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區(qū)塊鏈就是一個分布式、有著特定結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫，是一個有序，每一個塊都連接到前一個塊的鏈表。也就是說，區(qū)塊按照插入的順序進行存儲，每個塊都與前一個塊相連。這樣的結(jié)構(gòu)，能夠讓我們快速地獲取鏈上的最新塊，并且高效地通過哈希來檢索一個塊。

1、區(qū)塊鏈六層模型

一個標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)塊鏈項目，應(yīng)該至少包含數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、共識層這三層，應(yīng)用層、合約層、激勵層可以不包含。

以一個交易的例子來說明這模型所起的作用，假如說，我們有三個角色，
A有100btc，B有0btc，c是礦工，現(xiàn)在A給B轉(zhuǎn)10個btc，
1、A->B轉(zhuǎn)賬10比特幣，數(shù)據(jù)層
2、轉(zhuǎn)賬交易要確認(rèn)，需要廣播出去，網(wǎng)絡(luò)層
3、把交易打包到區(qū)塊形成新的區(qū)塊，并且加入到區(qū)塊鏈，共識層
4、第三步的獎勵，激勵層
5、錢包，應(yīng)用層

區(qū)塊鏈開發(fā)語言

2、區(qū)塊鏈模型之?dāng)?shù)據(jù)層

1）數(shù)據(jù)層的特點是：

• 不可篡改

• 全備份

• 完全平等（數(shù)據(jù)、權(quán)限、代碼）

要實現(xiàn)這樣的特點，依靠是鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，如下

Prev Hash：父區(qū)塊哈希，特定值的掃描。比方說SHA-256下的隨機散列值，保證數(shù)據(jù)的可靠性和不可篡改。
Nonce：隨機數(shù)，類似于區(qū)塊的隨機散列值

2）、數(shù)據(jù)層之?dāng)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

• 區(qū)塊：一種包含在公開賬簿（區(qū)塊鏈）里的聚合了交易信息的容器數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包含區(qū)塊頭和區(qū)塊主體，區(qū)塊頭 + 區(qū)塊體 <= 1M (比特幣的擴容在討論中)

• • 區(qū)塊頭：80個字節(jié)

  • 區(qū)塊體：每個區(qū)塊包含2000個交易，平均每個交易至少是250字節(jié)。因此，包含完整交易的區(qū)塊比區(qū)塊頭的4千倍還要大。

• 區(qū)塊頭
  區(qū)塊頭由三組區(qū)塊元數(shù)據(jù)（Blockmeta)組成
  一組元數(shù)據(jù)：父區(qū)塊哈希值，用于該區(qū)塊與區(qū)塊鏈中的前一區(qū)塊相連接
  二組元數(shù)據(jù)：Merkle根，一種用來有效地總結(jié)區(qū)塊中所有交易的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
  三組元數(shù)據(jù)：難度目標(biāo)，時間戳和Nonce與生產(chǎn)區(qū)塊相關(guān)

• 區(qū)塊頭哈希值
  產(chǎn)生：通過SHA256算法對區(qū)塊頭進行二次哈希計算得到的數(shù)字指紋
  特點：是唯一，可計算
  存儲：不包含在區(qū)塊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)里，可存儲在獨立的數(shù)據(jù)庫表中

• 區(qū)塊高度
  產(chǎn)生：節(jié)點在接受來自比特幣網(wǎng)絡(luò)的區(qū)塊時，動態(tài)地識別該區(qū)塊在網(wǎng)絡(luò)中的位置（區(qū)塊高度）
  特點：不是唯一的（短時間）
  存儲：不包含在區(qū)塊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)里，可存儲在獨立的數(shù)據(jù)庫表中

補充：1.安全散列算法（The Secure Hash Algorithm，SHA）美國國家安全局 （NSA） 設(shè)計，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST） 發(fā)布的一系列密碼散列函數(shù)。

2.第一個區(qū)塊高度為0，2016年2月25號區(qū)塊高度大約為399，900

3）、數(shù)據(jù)層之區(qū)塊的鏈接

• 1、比特幣的完整節(jié)點保存了區(qū)塊鏈從創(chuàng)世區(qū)塊起的一個本地副本，該區(qū)塊鏈的本地副本會不斷地更新用于擴展這個鏈條。

• 2、一個節(jié)點從網(wǎng)絡(luò)接收傳入的區(qū)塊時，它會驗證這些區(qū)塊，然后鏈接到現(xiàn)有的區(qū)塊鏈上。

• 3、對于一個新區(qū)塊，節(jié)點會在“父區(qū)塊哈希值”字段里找出包含它的父區(qū)塊的哈希值。

4）、數(shù)據(jù)層之創(chuàng)世區(qū)塊

• 1、創(chuàng)世塊是指塊鏈的第一個塊，現(xiàn)在的比特幣客戶端版本把塊號定為0，以前的版本把該塊塊號定為1。

• 2、交易的輸入：The Times 03/Jan/2009 Chancellor on brink of second bailout for banks。(翻譯:《泰晤士報》,2009年1月3日,財政大臣正站在第二輪救助銀行業(yè)的邊緣)。

• 3、創(chuàng)世塊的收益不可能被花掉，因為創(chuàng)世塊是用代碼表示的(這個巧合可能是故意的)，盡管如此，其50BTC收益還是被發(fā)送到地址：1A1zP1eP5QGefi2DMPTfTL5SLmv7DivfNa。

備注：

難度公式：difficulty = difficulty_1_target / current_target。
difficulty_1壓縮值：0x1d00ffff
difficulty_1_target固定值：0xffff2^(8(0x1d-3)) -------這兩個值都是固定的

current（計算目標(biāo)）壓縮值：0x1729d72d(10進制為38818029，如下圖中的計算目標(biāo))
current（計算目標(biāo)）固定值：0x29d72d2^(8(0x17-3))

難度系數(shù)difficulty= 0xffff2^(8(0x1d-3)) / 0x29d72d2^(8(0x17-3))
即，計算目標(biāo)越小，難度系數(shù)越高

比特幣區(qū)塊鏈瀏覽器 https://blockchain.info/zh-cn/

5）、數(shù)據(jù)層之時間戳

時間戳，指的是各個節(jié)點本地的時間戳

• 區(qū)塊產(chǎn)生頻率：10 分鐘

• 區(qū)塊拒絕條件：

• • 上限 > 前7個塊的時間戳的中位數(shù)

  • 下限 < 系統(tǒng)平均時間之后2小時

6）、數(shù)據(jù)層之交易記錄

7）、數(shù)據(jù)層之私鑰，公鑰，錢包地址

比特幣系統(tǒng)使用了橢圓曲線簽名算法，算法的私鑰由32個字節(jié)隨機數(shù)組成，通過私鑰可以計算出公鑰，公鑰經(jīng)過一系列哈希算法和編碼算法得到比特幣地址，地址也可以理解為公鑰的摘要（hash）。

8）、數(shù)據(jù)層之記賬原理

已知：發(fā)送方（張三 公鑰地址）：19anBP……iPitVr
接收方(李四 公鑰地址)：1Eu8Uk…….Xy7i2B
金額：10 BTC

9）、數(shù)據(jù)層之交易簽名，校驗流程

一個廣播出去的區(qū)塊交易數(shù)據(jù)包含三部分，

• 原始數(shù)據(jù)，包含轉(zhuǎn)賬金額和對方錢包地址

• 簽名，使用轉(zhuǎn)賬人私鑰對原始數(shù)據(jù)進行簽名

• 公鑰，轉(zhuǎn)賬人公鑰（公鑰是根據(jù)私鑰產(chǎn)生的，可以私鑰簽名的數(shù)據(jù)進行驗簽）

10）、數(shù)據(jù)層之非對稱加密算法

在“加密”和“解密”的過程中分別使用兩個密碼

• 私鑰：是信息擁有者才知道的，可以加密信息或者解密公鑰數(shù)據(jù)（信息的安全性）

• 公鑰：是公開全網(wǎng)可見的，用公鑰來驗證信息，加密數(shù)據(jù)（信息的真實性）；
  非對稱加密橢圓曲線加密算法(ECC)>secp256k1

11）、數(shù)據(jù)層之Merkle樹

Merkle 樹是一種哈希二叉樹，用于快速遞歸和校驗大規(guī)模數(shù)據(jù)完整性，是一種平衡樹(如果是奇數(shù)個交易，則多余的那個自己復(fù)制自己)

• 每個區(qū)塊都包括了產(chǎn)生于該區(qū)塊的所有交易，并且以Merkle 樹表示

• H(A)=SHA256(SHA256(交易A))

• H(AB)=SHA256(SHA256(H(A)+H(B)))

• 為了證明區(qū)塊中存在某個特定的交易，只需要計算log2（N）個哈希，16筆交易可以由4個哈希+Merkle樹根來證明了，65535交易，只需16個哈希

SPV : 簡單支付驗證，一個節(jié)點只需要僅下載區(qū)塊頭（80字節(jié)）+Merkle路徑就能證明一筆交易的存在，這個節(jié)點稱之為輕節(jié)點。

如上圖，假如我們想要確定H(K)這筆交易的準(zhǔn)確性，證明方法：

1）服務(wù)器A，輕節(jié)點，只有區(qū)塊頭，沒有區(qū)塊體，但是能夠與全2節(jié)點通信，獲得Merkle樹的hash；

2）服務(wù)器B，全節(jié)點，區(qū)塊頭和區(qū)塊體都有；

3）確定Merkle路徑（H(L),H(IJ),H(MNOP),H(ABCDEFGH)）

4）向全及誒單請求數(shù)據(jù)（H(L),H(IJ),H(MNOP),H(ABCDEFGH)）

5）進行驗證，多次hash運算，最后跟Merkle根做hash比較

12）、哈希（hash）函數(shù)

哈希函數(shù)：Hash(原始信息) = 摘要信息
原始信息可以是任意的信息，hash之后會得到一個簡短的摘要信息。

哈希函數(shù)有幾個特點:

• 同樣的原始信息用同一個哈希函數(shù)總能得到相同的摘要信息

• 原始信息任何微小的變化都會哈希出面目全非的摘要信息

• 從摘要信息無法逆向推算出原始信

3、區(qū)塊鏈模型之網(wǎng)絡(luò)層

1）、網(wǎng)絡(luò)層之?dāng)?shù)據(jù)傳播和驗證

• 新的交易向全網(wǎng)進行廣播

• 每一個節(jié)點都將收到的交易信息納入一個區(qū)塊中

• 每個節(jié)點都嘗試在自己的區(qū)塊中找到一個具有足夠難度的工作量證明（挖礦）

• 當(dāng)一個節(jié)點找到了一個工作量證明（獲得打包區(qū)塊的資格），它就向全網(wǎng)進行廣播（新打包的區(qū)塊）

• 當(dāng)且僅當(dāng)包含在該區(qū)塊中的所有交易都是有效的且之前未存在過的，其他節(jié)點才認(rèn)同該區(qū)塊的有效性

• 其他節(jié)點表示他們接受該區(qū)塊，而表示接受的方法，則是在跟隨該區(qū)塊的末尾，制造新的區(qū)塊以延長該鏈條，而將被接受區(qū)塊的隨機散列值視為先于新區(qū)塊的隨機散列值

2）、網(wǎng)絡(luò)層之P2P技術(shù)

P2P組網(wǎng)技術(shù)早期應(yīng)用在BT這類P2P下載軟件中，這就意味著區(qū)塊鏈具有自動組網(wǎng)功能，支持TCP，UDP等通信協(xié)議

3、區(qū)塊鏈模型之共識層

拜占庭將軍問題：如何讓不信任，不可靠的多方，協(xié)同工作，達成統(tǒng)一目標(biāo)——靠共識。
拜占庭將軍問題是Leslie Lamport（2013年的圖靈講得主）用來為描述分布式系統(tǒng)一致性問題（Distributed Consensus）在論文中抽象出來一個著名的例子（互不信任的多支軍隊同時保持進攻或者防守）。

共識層封裝了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的各類共識機制算法，共識機制算法是區(qū)塊鏈的核心技術(shù)，因為這決定了區(qū)塊的產(chǎn)生，而記賬決定方式將會影響整個系統(tǒng)的安全性和可靠性。

目前已經(jīng)出現(xiàn)了十余種共識機制算法，其中比較最為知名的有

• 工作量證明機制（PoW，Proof of Work）

• 實用拜占庭容錯算法（PBFT）

• 權(quán)益證明機制（PoS，Proof ofStake）

• 股份授權(quán)證明機制（DPoS，Delegated Proof of Stake）等。

• POW：工作量證明機制

  比特幣通過對這個系統(tǒng)做出一個簡單的（事后看是簡單的）修改解決了這個問題，它為發(fā)送信息加入了成本，這降低了信息傳遞的速率，并加入了一個隨機元素以保證在一個時間只有一個城邦（或者很少）可以進行廣播，同時在廣播時會附上自己的簽名，這個過程就像將軍A（節(jié)點）像其他的將軍發(fā)起一個進攻（或者防守）提議一樣，如果是誠實的將軍就會立刻同意，只要誠實的將軍占比大于51%，那么大家行動就會保持一致。
  它加入的成本是“工作量證明”，并且它是基于計算一個隨機哈希算法（挖礦）的。

  不過在進行工作量證明之前，記賬節(jié)點會做進行如下準(zhǔn)備工作：

• • 收集廣播中還沒有被記錄賬本的原始交易信息

  • 檢查每個交易信息中付款地址有沒有足夠的余額

  • 驗證交易是否有正確的簽名

  • 把驗證通過的交易信息進行打包記錄

  • 添加一個獎勵交易：給自己的地址增加12.5比特幣
    如果節(jié)點爭奪記賬權(quán)成功的話，就可以得到12.5比特幣的獎勵。

• PBFT：實用拜占庭容錯算法
  PBFT是一種狀態(tài)機副本復(fù)制算法，即服務(wù)作為狀態(tài)機進行建模，狀態(tài)機在分布式系統(tǒng)的不同節(jié)點進行副本復(fù)制。每個狀態(tài)機的副本都保存了服務(wù)的狀態(tài)，同時也實現(xiàn)了服務(wù)的操作。執(zhí)行過程如下

  PBFT對每個副本節(jié)點提出了兩個限定條件：

  1、所有節(jié)點必須是確定性的。也就是說，在給定狀態(tài)和參數(shù)相同的情況下，操作執(zhí)行的結(jié)果必須相同；

  2、所有節(jié)點必須從相同的狀態(tài)開始執(zhí)行。在這兩個限定條件下，即使失效的副本節(jié)點存在，PBFT算法對所有非失效副本節(jié)點的請求執(zhí)行總順序達成一致，從而保證安全性。

• • 客戶端向主節(jié)點發(fā)送請求調(diào)用服務(wù)操作

  • 主節(jié)點通過廣播將請求發(fā)送給其他副本

  • 所有副本都執(zhí)行請求并將結(jié)果發(fā)回客戶端

  • 客戶端需要等待2f+1個不同副本節(jié)點發(fā)回相同的結(jié)果，作為整個操作的最終結(jié)果。

• Pos：股權(quán)證明

  就是一個根據(jù)你持有貨幣的量和時間，給你發(fā)利息的一個制度。

  類似于財產(chǎn)儲存在銀行，這種模式會根據(jù)你持有數(shù)字貨幣的量和時間，分配給你相應(yīng)的利息。

  在股權(quán)證明POS模式下，有一個名詞叫幣齡，每個幣每天產(chǎn)生1幣齡，

  比如：比如你持有100個幣，總共持有了30天，那么，此時你的幣齡就為3000，這個時候，如果你發(fā)現(xiàn)了一個POS區(qū)塊，你的幣齡就會被清空為0。你每被清空365幣齡，你將會從區(qū)塊中獲得0.05個幣的利息(假定利息可理解為年利率5%)，那么在這個案例中，利息 = 3000 * 5% / 365 = 0.41個幣。

  POS的存在主要是從經(jīng)濟學(xué)上的考慮和創(chuàng)新。

• DPos：股份授權(quán)證明機制（又稱受托人機制）

  原理是讓每一個持有比特股的人進行投票，由此產(chǎn)生101位代表 , 我們可以將其理解為101個超級節(jié)點或者礦池，而這101個超級節(jié)點彼此的權(quán)利是完全相等的。
  從某種角度來看，DPOS有點像是議會制度或人民代表大會制度。如果代表不能履行他們的職責(zé)（當(dāng)輪到他們時，沒能生成區(qū)塊），他們會被除名，網(wǎng)絡(luò)會選出新的超級節(jié)點來取代他們。

  DPOS的出現(xiàn)最主要還是因為礦機的產(chǎn)生，大量的算力在不了解也不關(guān)心比特幣的人身上，類似演唱會的黃牛，大量囤票而絲毫不關(guān)心演唱會的內(nèi)容。

數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、共識層是構(gòu)建區(qū)塊鏈技術(shù)的必要元素，缺少任何一層都將不能稱之為真正意義上的區(qū)塊鏈技術(shù)。

作者：張凱_9908  來源：簡書

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網(wǎng)頁題目：一文讀懂區(qū)塊鏈技術(shù)架構(gòu)-創(chuàng)新互聯(lián)
網(wǎng)站鏈接：http://muchs.cn/article14/cdijde.html

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