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從網絡層、共識層、數據層、 智能合約層和應用層 聊聊區塊鏈商業的技術架構

2020-1-15 14:06

商業場景應用之下的底層技術架構,大多數人是接觸不到的。但是,所有的商業應用,在區塊鏈上獲取的服務,都離不開底層技術架構的支持。

今天我們就來說說,區塊鏈商業的技術架構,到底包含了什么。

區塊鏈商業的技術架構解讀(一)

總體來看,區塊鏈的基礎架構可以分為五層,包括網絡層、共識層、數據層、 智能合約層和應用層,如下圖所示。每一層分別完成一項核心的功能,各層之間 互相配合,從而實現了去中心化的信任機制。

區塊鏈應用體系架構圖 

1.網絡層

網絡層的主要目的是實現區塊鏈網絡節點之間的信息交互。區塊鏈的本質是一 個點對點(P2P)網絡,每一個節點既能夠接收信息,也能夠生產信息,節點之間 通過維護一個共同的區塊鏈來保持通信。

在區塊鏈的網絡中,每一個節點都可以創造出新的區塊,新區塊被創造出以后, 會通過廣播的形式通知其他的節點,而其他節點反過來會對這個節點進行驗證。當 區塊鏈網絡中超過 51% 的用戶對其驗證通過以后,這個新的區塊就會被添加到主 鏈上。

2.共識層

共識層能夠讓高度分散的節點在去中心化的系統中針對區塊數據的有效性達成 共識。區塊鏈中比較常用的共識機制包括工作量證明、權益證明和股份授權證明等 多種,這部分內容筆者在前面的章節已經做了詳細解讀。

共識機制的作用主要有兩個,一個是獎勵,另一個是懲罰。比特幣以太坊用 的是 PoW 工作量證明機制。此機制根據算力進行獎勵和懲罰,如有節點作弊,算 力會受到損失。

Bitshares、Steemit、EOS 采用 DPoS 股份授權證明機制,擁有代幣的人可以參與 節點的投票,被大家選出來的節點參與記賬,一旦作弊就會被系統投出。

其中的激勵功能主要是指給予代幣獎勵,鼓勵節點參與區塊鏈的安全驗證。例 如,在比特幣總量達到 2100 萬枚之前,比特幣的獎勵機制有兩種 :新區快產生后 系統獎勵的比特幣 ;每筆交易扣除的比特幣(手續費)。而當比特幣的總量達到 2100 萬枚時,新產生的區塊將不再生產比特幣,此時的獎勵主要是每筆交易所扣除 的手續費。

3.數據層

數據層是最底層的技術,主要的功能為數據存儲、賬戶和交易的實現與安全。數據存儲主要基于 Merkle 樹,通過區塊的方式和鏈式結構實現,大多以 KV 數據庫 的方式實現持久化,如比特幣和以太坊采用的 LevelDB。

基于數字簽名、散列函數、非對稱加密技術等多種密碼學算法和技術,以及賬 戶和交易的實現與安全功能,保證了交易能夠在去中心化的情況下安全進行。

設計區塊鏈系統的技術人員們首先建立的起始節點,被稱作是“創世區塊”, 之后在同樣的規則之下,創建規格相同的區塊,通過一個鏈式結構依次相連組成一 條主鏈。隨著運行時間的增加,新的區塊通過驗證后,被不斷添加到主鏈上,主鏈 會不斷延長。

每一個區塊中同時也包含了許多技術,如時間戳技術,它的作用在于確保每一 個區塊都可以按時間的順序相連接,比如散列函數,它是一種將任意長度的消息通 過散列算法壓縮到某一固定長度的消息摘要的函數,它主要用于信息安全領域中加 密算法、文件檢驗、數字簽名和鑒權協議等。

4.合約層

所謂合約層主要是指各種腳本代碼、算法機制及智能合約等。智能合約是運行 在區塊鏈上的一段無須干預即可自動執行的代碼,EVM 是智能合約運行的虛擬機, 人類通過智能合約,無須任何中介干預即可實現資產的轉移,同時也可以開發出一 些有價值的去中心化應用。

以比特幣為例,它是一種可編程的數字貨幣,合約層封裝的腳本中規定了比特 幣的交易方式和交易過程中所涉及的各種細節。

基于智能合約還可以構建區塊鏈應用,不需要從零學習區塊鏈技術就可以方便 地開發自己的區塊鏈應用(DAPP)。如基于以太坊公鏈,開發者可以使用 Solidity 語言開發智能合約,構建去中心化應用 ;基于 EOS,開發者可以使用 C++ 語言, 編寫自己的智能合約。

5.應用層

應用層封裝了區塊鏈的各種應用場景和案例,如基于區塊鏈的跨境支付平臺等, 它也是去中心化應用 DAPP。一個完整的 DAPP 包含智能合約和 Web 系統,Web 系 統通過接口調用智能合約。

本層類似于計算機中的各種軟件程序,是普通人可以真正直接使用的產品,也 可以理解為 B/S 架構的產品中的瀏覽器端(Browser)。

從目前的情況看,對于眾多用戶來講,除數字貨幣外,還找不到現成的區塊鏈 應用。如果想讓區塊鏈技術快速走進尋常百姓,服務于大眾,必須出現大量跟人們 生活、娛樂工具相結合的應用。

區塊鏈商業的技術架構解讀(二)

中國信息通信研究院和可信區塊鏈推進計劃共同編寫了《區塊鏈白皮書(2018 年)》,對區塊鏈的技術體系做了總結,也提出了一套參考架構,包括基礎設施、基 礎組件、賬本、共識、智能合約、接口、應用、操作運維和系統管理 9 部分。以下 內容值得深入研究。

1.基礎組件層

基礎組件層可以實現區塊鏈系統網絡中信息的記錄、驗證和傳播。

在基礎組件層之中,區塊鏈是建立在傳播機制、驗證機制和存儲機制基礎上的 一個分布式系統。

2.賬本層

賬本層負責區塊鏈系統的信息存儲,包括收集交易數據,生成數據區塊,對本 地數據進行合法性校驗,以及將校驗通過的區塊添加到鏈上。

賬本層有以下兩種數據記錄方式。

① 在基于資產的模型中,首先以資產為核心進行建模,然后記錄資產的所有權, 即所有權是資產的一個字段。

② 在基于賬戶的模型中,建立賬戶作為資產和交易的對象,資產是賬戶下的一 個字段。

3.共識層

共識層負責綜合協調以保證全網各節點數據記錄的一致性。常見的共識機制可以分為兩大類。

(1) 概率性的共識機制

先寫入數據,之后再達成共識,如 PoW、PoS、DPoS,大概率一致就達成共識, 計算的復雜度較高。如果一次共識出現多個記賬節點,就產生分叉,最終以最長鏈 為準。節點數量可以隨意改變,節點數越多,系統越穩定。

(2) 確定性的共識機制 

先達成共識,之后再寫入,確認一致之后再達成共識,共識即確認,網絡復雜度高;它要求法定人數投票,各節點之間采用 P2P 廣播溝通,沒有分叉,如 PBFT、BFT 變種等; 隨著節點數增加,性能下降,節點數量不能隨意改變。

從應用來看,為提升效率,在共識機制的使用上,需在安全性、可靠性、開放 性等方面進行取舍,而且共識機制正在從單一向混合方向演進。

4.智能合約層

負責將區塊鏈系統的業務邏輯以代碼的形式實現、編譯并部署,完成既定規則 的條件觸發和自動執行,最大限度地減少人工干預。

根據圖靈完備與否,智能合約層分為以下兩類。

① 圖靈完備的智能合約有較強的適應性,可以對邏輯較復雜的業務操作進行編 程,但有陷入死循環的可能。

② 圖靈不完備的智能合約,不能進行復雜的邏輯操作,但更加簡單、高效和 安全。

智能合約是區塊鏈安全風險的高發領域,在提升安全性能方面,有幾種參考思 維 :形式化驗證、智能合約加密及規范合約語言的語法格式。

5.應用層

作為最終呈現給用戶的部分,主要作用是調取智能合約層的接口,適配區塊鏈 的各類應用場景,為用戶提供服務。這份白皮書將應用劃成 3 種類型 :價值轉移、 存證及授權管理。

(1) 價值轉移類 

數字資產在不同賬戶之間轉移。

(2) 存證類 

將信息記錄到區塊鏈上,但沒有資產轉移。

(3) 授權管理類 利用智能合約控制數據訪問,如數據共享??偨Y起來就是,區塊是數據存儲的容器,而 P2P 網絡是保證區塊鏈運行的基礎協議,共識機制確保參與記賬的節點在沒有人干預的情況下可正常工作。應用層則 讓人們有了成熟的產品可以使用。

目前,一些公司搭建的區塊鏈平臺,如超級賬本(Hyperledger Fabric)、R3 區 塊鏈聯盟(R3CEV)、以太坊企業版等,均有獨到之處。例如,以太坊經過數年的 發展,應用場景已經多達 500 多個。

國內金融機構的區塊鏈應用仍以國外的 Fabric 平臺為主。不過,規模較大的參 與者先后開源底層技術,這類似于當年安卓、iOS、黑莓等智能手機曾經走過的路。例如,深圳前海微眾銀行股份有限公司、上海萬向區塊鏈股份公司、矩陣元技術(深 圳)有限公司聯合宣布,開源三方共同搭建的區塊鏈底層平臺 BCOS(Block Chain Open Source),進一步推動分布式商業生態系統的形成,區塊鏈底層平臺的格局初步顯現。
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