《區(qū)塊鏈基礎(chǔ)以及應用》 課件-3.區(qū)塊鏈的技術(shù)架構(gòu)

3-1數(shù)據(jù)層《區(qū)塊鏈基礎(chǔ)以及應用》BlockChain目錄01數(shù)據(jù)層概述Datalayeroverview02數(shù)據(jù)的儲存與交易的實現(xiàn)Datastorageandtransactionrealization03區(qū)塊block04鏈式結(jié)構(gòu)Chainstructure數(shù)據(jù)層概述DatalayeroverviewPart01數(shù)據(jù)層概述

區(qū)塊鏈類比OSI標準可分為六層：應用層、合約層、激勵層、共識層、網(wǎng)絡層和數(shù)據(jù)層。一個標準的區(qū)塊鏈項目，應該至少包含數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡層、共識層這三層，應用層、合約層、激勵層可以不包含。

數(shù)據(jù)層是最底層的技術(shù)，它封裝了區(qū)塊鏈的底層數(shù)據(jù)存儲和加密技術(shù)。數(shù)據(jù)的儲存與交易的實現(xiàn)DatastorageandtransactionrealizationPart02數(shù)據(jù)的儲存與交易的實現(xiàn)數(shù)據(jù)層功能數(shù)據(jù)存儲交易的實現(xiàn)與安全數(shù)據(jù)存儲

數(shù)據(jù)存儲主要基于Merkle樹，通過區(qū)塊的方式和鏈式結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)成員分散存儲在底層數(shù)據(jù)庫，最終存儲形式是[k,v]鍵值對，使用的[k,v]型底層數(shù)據(jù)庫是LevelDB；賬戶和交易的實現(xiàn)與安全這個功能基于數(shù)字簽名、哈希函數(shù)和非對稱加密技術(shù)等多種密碼學算法和技術(shù)，將一段時間內(nèi)接收到的交易數(shù)據(jù)和代碼封裝到一個帶有時間戳的數(shù)據(jù)區(qū)塊中，并鏈接到當前最長的主區(qū)塊鏈上，形成最新的區(qū)塊，保證了交易在去中心化的情況下能夠安全的進行。交易的實現(xiàn)哈希函數(shù)數(shù)字簽名非對稱加密算法私鑰、公鑰、錢包地址交易的實現(xiàn)區(qū)塊blockPart03區(qū)塊

區(qū)塊是一種包含在公開賬簿（區(qū)塊鏈）里的聚合了交易信息的容器數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包含區(qū)塊頭和區(qū)塊主體。區(qū)塊頭+區(qū)塊體<=1M鏈式結(jié)構(gòu)ChainstructurePart04鏈式結(jié)構(gòu)

比特幣的完整節(jié)點保存了區(qū)塊鏈從創(chuàng)世區(qū)塊起的一個本地副本，該區(qū)塊鏈的本地副本會不斷地更新用于擴展這個鏈條。一個節(jié)點從網(wǎng)絡接收傳入的區(qū)塊時，它會驗證這些區(qū)塊，然后鏈接到現(xiàn)有的區(qū)塊鏈上。對于一個新區(qū)塊，節(jié)點會在“父區(qū)塊哈希值”字段里找出包含它的父區(qū)塊的哈希值。3-2網(wǎng)絡層《區(qū)塊鏈基礎(chǔ)以及應用》BlockChain目錄01網(wǎng)絡層概述Networklayeroverview02P2P網(wǎng)絡Peer-to-peernetwork03數(shù)據(jù)傳播協(xié)議Datadisseminationprotocol04數(shù)據(jù)驗證機制Dataverificationmechanism05比特幣網(wǎng)絡Bitcoinnetwork06以太坊網(wǎng)絡Ethereumnetwork網(wǎng)絡層概述NetworklayeroverviewPart01網(wǎng)絡層概述

網(wǎng)絡層封裝了區(qū)塊鏈系統(tǒng)的組網(wǎng)方式，消息傳播協(xié)議和數(shù)據(jù)驗證機制等要素。

網(wǎng)絡層的主要目的是實現(xiàn)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡中節(jié)點之間的信息交流。網(wǎng)絡層主要通過P2P技術(shù)實現(xiàn)分布式網(wǎng)絡的機制，網(wǎng)絡層包括P2P組網(wǎng)機制、數(shù)據(jù)傳播機制和數(shù)據(jù)驗證機制，因此區(qū)塊鏈本質(zhì)上是一個P2P（點對點）網(wǎng)絡,具備自動組網(wǎng)的機制，節(jié)點之間通過維護一個共同的區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)來保持通信。每一個節(jié)點既接收信息，也產(chǎn)生信息。P2P網(wǎng)絡Peer-to-peernetworkPart02P2P網(wǎng)絡

P2P網(wǎng)絡主要功能包括實現(xiàn)網(wǎng)絡拓撲，交互共識協(xié)議信息以及廣播/接收交易和區(qū)塊信息等。一個新的節(jié)點依賴與種子節(jié)點的交互，實現(xiàn)網(wǎng)絡鄰居節(jié)點自動發(fā)現(xiàn)與組網(wǎng)，形成去中心化網(wǎng)絡拓撲。數(shù)據(jù)傳播協(xié)議DatadisseminationprotocolPart03數(shù)據(jù)傳播協(xié)議

比特幣交易節(jié)點將新生成的交易數(shù)據(jù)向全網(wǎng)所有節(jié)點進行廣播。每個節(jié)點都將收集到的交易數(shù)據(jù)存儲到一個區(qū)塊中。每個節(jié)點基于自身算力在區(qū)塊中找到一個具有足夠難度的工作量證明。當節(jié)點找到區(qū)塊的工作量證明后，就向全網(wǎng)所有節(jié)點廣播此區(qū)塊。僅當包含在區(qū)塊中的所有交易都是有效的且之前未存在過的，其他節(jié)點才認同該區(qū)塊的有效性。其他節(jié)點接受該數(shù)據(jù)區(qū)塊，并在該區(qū)塊的末尾制造新的區(qū)塊以延長該鏈條，而將被接受區(qū)塊的隨機哈希值視為先于新區(qū)塊的隨機哈希值。數(shù)據(jù)驗證機制DataverificationmechanismPart04數(shù)據(jù)驗證機制 P2P網(wǎng)絡中的每個節(jié)點都時刻監(jiān)聽比特幣網(wǎng)絡中廣播的數(shù)據(jù)與新區(qū)塊。節(jié)點接受到鄰近節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)后，將首先驗證該數(shù)據(jù)的有效性。如果數(shù)據(jù)有效，則按照接受順序為新數(shù)據(jù)建立存儲池以暫存尚未記入?yún)^(qū)塊的有效數(shù)據(jù)，同時繼續(xù)向鄰近節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)；如果數(shù)據(jù)無效，則立即廢棄該數(shù)據(jù)，從而保證無效數(shù)據(jù)不會在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡繼續(xù)傳播。比特幣網(wǎng)絡BitcoinnetworkPart05比特幣網(wǎng)絡挖礦路由錢包區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫比特幣網(wǎng)絡

一些節(jié)點包含完整的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫中包含所有的交易數(shù)據(jù)，這類節(jié)點被稱為全節(jié)點。全節(jié)點可以獨立自主的校驗所有交易。還有一些節(jié)點只包含了部分區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)，一般只包含區(qū)塊頭，該類節(jié)點被稱為SPV節(jié)點或者輕量級節(jié)點。礦工節(jié)點是通過在特殊的設備上面運行工作量證明（PoW）算法的方式（挖礦）來相互競爭的生成新的區(qū)塊。以太坊網(wǎng)絡EthereumnetworkPart06以太坊網(wǎng)絡以太坊使用P2P網(wǎng)絡是有結(jié)構(gòu)的，其P2P網(wǎng)絡通過Kademlia（簡稱Kad）算法來實現(xiàn)。Kad算法作為DHT（分布式哈希表）技術(shù)的一種，可以在分布式環(huán)境下實現(xiàn)快速而又準確的路由和定位數(shù)據(jù)的功能。

3-3共識層《區(qū)塊鏈基礎(chǔ)以及應用》BlockChain目錄01共識層概述Translationoftitle02區(qū)塊鏈共識Translationoftitle03共識算法Translationoftitle共識層概述TranslationoftitlePart01共識層概述

共識層主要封裝網(wǎng)絡節(jié)點的各類共識算法。如何在分布式系統(tǒng)中高效地達成共識是分布式計算領(lǐng)域的重要研究問題。正如社會系統(tǒng)中“民主”和“集中”的對立關(guān)系相似，決策權(quán)越分散的系統(tǒng)達成共識的效率越低、但系統(tǒng)穩(wěn)定性和滿意度越高；而決策權(quán)越集中的系統(tǒng)更易達成共識，但同時更易出現(xiàn)專制和獨裁。區(qū)塊鏈技術(shù)的核心優(yōu)勢之一就是能夠在決策權(quán)高度分散的去中心化系統(tǒng)中使得各節(jié)點高效地針對區(qū)塊數(shù)據(jù)的有效性達成共識。區(qū)塊鏈共識TranslationoftitlePart02區(qū)塊鏈共識

共識機制是區(qū)塊鏈技術(shù)的基礎(chǔ)和核心，共識機制決定參與節(jié)點以何種方式對某些特定的數(shù)據(jù)達成一致，共識機制可以分為經(jīng)典分布式共識機制和區(qū)塊鏈共識機制。經(jīng)典共識是確定性共識，即網(wǎng)絡中的節(jié)點要么達成共識，要么不達成共識。共識算法TranslationoftitlePart03共識算法共識算法工作量證明機制拜占庭容錯技術(shù)實用拜占庭容錯算法股權(quán)證明股份授權(quán)證明機制共識算法優(yōu)點：去中心化、安全性高缺點：資源浪費、網(wǎng)絡性能低、算力集中化工作量證明機制優(yōu)點：信任節(jié)點由社區(qū)共識產(chǎn)生、可擴展性、轉(zhuǎn)賬費用低。拜占庭容錯技術(shù)限定條件：所有節(jié)點必須是確定性的。

所有節(jié)點必須從相同的狀態(tài)開始執(zhí)行。實用拜占庭容錯算法共識機制優(yōu)點：一定程度上縮短了共識達成的時間股權(quán)證明股份授權(quán)證明機制ENTERYOURTITLE優(yōu)點：大幅縮小參與驗證和記賬節(jié)點的數(shù)量缺點：整個共識機制還是依賴于代幣3-4激勵層《區(qū)塊鏈基礎(chǔ)以及應用》BlockChain目錄01激勵層概述Translationoftitle02比特幣的激勵機制Translationoftitle03GaiaWorld公鏈激勵機制Translationoftitle04激勵機制的意義Translationoftitle激勵層概述TranslationoftitlePart01激勵層概述激勵機制發(fā)行機制分配機制比特幣中的激勵機制TranslationoftitlePart02比特幣中的激勵機制2009年-2013年比特幣數(shù)量：502013年-2017年2017年-2021年比特幣數(shù)量：25比特幣數(shù)量：12.5比特幣數(shù)量：？2021年-2025年比特幣中的激勵機制

由于挖礦報酬持續(xù)下降，預計創(chuàng)建區(qū)塊的動機將更多依賴于交易費用。如果比特幣交易量突然下降，這些交易費用將不足以補償?shù)V工的計算資源。一些礦工可能因此暫時停止他們的區(qū)塊創(chuàng)建。這可能會危及整個系統(tǒng)，因為交易的安全性取決于所有誠實的礦工積極參與。GaiaWorld公鏈激勵機制TranslationoftitlePart03GaiaWorld公鏈激勵機制GaiaWorld公鏈激勵機制獎勵主鍛造委員創(chuàng)建新區(qū)塊獲得該區(qū)塊中所有交易費舉報作惡鍛造委員獲得該作惡地址的所有保證金激勵機制的意義TranslationoftitlePart04激勵機制的意義

很多人都在爭論是有幣區(qū)塊鏈有發(fā)展還是無幣區(qū)塊鏈更容易被認可，從公有鏈的角度出發(fā)，有幣區(qū)塊鏈其實就是有激勵層，這一層對于公有鏈項目來說很重要，沒有獎勵節(jié)點怎么會有動力去維護區(qū)塊鏈項目的正常運行。沒有獲利的動力，或者起碼是能夠覆蓋成本的收益，節(jié)點是不會花費人力、物力去做記賬、維護系統(tǒng)這些工作的。所以，激勵機制對區(qū)塊鏈非常重要，同時有幣區(qū)塊鏈是公有鏈的最核心方向。3-5合約層《區(qū)塊鏈基礎(chǔ)以及應用》BlockChain目錄01合約層概述Contractlayeroverview02比特幣腳本Bitcoinscript03智能合約Smartcontract合約層概述ContractlayeroverviewPart01合約層概述合約層封裝區(qū)塊鏈系統(tǒng)的各類腳本代碼、算法以及由此生成的更為復雜的智能合約。如果說數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡和共識三個層次作為區(qū)塊鏈底層“虛擬機”分別承擔數(shù)據(jù)表示、數(shù)據(jù)傳播和數(shù)據(jù)驗證功能的話，合約層則是建立在區(qū)塊鏈虛擬機之上的商業(yè)邏輯和算法，是實現(xiàn)區(qū)塊鏈系統(tǒng)靈活編程和操作數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。比特幣腳本BitcoinscriptPart02比特幣腳本比特幣采用一種簡單的、基于堆棧的、從左向右處理的腳本語言，而一個腳本本質(zhì)上是附著在比特幣交易上的一組指令的列表。比特幣交易依賴于兩類腳本來加以驗證，即鎖定腳本和解鎖腳本，二者的不同組合可在比特幣交易中衍生出無限數(shù)量的控制條件。智能合約SmartcontractPart03智能合約的誕生

1994年，美國密碼學家兼程序員NickSzabo首次提出智能合約的概念，早于區(qū)塊鏈技術(shù)的誕生。最初被定義為一套以數(shù)字形式定義的承諾，包括合約參與方可以在上面執(zhí)行這些承諾的協(xié)議，其設計初衷是希望通過將智能合約內(nèi)置到物理實體來創(chuàng)造各種靈活可控的智能資產(chǎn)。但由于當時缺少可信的執(zhí)行環(huán)境，智能合約并沒有被應用到實際產(chǎn)業(yè)中。智能合約舉例自動完成收錢與分發(fā)產(chǎn)品交易規(guī)則自動售貨機替代線下商店削減交易成本擴展服務7*24h可用性區(qū)塊鏈中的智能合約區(qū)塊鏈技術(shù)的出現(xiàn)重新定義了智能合約。智能合約是區(qū)塊鏈的核心構(gòu)成要素(合約層)，是由事件驅(qū)動的、具有狀態(tài)的、運行在可復制的共享區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)賬本上的計算機程序，能夠?qū)崿F(xiàn)主動或被動的處理數(shù)據(jù)，接受、儲存和發(fā)送價值，以及控制和管理各類鏈上智能資產(chǎn)等功能。智能合約作為一種嵌入式程序化合約，可以內(nèi)置在任何區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)、交易、有形或無形資產(chǎn)上，形成可編程控制的軟件定義的系統(tǒng)、市場和資產(chǎn)。智能合約作用由此，智能合約不僅可用于簡單的經(jīng)濟交易，比如把錢從A匯到B，還可用于注冊任何類型的所有權(quán)和產(chǎn)權(quán)，比如土地登記和知識產(chǎn)權(quán)，或者管理共享經(jīng)濟的智能訪問控制等。換句話說，由于智能合約運行在區(qū)塊鏈P2P分布式網(wǎng)絡之上，規(guī)則不僅可以應用于企業(yè)內(nèi)部，還可以應用于區(qū)塊鏈上的其他業(yè)務合作伙伴間。智能合約的優(yōu)點獨立性：智能合約排除了第三方干預的可能性，交易的保證是程序本身，不像中間商，它不會給出懷疑其完整性的理由，并確保執(zhí)行合同時的準確度?？煽啃裕褐悄芎霞s是數(shù)字化及自動化地執(zhí)行，即契約按照預先確定的規(guī)則自動執(zhí)行事務，并且這些記錄在參與者之間共享。如果交易的一方?jīng)]有完成其義務，另一方將受到智能合約條件的保護。高效率：依靠人工處理合約方式會占用大量時間，拖延目標的完成。智能約能夠在任何時候相應用戶的請求，大大提高了交互進行的效率。智能合約的優(yōu)點低成本：由于消除了中間商的費用，智能合約降低了運營成本，以及雙方有機會在更有利的條件下合作，從而降低審計和執(zhí)行此類協(xié)議的協(xié)調(diào)成本。安全性：由于智能合約存儲在區(qū)塊鏈分布式網(wǎng)絡中，其結(jié)果由該網(wǎng)絡中的每個人進行驗證。因此，一旦合同創(chuàng)建完成，代碼的任何篡改都會立即被察覺，難以被破壞，從而保證了區(qū)塊鏈項目安全順暢地運轉(zhuǎn)。3-6應用層《區(qū)塊鏈基礎(chǔ)以及應用》BlockChain目錄01應用層概述Applicationlayeroverview02區(qū)塊鏈應用的特征Characteristicsofblockchainapplications03應用層作用Applicationlayerrole04區(qū)塊鏈的七個應用場景Sevenapplicationscenariosofblockchain應用層概述ApplicationlayeroverviewPart01應用層概述區(qū)塊鏈網(wǎng)絡應用層傾向于提供單項服務，而且無法占有用戶交互的接口，因為它們并不控制數(shù)據(jù)。然后分工就會出現(xiàn)，因為一個網(wǎng)絡越是分散化，就越難通過一個接口來提供一整套的服務。所以，區(qū)塊鏈世界里的各類應用，會相互獨立的建構(gòu)在多個可組合的協(xié)議之上。這種架構(gòu)，我們可以稱之為區(qū)塊鏈服務架構(gòu)，就像“微服務架構(gòu)”一樣，只不過是有權(quán)限最高的組成部分。區(qū)塊鏈應用的特征CharacteristicsofblockchainapplicationsPart02支持去中心化的用戶身份區(qū)塊鏈應用的特征支持用戶數(shù)據(jù)的共享流通建立并遵循開放協(xié)議應用層作用ApplicationlayerrolePart03應用層作用

應用層直接體現(xiàn)了我們?nèi)粘Ｉ钪械囊恍脠鼍?，例如金融，?shù)字貨幣，供應鏈，物聯(lián)網(wǎng)醫(yī)療，公益，能源，法務，電商，文學創(chuàng)作，娛樂，版權(quán)等。對于開發(fā)者來說只要了解區(qū)塊鏈的基本原理以及區(qū)塊鏈平臺如何使用，并且能夠通過應用層與底層平臺進行交互，就可以利用區(qū)塊鏈技術(shù)將數(shù)據(jù)真實可信的放到區(qū)塊鏈上，這也是我們常說的“區(qū)塊鏈+”的概念，通過對應用層的合理規(guī)劃，利用區(qū)塊鏈的解決方案，落地到各行各業(yè)。區(qū)塊鏈的七個應用場景Sevenapplicationscenariosofblockcha