуры. Технические противоположности, казалось бы, не совместимые друг с другом, всегда вдохновляли инженеров на создание объединенных, гибридных систем, наследующих все сильные стороны своих предков. В этом плане централизованные и распределенные системы не являются исключением. Существуют два основных прототипа объединения противоположных архитектур, и их необходимо хорошо понимать, потому что сущность подобного объединения чрезвычайно важна для изучения функционирования блокчейн-приложений в реальном мире. Первый прототип – это центральное положение одного из узлов в распределенной системе, второй – распределенная система как управляющий узел централизованной системы.
Схема в левой части рис. 2.2 изображает архитектуру, в которой определен центральный компонент в распределенной системе. На первый взгляд кажется, что это обычная распределенная система с обычными компонентами. Но если приглядеться, то выясняется, что все кружки-узлы соединены с одним кружком большего размера, расположенным в центре схемы. Таким образом, подобная система только кажется распределенной при поверхностном осмотре, но в действительности это централизованная система.
Рис. 2.2 Прототипы объединения распределенной и централизованной архитектур
Схема в правой части рис. 2.2 демонстрирует противоположный подход. Система выглядит централизованной на первый взгляд, поскольку все периферийные кружки-узлы имеют только одно соединение с большим центральным компонентом. Но внутри центрального компонента размещена распределенная система. При этом периферийные компоненты могут даже не знать о существовании распределенной системы внутри центрального узла.
Описанные выше подходы объединяет затруднение при определении их истинной сущности. Эти системы являются распределенными или централизованными? Возможно, нет необходимости в однозначном определении названий таких архитектур. Здесь гораздо важнее понять их двойственную сущность, потому что далеко не всегда можно с легкостью увидеть признаки централизованности или распределенности в сложных системах. К этой теме я вернусь позже, при обсуждении способа коммерциализации технологии блокчейна.
Идентификация распределенных систем
Появление смешанных архитектур затрудняет однозначную идентификацию распределенных систем. Впрочем, формулирование общего приемлемого определения распределенных систем выходит за рамки тематики данной книги. Но при изучении книги важно четко понимать, что такое распределенная система и чем она отличается от других программных систем. Если вы сомневаетесь, является ли рассматриваемая конкретная система распределенной, то найдите в ней отдельный компонент (например, базу данных, имя или пользовательскую запись в реестре, компонент регистрации в системе или выхода из нее, кнопку аварийного выключения, наконец), который может завершить работу всей системы в целом. Если такой компонент найден, то рассматриваемая система не является распределенной.
Примечание
Если существует отдельный компонент, например кнопка выключения, который может остановить работу всей системы в целом, то такая система не является распределенной.
Цель технологии блокчейна
При проектировании программной системы можно выбрать используемый тип архитектуры, подобно тому, как выбирается двигатель для автомобиля. Решение по выбору архитектуры может быть принято независимо от функциональных аспектов уровня приложения. Кто-то может создать распределенную систему, кто-то – централизованную систему, но с одинаковой функциональностью на уровне приложения. Архитектура является всего лишь одним из средств достижения конечной цели при реализации системы. Таким образом, платежная система, описанная в табл. 2.1, может быть реализована либо как распределенная, либо как централизованная система.
Каждая из двух описанных выше архитектурных концепций обладает собственными достоинствами и недостатками, а также своими особыми способами достижения конечной цели. Выбор конкретной архитектуры определяет в дальнейшем, как вы будете реализовывать функциональные и нефункциональные аспекты системы. В частности, эти архитектурные концепции предлагают совершенно различные подходы к обеспечению целостности. Это как раз тот момент, когда на сцене появляется блокчейн. Технология блокчейна (blockchain) (цепочка блоков транзакций) представляет собой инструментальное средство обеспечения целостности распределенных программных систем. Таким образом, блокчейн можно рассматривать как инструмент реализации нефункционального аспекта на уровне реализации.
Примечание
Главная цель технологии блокчейна – реализация и поддержка целостности в распределенных системах.
Перспектива
Обеспечение целостности в распределенной системе является исключительно технической задачей, поэтому ее изучение может показаться достаточно скучным занятием. Тем не менее это вопрос чрезвычайной важности для многих людей, вопрос, который зависит от того, что именно будет делать распределенная система и какой тип централизованной системы она заменяет. В следующей главе вы узнаете, как пиринговые системы изменили наш мир и почему блокчейн как инструмент обеспечения целостности в распределенных программных системах также способен изменить весь мир.
Резюме
• Архитектура программной системы определяет, как организованы ее компоненты и как они связаны друг с другом.
• Централизованная и распределенная программные архитектуры могут считаться полностью противоположными друг другу.
• Распределенная система состоит из некоторого количества независимых компьютеров, которые взаимодействуют друг с другом, используя среду обмена информацией для достижения определенной цели, без какого-либо центрального управляющего или координирующего элемента.
• Практическое правило: если в системе имеется отдельный элемент, способный полностью остановить ее работу, то можно с уверенностью утверждать, что такая система не является распределенной, вне зависимости от сложности ее архитектуры.
• Технология блокчейна является частью уровня реализации распределенной программной системы.
• Цель технологии блокчейна – реализация конкретного нефункционального аспекта распределенной программной системы, а именно реализация и поддержка целостности системы.
