区块链技术原理及架构

    区块链技术原理及架构

一、区块链是什么？

    “区块链”技术最初是由一位化名中本聪的人为比特币（一种数字货币）而设计出的一种特殊的数据库技术，它基于密码学中的椭圆曲线数字签名算法（ECDSA）来实现去中心化的P2P系统设计。但区块链的作用不仅仅局限在比特币上。现在，人们在使用“区块链”这个词时，有的时候是指数据结构，有时是指数据库，有时则是指数据库技术，但无论是哪种含义，都和比特币没有必然的联系。

    从数据的角度来看：区块链是一种分布式数据库（或称为分布式共享总账，DistributedShared Ledger），这里的“分布式”不仅体现为数据的分布式存储，也体现为数据的分布式记录（即由系统参与者来集体维护）。简单的说，区块链能实现全球数据信息的分布式记录（可以由系统参与者集体记录，而非由一个中心化的机构集中记录）与分布式存储（可以存储在所有参与记录数据的节点中，而非集中存储于中心化的机构节点中）。

    从效果的角度来看：区块链可以生成一套记录时间先后的、不可篡改的、可信任的数据库，这套数据库是去中心化存储且数据安全能够得到有效保证的。

    结论：区块链是一种把区块以链的方式组合在一起的数据结构，它适合存储简单的、有先后关系的、能在系统内验证的数据，用密码学保证了数据的不可篡改和不可伪造。它能够使参与者对全网交易记录的事件顺序和当前状态建立共识。

    如今的区块链技术概括起来是指通过去中心化和去信任的方式集体维护一个可靠数据库的技术。其实，区块链技术并不是一种单一的、全新的技术，而是多种现有技术（如加密算法、P2P文件传输等）整合的结果，这些技术与数据库巧妙地组合在一起，形成了一种新的数据记录、传递、存储与呈现的方式。简单的说，区块链技术就是一种大家共同参与记录信息、存储信息的技术。过去，人们将数据记录、存储的工作交给中心化的机构来完成，而区块链技术则让系统中的每一个人都可以参与数据的记录、存储。区块链技术在没有中央控制点的分布式对等网络下，使用分布式集体运作的方法，构建了一个P2P的自组织网络。通过复杂的校验机制，区块链数据库能够保持完整性、连续性和一致性，即使部分参与人作假也无法改变区块链的完整性，更无法篡改区块链中的数据。

    区块链技术涉及的关键点包括：去中心化（Decentralized）、去信任（Trustless）、集体维护（Collectively maintain）、可靠数据库（ReliableDatabase）、时间戳（Time stamp）、非对称加密（AsymmetricCryptography）等。

    区块链技术重新定义了网络中信用的生成方式：在系统中，参与者无需了解其他人的背景资料，也不需要借助第三方机构的担保或保证，区块链技术保障了系统对价值转移的活动进行记录、传输、存储，其最后的结果一定是可信的。

    区块链技术原理的来源可归纳为一个数学问题：拜占庭将军问题。拜占庭将军问题延伸到互联网生活中来，其内涵可概括为：在互联网大背景下，当需要与不熟悉的对手方进行价值交换活动时，人们如何才能防止不会被其中的恶意破坏者欺骗、迷惑从而做出错误的决策。进一步将拜占庭将军问题延伸到技术领域中来，其内涵可概括为：在缺少可信任的中央节点和可信任的通道的情况下，分布在网络中的各个节点应如何达成共识。区块链技术解决了闻名已久的拜占庭将军问题——它提供了一种无需信任单个节点、还能创建共识网络的方法。

    区块链技术的本质是一种互联网协议。

    设想一下，如果现在我们想要在互联网世界中建立一套全球通用的数据库，那么我们会面临三个亟待解决的问题，这三个问题也是设计区块链技术的核心所在：

    问题一：如何建立一个严谨的数据库，使得该数据库能够存储下海量的信息，同时又能在没有中心化结构的体系下保证数据库的完整性？

    问题二：如何记录并存储下这个严谨的数据库，使得即便参与数据记录的某些节点崩溃，我们仍然能保证整个数据库系统的正常运行与信息完备？

    问题三：如何使这个严谨且完整存储下来的数据库变得可信赖，使得我们可以在互联网无实名背景下成功防止诈骗？

    针对这三个核心问题，区块链构建了一整套完整的、连贯的数据库技术来达成目的，解决这三个问题的技术也成为了区块链最核心的三大技术。此外，为了保证区块链技术的可进化性与可扩展性，区块链系统设计者还引入了“脚本”的概念来实现数据库的可编程性。我们认为，这四大技术构成了区块链的核心技术。

        二、区块链的核心技术

       核心技术1：区块+链

       关于如何建立一个严谨数据库的问题，区块链的办法是：将数据库的结构进行创新，把数据分成不同的区块，每个区块通过特定的信息链接到上一区块的后面，前后顺连来呈现一套完整的数据，这也是“区块链”这三个字的来源。

    区块（block）：在区块链技术中，数据以电子记录的形式被永久储存下来，存放这些电子记录的文件我们就称之为“区块（block）”。区块是按时间顺序一个一个先后生成的，每一个区块记录下它在被创建期间发生的所有价值交换活动，所有区块汇总起来形成一个记录合集。

    区块结构（BlockStructure）：区块中会记录下区块生成时间段内的交易数据，区块主体实际上就是交易信息的合集。每一种区块链的结构设计可能不完全相同，但大结构上分为块头（header）和块身（body）两部分。块头用于链接到前面的块并且为区块链数据库提供完整性的保证，块身则包含了经过验证的、块创建过程中发生的价值交换的所有记录。

    区块结构有两个非常重要的特点：第一，每一个区块上记录的交易是上一个区块形成之后、该区块被创建前发生的所有价值交换活动，这个特点保证了数据库的完整性。第二，在绝大多数情况下，一旦新区块完成后被加入到区块链的最后，则此区块的数据记录就再也不能改变或删除。这个特点保证了数据库的严谨性，即无法被篡改。

    顾名思义，区块链就是区块以链的方式组合在一起，以这种方式形成的数据库我们称之为区块链数据库。区块链是系统内所有节点共享的交易数据库，这些节点基于价值交换协议参与到区块链的网络中来。

    区块链是如何做到的呢？由于每一个区块的块头都包含了前一个区块的交易信息压缩值，这就使得从创世块（第一个区块）到当前区块连接在一起形成了一条长链。由于如果不知道前一区块的“交易缩影”值，就没有办法生成当前区块，因此每个区块必定按时间顺序跟随在前一个区块之后。这种所有区块包含前一个区块引用的结构让现存的区块集合形成了一条数据长链。“区块+链”的数据存储结构如下图所示。

    我们引用《区块链：互联网金融的终局》（肖风）的一段话来总结区块链的基本结构：“人们把一段时间内生成的信息（包括数据或代码）打包成一个区块，盖上时间 戳，与上一个区块衔接在一起，每下一个区块的页首都包含了上一个区块的索引数据，然后再在本页中写入新的信息，从而形成新的区块，首尾相连，最终形成了区块链。”这个结构的神奇之处：区块（完整历史）+ 链（完全验证）= 时间戳

    “区块+链”的结构为我们提供了一个数据库的完整历史。从第一个区块开始，到最新产生的区块为止，区块链上存储了系统全部的历史数据。

    区块链为我们提供了数据库内每一笔数据的查找功能。区块链上的每一条交易数据，都可以通过“区块链”的结构追本溯源，一笔一笔进行验证。

    区块+链=时间戳，这是区块链数据库的最大创新点。区块链数据库让全网的记录者在每一个区块中都盖上一个时间戳来记账，表示这个信息是这个时间写入的，形成了一个不可篡改、不可伪造的数据库。我们认为，时间戳是区块链中一项伟大的技术创新，它可以证明什么呢？

    核心技术2：分布式结构——开源的、去中心化的协议

    我们有了区块+链的数据之后，接下来就要考虑记录和存储的问题了。我们应该让谁来参与数据的记录，又应该把这些盖了时间戳的数据存储在哪里呢？在现如今中心化的体系中，数据都是集中记录并存储于中央电脑上。但是区块链结构设计精妙的地方就在这里，它并不赞同把数据记录并存储在中心化的一台或几台电脑上，而是让每一个参与数据交易的节点都记录并存储下所有的数据。

    1.关于如何让所有节点都能参与记录的问题，区块链的办法是：构建一整套协议机制，让全网每一个节点在参与记录的同时也来验证其他节点记录结果的正确性。只有当全网大部分节点（或甚至所有节点）都同时认为这个记录正确时，或者所有参与记录的节点都比对结果一致通过后，记录的真实性才能得到全网认可，记录数据才允许被写入区块中。

    2.关于如何存储下“区块链”这套严谨数据库的问题，区块链的办法是：构建一个分布式结构的网络系统，让数据库中的所有数据都实时更新并存放于所有参与记录的网络节点中。这样即使部分节点损坏或被黑客攻击，也不会影响整个数据库的数据记录与信息更新。

    区块链根据系统确定的开源的、去中心化的协议，构建了一个分布式的结构体系，让价值交换的信息通过分布式传播发送给全网，通过分布式记账确定信息数据内容，盖上时间戳后生成区块数据，再通过分布式传播发送给各个节点，实现分布式存储。

    分布式记账——会计责任的分散化（Distributedaccountability）

    从硬件的角度讲，区块链的背后是大量的信息记录储存器（如电脑等）组成的网络，这一网络如何记录发生在网络中的所有价值交换活动呢？区块链设计者没有为专业的会计记录者预留一个特定的位置，而是希望通过自愿原则来建立一套人人都可以参与记录信息的分布式记账体系，从而将会计责任分散化，由整个网络的所有参与者来共同记录。

    区块链中每一笔新交易的传播都采用分布式的结构，根据P2P网络层协议，消息由单个节点被直接发送给全网其他所有的节点。

    区块链技术让数据库中的所有数据均存储于系统所有的电脑节点中，并实时更新。完全去中心化的结构设置使数据能实时记录，并在每一个参与数据存储的网络节点中更新，这就极大的提高了数据库的安全性。

    通过分布式记账、分布式传播、分布式存储这三大“分布”我们可以发现，没有人、没有组织、甚至没有哪个国家能够控制这个系统，系统内的数据存储、交易验证、信息传输过程全部都是去中心化的。在没有中心的情况下，大规模的参与者达成共识，共同构建了区块链数据库。可以说，这是人类历史上第一次构建了一个真正意义上的去中心化体系。甚至可以说，区块链技术构建了一套永生不灭的系统——只要不是网络中的所有参与节点在同一时间集体崩溃，数据库系统就可以一直运转下去。

    我们现在已经有了一套严谨的数据库，也有了记录并存储这套数据库的可用协议，那么当我们将这套数据库运用于实际社会时，我们要解决最核心的一个问题（问题三）是：如何使这个严谨且完整存储下来的数据库变得可信赖，使得我们可以在互联网无实名背景下成功防止诈骗？

    核心技术3：非对称加密算法

    什么是非对称加密？简单来说，它让我们在“加密”和“解密”的过程中分别使用两个密码，两个密码具有非对称的特点：（1）加密时的密码（在区块链中被称为“公钥”）是公开全网可见的，所有人都可以用自己的公钥来加密一段信息（信息的真实性）；（2）解密时的密码（在区块链中被称为“私钥”）是只有信息拥有者才知道的，被加密过的信息只有拥有相应私钥的人才能够解密（信息的安全性）。

    简单的总结：区块链系统内，所有权验证机制的基础是非对称加密算法。常见的非对称加密算法包括RSA、Elgamal、D-H、ECC（椭圆曲线加密算法）等。在非对称加密算法中，如果一个“密钥对”中的两个密钥满足以下两个条件：1、对信息用其中一个密钥加密后，只有用另一个密钥才能解开；2、其中一个密钥公开后，根据公开的密钥别人也无法算出另一个，那么我们就称这个密钥对为非对称密钥对，公开的密钥称为公钥，不公开的密钥称为私钥。在区块链系统的交易中，非对称密钥的基本使用场景有两种：1、公钥对交易信息加密，私钥对交易信息解密。私钥持有人解密后，可以使用收到的价值。2、私钥对信息签名，公钥验证签名。通过公钥签名验证的信息确认为私钥持有人发出。

    我们可以看出，从信任的角度来看，区块链实际上是数学方法解决信任问题的产物。过去，人们解决信任问题可能依靠熟人社会的“老乡”，政党社会的“同志”，传统互联网中的交易平台“支付宝”。而区块链技术中，所有的规则事先都以算法程序的形式表述出来，人们完全不需要知道交易的对手方是“君子”还是“小人”，更不需要求助中心化的第三方机构来进行交易背书，而只需要信任数学算法就可以建立互信。区块链技术的背后，实质上是算法在为人们创造信用，达成共识背书。

    核心技术4：脚本

    脚本可以理解为一种可编程的智能合约。如果区块链技术只是为了适应某种特定的交易，那脚本的嵌入就没有必要了，系统可以直接定义完成价值交换活动需要满足的条件。然而，在一个去中心化的环境下，所有的协议都需要提前取得共识，那脚本的引入就显得不可或缺了。有了脚本之后，区块链技术就会使系统有机会去处理一些无法预见到的交易模式，保证了这一技术在未来的应用中不会过时，增加了技术的实用性。

    一个脚本本质上是众多指令的列表，这些指令记录在每一次的价值交换活动中，价值交换活动的接收者（价值的持有人）如何获得这些价值，以及花费掉自己曾收到的留存价值需要满足哪些附加条件。通常，发送价值到目标地址的脚本，要求价值的持有人提供以下两个条件，才能使用自己之前收到的价值：一个公钥，以及一个签名（证明价值的持有者拥有与上述公钥相对应的私钥）。脚本的神奇之处在于，它具有可编程性：（1）它可以灵活改变花费掉留存价值的条件，例如脚本系统可能会同时要求两个私钥、或几个私钥、或无需任何私钥等；（2）它可以灵活的在发送价值时附加一些价值再转移的条件，例如脚本系统可以约定这一笔发送出去的价 值以后只能用于支付中信证券的手续费、或支付给政府等。

三、区块链平台参考架构：

从下图可以看到区块链基础架构分为6层，包括数据层、网络层、共识层、激励层、合约层、应用层。每层分别完成一项核心功能，各层之间互相配合，实现一个去中心化的信任机制。

基础层：任何信息化系统必须运行在一个计算机基础设施环境下，传统的服务器、网络设备、存储、终端。这些设备组成了计算机的基础环境，为系统运行提供计算资源、网络资源、存储资源。现在随着云计算、云平台的发展，很多应用系统都在迁移至云平台，云平台的模式更适合区块链系统，为整个系统提供资源的合理管控和弹性扩展。区块链系统的基础设计层，结合传统和现在云计算的平台，不单单依赖一种平台，具有良好的兼容性和扩展性，适应各种虚拟化云平台。

安全层：任何系统在实际应用中安全问题一直重中之重，如数据的安全，用户的安全，权限的控制等，区块链系统本身的加密算法和共识机制保证区块链本身的数据的安全性。在图中安全包含了三个方面：身份管理、权限、加密服务。首先身份管理，区块链中账户用地址区分，地址是公钥加工后一串数字身份，配套一个账户还有私钥、公钥、签名这些加密数字字符串，身份的管理就是不同角色维护在区块链网络中的数字身份。权限，这个和一般系统一样都需要权限的分离和有效控制管理，但是区块链中由于其特性透明化、不可篡改，在实际应用过程需要对权限更高级别的控制，一方面也是对用户隐私保护的考虑，另一方面针对监管审计。加密服务，加密技术在区块链技术中发挥着十分重要的作用，不论公钥、私钥、签名等，区块链通过数学加密技术保障系统的信任可靠，但是加密技术随着现代各种技术的发展，不是一成不变，加密技术模块化，现今环境，区块链落地金融结算，国内国密改革，要求区块链中加密模块国产自主可控，将来随着量子计算机和量子算法的发展，加密算法要求随时可以更替，以适应整个加密技术的发展，保证系统的安全性。

数据层：数据是系统存在的根本，数据的重要性不言而喻，图中很为数据访问控制服务、跨链、链上链下服务。区块链由于其链的特性，对数据的管理比一般系统较复杂。首先数据访问控制服务，区块链是分布式系统，数据的访问控制要求在整个网络中分布式数据存储数据的一致性，访问过程较复杂，多副本的模式，在网络中每个节点上对数据的存储和查询都要求在建立在共识算法一致性后确认写入，同时区块链系统数据一致增长，对数据的访问效率需要考虑。跨链，之前有文章专门写过跨链技术，在区块链系统中，大多数链其实都是不知道链外的世界，不具备天然的跨链能力，跨链是一个复杂的过程，既需要对链中节点要有单独的验证能力，需要去中心化的输入，更需要对链外世界的信息的获取和验证。通过公证人机制（Notary schemes）、侧链/中继（Sidechains/relays）、哈希锁定（Hash-locking）等跨链技术实现链与链之间的通讯，跨链在数据层的作用可归结为区块链系统系统数据的交互。链上链下服务，安全访问链下数据，实现链上和链下数据的交叉。区块链由于链的特性考虑整个应用环境，不单单只是当时区块链系统数据的存储和交互，也需要各种区块链间和区块链链下数据之间的交互。

账本层：把区块链理解为分布式账本系统，全网内节点通过信任机制，共识算法统一维护单一可靠账本，在实际应用过程中，共识机制决定账本数据的写入，避免双重支付，这里和加密算法一样，共识机制需要模块化，现在区块链系统中共识机制各有利弊，在实际应用中一旦出现共识机制需要更换，那么需要模块化操作，实现共识机制良好的过渡。一直以来个人都认为共识机制是影响区块链运行效率最关键的一个环节，参考网上一些联盟链白皮书和一些相关资料，EOS、BTS等共识机制（类似石墨烯架构）一直不断的在改善区块链单位时间的执行吞吐效率。

开发层和DAPP：区块链2.0中最为关键的智能合约，那么在开发过程中智能合约将整个应用逻辑、业务规范整合，切合分布式应用系统。在开发语言上要求支持多种主流开发语言，同时一整套开发过程中工具的配合，实现对分布式应用的代码编写、测试、优化、部署、监控等。SDKs、APIs - 简化分布式应用程序访问分布式账本、智能合约等服务的中间代码。编程接口 - 允许外部系统访问智能合约的服务、平台和数据的能力。

总结来说，区块链技术目前还不是很成熟，业内都认为五到十年后技术会真正成熟，会出现应用的落地，但目前对区块链技术的研究各大IT巨头、金融、咨询类等公司都不断在投入，相信技术出现重大突破后整个区块链架构平台会更完善，更切合应用，从而实现区块链的信任价值。

简版的六个架构

一、数据层-描述区块链技术的物理形式

区块链系统设计的技术人员首先建立的一个起始节点是“创世区块”，之后在同样规则下创建的规格相同的区块通过一个链式的结构依次相连组成一条主链条。随着运行时间越来越长，新的区块通过验证后不断被添加到主链上，主链也会不断地延长。

二、网络层-实现区块链网络中节点之间的信息交流。

区块链网络本质上是一个P2P（点对点）网络。每一个节点既接收信息，也产生信息。节点之间通过维护一个共同的区块

链来保持通信。区块链的网络中，每一个节点都可以创造新的区块，在新区块被创造后会以广播的形式通知其他节点，其他节点会对这个区块进行验证，当全区块链网络中超过51%的用户验证通过后，这个新区块就可以被添加到主链上了。

三、共识层-让高度分散的节点在去中心化的系统中高效地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主要有

工作量证明（Proof of Work）

权益证明（Proof of Stake）

股份授权证明（Delegated Proof of Stake）

还有投注共识、瑞波共识机制、Pool验证池、实用拜占庭容错、授权拜占庭容错、帕克索斯算法等。

四、激励层-提供一定的激励措施，鼓励节点参与区块链的安全验证工作。

五、合约层-主要是指各种脚本代码、算法机制以及智能合约等。

以比特币为例，比特币是一种可编程的货币，合约层封装的脚本中规定了比特币的交易方式和过程中涉及的种种细节。

六、应用层-封装了区块链的各种应用场景和案例

比如基于区块链的跨境支付平台OKLink