《迅雷鏈精品課》第二課：區塊鏈核心技術框架

上一節課我們明白了什么是區塊鏈，了解了區塊鏈的關鍵特性和技術等內容，這節課我們將深入了解區塊鏈的技術架構，系統學習區塊鏈平臺的6個層次：資料層、網路層、共識層、合約層、應用層、介面層，另外通常還有客戶端為用戶提供訪問界面，

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*以下為第二課的內容~

第二課 區塊鏈核心技術框架

1. 區塊鏈作為一種架構

區塊鏈技術是整合了P2P網路、共識演算法、密碼學、存盤技術等一系列技術構造的一個分布式系統，其中所使用的每一項技術都并不是新技術， 數字貨幣的概念在80年代就出現了，而第一代PoW(Proof of Work)演算法是在90年代發明出來主要用于做反垃圾郵件的，甚至“帶時間戳的區塊構成的鏈條”這個核心資料結構，也并不是原創的，而是基于Scott Stornetta和Stuart Haber在90年代提出的“加密數字時間戳”的發明，

只是在位元幣出現之前，沒有人能提出一個軟體架構，將所有這些技術元素整合起來，構造一個完整的去中心化的系統，而這才是位元幣及其衍生的區塊鏈技術能成功的原因，現在人們所說的區塊鏈，并不是指某種資料結構或存盤技術，而是指一種能提供機器信任的技術架構，

2. 區塊鏈技術架構圖

目前區塊鏈技術架構均源自位元幣的底層技術，從最早在區塊鏈技術引入圖靈完備的智能合約的以太坊，到廣泛用于聯盟鏈的Hyperledger Fabric，從多執行緒架構的EOS，再到同構多鏈架構的迅雷鏈，盡管它們在具體實作上各有不同，但在整體架構上卻存在很多共同的特點，如下圖所示，區塊鏈平臺整體上可劃分為6個層次：資料層、網路層、共識層、合約層、應用層、介面層，另外通常還有客戶端為用戶提供訪問界面，

區塊鏈架構圖

2.1. 資料層

常見的區塊鏈存盤方式有：檔案存盤、關系型資料庫（如MySQL）和非關系型資料庫（如LevelDB），需要保存的資料包括公共資料（例如：交易資料、事務資料、狀態資料等）和本地的私有資料等，

區塊鏈的帶時間戳的哈希鏈式結構借鑒了Scott Stornetta和Stuart Haber在90年代提出的“加密數字時間戳”的發明，他們設計了基于檔案時間戳的數字公證服務以證明各類電子檔案的創建時間，基本方案是使用時間戳服務對新建檔案的時間及之前的檔案的哈希指標進行簽名，形成一個基于時間戳的簽名鏈，鏈中的時間戳無法篡改；此外他們還提出用Merkle樹組織檔案等方案，他們最初的設計需要一個第三方信任機構的存在，要求信任一個外部渠道，但這樣的第三方信任機構仍然可以篡改記錄，他們無法解決這個問題，因此他們決定去證明人們無法解決這個問題，Stornetta在訪談中說到：“有趣的是，最終在證明我們無法解決這個問題的程序中，我們找到了如何去解決問題的方法，最根本的解決辦法是——既然我們始終要去信任某個人或者機構來確保數字檔案的準確性，那就去信任每一個人，也就是說，讓世界上的每一個人都是數字檔案記錄的見證者，……我們設想去構建一個網路，能夠讓所有的數字記錄在被創造的時候就傳輸到每一個用戶那里，這樣就沒有人可以篡改這個記錄，這就是最早區塊鏈概念的誕生，”

區塊鏈中，每個區塊包含區塊頭和區塊體兩部分，區塊體存放交易資料，區塊頭存放Merkle根、前塊哈希、時間戳等資料，基于塊內交易資料哈希生成的Merkle根實作了塊內交易資料的不可篡改性與簡單支付驗證； 基于前一區塊內容生成的前塊哈希將孤立的區塊鏈接在一起，形成了區塊鏈；時間戳表明了該區塊的生成時間，

2.2. 網路層

網路層負責節點間通信，包括網路節點發現、資料收發等功能，區塊鏈系統由眾多節點通過網路連接構成， 特別是在公有鏈系統中，節點數量往往很大，因此，區塊鏈平臺通常選擇完全分布式且可容忍單點故障的P2P協議作為網路傳輸協議，任何時刻每個節點也可自由加入或退出網路，每個節點需要通過網路發現協議發現鄰居節點，并與鄰居節點建立鏈路，網路節點具有平等、自治、分布等特性，所有節點以扁平拓撲結構相互連通，不存在任何中心化的權威節點和層級結構，每個節點均擁有路由發現、廣播交易、廣播區塊、發現新節點等功能，

位元幣的P2P網路基于TCP協議實作，節點發現使用DNS種子節點（DNS-seed），位元幣社區維護著一些域名用于節點發現，此外還硬編碼一些seed-node，當所有的種子節點全失效時，全節點會嘗試連接這些種子節點，

以太坊的P2P網路采用了 Kademlia(簡稱 Kad) 演算法實作，所以以太坊節點的節點發現是基于 UDP 的，找到節點以后會切換到 TCP 協議上進行資料傳輸，

Hyperledger Fabric是用gRPC來做P2P通信的，而gRPC又基于HTTP/2，因此也可以說Hyperledger Fabric是基于HTTP/2協議的，

位元幣和以太坊均使用了 UPnP （Universal Plug and Play）協議做NAT穿透，而Hyperledger Fabric是主要面向聯盟鏈和私有鏈場景，不支持NAT穿透，

2.3. 共識層

共識層運行某種共識演算法，負責協調保證全網節點資料記錄的一致性，

在中心化的分布式系統中，所有節點都由單一機構管理維護，可以認為所有節點都是可信的，共識演算法只需支持崩潰容錯（Crash Fault-Tolerant, CFT）的情況，CFT已有一些經典的解決演算法，包括Paxos、Raft及其變種等，

對于去中心化的區塊鏈系統，其網路節點可由任何一方提供 ，部分節點可能是惡意節點，因此需要支持拜占庭容錯（Byzantine Fault Tolerance, BFT），區塊鏈常用的BFT容錯的共識演算法有作業量證明演算法（Proof of Work, PoW）、權益證明演算法（Proof of Stake, PoS）和委托權益證明演算法（Delegated Proof of Stake, DPoS）、實用拜占庭容錯（Practical Byzantine Fault Tolerance , PBFT）等，根據演算法采取的策略，BFT類演算法可以被分為兩大類，即概率一致性演算法和絕對一致性演算法，其中PoW、PoS、DPoS是概率一致性演算法，PBFT是絕對一致性演算法，

位元幣和以太坊采用PoW機制，Hyperledger Fabric采用PBFT演算法，

2.4. 合約層

合約層負責智能合約的執行，智能合約（Smart Contract）是一段在區塊鏈上存盤、驗證和執行的代碼，

智能合約的概念早在1994由密碼學家Nick Szabo年提出，但由于缺少可信的執行環境，智能合約并沒有被應用到實際產業中，位元幣誕生后，人們認識到位元幣的底層技術區塊鏈天生可以為智能合約提供可信的執行環境，

將合約以數字化的形式寫入區塊鏈中，因區塊鏈的特性，資料將無法洗掉、修改，只能新增，整個程序透明可跟蹤，保證了歷史的可追溯性; 因行為將被永久記錄，可極大程度避免惡意行為對合約正常執行的干擾；區塊鏈的去中心化特性，避免了中心化因素的影響，提高智能合約在成本效率方面的優勢；當滿足合約內容時，將自動啟動智能合約的代碼，既避免了手動程序，同時又保障了發行者無法違約；由區塊鏈自帶的共識演算法構建出一套狀態機系統，使得智能合約能夠安全、高效地運行，并保證結果可信任，

位元幣腳本是非圖靈完備的，指令型別簡單、實作功能有限；以太坊首先提供了圖靈完備的智能合約編程語言Solidity與執行環境EVM(Ethereum Virtual Machine)；Hyperledger Fabric的智能合約稱為chaincode，其運行在docker容器中，可以用go與java等通用編程語言撰寫智能合約，

2.5. 應用層

應用層負責適配區塊鏈的各類應用場景，為用戶提供各種服務和應用，

位元幣平臺上的應用主要是基于位元幣的資料貨幣的發行和流通，以太坊以圖靈完備的智能合約為基礎，除了數字貨幣交易外，還支持去中心化應用（Decentralized Application, Dapp）, Dapp是由javascript構建的Web前端應用，通過Json-RPC與運行在以太坊節點上的智能合約進行通信，Hyperledger Fabric主要面向聯盟鏈和私有鏈應用，并沒有提供數字貨幣，基于其docker的智能合約可實作包括數字貨幣在內的各種業務應用，

2.6. 介面層

介面層用于完成功能模塊的封裝，為客戶端應用提供簡潔的訪問介面，

位元幣節點提供了基于JSON RPC介面，可供應用開發者使用各種開發語言例如JavaScript、Java、Python等訪問位元幣系統，包括訪問區塊和交易資訊、節點控制、網路相關、交易發起等功能，

以太坊為客戶端提供JSON RPC介面，客戶端可以使用go、python、javascript等編程語言與區塊鏈服務的RPC埠進行通信，其中，go語言可以直接使用go-ethereum專案的rpc庫與以太坊通信、python語言有web3.py庫、javascript語言下有web3.js庫，web3庫是以太坊提供的一個對JSON RPC介面的封裝庫，提供了一系列與區塊鏈互動的物件和函式，包括查看網路狀態，查看本地賬戶、查看交易和區塊、發送交易、編譯/部署智能合約、呼叫智能合約等，其中最重要的就是與智能合約互動的API，

Hyperledger Fabric提供gRPC或REST介面，客戶端可基于Go、Java、Python等語言構建，并與Hyperledger Fabric節點上的智能合約通信

2.7. 客戶端

客戶端為用戶提供友好易操作的訪問界面，位元幣和以太坊都存在多平臺、多樣化的客戶端，第三方客戶端的開發非常活躍，

3. 3層劃分模型

以太坊社區在可擴展性問題的討論中，將擴展方案分類為“Layer 1層改進”和“Layer 2層改進”，Layer 1層改進是指通過對區塊鏈本身的改進來提升它的可擴展性，即On-Chain鏈上改進，Layer 1層包括區塊鏈的資料層、網路層、共識層和合約層；Layer 2層改進是指不影響區塊鏈本身，通過其他方式來實作可擴展性的提升，即Off-Chain（鏈下）的改進， Layer 2層包括區塊鏈的應用層、介面層等，為了架構的完整性，我們將基礎設施也納入考慮，添加一個Layer 0層，最后劃分如下圖所示：

區塊鏈的3層模型圖

進一步劃分為3層模型的好處是可以讓我們討論方案時可以使用Layer 1這樣的術語來表示相互關聯的那幾個分層，

Layer 0層是基礎設施層，包括網路基礎設施、存盤基礎設施和計算基礎設施，與IaaS（Infrastructure as a Service，基礎設施即服務）的” 基礎設施”的概念一致，在以太坊這樣的公鏈社區通常對Layer 0層的改進很少討論，因為公鏈的基礎設施是去中心化的，無法控制的，而企業構建區塊鏈平臺時，則需要自己提供基礎設施服務，是可控制的，討論改進方案時也應該要考慮Layer 0層的改進，例如網路拓撲結構改進、網路節點選擇、高速網路建設、存盤硬體選型、分布式存盤方案改進、計算節點的調度等等，

Layer 1層包括區塊鏈的資料層、網路層、共識層和合約層，這層改進的出發點是賬本資料的存盤、交易的廣播和驗證、共識演算法的改進、合約性能的改進等，例如以太坊的sharding方案，Casper共識演算法、EOS的DPoS+aBFT共識演算法、迅雷鏈的同構多鏈架構和DPoA+PBFT共識演算法等，都是Layer 1層的改進方案，

Layer 2層包括區塊鏈的應用層、介面層等，這層的擴展性改進方案有閃電網路、側鏈、狀態通道、Plasma等，不影響區塊鏈本身，在公鏈社區是比較容易實施的方案，但這些鏈下改進的方案需要引入為人所詬病的中心化的模塊，

4. 小結

區塊鏈與其說是一種新技術，不如說是一種新的分布式系統架構，其整合了P2P網路、共識演算法、密碼學、存盤技術等一系列已有技術，帶來的是大量的新概念、新思維，

以整體架構為脈絡，我們可以有針對性的掌握區塊鏈技術的基本知識，也可以此為框架來分析新出現的區塊鏈專案，對其加以研究，識別其關鍵技術點，考察其是否存在技術創新，

*恭喜完成第二課的學習，第三課我們將分析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，