区块链技术架构与技术路径解读


文章目录

区块链技术架构图

    网络层

    共识层

    数据层

    合约层

    应用层

知识图谱

    基础知识

    技术实现

    开发环境

编程实现

    C/C++实现

    Nodejs/Javascript

    Python

    Go

区块链技术架构图

总体来看,区块链的基础架构可以分为五层,包括网络层、共识层、数据层、 智能合约层和应用层,如下图所示。每一层分别完成一项核心的功能,各层之间 互相配合,从而实现了去中心化的信任机制

网络层

       网络层的主要目的是实现区块链网络节点之间的信息交互。区块链的本质是一 个点对点(P2P)网络,每一个节点既能够接收信息,也能够生产信息,节点之间 通过维护一个共同的区块链来保持通信。在区块链的网络中,每一个节点都可以创造出新的区块,新区块被创造出以后, 会通过广播的形式通知其他的节点,而其他节点反过来会对这个节点进行验证。当 区块链网络中超过 51% 的用户对其验证通过以后,这个新的区块就会被添加到主链上。

共识层

       共识层能够让高度分散的节点在去中心化的系统中针对区块数据的有效性达成 共识。区块链中比较常用的共识机制包括工作量证明、权益证明和股份授权证明等 多种,这部分内容笔者在前面的章节已经做了详细解读。共识机制的作用主要有两个,一个是奖励,另一个是惩罚。比特币和以太坊用 的是 PoW 工作量证明机制。此机制根据算力进行奖励和惩罚,如有节点作弊,算 力会受到损失。

       Bitshares、Steemit、EOS 采用 DPoS 股份授权证明机制,拥有代币的人可以参与 节点的投票,被大家选出来的节点参与记账,一旦作弊就会被系统投出。

       其中的激励功能主要是指给予代币奖励,鼓励节点参与区块链的安全验证。例 如,在比特币总量达到 2100 万枚之前,比特币的奖励机制有两种 :新区快产生后 系统奖励的比特币 ;每笔交易扣除的比特币(手续费)。而当比特币的总量达到 2100 万枚时,新产生的区块将不再生产比特币,此时的奖励主要是每笔交易所扣除 的手续费。

数据层

       数据层是最底层的技术,主要的功能为数据存储、账户和交易的实现与安全。数据存储主要基于 Merkle 树,通过区块的方式和链式结构实现,大多以 KV 数据库 的方式实现持久化,如比特币和以太坊采用的 LevelDB。基于数字签名、散列函数、非对称加密技术等多种密码学算法和技术,以及账 户和交易的实现与安全功能,保证了交易能够在去中心化的情况下安全进行。

       设计区块链系统的技术人员们首先建立的起始节点,被称作是“创世区块”, 之后在同样的规则之下,创建规格相同的区块,通过一个链式结构依次相连组成一 条主链。随着运行时间的增加,新的区块通过验证后,被不断添加到主链上,主链 会不断延长。

       每一个区块中同时也包含了许多技术,如时间戳技术,它的作用在于确保每一 个区块都可以按时间的顺序相连接,比如散列函数,它是一种将任意长度的消息通 过散列算法压缩到某一固定长度的消息摘要的函数,它主要用于信息安全领域中加 密算法、文件检验、数字签名和鉴权协议等。

合约层

       所谓合约层主要是指各种脚本代码、算法机制及智能合约等。智能合约是运行 在区块链上的一段无须干预即可自动执行的代码,EVM 是智能合约运行的虚拟机, 人类通过智能合约,无须任何中介干预即可实现资产的转移,同时也可以开发出一 些有价值的去中心化应用。以比特币为例,它是一种可编程的数字货币,合约层封装的脚本中规定了比特 币的交易方式和交易过程中所涉及的各种细节。

       基于智能合约还可以构建区块链应用,不需要从零学习区块链技术就可以方便 地开发自己的区块链应用(DAPP)。如基于以太坊公链,开发者可以使用 Solidity 语言开发智能合约,构建去中心化应用 ;基于 EOS,开发者可以使用 C++ 语言, 编写自己的智能合约。

应用层

       应用层封装了区块链的各种应用场景和案例,如基于区块链的跨境支付平台等, 它也是去中心化应用 DAPP。一个完整的 DAPP 包含智能合约和 Web 系统,Web 系 统通过接口调用智能合约。本层类似于计算机中的各种软件程序,是普通人可以真正直接使用的产品,也 可以理解为 B/S 架构的产品中的浏览器端(Browser)。

       从目前的情况看,对于众多用户来讲,除数字货币外,还找不到现成的区块链 应用。如果想让区块链技术快速走进寻常百姓,服务于大众,必须出现大量跟人们 生活、娱乐工具相结合的应用。

知识图谱   

循着上面的分析,我们已经可以了解区块链是什么,并知道怎么实现了,顺便梳理一下其中的编程技术知识,自然也就清晰多了。

基础知识

       区块链是新技术,与之相关的是其背后大量的新概念、新理论。这些知识,虽然不直接体现在编码里,但却是理解区块链,掌握区块链技术的基本知识。所以,理当成为区块链技术不可或缺的一部分。这部分从基本概念入手,到工作原理的描述,就能够把区块链基础知识全部覆盖。

技术实现

       区块链是一项技术,但从上面的分析可以看出,它应该是一种架构应用,架构的实现理当是我们知识库的核心。正如大家看到的,任何一款区块链产品,协议层必须包括点对点网络、加密签名、数据存储、分布式算法等4个部分,应用层也必然要提供钱包、客户端浏览器等基础应用。所以,把这部分独立出来,也是合情合理。

       在扩展层的部分,区块链技术可以对接各种应用,比如:金融、物联网、网络安全、版权保护、电子商务等等,现有的很多技术都可以用在这里。只不过,如何与区块链结合,如何实现跨行业使用,自然是这部分内容研究的课题。所以,这里所罗列或涉及到的技术,理应归为技术实现的一个重要部分。

开发环境

       区块链是多项技术的组合,有其自身的复杂性,个别应用对开发环境依赖较大,开发工具与环境搭建,是让开发者快速上手的重要内容,据说,短短数年,全球区块链产品已经有几千个,其中不乏创新应用。有些优秀的开源产品和项目实践,是最好的学习研究资料。

编程实现

C/C++实现

       这两个语言是无法逾越的,任何开发遇到瓶颈,基本上都会找到它们,自然应该排在第一位要介绍的。同时,区块链技术的鼻祖,比特币(协议层) 就是用C++语言开发的,而且目前为止,没有比比特币更加成功的区块链产品。所以,无论你使用什么语言开发,在正式进入这个行业的过程中,都应该先研究研究比特币。

       比特币官方客户端钱包用的Qt,第三方钱包有Python语言开发的,特别是第三方整理的开发库(Api包)很多是Nodejs设计的。比特币的架构,与上面的架构设计基本相同,另外,因为共识算法采用的是工作量证明机制(PoW:Proof of work),还有一些特殊的挖矿的过程。其他竞争币都是直接来自比特币的分支,所以编程语言相同,具体的技术选型和技术实现上可能有所改进,比如:莱特币,使用了其他的加密算法。

Nodejs/Javascript

       Nodejs平台强大的网络编程能力,以及js脚本语言的简单快捷,在区块链领域自然少不了它的身影。亿书便是这样一个区块链产品,亿书币是它的协议层,使用了著名的express开发框架,基于http协议开发而成。同时,它采用了授权股权证明机制(DPoS),算法上的改进,让它在处理交易时更加轻量,处理能力大大提升。

       它提供了强大的协作机制,为数字出版、版权保护提供了便利;扩展了侧链功能,可以基于它开发任何去中心化的应用,从而为专业作者、博客爱好者和开发者提供很多方便。《Nodejs开发加密货币》这本书完整分享了它的源码,从区块链基础概念到代码实现,从基本原理到开发设计思路,都做了比较详细的探索,目前为止,从协议层面深入代码讲解区块链技术实现的书籍极少,这算作一本。

Python

       如果是Python语言爱好者,我建议研究研究以太坊(Ethereum)的Python实现。尽管因为The Dao事件闹得沸沸扬扬,但从技术实现的角度来说,仍然值得参考学习。以太坊官方定位为一种开发管理分布式应用的平台,主攻方向就是“智能合约”,并为其定制了一种编程语言Solidity。以太坊的核心是以太坊虚拟机(EVM),允许用户按照自己的意愿创建操作。以太坊给出了Go、Java、Python等多语言的实现。

       其中以python为基础的实现主要包括三个部分:Pyethapp是客户端部分;pyethereum是核心库,实现了区块链、以太坊模拟机和挖矿等功能;pydevp2p是点对点网络库,实现了节点发现、合约代码传输、加密签名等功能,这三者组合在一起就是完整的区块链实现,后面两个核心库共同组成了协议层。另外,go-ethereum是go语言的完整实现;Ethereum(J) 是纯Java实现,它作为可以嵌入任何Java/Scala项目的库提供。客户端方面,还有Rust、Ruby、Javascript等语言的实现。

Go

       在多核时代,Go语言备受喜爱,它可以让你用同步方式轻松实现高并发,特别是在分布式系统、网络编程等领域,应用非常广。所以,在区块链开发领域,也有很多使用Go语言的项目。其中,由linux基金会主导的超级账本(HyperLeger),版本库的名字叫Fabric,就是其中一个。该项目试图为新一代的事务应用创建一种开放的分布式账本标准,支持许可式区块链(这种方式可能无法再现比特币那种强大的网络效应)。

       Fabric的开发环境建立在VirtualBox虚拟机上,部署环境可以自建网络,也可以直接部署在BlueMix上,部署方式可docker化,支持用Go和JavaScript开发智能合约。它采用PBFT分布式算法,网络编程方面用gRPC来做P2P通讯,使用 Protocol Buffer来序列化要传递的数据结构。在架构设计上,Fabric可能与比特币等区块链产品有所不同,但是上述基本组成部分还是不可或缺的。



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