上一節課我們學習了區塊鏈的技術架構，系統地分析了區塊鏈平臺的6個層次：資料層、網路層、共識層、合約層、應用層、介面層，這節課我們將結合實際看看現在主流區塊鏈專案的技術架構；思考我們在設計具體的業務架構時，需要決定什么業務應該上鏈，什么業務應該用鏈下服務處理，一個簡單實用的判斷依據是回答以下3個問題：業務是否與信任或價值轉移相關？業務上鏈是否能提升效率？業務上鏈是否能降低成本？

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*以下為第三課的內容~

第三課 區塊鏈主流框架分析

部分公鏈專案的技術架構概覽

按照上節課介紹的分層架構，我們來分析一下部分公鏈專案的技術架構，目前一些主流的公鏈專案的技術方案如下表所示：

圖1. 主流的公鏈專案的技術方案

分析一個架構前，我們首先要明白，無論哪個區塊鏈專案，無論其采用哪種具體的技術方案，其核心功能都是維護一個分布式的賬本：資料層要保證賬本資料不丟失和不可篡改；網路層要保證網路規模的可伸縮性，新節點能方便加入，少數節點掉線不能影響系統的可用性；共識層要保證賬本資料的一致性；智能合約是對賬本資料進行修改的程式，因此合約層需要保證智能合約執行的確定性和可終止性等性質；應用層要結合賬本的性質，其業務應用應該與信任、資產或價值轉移相關，

限于篇幅，本文是概述性質的，重點介紹其創新性技術及其影響，讓你對各個專案架構變遷的主線有個大概了解，而上表包含的所有這些技術的細節都會在后續章節詳細分析，

位元幣

位元幣是首個以區塊鏈技術為基礎的數字貨幣系統，位元幣的技術架構是開創性的，后續的很多數字貨幣專案都是直接使用位元幣代碼，其它的區塊鏈專案也都繼承了位元幣系統的大部分概念，

根據位元幣白皮書所述，中本聰創建位元幣系統的目的，就是為了提供一種去中心化的，完全通過點對點技術實作的電子現金系統，以代替當前的法定貨幣+權威的中間機構的支付機制，所謂中間機構包括政府、銀行或任何提供支付擔保的服務商，中本聰為位元幣設計了一系列的技識訓制，包括UTXO交易模型、P2P網路、PoW共識演算法、用于驗證交易的腳本語言等，解決了電子貨幣的發行、流通、所有權驗證、防雙花、防篡改、激勵、安全信任等問題，

UTXO(Unspent Transaction Output，未花費交易輸出)是位元幣首創的資料模型，這是一種以資產為中心的記賬方式，

我們日常熟悉的銀行、信用卡、微信、支付寶、證券交易等都是基于賬戶的設計，在賬戶中保存個人資料、余額等資訊，比如A的賬戶有100元，B的賬戶有200元；現在A要轉10元給B，系統就將A的賬戶余額減去10元，B的賬戶余額加上10元，最后A的賬戶余額變成90元，B的賬戶余額變成210元，

而在UTXO 模型的加密貨幣中，某一個“賬戶”中的余額并不是由一個數字表示的，而是由當前區塊鏈網路中所有跟當前“賬戶”有關的 UTXO 組成的，在位元幣系統中，一個UTXO就是被所有者（某個用戶的錢包地址）鎖住或記錄于區塊鏈中的一定數量的位元幣，當用戶進行轉賬交易時，系統修改的是UTXO的所有者，而不是用戶的賬戶余額，

圖2. UTXO交易示意圖，A給B轉8.5 BTC，用3個UTXO作為輸入，總輸入為9 BTC，輸出為2個UTXO：B收到8.5 BTC，A收到0.4 BTC作為找零，總輸入與總輸出的差額是交易手續費，

交易就像復式記賬法中的一個賬目，分為來源和去向兩個部分：每筆交易有一個或多個UTXO作為輸入，另一頭也是有一個或多個UTXO作為輸出；總輸出加上手續費等于總輸入，每個作為輸入的UTXO都是前面一筆或多筆交易的輸出，這樣每個UTXO都能追溯來源，最初的來源，就是某個礦工的挖礦所得，

中本聰并沒有向外界說明他設計UTXO模型的原因，但人們普遍認為這有助于交易的并行處理、在去中心化架構下更容易追溯資產來源，但難于支持圖靈完備的智能合約，

PoW(Proof-of-Work，作業量證明)的共識機制要求作業端進行一些耗時適當難度的對亂數的哈希散列函式計算，以尋找符合要求的亂數（哈希值的前綴要求存在一定數量的0），并且答案能被服務方快速驗算，以此耗用的時間、設備與能源做為擔保成本，以確保服務與資源是被真正的需求所使用，

位元幣系統的智能合約是非圖靈完備的，它不支持回圈陳述句或遞回呼叫、不能保存中間狀態，而是只有一條一條的簡單指令，用于執行簽名驗證等操作，

中本聰將UTXO的設計，跟區塊鏈、PoW共識演算法、智能合約和密碼學相結合，技術創新結合制度設計，首次創造了一個完整而嚴密加密貨幣體系和可信協議，為人們打開了區塊鏈創新的大門，

以太坊

以太坊最大的創新是推出了圖靈完備的智能合約語言Solidity和執行環境EVM，讓人們看到將區塊鏈技術用于加密貨幣以外的領域的可能性，

圖靈完備的智能合約意味著支持回圈陳述句和保存多階段中間結果的全域狀態，

在以太坊系統中，狀態是由被稱為“賬戶”（每個賬戶由一個20位元組的地址）的物件和在兩個賬戶之間轉移價值和資訊的狀態轉換構成的，以太坊的賬戶包含四個部分：

1) 亂數，用于確定每筆交易只能被處理一次的計數器(nonce)；

2) 賬戶目前的以太幣余額(balance)；

3) 賬戶的合約代碼，如果有的話(code)；

4) 賬戶的存盤(storage)；

以太坊有兩種型別的賬戶：外部所有的賬戶（由私鑰控制的）和合約賬戶（由合約代碼控制），外部所有的賬戶沒有代碼，人們可以通過創建和簽名一筆交易從一個外部賬戶發送訊息，每當合約賬戶收到一條訊息，合約內部的代碼就會被激活，允許它對內部存盤進行讀取和寫入，和發送其它訊息或者創建合約，

合約以賬戶的形式存在的方案意味著當一個智能合約被部署后，它成為了一個獨立存在的物體，它有自己的賬戶余額、有自己的存盤空間，這樣普通的用戶賬戶可以跟合約賬戶進行交易，普通用戶可以轉以太幣給合約賬戶、合約賬戶也能轉以太幣給普通用戶，它的所有交易記錄可以被獨立的追溯，

Hyperledger Fabric

Hyperledger Fabric專案是個面向企業應用場景的區塊鏈專案，是首個專注于聯盟鏈和私有鏈的開源專案，Fabric與其它公有鏈專案的思路有很大區別，為滿足企業的應用， Fabric考慮的主要需求包括參與者的認證、網路的許可權限控制、交易的隱私保護、監管、審計等方面，因此，Fabric架構的核心除了區塊鏈服務，包括賬本（LEDGER）、交易（TRANSACTIONS）、智能合約（SMART CONTRACT）以外，還有身份認證服務（IDENTITY），其架構圖如下所示：

圖3. Hyperledger Fabric架構圖

PKI （Public Key Infrastructure）體系是一種綜合多種密碼學手段來實作安全可靠傳遞訊息和身份確認的一個框架和規范，Hyperledger Fabric的身份認證服務基于PKI體系構建，為整個區塊鏈網路提供身份管理、密碼學證書管理、認證、隱私、保密和審計的服務，公鏈專案的節點是匿名的、不可信任的，而Fabric網路中的節點需要首先獲得授權，節點間互相認識，

Hyperledger Fabric支持可插拔的共識協議，可以方便的針對某種特定應用場景和信任模型來配置合適的共識演算法，在單個企業內部或經過可信任的認證的情況下，拜占庭容錯的共識演算法是沒有必要的，它會影響性能；而在多方參與的場景中，則需要使用拜占庭容錯的共識演算法，目前Fabric支持拜占庭容錯的PBFT共識演算法和故障容錯的kafka共識演算法，其中PBFT是Fabric 1.0版本之前默認的共識演算法，支持3f+1節點集群（f為惡意節點數量）；kafka共識機制是Fabric 1.0版本實作的共識演算法，它基于kafka訊息佇列集群對orderer節點提交的交易執行去重和排序操作，kafka集群使用zookeeper（Paxos演算法）做選舉，支持2f+1節點集群（f為故障節點數量），

Hyperledger Fabric的智能合約稱為chaincode，可用通用編程語言如Java、go、Node.js等撰寫，運行在docker容器中，這個方案是Fabric首創的，好處是讓開發者沒有額外的學習和培訓成本，并且和以太坊相比，Fabric鏈碼和底層賬本是分開的，升級鏈碼時并不需要遷移賬本資料到新鏈碼當中，真正實作了邏輯與資料的分離，

Hyperledger Fabric底層并不發行加密貨幣，而是以其完善的身份認證服務、可插拔的共識協議、方便管理的docker容器化的智能合約，可用于企業中廣泛的業務場景中，因此被公認為是區塊鏈3.0的典型的專案架構，

EOS

針對位元幣、以太坊等公鏈平臺的性能低、交易手續費高的問題，EOS推出了高性能、免交易手續的方案，

EOS的性能提升來自共識演算法改進和并發處理兩個方面，共識演算法方面，采用DPoS+aBFT共識演算法，選舉出21個超級節點作為投票節點，達到了0.5秒一個區塊的出塊速度；并發處理是采用了多執行緒并發處理的方案，方法是使用靜態分析來對交易按賬戶進行劃分（Shards），保證不存在兩個執行緒都包含同一帳戶下的交易，這樣一個區塊就可以并行的運行多個執行緒，經過這些優化后，EOS的實測性能可以接近4000 TPS，遠遠高于位元幣、以太坊等專案的性能，

EOS采用WASM作為智能合約的虛擬機，支持使用C++撰寫智能合約代碼，WASM是一種新的位元組碼格式，突出的特點就是精簡，加載時間短以及高速的執行模型，

迅雷鏈

根據實際情況和業務需求，迅雷鏈提出了獨有的同構多鏈架構結合DPoA + PBFT的共識機制，同構多鏈架構，即系統由一條條相對獨立（獨立進行共識）的鏈組成，每條鏈有多個節點，每個節點被分配到其中一條鏈上，不同的賬戶資料被錨定在不同的同構鏈上，然后接入層將交易路由到發送方所在的鏈上進行區塊打包與共識，其中每條鏈都運行獨立的DPoA + PBFT共識機制，迅雷鏈對PBFT演算法作出了一些優化，降低網路消耗，提高了演算法的可用性；DPoA共識機制是按各驗證人節點的存盤容量、網路穩定性、帶寬、時延、CPU使用率等指標作為衡量標準，選擇符合條件的驗證人節點，每輪投票都從其中動態選擇部分節點作為投票節點，以獲得更好的公平性和網路效率，在這樣的多鏈架構下，迅雷鏈的交易TPS性能可以達到百萬級別，交易秒級確認，


圖5. 迅雷鏈的同構多鏈示意圖

智能合約方面，迅雷鏈同時支持EVM和WASM兩種虛擬機，因此用戶可以根據自己的實際情況選擇使用solidity或C/C++來撰寫智能合約，

區塊鏈3.0是超越貨幣、金融的應用領域，能夠為各行各業提供解決方案，全面服務于物體經濟，應用領域的擴大，也意味著業務模型會更龐大也更復雜，架構上也需要考慮更多的因素，例如：

1. 用戶體驗，好的用戶體驗需要更快的回應速度、更安全的通信、更穩定的網路連接，因此迅雷鏈引入了接入層服務，負責客戶端的接入、鑒權、負載均衡、協議轉換等，在此基礎上搭建了迅雷鏈開放平臺，助力開發者快速開發、部署智能合約，企業或個人可以輕松將自己的產品和服務上鏈，更加便捷地開發區塊鏈應用，

2. 海量資料存盤，迅雷鏈提供了高可靠、高安全性的TCFS（迅雷鏈檔案系統）以支持用戶存盤大量的檔案資料，

3. 資料分析，負責對交易資料做統計分析、資料挖掘等處理，輸出統計報表，

4. 監控服務，負責對節點和各個服務模塊做實時監控，檢測到例外后及時觸發告警，以便研發運維人員及時排除故障，保障服務的穩定運行，

考慮上述因素后，迅雷鏈架構如下所示（其中同構多鏈架構是屬于Layer 1層的改進，也就是每條子鏈都有一個獨立的Layer 1層）：

圖5. 迅雷鏈架構圖

區塊鏈應用的混合架構

在更具體的實際業務中，有些部分是機構的內部邏輯，實際會存在更多的鏈下服務，例如商城的用戶注冊、用戶人個資料、商品展示、運營管理、交易所的買賣單撮合、隱私資料等，都屬于鏈下的服務，需要和鏈上業務進行對接，

圖6. 基于區塊鏈的業務的混合架構圖

上圖是典型的一個基于區塊鏈技術的應用業務架構圖：

應用服務包含所有的鏈下業務邏輯，可能非常龐大，例如包括供應鏈、客戶資料管理、訂單管理、商品展示等等，使用LAMP、微服務等成熟的技術進行開發；

業務資料庫可能包括MySQL、key-value資料庫等多種資料庫實體，用于存盤應用服務的業務資料；

區塊鏈網路負責交易的清結算，例如下單成功后的付款、資產轉移等，由具體的應用服務向區塊鏈發起交易請求；

對賬服務負責檢查需要上鏈的資料是否被區塊鏈網路正確處理，對漏發的、超時或未處理成功的資料應進行重發或差錯控制，以保障業務質量；

區塊資料分析服務用于構建區塊鏈資料分析服務，可以支持用SQL陳述句查詢分析資料，以支持對資料的復雜檢索，

結語

本文分析了一些具體的區塊鏈專案的技術架構，從區塊鏈1.0的位元幣網路，到區塊鏈2.0的以太坊、EOS，到區塊鏈3.0的Hyperledger Fabric和迅雷鏈，從上述的區塊鏈架構發展路徑，我們可以看到，隨著區塊鏈應用范圍的擴展，技術架構也越來越復雜，特別是鏈上鏈下混合的架構，是區塊鏈3.0全面服務于物體經濟的基本要求和重要特征，在設計具體的業務架構時，我們需要決定什么業務應該上鏈，什么業務應該用鏈下服務處理，一個簡單實用的判斷依據是回答以下3個問題：業務是否與信任或價值轉移相關？業務上鏈是否能提升效率？業務上鏈是否能降低成本？

歸根到底，區塊鏈提供的是機器信任，在此基礎上實作資產維護、價值轉移等業務，這些業務都是以提升效率和降低成本為目的，不是跟信任關系相關的業務、上鏈后無法提升效率和降低成本的業務，都可以認為是不適用于區塊鏈的，

*恭喜完成第三課的學習，第四課我們將深入了解區塊鏈的技術發展趨勢，討論共識機制、隱私保護、資料存盤和查詢分析、混合架構的探索及互操作性、以及標準化及規范化等技術內容，