文章目錄

• 一、區(qū)塊鏈的系統(tǒng)框架
• • 1.區(qū)塊鏈的系統(tǒng)架構與運行
  • 2.數(shù)據(jù)層、網絡層與共識層
  • 3.激勵層、合約層與應用層
• 二、區(qū)塊的概念和識別
• • 1.區(qū)塊與區(qū)塊頭
  • 2.區(qū)塊的識別
• 三、創(chuàng)世區(qū)塊與區(qū)塊的連接
• • 1.創(chuàng)世區(qū)塊
  • 2.區(qū)塊的連接
• 四、區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)結構
• • 1.區(qū)塊鏈的結構基礎
  • 2.哈希值、梅克爾根等數(shù)據(jù)及作用
  • 3.難度確認、運行及其作用
  • 4.時間戳、隨機數(shù)及其作用
• 五、區(qū)塊鏈的工作流程與機制
• • 1.步驟與防止分叉
  • 2.安全、透明與不可篡改的系統(tǒng)機制
• 六、從區(qū)塊鏈1.0到區(qū)塊鏈3.0的演化
• • 1.區(qū)塊鏈的進化
  • 2.區(qū)塊鏈1.0
  • 3.區(qū)塊鏈2.0
  • 4.區(qū)塊鏈3.0

一、區(qū)塊鏈的系統(tǒng)框架

1.區(qū)塊鏈的系統(tǒng)架構與運行

??區(qū)塊鏈的系統(tǒng)架構，主要是由數(shù)據(jù)層、網絡層與共識層構成的底層網絡，由數(shù)字貨幣、智能合約與其他“去中心化”組織等構成的應用層。下圖為區(qū)塊鏈的系統(tǒng)架構圖。

??區(qū)塊鏈是一個去中心的、分散式的網絡賬本，所以其系統(tǒng)架構也符合網絡的基本特點。該網絡賬本構成一個系統(tǒng)，該系統(tǒng)最底層、最基礎的是數(shù)據(jù)結構。這個結構就是將信息和數(shù)據(jù)采用一定的方式、格式組織起來，輸入到區(qū)塊鏈系統(tǒng)中并由其處理。當統(tǒng)一方式的數(shù)據(jù)輸入后，網絡層便開始連鏈接，在全網的節(jié)點之中進行廣播、驗證，然后在共識層中由全網達成共識而構建起區(qū)塊。所有區(qū)塊進行“組裝”，最終構建起各種系統(tǒng)產品的運行平臺，如公有鏈、私有鏈與聯(lián)盟鏈等。而數(shù)字貨幣、智能合約、去中心化組織等都是區(qū)塊鏈平臺上運行的產品。

??在區(qū)塊鏈的系統(tǒng)架構中，各個層次以交易為中心構建起一個完整的相互關聯(lián)的循環(huán)體系，這一循環(huán)模式是這樣的：
??首先，應用層的數(shù)字貨幣、智能合約等產品對于底層網絡來說，傳輸?shù)娜菙?shù)據(jù)，即應用層相當于數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)輸入源。這些數(shù)據(jù)必須進入數(shù)據(jù)層，按照區(qū)塊鏈的格式進行封裝。
??其次，在數(shù)據(jù)封裝完成后，就進入分布式（P2P）網絡進行廣播，由全網節(jié)點通過一定機制進行確認。
??最后，當全網達成共識之后，區(qū)塊構建完成并連接到主鏈之上，完成一次完整交易的流程，并開始下一次交易的循環(huán)。

??這一循環(huán)過程，從技術角度講，區(qū)塊鏈中的區(qū)塊是一種記錄交易的數(shù)據(jù)結構，反映了一筆交易的資金流向。系統(tǒng)中已經達成交易的區(qū)塊連接在一起形成了一條主鏈，所有參與計算的節(jié)點都記錄了主鏈的信息，區(qū)塊所承載的任務數(shù)據(jù)具體包括：交易雙方私鑰、交易數(shù)量、電子貨幣數(shù)字簽名等。前一個區(qū)塊形成的散列用來將區(qū)塊連接起來，實現(xiàn)過往交易的順序排列。隨機數(shù)是交易達成的核心，所有“礦工”節(jié)點競爭計算隨機數(shù)，最快得到答案的節(jié)點生成一個新的區(qū)塊，并廣播到所有節(jié)點進行更新，如此完成一筆交易，然后開始新的循環(huán)。

2.數(shù)據(jù)層、網絡層與共識層

??數(shù)據(jù)層封裝了底層數(shù)據(jù)區(qū)塊的鏈式結構以及相關的非對稱公私鑰數(shù)據(jù)加密、時間戳等技術，這是整個區(qū)塊鏈技術中最底層的數(shù)據(jù)結構。

??網絡層包括分布式組網機制、數(shù)據(jù)傳播機制和數(shù)據(jù)驗證機制等，由于采用了完全的P2P組網技術，意味著區(qū)塊鏈具有自動組網功能。

??共識層主要包括封裝網絡節(jié)點的各類共識機制算法。共識機制算法是區(qū)塊領導核心技術，決定了到底有誰來記賬，而且記賬者選擇的方式將會影響整個系統(tǒng)的安全性和可靠性。知名的有**工作量證明機制（PoW）、權益證明機制（PoS）、委托權益證明機制（DPoS）**等。

3.激勵層、合約層與應用層

??激勵層將經濟因素集成到區(qū)塊鏈技術體系中，主要包括經濟激勵的發(fā)行機制和分配機制，該層主要出現(xiàn)在公有鏈、私有鏈中。激勵機制往往也是一種博弈機制，讓更多節(jié)點愿意遵守規(guī)則。

??合約層主要封裝各類腳本、算法和智能合約，是區(qū)塊鏈可編程特性的基礎。

??應用層封裝了區(qū)塊鏈的各種應用場景和案例。 在該模型中，基于時間戳的鏈式區(qū)塊結構、分布式節(jié)點共識機制、基于共識機制的經濟激勵和靈活可編程的智能合約是區(qū)塊鏈技術最具代表性的和創(chuàng)新點。

二、區(qū)塊的概念和識別

1.區(qū)塊與區(qū)塊頭

??區(qū)塊是區(qū)塊鏈的基本組成單元，它由一個包含元數(shù)據(jù)的區(qū)塊頭和緊跟其后的構成區(qū)塊主體的一系列交易組成。 區(qū)塊的基本數(shù)據(jù)結構如下表所示。

??區(qū)塊頭由三組區(qū)塊元數(shù)據(jù)組成。 第一組元數(shù)據(jù)引用父區(qū)塊哈希值的數(shù)據(jù)，這組元數(shù)據(jù)用于將該區(qū)塊與區(qū)塊鏈中前一區(qū)塊相連接。第二組元數(shù)據(jù)，即難度、時間戳和隨機數(shù)（Nonce），其與挖礦競爭相關。第三組元數(shù)據(jù)是梅克爾樹根，一種用來有效地總結區(qū)塊中所有交易的數(shù)據(jù)結構。區(qū)塊頭的數(shù)據(jù)結構如下表所示。

2.區(qū)塊的識別

??區(qū)塊可以通過兩種方式被識別：區(qū)塊哈希值或區(qū)塊高度。
??區(qū)塊主標識符是它的加密哈希值，通過安全散列算法-256（SHA-256）對區(qū)塊頭進行二次哈希計算而得到的數(shù)字指紋，所產生的“32字節(jié)”哈希值被稱為區(qū)塊哈希值。區(qū)塊哈希值可以唯一、明確地標識一個區(qū)塊，并且任何節(jié)點通過簡單地對區(qū)塊頭進行哈希計算都可以獨立地獲取該區(qū)塊哈希值。
??區(qū)塊哈希值可能會作為區(qū)塊元數(shù)據(jù)的一部分被存儲在一個獨立的數(shù)據(jù)庫表中，以便于索引以及更快地在在磁盤中檢索區(qū)塊。

??區(qū)塊在區(qū)塊鏈中的位置即區(qū)塊高度，區(qū)塊高度可以識別區(qū)塊。
??區(qū)塊高度和區(qū)塊哈希值不同之處在于，一個單一的區(qū)塊有一個固定、明確的區(qū)塊高度，但是兩個或兩個以上的區(qū)塊也可能有相同的區(qū)塊高度，并在區(qū)塊鏈里爭奪同一位置。一個區(qū)塊的區(qū)塊哈希值能唯一地識別一個特定的區(qū)塊，但一個區(qū)塊高度卻不一定能識別出唯一的區(qū)塊。

三、創(chuàng)世區(qū)塊與區(qū)塊的連接

1.創(chuàng)世區(qū)塊

??創(chuàng)世區(qū)塊是區(qū)塊鏈里面所有區(qū)塊的共同祖先，意味著從任一區(qū)塊循鏈向后回溯，最終都將到達創(chuàng)世區(qū)塊。 每一個節(jié)點都“知道”創(chuàng)世區(qū)塊的哈希值、結構、被創(chuàng)建的時間和里面的交易。
??因此，每個節(jié)點都把該區(qū)塊作為區(qū)塊鏈的首區(qū)塊，從而構建了一條安全的、可信的區(qū)塊鏈根，每一個節(jié)點都包含創(chuàng)世區(qū)塊，永遠不會被改變。

2.區(qū)塊的連接

??當某個節(jié)點接收到傳入?yún)^(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。為了建立這個鏈接，該節(jié)點將檢查傳入的區(qū)塊頭并尋找該區(qū)塊的“父區(qū)塊哈希值”。
??每個參與節(jié)點都可以保存整個區(qū)塊鏈的副本，只要有參與節(jié)點存在，區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)就不會丟失。區(qū)塊鏈上的每個區(qū)塊都可以用來記錄貨幣、股權、債券、數(shù)字簽名、數(shù)字合約以及其他任何數(shù)字化內容。

四、區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)結構

1.區(qū)塊鏈的結構基礎

??首先，區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)結構是在SHA-256支持下實現(xiàn)的；其次，在區(qū)塊對交易封裝過程中，采用高效的梅克爾樹算法，一步一步地將繁雜的信息進行歸納和簡化；再次，為了保證區(qū)塊的順序鏈接，需要采用時間戳機制在區(qū)塊中寫入時間參數(shù)；最后，為了達成共識機制，并使全網參與的“挖礦”工作順利進行，系統(tǒng)在PoW共識機制下采用了難度目標和隨機數(shù)兩種設計，保證系統(tǒng)在一個可靠的區(qū)間內運轉。

2.哈希值、梅克爾根等數(shù)據(jù)及作用

??哈希算法將任意長度的二進制值映射為固定長度的較小二進制值，這個較小的二進制值稱為哈希值。一段明文哪怕只更改一個字母，都將產生不同的哈希值。
??哈希函數(shù)的單向、輸出數(shù)據(jù)長度固定等特征使它可以生成消息或者數(shù)據(jù)，而且哈希算法和哈希值一般用于快速查找和加密算法。
??哈希算法應用在區(qū)塊中，既減小了區(qū)塊存儲的數(shù)據(jù)量，也不影響對數(shù)據(jù)的鏈接訪問。

??每個數(shù)據(jù)區(qū)塊包含區(qū)塊頭和區(qū)塊體，區(qū)塊頭封裝了當前版本號、前一區(qū)塊哈希值、當前區(qū)塊PoW要求的隨機數(shù)(Nonce)、時間戳以及梅克爾根信息。區(qū)塊體包括當前去看經過驗證的、區(qū)塊創(chuàng)建過程中生成的所有交易記錄；這些記錄就是通過梅克爾樹的哈希過程生成唯一的梅克爾根后，并記入了區(qū)塊頭中。
??梅克爾根，是指梅克爾樹的根，因為梅克爾樹在計算的過程中主要用到哈希算法，或稱為梅克爾哈希樹。

3.難度確認、運行及其作用

??工作量證明機制是一個可以讓每個參與者參與交易驗證的方式，為形成一個多方共同維護并共享同一份記錄交易的賬本，一個基于零信任基礎、去中心化的P2P網絡系統(tǒng)。
??工作量證明是讓任一參與節(jié)點花費時間和運算資源來計算一組數(shù)學公式的結果，一旦這個結果被計算出來，其他參與節(jié)點也可用相關的數(shù)學公式去驗證這個值是否有效。進行PoW計算的過程也被形象地稱為“挖礦”，參與節(jié)點被成稱為“礦工”，計算過程如下：
??每個區(qū)塊的區(qū)塊頭包含許多固定值，只有隨機數(shù)值為隨機值，因此每個節(jié)點進行PoW計算時，通過不斷替換這個隨機值來讓這個區(qū)塊的區(qū)塊頭哈希值小于一個被設定好的難度目標值。當最接近難度目標值的哈希值產生后，該“礦工”可以向全網廣播，如果同意時間獲得超過51%節(jié)點的認可，意味著該“礦工”完成了一個新區(qū)塊，可以將其鏈接到區(qū)塊鏈上，其他“礦工”再以這一個區(qū)塊為父區(qū)塊進行下一個區(qū)塊的運算。

??區(qū)塊鏈中的難度值，是指節(jié)點要運算出低于難度目標值的哈希值，平均花費的時間，即平均要完成一次PoW計算所用的時間。
??比特幣的難度值是可以動態(tài)調整的，目前每產生2016個區(qū)塊會調整一次難度值，以每10分鐘產生一個區(qū)塊估算，大約每兩周會調整一次難度值。難度值的調整是由每個完整結點肚子自動發(fā)生的，每達到2016個區(qū)塊后，所有結點都會按統(tǒng)一的公式自動調整難度值。

• 新難度值公式：新難度值 = 舊難度值 x （20160分鐘 / 過去2016個區(qū)塊花費時長）
• 目標值（Target）的計算公式：目標值 = 最大目標值 / 難度值

??目標值的大小與難度值成反比。 比特幣工作量證明的完成，是以“礦工”計算出來的區(qū)塊哈希值小于目標值且最接近于目標值為判斷標準。

4.時間戳、隨機數(shù)及其作用

??時間戳，能表示一份數(shù)據(jù)在某個特定時間之前已經存在的、完整的、可驗證的數(shù)據(jù)，其通常是一個字符序列，能夠唯一地標識某一刻時間。 在區(qū)塊鏈中采用了“unix”時間計數(shù)方式，由時間戳服務器為每一個區(qū)塊加上的時間序列，記錄了該區(qū)塊的產生時間。
??比特幣挖礦的目標就是找到一個隨機數(shù)，使在這個值下的區(qū)塊頭的SHA-256哈希值輸出必須小于設定的難度值，“礦工”通過不停地變更區(qū)塊頭中的隨機數(shù)，并對每次變更后的區(qū)塊頭做雙重SHA-256運算，將結果只與當前網絡的目標值作對比，如果小于目標值，則工作量證明完成，區(qū)塊創(chuàng)建成功。

五、區(qū)塊鏈的工作流程與機制

1.步驟與防止分叉

??區(qū)塊鏈的工作步驟：

發(fā)送節(jié)點將新的數(shù)據(jù)記錄向全網進行廣播。

接受節(jié)點對收到的數(shù)據(jù)記錄信息盡心驗證，如記錄信息是否合法，通過檢驗后，數(shù)據(jù)記錄將被納入一個區(qū)塊中。

全網所有接受結點對區(qū)塊執(zhí)行共識算法，包括工作量證明、權益證明等。

區(qū)塊通過共識算法過程后被正式納入?yún)^(qū)塊鏈中存儲，全網節(jié)點均表示接受該區(qū)塊，新區(qū)塊將以該區(qū)塊鏈為基礎進行延長。

??全網廣播，實際上不需要讓全網所有節(jié)點收到，只要大部分節(jié)點收到即可。對于那些沒有收到的、丟失的區(qū)塊，區(qū)塊鏈系統(tǒng)是具有容錯能力的，如果某節(jié)點沒有收到特定區(qū)塊，當節(jié)點發(fā)現(xiàn)自己缺失區(qū)塊時，可以提出自己下載區(qū)塊的請求。
??節(jié)點始終都將最長的區(qū)塊鏈視為正確的鏈，并持續(xù)以此為基礎進行驗證和延長。 當其中一條被證實為較長，那么在另一條分支鏈條上工作的節(jié)點將轉換陣營，開始在較長的鏈條上工作，由此防止了區(qū)塊鏈的分叉。

2.安全、透明與不可篡改的系統(tǒng)機制

??時間戳把數(shù)據(jù)區(qū)塊的內容與數(shù)據(jù)區(qū)塊本身聯(lián)系起來，其重要意義在于其使數(shù)據(jù)區(qū)塊形成了新的結構。這個新的結構使各個區(qū)塊通過時間線有序地連接起來，形成了區(qū)塊的鏈條，因此才成為區(qū)塊鏈。
??通過給數(shù)據(jù)記錄印上時間標簽，使每一條數(shù)據(jù)記錄都具有唯一性，從而使數(shù)據(jù)記錄本身在區(qū)塊和區(qū)塊上的位置進行精確定位且可回溯，也給其他的校驗機制發(fā)揮協(xié)同作用提供了極大的便利性和確定性，使整個區(qū)塊鏈網絡能夠確定性地驗證某條數(shù)據(jù)記錄是否真實。

??區(qū)塊鏈網絡是一個公開的、難以攻破的、不可篡改數(shù)據(jù)記錄和制造虛假數(shù)據(jù)的誠實可信的系統(tǒng)。
??關鍵技術包括兩個方面：一是數(shù)據(jù)加密機制；二是共識算法。
??在數(shù)據(jù)加密機制中，一方面要有一個私鑰，另一方面要使用哈希算法等。
??共識算法，是區(qū)塊鏈中節(jié)點保持區(qū)塊數(shù)據(jù)一致、準確的基礎，主流共識算法包括工作量證明（PoW）、權益證明（PoS）、委托權益證明（DPoS）等。

六、從區(qū)塊鏈1.0到區(qū)塊鏈3.0的演化

1.區(qū)塊鏈的進化

??劃分方式1：
??區(qū)塊鏈1.0是以比特幣為代表的數(shù)字貨幣應用，其場景包括之父、流通等；區(qū)塊鏈2.0結合數(shù)字貨幣與智能合約，對金融領域的更廣泛場景和流程進行優(yōu)化的應用；區(qū)塊鏈3.0則超出金融領域，旨在為各種行業(yè)提供去中心化解決方案。
??劃分方式2：
??區(qū)塊鏈1.0是可編程的數(shù)字貨幣；區(qū)塊鏈2.0是可編程的智能合約；區(qū)塊鏈3.0是可編程的社會治理。

2.區(qū)塊鏈1.0

??區(qū)塊鏈1.0主要是支撐虛擬貨幣的應用，包括轉賬、匯款、數(shù)字化支付以及加密貨幣，比特幣就是區(qū)塊鏈1.0的代表，也是最成功的數(shù)字貨幣。
??區(qū)塊鏈1.0的實質就是可編程的數(shù)字貨幣。 主要應用領域為“加密數(shù)字貨幣”，包括貨幣的發(fā)行機制、分配機制、幣值調節(jié)機制等。
??比特幣可視為區(qū)塊鏈首個在金融支付領域的應用，也是應用最廣泛的公有區(qū)塊鏈。

3.區(qū)塊鏈2.0

??區(qū)塊鏈2.0是可編程的智能合約。 主要應用領域為智能合約，智能合約能夠令各方自動執(zhí)行操作，結果由軟件驗證，而非人類扮演中介。
??區(qū)塊鏈2.0的典型應用包括：（1）股權、債券合約；（2）證券與金融合約；（3）糊住保險合約；（4）權利登記、轉讓；（5）博彩；（6）防偽；（7）物聯(lián)網等。

4.區(qū)塊鏈3.0

??區(qū)塊鏈3.0可看作可編程的社會治理。
??總體有兩大類應用：

• 超越貨幣、經濟、市場的公正性應用。
• 超越貨幣、經濟、市場的效率和協(xié)作。

??區(qū)塊鏈3.0是價值互聯(lián)網的內核。區(qū)塊鏈能夠對每一個互聯(lián)網中代表價值的信息和字節(jié)進行產權確認、計量和存儲，從而實現(xiàn)資產在區(qū)塊鏈上可被追蹤、控制和交易的目的。
??價值互聯(lián)網的核心是由區(qū)塊鏈構造一個全球性的分布式記賬系統(tǒng)，它不僅能夠記錄金融業(yè)的交易，而且?guī)缀蹩梢杂涗浫魏斡袃r值的能以嗲嗎形式進行表達的實物。實現(xiàn)信息的茲證明，不再依靠某個或第三人或機構獲得信任或建立信用；實現(xiàn)信息的共享，通過解決信任的問題來提高整個系統(tǒng)的運作效率。

??區(qū)塊鏈3.0的主要應用在社會治理領域，例如：

• 供應鏈自動化管理
• 自動化采購
• 智能化物聯(lián)網應用
• 產權登記
• 虛擬資產兌換、轉移

總結

以上是生活随笔為你收集整理的【笔记】区块链的系统架构、数据结构及运行机制的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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