《區(qū)塊鏈導(dǎo)論》課件-第二章

：第二章區(qū)塊鏈系統(tǒng)框架及技術(shù)數(shù)據(jù)層網(wǎng)絡(luò)層共識(shí)層Contents2.12.22.32.42.62.5應(yīng)用層合約層激勵(lì)層1區(qū)塊鏈系統(tǒng)區(qū)塊鏈支撐技術(shù)：區(qū)塊鏈系統(tǒng)是由多種技術(shù)相互支撐構(gòu)成的系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)區(qū)塊、時(shí)間戳、數(shù)字簽名、P2P網(wǎng)絡(luò)、共識(shí)算法等，此外還包括Merkle樹(shù)、UTXO模型（UnspentTransactionOutput）等。2區(qū)塊鏈系統(tǒng)系統(tǒng)架構(gòu)：系統(tǒng)層次由高到低分別是應(yīng)用層、合約層、激勵(lì)層、共識(shí)層、網(wǎng)絡(luò)層以及數(shù)據(jù)層。下圖為區(qū)塊鏈基礎(chǔ)架構(gòu)模型。32.1數(shù)據(jù)層數(shù)據(jù)區(qū)塊構(gòu)成：區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)區(qū)塊包括區(qū)塊頭和區(qū)塊體。具體如下圖所示。區(qū)塊頭：包含當(dāng)前區(qū)塊的版本號(hào)、時(shí)間戳、當(dāng)前區(qū)塊的隨機(jī)數(shù)、Merkle根信息、以及前一區(qū)塊的哈希值和本區(qū)塊的哈希值等。區(qū)塊體：主要包含交易計(jì)數(shù)和交易詳情的交易列表。區(qū)塊體中的Merkle樹(shù)會(huì)對(duì)記錄的各個(gè)交易進(jìn)行簽名，來(lái)保證交易的不可偽造，通過(guò)Merkle樹(shù)的哈希值計(jì)算過(guò)程產(chǎn)生唯一的Merkle根。4鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)區(qū)塊鏈采用鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)記錄數(shù)據(jù)，每個(gè)參與競(jìng)爭(zhēng)記賬權(quán)的節(jié)點(diǎn)稱為礦工，礦工將當(dāng)前區(qū)塊與區(qū)塊主鏈上的最末端區(qū)塊鏈接，就形成了從初始區(qū)塊到當(dāng)前區(qū)塊的一條區(qū)塊鏈，這條區(qū)塊鏈記錄了所有的交易數(shù)據(jù)，使得在該條區(qū)塊鏈之上的所有數(shù)據(jù)歷史都可以被追溯和查詢。5鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)區(qū)塊鏈的鏈接模型如下圖。其中上一區(qū)塊的哈希值實(shí)際上是指上一個(gè)區(qū)塊頭部的哈希值，而計(jì)算隨機(jī)數(shù)規(guī)則決定了哪個(gè)礦工可以獲得記錄區(qū)塊的權(quán)力。若不同地區(qū)的兩個(gè)礦工同時(shí)在當(dāng)前區(qū)塊主鏈上鏈接新的數(shù)據(jù)區(qū)塊時(shí)，系統(tǒng)約定在后續(xù)區(qū)塊鏈接時(shí)，將通過(guò)計(jì)算和比較，將數(shù)據(jù)區(qū)塊鏈接到長(zhǎng)度最大的備選鏈上，形成新的主鏈。6區(qū)塊鏈鏈接模型時(shí)間戳定義：時(shí)間戳表示數(shù)據(jù)在特定時(shí)間已經(jīng)存在的可驗(yàn)證的數(shù)據(jù)。意義：區(qū)塊鏈中每個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)塊頭都需要加蓋時(shí)間戳，來(lái)記錄區(qū)塊的寫入時(shí)間，保證每個(gè)區(qū)塊按順序依次鏈接，后一個(gè)區(qū)塊的時(shí)間戳可以對(duì)前一區(qū)塊的時(shí)間戳進(jìn)行增強(qiáng)，為區(qū)塊鏈應(yīng)用于時(shí)間敏感的領(lǐng)域奠定了基礎(chǔ)。保證區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的不可篡改和偽造。7哈希函數(shù)定義：哈希函數(shù)，也稱散列函數(shù)，實(shí)現(xiàn)將任意長(zhǎng)度的輸入轉(zhuǎn)換為固定長(zhǎng)度的輸出。哈希函數(shù)值是指由固定長(zhǎng)度的數(shù)字和字母組成的字符串，區(qū)塊鏈通常直接保存哈希函數(shù)值，而非原始數(shù)據(jù)。特點(diǎn)：具有單向性、易壓縮、高靈敏、抗碰撞等特點(diǎn)，適用于存儲(chǔ)區(qū)塊鏈中的數(shù)據(jù)。8Merkle樹(shù)定義：Merkle樹(shù)是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的一種樹(shù)，可以是二叉樹(shù)，也可以是多叉樹(shù)，它具有樹(shù)結(jié)構(gòu)的所有特點(diǎn)。Merkle二叉樹(shù)會(huì)將區(qū)塊鏈中的數(shù)據(jù)分組進(jìn)行哈希運(yùn)算，向上不斷遞歸運(yùn)算產(chǎn)生新的哈希節(jié)點(diǎn)，除底層哈希節(jié)點(diǎn)外，其余哈希節(jié)點(diǎn)都包含兩個(gè)相鄰的哈希值。Merkle二叉樹(shù)的根保存在區(qū)塊頭中，其余部分保存在區(qū)塊體中。意義：Merkle樹(shù)使得區(qū)塊頭只需包含該區(qū)塊記錄的所有交易經(jīng)過(guò)不斷遞歸運(yùn)算最終形成的哈希值；同時(shí)使得節(jié)點(diǎn)在不了解整個(gè)區(qū)塊的情況下，對(duì)是否包含某一交易進(jìn)行驗(yàn)證，極大提高了區(qū)塊鏈的運(yùn)行效率。其作用主要是快速歸納和校驗(yàn)區(qū)塊數(shù)據(jù)的完整性。9非對(duì)稱加密定義：非對(duì)稱加密也稱公鑰加密，需要兩個(gè)非對(duì)稱的密鑰，分別是公鑰和私鑰，其中公鑰對(duì)所有人公開(kāi)，私鑰自己保存。意義：非對(duì)稱加密用于保證系統(tǒng)安全性及所有權(quán)驗(yàn)證問(wèn)題。常見(jiàn)的非對(duì)稱加密算法包括RSA、Elgamal、ECC等，區(qū)塊鏈系統(tǒng)中使用的是橢圓曲線加密算法——ECC。非對(duì)稱加密除了對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密外，還可用于數(shù)字簽名認(rèn)證，通過(guò)私鑰簽名的交易可以使用對(duì)應(yīng)的公鑰對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證，從而對(duì)交易發(fā)起者進(jìn)行驗(yàn)證。102.2網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層封裝了區(qū)塊鏈系統(tǒng)的組網(wǎng)方式、消息傳播協(xié)議和數(shù)據(jù)驗(yàn)證機(jī)制等要素。網(wǎng)絡(luò)層的設(shè)計(jì)是為了保證區(qū)塊鏈中各個(gè)節(jié)點(diǎn)間的通信，通過(guò)特定的協(xié)議和機(jī)制，使得每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能參與記賬和數(shù)據(jù)校驗(yàn)等。同時(shí)保證數(shù)據(jù)區(qū)塊是經(jīng)過(guò)大部分節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證后才記入?yún)^(qū)塊鏈中的。11網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)區(qū)塊鏈系統(tǒng)一般采用P2P網(wǎng)絡(luò)來(lái)組織各個(gè)節(jié)點(diǎn)參與驗(yàn)證和記賬。P2P網(wǎng)絡(luò)是一種不需中心服務(wù)器、而是依靠節(jié)點(diǎn)間溝通的體系。P2P網(wǎng)絡(luò)示意如下圖所示。網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)地位平等，既產(chǎn)生信息，也接收信息，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)路由、數(shù)據(jù)驗(yàn)證等功能。12P2P網(wǎng)絡(luò)示意圖網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)根據(jù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量的不同，可以分為全節(jié)點(diǎn)和輕量級(jí)節(jié)點(diǎn)。全節(jié)點(diǎn)：存儲(chǔ)了從創(chuàng)始區(qū)塊以來(lái)的所有區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)，在進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)時(shí)不需依靠別的節(jié)點(diǎn)，僅依靠自身就可以完成校驗(yàn)更新等操作，但全節(jié)點(diǎn)部署時(shí)硬件成本較高。輕量級(jí)節(jié)點(diǎn)：存儲(chǔ)部分?jǐn)?shù)據(jù)信息，在需要?jiǎng)e的數(shù)據(jù)時(shí)可以通過(guò)簡(jiǎn)易支付驗(yàn)證方式向鄰近節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求所需數(shù)據(jù)來(lái)完成驗(yàn)證更新。13數(shù)據(jù)傳播協(xié)議區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)交易信息的公布方式是廣播，存在兩種廣播機(jī)制：交易廣播和區(qū)塊構(gòu)造廣播。交易廣播：指生成交易的節(jié)點(diǎn)將交易信息傳播給相鄰節(jié)點(diǎn)，相鄰節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證后繼續(xù)傳播給其相鄰節(jié)點(diǎn)，通過(guò)節(jié)點(diǎn)間的相互傳播，使得交易信息快速被網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)所接收，若多數(shù)節(jié)點(diǎn)（51%）接收，則交易通過(guò)；若交易信息有錯(cuò)，不再進(jìn)行廣播。區(qū)塊構(gòu)造廣播：指找到正確隨機(jī)數(shù)后對(duì)其進(jìn)行廣播，其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證，若大部分節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證通過(guò)，則確認(rèn)記賬權(quán)，生成新區(qū)塊。14數(shù)據(jù)驗(yàn)證機(jī)制數(shù)據(jù)驗(yàn)證機(jī)制是指節(jié)點(diǎn)對(duì)廣播的交易信息和區(qū)塊進(jìn)行驗(yàn)證的過(guò)程。區(qū)塊鏈沒(méi)有中心機(jī)構(gòu)進(jìn)行交易信任校驗(yàn)和保證，因此每一項(xiàng)交易都需要依靠全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的驗(yàn)證來(lái)保證，至少經(jīng)過(guò)多數(shù)（51%）節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證的交易才能取得信任。在比特幣系統(tǒng)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都時(shí)刻監(jiān)聽(tīng)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中廣播的交易數(shù)據(jù)與新區(qū)塊。節(jié)點(diǎn)會(huì)收集網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)廣播但未確認(rèn)的交易和區(qū)塊，按照預(yù)先定義的標(biāo)準(zhǔn)，從不同方面驗(yàn)證交易數(shù)據(jù)和區(qū)塊的有效性，并將有效的交易數(shù)據(jù)整合至當(dāng)前區(qū)塊中。152.3共識(shí)層共識(shí)層共識(shí)層封裝了各種共識(shí)算法。在分布式系統(tǒng)中，決策權(quán)越分散的系統(tǒng)達(dá)成共識(shí)的效率越低，但系統(tǒng)穩(wěn)定性高；決策權(quán)越集中的系統(tǒng)達(dá)成共識(shí)效率高，但穩(wěn)定性差。區(qū)塊鏈共識(shí)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)之一是在去中心化的系統(tǒng)中使節(jié)點(diǎn)間對(duì)區(qū)塊數(shù)據(jù)有效性保持一致。16PoW共識(shí)POW工作原理工作量證明（ProofofWork，PoW）共識(shí)機(jī)制是通過(guò)節(jié)點(diǎn)間的算力競(jìng)爭(zhēng)來(lái)保持共識(shí)及數(shù)據(jù)一致，即對(duì)于工作量的證明，是生成要加入到區(qū)塊鏈中的一筆新的交易信息（即新區(qū)塊）時(shí)必須滿足的要求。在基于工作量證明（PoW）機(jī)制構(gòu)建的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)通過(guò)計(jì)算隨機(jī)哈希散列的數(shù)值解爭(zhēng)奪記賬權(quán)，求得正確的數(shù)值解以生成區(qū)塊的能力是節(jié)點(diǎn)算力的具體表現(xiàn)。工作量證明機(jī)制具有完全去中心化的優(yōu)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)可以自由進(jìn)出。17PoW共識(shí)POW優(yōu)缺點(diǎn)在比特幣系統(tǒng)中，判定競(jìng)爭(zhēng)結(jié)果是通過(guò)工作量證明（PoW）的機(jī)制來(lái)完成的。PoW的主要特點(diǎn)是計(jì)算的不對(duì)稱性，工作端需要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)算得到結(jié)果，而驗(yàn)證端可以很容易通過(guò)結(jié)果對(duì)工作端所做工作進(jìn)行檢驗(yàn)。PoW共識(shí)機(jī)制具有重要的創(chuàng)新意義，但要求的強(qiáng)大算力造成了大量資源浪費(fèi)，而且交易確認(rèn)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不適合小額交易的商業(yè)應(yīng)用。17PoS共識(shí)POS原理權(quán)益證明（ProofofStake，PoS）共識(shí)解決PoW共識(shí)機(jī)制需要強(qiáng)大算力造成的資源浪費(fèi)問(wèn)題，使用權(quán)益證明來(lái)替換工作量證明。PoS要求用戶證明擁有某些數(shù)量的貨幣，節(jié)點(diǎn)對(duì)特定數(shù)量貨幣的所有權(quán)稱為幣齡，每次交易都將消耗特定數(shù)量的幣齡。POS特點(diǎn)PoS共識(shí)過(guò)程中挖礦難度與交易輸入的幣齡成反比。在挖礦過(guò)程中，消耗幣齡最高的區(qū)塊將被鏈接。PoS共識(shí)過(guò)程依靠?jī)?nèi)部幣齡，不需大量耗費(fèi)電力和能源，很大程度上解決了PoW共識(shí)機(jī)制中資源浪費(fèi)的問(wèn)題，同時(shí)也縮短了共識(shí)時(shí)間。但依據(jù)權(quán)益來(lái)選擇會(huì)導(dǎo)致首富賬戶的權(quán)力過(guò)大，甚至支配記賬權(quán)。18DPoS共識(shí)股份授權(quán)證明（DelegatedProofofStake，DPoS）共識(shí)機(jī)制中節(jié)點(diǎn)可以自主的選擇其信任的節(jié)點(diǎn)，利用權(quán)益人股票的權(quán)力來(lái)公平民主的解決共識(shí)問(wèn)題。所有的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，包括交易費(fèi)用、生成塊的時(shí)間以及交易大小，都可以通過(guò)選出來(lái)的代理人來(lái)調(diào)整。比特股（Bitshare）是一類采用DPoS機(jī)制的加密貨幣，其引入了見(jiàn)證人的概念。見(jiàn)證人可以創(chuàng)造區(qū)塊，比特股持有者選出的N個(gè)見(jiàn)證人可以視為N個(gè)礦池，每個(gè)礦池的權(quán)利完全平等，若這些見(jiàn)證人（礦池）提供的算力不穩(wěn)定、計(jì)算機(jī)宕機(jī)，持股人可以隨時(shí)通過(guò)投票更換見(jiàn)證人。DPoS是目前看到的最快、最高效、靈活的共識(shí)模型，減少了參與驗(yàn)證和記賬的節(jié)點(diǎn)數(shù)量，實(shí)現(xiàn)了快速的共識(shí)驗(yàn)證。192.4激勵(lì)層激勵(lì)層激勵(lì)層：激勵(lì)層提供一定的激勵(lì)措施鼓勵(lì)節(jié)點(diǎn)參與區(qū)塊鏈的日常運(yùn)作以及共識(shí)驗(yàn)證工作。為了鼓勵(lì)節(jié)點(diǎn)參與區(qū)塊鏈的運(yùn)作，例如數(shù)字貨幣等區(qū)塊鏈一般會(huì)使用特定數(shù)量貨幣的獎(jiǎng)勵(lì)給區(qū)塊創(chuàng)建者。激勵(lì)層將經(jīng)濟(jì)因素集成到區(qū)塊鏈技術(shù)體系中。在公有鏈中，區(qū)塊鏈系統(tǒng)遵循著激勵(lì)機(jī)制獎(jiǎng)勵(lì)獲得記賬權(quán)的節(jié)點(diǎn)，讓整個(gè)系統(tǒng)朝著良性循環(huán)的方向發(fā)展。在私有鏈或聯(lián)盟鏈中，不一定需要進(jìn)行激勵(lì)。202.5合約層應(yīng)用模式合約層：合約層是區(qū)塊鏈2.0新出現(xiàn)的拓展架構(gòu)，但卻是區(qū)塊鏈延伸各種應(yīng)用功能的必要支撐，極大地提升了區(qū)塊鏈的可拓展性。合約層由合約虛擬機(jī)與智能合約兩部分組成。合約虛擬機(jī)：是區(qū)塊鏈中智能合約的運(yùn)行基礎(chǔ)，為合約代碼提供了沙盒式的執(zhí)行環(huán)境。合約虛擬機(jī)本身一般不存儲(chǔ)到區(qū)塊鏈上，而是與區(qū)塊鏈并行存儲(chǔ)到各個(gè)節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)中。每個(gè)校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)都會(huì)運(yùn)行合約虛擬機(jī)，并將其作為區(qū)塊有效性校驗(yàn)協(xié)議的一部分。21應(yīng)用模式智能合約：是一種旨在以信息化方式傳播、驗(yàn)證或執(zhí)行合同的計(jì)算機(jī)協(xié)議。以太坊是應(yīng)用智能合約最早且最成功的區(qū)塊鏈，大多數(shù)合約虛擬機(jī)都是仿照以太坊虛擬機(jī)（EthereumVirtualMachine，EVM）設(shè)計(jì)。