區塊鏈技術模型

2021/5/92021/5/9?1區塊鏈技術模型區塊鏈系統主要分六層，分別是數據層、網絡層、共識層、激勵層、合約層以及應用層。其中數據層是區塊鏈的核心部分，主要封裝了底層數據區塊結構、加密算法以及時間戳等技術；網絡層則是區塊鏈平臺信息傳輸的基礎，包括了P2P網絡的組網機制、數據傳輸機制以及數據驗證機制等；共識層則封裝了區塊鏈網絡節點使用的共識算法；激勵層則是將經濟因素引入區塊鏈系統中，用于維持區塊鏈系統的運行；合約層對各類算法、腳本、智能合約進行了封裝，是區塊鏈系統可編程的基礎。應用層則是區塊鏈技術針對具體應用場景的應用實現，如web網頁、去中心化APP（DApp）等。2021/5/92021/5/9?2數據層--區塊結構每一個區塊一般由區塊頭和區塊體兩部分組成。其中其塊頭部分如圖2-2所示，該部分包含了父區塊哈希值、時間戳、隨機數、版本信息Merkle根等信息。而區塊體部分則包含者本區塊中所有的交易信息。區塊頭哈希值是一個區塊鏈上區塊的唯一標識，任何節點都可以通過對區塊頭通過哈希函數進行計算得到該區塊頭的哈希值。2021/5/92021/5/9?3數據層—Merkle樹交易信息主要存在于區塊體中，它們是以一棵Merkle樹形式的數據結構進行存儲的。Merkle樹是一棵哈希二叉樹，樹的每一個葉子節點都是一筆交易內容數據的哈希值。Merkle樹被用來歸納一個區塊中包含的所有交易，同時生成包含整個交易集合的Merkle樹根。Merkle樹的生成需要遞歸地對每兩個哈希節點進行哈希計算，得到一個新的哈希值，并且將新的哈希值存入Merkle樹中，直到兩兩結合最終只有一個哈希值，這個哈希值就是這一區塊所有交易的Merkle根，存儲到上面提到的區塊頭中。當需要證明某筆交易存在于交易列表中時，一個節點只需要計算log2N個32字節的哈希值，就可以形成一條從Merkle根到此交易的路徑。例如，為驗證圖中的交易C，可以通過獲取交易D的哈希值，然后對交易C和交易D進行二次哈希，獲取交易C和交易D的哈希值Hcd，然后再獲取交易A和B的哈希值Hab，再通過Hab/Hcd計算出Habcd與Merkle根的哈希值進行比較，即可驗證交易C。2021/5/92021/5/9?4數據層—非對稱加密非對稱加密是區塊鏈技術中因為安全需求以及鑒權需求時采用的加密技術。常用的非對稱加密算法有RSA、D-H（D-H密鑰協商算法）、ECDH（基于橢圓曲線的D-H密鑰協商算法）、ECC（橢圓曲線加密算法）和ECDSA（橢圓曲線數字簽名算法）等等。在非對稱加密算法中，加密和解密過程中使用一對非對稱的密碼，分別成為公鑰和私鑰。非對稱加密的密鑰對具有兩個特點，一個是使用公鑰或者私鑰進行加密后，只有另一個對應的密鑰才能解開；另一個是公鑰是可以向任何人公開的，但私鑰則要求保密。其他人無法從公鑰中推算出私鑰。非對稱加密技術在區塊鏈上主要包括信息加密、數字簽名和登錄認證等。其中信息加密主要由信息發送者（記為A）使用信息接收者（記為B）的公鑰進行加密然后發送給B，B收到信息后使用其私鑰對信息進行解密。其他人由于沒有A的私鑰，沒有辦法對信息進行解密。數字簽名則是A在發送消息時，先使用哈希函數第信息原文生成一個摘要，然后使用自己的私鑰對信息摘要進行加密，生成的密文稱為數字簽名，之后將信息原文和數字簽名發送給B，B接收到信息后使用A的公鑰進行解密得到摘要，要確保信息是由A本人發出，B需要再對收到的信息原文使用哈希函數產生摘要，并與接收到的摘要進行對比，相同則說明信息在傳輸過程中沒有被篡改。登錄認證就是客戶端使用私鑰對登錄信息進行加密后發送到服務器，服務器使用客戶端的公鑰進行解密進行登錄認證。2021/5/92021/5/9?5數據層—總結具有生成區塊能力的節點，可以將通過在生成的區塊頭放入前一區塊的哈希值，連接到前一區塊，形成最新的區塊主鏈。各個區塊依次序連環相接，形成從創世區塊到當前區塊的最長主鏈，從而在區塊鏈上記錄了每次交易數據的完整歷史，能夠提供數據的溯源和定位功能。倘若區塊中的內容被篡改，都會造成區塊的哈希值發生改變，從而使該區塊從鏈式結構中“脫落”，區塊無法加入到鏈中。2021/5/92021/5/9?6

網絡層是區塊鏈平臺信息傳輸的基礎，通過特定的組網機制、特定的信息傳播協議以及數據驗證機制，使得區塊鏈網絡中的節點可以平等地參與記賬。組網機制：區塊鏈系統的網絡架構一般采用的是對等式網絡（P2P網絡）架構。在P2P網絡中，所有計算機節點的角色都是對等的，他們既是客戶端，也是服務端，共同為全網節點提供服務。同時，在P2P網絡中并沒有中心化的服務器，每臺計算機既作為客戶端發送請求，也可以作為服務端響應請求，共同承擔網絡路由、驗證區塊數據、傳播區塊數據、發現新節點等功能。信息傳播協議：節點產生新的區塊數據后，生成該數據的節點會將新區塊數據廣播到網絡中的其他節點進行驗證。目前的區塊鏈底層平臺一般都會根據自身所提供的應用功能需求而進行設計，如比特幣系統，其傳輸協議的步驟如下：1、比特幣交易系統中每一個交易節點都將新生成的交易數據向全網中所有其他節點進行廣播；2、每個節點將接收到的交易數據存儲到一個區塊的區塊體中；3、每個節點通過自身的算力在區塊中找到一個符合工作量證明的隨機數；4、當一個節點找到這個隨機數后，向其他節點廣播這個區塊；5、其他區塊對廣播的區塊進行接收并驗證：只有包含在區塊中的所有交易都未發生過且驗證有效才被認為有效；然后將該區塊加入到鏈條中。驗證機制：在區塊鏈網絡中，所有節點都會時刻對網絡中廣播的交易數據和新產生的區塊進行監聽。在接收到其他節點發來的數據后，首先會對發來的數據進行有效性校驗。有效性檢驗是根據事先定好的標準，從數據結構、語法約定規范、數字簽名等各個方面進行校驗。對于產生的新區快的校驗，也要按照預先規定的工作量證明以及時間戳等參數進行校驗。只有通過有效性校驗，才能將區塊數據連接到主鏈上。網絡層2021/5/92021/5/9?7共識層區塊鏈的共識層主要負責在分布式系統中各個節點之間達成共識。最初的區塊鏈系統——比特幣系統主要采用了一種依賴各個節點計算能力的共識算法：工作量證明（ProofofWork，PoW）算法。后來隨著區塊鏈技術的研究和發展，一些其他的共識算法，如權益證明共識算法（ProofofStake，PoS）、授權股份證明共識算法（DelegatedProofofStake）、

實用拜占庭容錯算法（PracticalByzantineFaultTolerance，PBFT）、Raft算法等。共識層的共識算法與網絡層的P2P組網機制，為區塊鏈的去中心化特性提供了可能。2021/5/92021/5/9?8合約層合約層對區塊鏈系統的各類腳本、算法以及由此生成的各種復雜的智能合約進行了封裝，是區塊鏈可編程性的體現。區塊鏈系統中的數據層、網絡層以及共識層可以看作是區塊鏈系統底層的“虛擬機”，而智能合約則是在“虛擬機”環境中執行的腳本語言。根據不同的區塊鏈應用，可以編寫符合不同場景所需的智能合約。智能合約在部署的時候被虛擬機編譯成操作碼存儲在區塊鏈上，當預定的條件發生時，就會發送一筆交易到該合約地址，然后全網節點都會執行合約腳本，最后將腳本執行結果寫入區塊鏈中進行存儲。2021/5/92021/5/9?9應用層應用層主要面向區塊鏈的用戶以及開發者，是區塊鏈底層平臺上的具體應用。如基于以太坊上的各類去中心化APP（DApps）就屬于這一層。未來的基于區塊鏈技術的應用的落地實現，也劃歸于這一層。2021/5/92021/5/9?10區塊鏈技術的突出優勢信息不可篡改

一旦信息經過驗證并添加至區塊鏈，就會永久的存儲起來，除非能夠同時控制住系統中超過51%的節點，否則單個節點上對數據庫的修改是無效的，因此區塊鏈的數據穩定性和可靠性極高。匿名性

利用零知識證明等方式，同時節點之間的交換遵循固定的算法，其數據交互是無需信任的（區塊鏈中的程序規則會自行判斷活動是否有效），因此