区块链技术架构讲解课件.pptx

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1、区块链技术架构讲解此PPT下载后可自行编辑修改你无法阻止像区块链这样的东西。它将无处不在，并迫使这个世界重新调整。开始啦！有电话可以随时接听，如有疑问可以随时打断我！前言3“三体人之间的交流是镜面映射，所有信息都是公开透明的，他们可以互相读取对方的思维，所以无法隐瞒任何事情。”这是科幻作家刘 慈欣在三体中的描绘。这种公开透明的思维方式跟区块链的去中心化思想是非常相似的。自比特币白皮书诞生以来，区块链技术的发展已有10年的历史。资本已经把区块链作为风口大力投入，创业公司如雨后春笋般涌现，巨头 企业抢滩布局开发前沿技术。然而，除了“千帆竞技、百家争鸣”这样美好的场景，也存在一些暴富、神话、炒币、割

2、韭菜、骗局等不和 谐之声。在“区块链+”、“+区块链”的时代趋势下，有人怀疑泡沫即将破裂，有人坚信这场变革会带来巨大的机会，有人抛出威胁论然而大多数人然而大多数人对对区区块块链链的的理理解解还还处处于概于概念念阶阶段段，可能可能只只知道知道一一些技些技术术术语术语，但并但并不不真正真正知知道它道它究究竟是竟是什什么？么？目前，市场上也出现了许多区块链相关报告与书籍，大致分为三类：一类是以“数字经济之父”唐塔普斯科特的区块链革命为代表的 描述区块链对社会阐述革命性影响的偏宏观书籍，一类是以安德鲁安东普洛斯的精通比特币为代表的专注比特币研究的书籍，最后一 类是以纳拉扬普鲁斯蒂的区块链项目开发指南为

3、代表的偏技术性书籍。这些书籍满足了目前市场上想对区块链有宏观认知的人士、对 比特币技术有兴趣的人士，以及想了解区块链开发的技术人士的需求。但是，还有许多需求未被满足，如对区块链的架构进行系统的论述，对区块链不同应用场景的详细介绍。可能大家会比较奇怪，我们为什么要在区块链浪潮逐渐退却的时候选择发布这样一份报告。许许多人多人认认为这为这是是区区块块链链的再的再一一次破次破灭灭，而，而我我们们 认为这认为这是区是区块链块链美好美好时时代代的开的开始始。当。当资资本回本回归归理性理性，区区块块链链走下走下神神坛坛，那那些真些真正正关注关注技技术术和和应应用的用的公公司才司才会会走入走入大大众众视视野野

4、。技术篇激荡十年，技术革新5第一节 区块链诞生背景第二节 区块链的内涵与特点第三节 区块链分类第四节 区块链基础架构及技术解读区块链技术架构解读激荡十年，技术革新本章要点按照区块链的节点分 布情况，区块链可分 为公有链、联盟链和 私有链三类区块链系统一般由数据 层、网络层、共识层、激励层、合约层和应用 层组成区块链是分布式数据存 储、点对点传输、共识 机制、加密算法等计算 机技术的新型应用模式“第二代互联网”区块 链实现从信息互联网到 价值互联网区块链的发展经历了数 字货币时代、智能合约 时代，将进入大规模应 用时代区块链的特点是：去中 心化、透明性、开放性、自治性、信息不可篡改及匿名性第1节

5、：区块链诞生背景第2节：区块链的内涵与特点第3节：区块链分类第4节：区块链基础架构及技术解读Part 1 技术篇61.1 区块链诞生背景Part 1 技术篇6Part 1 技术篇 区块链诞生背景区块链诞生的历史背景：生物进化论、自由主义经济学、无政府主义及分布式网络技术区块链虽然是一种社会热潮，但是它的诞生绝不是偶然。社会学上，区块链的诞生基于生物进化论，经济学上基于自由主义经济学，政治学上基于无政府主义，最重要的是分布式网络技术发展成熟。社会学背景社会学背景-生物生物进进化化论论信息社会的进化论不同于工业社会，是基于数字关系，是从控制到失控，从边缘到中心，从他治到自治。经经济济学学背背景景-

6、自自由由主主义义经经济济学学 哈耶克的自由主义经济学提到，要 把货币的发行权还给任何一个人、机构，即货币非国家化。技技术术背景背景-分布式网分布式网络络技技术术 分布式网络技术成熟是区块链得以 诞生的基础，没有分布式网络技术，就不可能产生区块链。政治学背景政治学背景-无政府主无政府主义义无政府主义在数字世界重新兴起，区块链最初是一些具有无政府主义 价值观的人创造出来的。7Part 1 技术篇 区块链诞生背景第二代互联网：价值互联网、工业互联网、加密互联网、分布式互联网区块链被称为“第二代互联网”，主要是因为其可以实现从信息互联网到价值互联网、从消费互联网到工业互联网、从公开互联网到加密互联网、

7、从中心化互联网到分布式互联网的转变。互互联联网：网：199619982002200920122013201420162017E-Mail门户门户网站网站即即时时通通讯讯电电商商O2O出行出行互金互金共享共享AI信息流信息流电电商商资资金流金流电电商商物流物流电电商商比特比特币币可可编编程金融程金融可可编编程社会程社会8Part 1 技术篇 区块链诞生背景加密技术、分布式网络技术快速发展为区块链的诞生奠定了强大的技术支撑1980Merkle Ralf提出了Merkle-Tree这种数据 结构和相应的 算法1982Lamport等人 提出拜占廷将 军问题1985Neal Koblitz和Victo

8、rMiller分别提 出椭圆曲线密 码学1990LeslieLamport提出 具高容错的一 致性演算法 Paxos1991Stuart Haber等提出 用时间戳确保 数位文件安全的协议1997Adam Back发 明Hashcash技 术，为一种工 作量证明算法2017及之后及之后2016应用领域更广Blockchain泛、更复杂的 3.0：应用于政 智能合约府、医疗等更复杂的智能合 约出现2012Blockchain2.0：智慧资产、智 能合约发布2008中本聪发表论 文比特币：点对点的电子 现金系统2005Hal Finney提 出可重复使用 的工作量证明 机制1998Wei Dai发

9、布匿名的 分散式电子现金系统 B-money2001NSA发布了SHA-2系列算法，其中就包 括目前应用最广的 SHA-256算法2014Blockchain2.5：强调代币应用、分散式帐本、资料层区块链，及结合人工智 慧等金融应用9Part 1 技术篇 区块链诞生背景区块链的发展经历了数字货币时代、智能合约时代，将进入大规模应用时代区块链发展大致经历了三个阶段，从1.0时代的数字货币，到2.0时代的智能合约，再到3.0时代对区块链技术全面应用的畅想。澳大利亚BTL公司主席John Joseph Foley曾表示：区块链3.0时代一旦降临，就将颠覆我们现在所有的认知，我们将跨入一个全新的时代，

10、一个不再有信任危机的时代。111.02.03.0区块链1.0是以比特币、莱特币等为 代表的加密货币，是与转账、汇款和 数字化支付相关的密码学货币应用数字数字货币时货币时代代区块链2.0是以以太坊、瑞波币为 代表的智能合约，是经济、市场和金融领域的区块链应用智能合智能合约时约时代代区块链3.0是区块链技术在社会领 域下的应用场景实现，为各种行业提供去中心化解决方案大大规规模模应应用用时时代代1.2 区块链内涵与特点Part 1 技术篇11区块链概念众说纷纭，主要是从区块链的价值、本质、技术三个方面去理解区块链的核心价值是将数据的所有权 还给了用户，并帮助拥有数据所有权 的用户通过分享数据、资源和

11、能力来 获得更合理的回报和收益。董鳕，迅雷高级副总裁、网 心科技营销副总裁区块链它本质上是一个技术体系，这个 技术体系最核心的东西就用来防篡改和 防抵赖，它是怎么做到的？它有很多技 术方法，比如说它有共识多方维护，有 密码学等等。王宗友，腾讯科技区块链技术负 责人从技术角度区块链是一个分布式数据 库，每一个节点存储了全链的数据，区块链通过共识机制和P2P的传播协 议保证了数据的最终一致性，通过密 码学和链式存储方式防止抵赖和篡改。张一杰，宜信翼启云服区块链 实验室负责人区块链，本质上是一种去中心化的分布 式账本，作为一种持续增长的、按序整 理成区块的链式数据结构，通过网络中 多个节点共同参与数

12、据的计算和记录，并且互相验证其信息的有效性。刘畅，榕树网络COOPart 1 技术篇 区块链内涵与特点12Part 1 技术篇 区块链内涵与特点区块链概念：分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等计算机技术的新型应用模式区块链技术起源于化名为“中本聪”的学者在2008年发表的奠基性论文比特币：一种点对点电子现金系统，关于区块链的定义有 很多，但都是在技术与价值两个角度来阐述的。认为，区块链是分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等计算机 技术的新型应用模式。工信部信息中心工信部信息中心2018年中国区年中国区块链产业块链产业白皮白皮书书狭狭义义区区块块链链：区块链是一种按照时间

13、顺序经数据区块以顺序相连的 方式组合成的一种链式数据结构，并以密码学方式保证的不可篡改 和不可伪造的分布式账本；广广义义区区块链块链：区块链技术是利用块链式数据结构来验证和存储数据、利用分布式节点共识算法来生成和更新数据、利用密码学的方式来保证数据传输和访问的安全、利用由自动化脚本代码组成的智能合 约来编程和操作数据的一种全新的分布式基础架构与计算范式。13Part 1 技术篇 区块链内涵与特点区块链特点：去中心化、透明性、开放性、自治性、信息不可篡改及匿名性去中心化去中心化区块链不再依赖于中央处 理节点，实现了数据的分 布式记录、存储和更新透明性透明性区块链的数据记录对全网 节点是透明的，数

14、据记录 的更新操作也是透明的开放性开放性除了数据直接相关各方的 私有信息被加密外，区 块链的数据对所有人公开自治性自治性区块链采用基于协商一致 的规范和协议，任何人为 的干预都不能起作用信息不可信息不可篡篡改改区块链系统的信息一旦经 过验证添加至区块链后，就会永久储存，无法更改匿名性匿名性区块链的匿名性指每个人 在区块链上只需要一个与 真实身份无关的虚拟身份14Part 1 技术篇 区块链内涵与特点区块链的核心是去中心化，实现了架构、治理和逻辑上的去中心化，但去中心消灭中心，只是弱中心去中心化去中心化区区块链块链技技术术使使用用分分布式核算布式核算和和存存 储储，不存在，不存在中中心心化化的硬

15、件或的硬件或管管理理 机构，任意机构，任意节节点点的的权权力和力和义义务务都都 是均等的，是均等的，系系统统中中的数据由的数据由整整个个 系系统统中具有中具有维维护护功功能的能的节节点点来来共共 同同维护维护。任。任一一节节点点停止工停止工作作都不都不 会影响系会影响系统统整整体体的的运运作作。需。需要要注注 意的是，区意的是，区块块链链的的去中心化去中心化只只是是 弱弱化化了了中中心心，并并不不是是消消灭灭了中了中心心。以太坊创始人Vitalik Buterin于2017年2月发表的The meaning of decentralization 一文中，详细阐述了去中心化的含义。他认为应该从

16、三个角度来区分计算机软件的中心化 和去中心化：架构、治理和逻辑：架构（去）中心化：系统由多少物理计算机组成？可容忍这些计算机多少台同时发生崩溃？治理（去）中心化：有多少个人或者组织最终控制着组成该系统的那些计算机？逻辑（去）中心化：指系统呈现的接口和数据是否像是一个单一的整体？中心式分布式15Part 1 技术篇 区块链内涵与特点区块链信息不可篡改，但是不可篡改不能篡改，只是篡改的成本较高信息不可篡改是区块链的信任来源之一，这也是区块链最容易被设想和应用落地的。例如 将区块链技术应用于溯源，如京东建立的“京东区块链防伪追溯平台”、菜鸟网络和天猫 国际利用区块链记录跨境进口商品的物流全链信息等。

17、区块链的信息不可篡改也是具有两面性的，数据唯一、可信任是其核心优势，但是当身处 复杂应用体系的时候，数据经常需要修改，如银行密码重置等，这对于不可篡改的区块链 来说是硬伤。区块链不可篡改不能篡改，只是篡改的成本较高。以下三种情况均可对其进行篡改：信息不可信息不可篡篡改改区区块块链链是是一一个个P2P的的对对等等网网络络结结构构软软 件件，没没有有服服务务器器，每每个个节节点点都都会会存存储储 一一份份完完整整数数据据，自自己己最最多多把把自自己己节节点点 上上的的数数据据修修改改，然然而而只只修修改改自自身身数数据据 不不能能得得到到其其他他节节点点的的承承认认，无无法法验验证证通通过过，就就

18、不能不能将将数数据据打包打包到到区区块块之之中中。除除此此之之外外，一一个个数数据据打打包包进进区区块块后后，更更改改某某个个区区块块的的数数据据，后后续续区区块块数数据据 都需要修都需要修改改，篡篡改改难难度度大大。51%攻攻击击所谓51%攻击，就是说在 整个网络中有人的算力超 过了全网的51%。这会破 坏区块链的去中心化，从 而导致双花等。改改变变共共识识机制机制改变共识机制指如果之前 使用的是POW机制，可以 选择修改使用DPOS机制等，但这会使得区块链的可信 度降低。分叉分叉分 叉 也 就 是“复 制 并 修 改”，选择分叉的一般是 认为区块链的底层设计出 现了错误，通过分叉修改 这些

19、错误。161.3 区块链分类Part 1 技术篇17Part 1 技术篇 区块链分类按照区块链的节点分布情况，区块链可分为公有链、联盟链和私有链三类按照网络范围（区块链的节点分布情况），区块链可分为三种类型：公有链、联盟链和私有链：公公有有链链：节点不需要任何的身份验证机制，只需要遵守同样的 协议，即可获取全部区块链上的数据，并且参与到区块链的共 识机制中。联联盟盟链链：针对特定的某些组织机构开放的区块链系统。私有私有链链：完全被某个组织机构控制并使用的区块链系统。高节 点 的 分 化 程 度低困难容易公有链联盟链私有链被单主体控制的难度公有链、联盟链及私有链对比分析属性公有链联盟链私有链参与

20、者任何人自由进出联盟成员个体或公司内部共识机制 POW/POS/DPOS分布式一致性算法分布式一致性算法记账人所有参与者联盟成员协商确定自定义激励机制需要可选不需要中心化程度去中心化多中心化（多）中心化突出特点信用的自建立效率和成本优化透明和可追溯承载能力3-20笔/秒1000-1万笔/秒1000-10万笔/秒典型场景虚拟货币支付、结算等企业内部审计等18根据对接类型，区块链可分为单链、侧链和互联链三类Part 1 技术篇 区块链分类“单链”指能够单独运行的区块链系统，这些区块链系统拥有完备的组件模块，自成一个体系。例如，比特币的主链和侧链、以太坊的主链和侧链、超级账本项目中的Fabric搭建

21、的联盟链等。单链单链“互联链”是通过跨链技术连接不同区块链设施：包括数据结 构和通信协议，互联互通所形成的一个更大的生态区块链。比 如电商平台公有链+物流公有链+物流联盟链+银行联盟链+.，它们之间的相互协作、通讯、共识、就是一个典型的互联链。互互联链联链“侧链”属于一种区块链系统的跨链技术，指遵守侧链协议的 所有区块链，该词是相对比特币主链来说的。侧链协议是指可 以让比特币安全地从比特币主链转移到其他区块链，又可以从 其他的区块链安全地返回比特币主链的一种协议。侧链侧链连连接接类类型型19根据生态的应用范围，区块链可分为基础链和行业链两类Part 1 技术篇 区块链分类连连接接类类型型侧链侧

22、链基基础链础链特特征征：提供底层且通用的各类开发协议和工具，方便开发 者在上面快速开发出各种DAPP的一种区块链，一般以公 有链为主。典型案例典型案例：ETH、EOS等行行业链业链特特征征：底层技术不如基础链，但是为某些行业特别定制的 基础协议和工具。如果基础链是通用性公链，那行业链可 理解为专用性公链。典型案例典型案例：BTM、GXS、SEER等生生态态的的应应用范用范围围201.4 区块链基础架构及技术解读Part 1 技术篇21Part 1 技术篇 区块链基础架构及技术解读区块链系统一般由数据层、网络层、共识层、激励层、合约层和应用层六层组成区块链技术的基础架构模型如右图所示，区块链系统

23、一般由数据层、网络层、共识层、激励层、合约层和应用层六层组成：数数据据层层：封装了底层数据区块以及相关的数据加密和时间戳等 技术要素；网网络络层层：包括分布式组网机制、数据传播机制和数据验证机制；共共识识层层：主要封装网络节点的各类共识算法；激激励励层层：将经济因素集成到区块链技术体系中来，主要包括经 济激励的发行机制和分配机制等；合合约约层层：主要封装各类脚本、算法和智能合约，是区块链可编 程特性的基础；应应用用层层：封装了区块链的各种应用场景及案例。应应用用层层可编程货币可编程金融可编程社会合合约层约层脚本代码算法机制智能合约激励激励层层发行机制分配机制共共识层识层POWPOS网网络层络层

24、P2P网络传播机制验证机制数据数据层层数据区块 哈希函数链式结构Merkle树时间戳非对称加密区块链基础架构模型22数据层是最底层的技术，涉及数据区块、链式结构、哈希算法等技术要素数据数据层层数据区数据区块块数据区块一般包含区块头和区块体。区块头封装了当前版本号、前一区块地址、当前区块的目标哈希值、当前区块POW等共识过程的解随机数、Merkle根以及时间戳等信息。数据数据层层数据数据层层将一将一段段时时间间内接收到内接收到的的交交 易数据和代易数据和代码码封封装装到一个到一个带带有有时时 间间戳的数据戳的数据区区块块中，并按中，并按时时间间顺顺 序序链链接接到到当当前前最最长长的的主主区区块

25、块链链上上，生成最新的生成最新的区区块块。该过该过程涉程涉及及数数 据区据区块块、链链式式结结构构、哈希算、哈希算法法、Merkle 树树、非、非对对称加密和称加密和时时间间 戳等技戳等技术术要素。要素。Part 1 技术篇 区块链基础架构及技术解读前 一 区 块后 一 区 块版本号前一区块时间戳随机数目标哈希交易2交易3交易4交易5交易6交易7交易8Hash2Hash3Hash4Hash5Hash6Hash7Hash8Hash34Hash56Hash78Merkle根区块头Hash12 Hash1交易1Hash1234Hash18Hash5678区块体区块结构23链式结构是保证区块链数据完整

26、的基础，时间戳是区块数据的存在性证明数据数据层层链链式式结结构构取得记账权的矿工将当前区块链接到前一区块，形成最新的区 块主链。各个区块依次环环相接，形成从创始区块到当前区块 的一条最长主链，从而记录了区块链数据的完整历史。Part 1 技术篇 区块链基础架构及技术解读区块链链式结构区块头1区块头2区块头3前一区块的哈希值前一区块的哈 希值前一区块的哈 希值Merkle根Merkle根Merkle根区块1 交易详情区块2 交易详情区块3 交易详情数据数据层层时间时间戳戳时间戳是一个经加密后形成的凭证文档，可分为自建时间戳与具有法律效力的时间戳两种。时间戳主要包含三部分：第一，需加时间戳的文件摘

27、要；第二，DTS收到文件的日期和时间；第三，DTS的数字签名。时间时间戳戳产产生生的的过过程程：用户首先将需要加时间戳的文件用Hash编 码加密形成摘要，然后将该摘要发送到DTS，DTS在加入了收 到文件摘要的日期和时间信息后再对该文件加密（数字签名），然后送回用户。价价值值：时间戳可以作为区块数据的存在性证明，有助于形成不 可篡改和不可伪造的区块链数据库，更为重要的是，时间戳为 未来基于区块链的互联网和大数据增加了时间维度，使得通过 区块数据和时间戳来重现历史成为可能。24哈希函数是一种安全散列算法，具有正向快速、逆向困难、输入敏感和冲突避免的特点 Part 1 技术篇 区块链基础架构及技术

28、解读正向正向快速快速逆向逆向 困困难难输输入入 敏感敏感冲突冲突 避免避免给定明文和hash算法，在有限时间和有限 资源内能计算出hash值。给定若干hash值，在有限时间内很难（基本不可能）逆推出明文。原始输入信息修改一点信息，产生的hash 值看起来应该都有很大不同。很难找到两段内容不同的明文，使得他们 的hash值一致。哈希函数的特点数据数据层层哈希函数哈希函数区块链通常并不直接保存原始数据或交易记录，而是保存其哈 希函数值，即将原始数据编码为特定长度的由数字和字母组成 的字符串后计入区块链。哈希函哈希函数数：安全散列算法（Secure Hash Algorithm，缩写为SHA），能计

29、算出一个数字信息所对应到的、长度固定的字符 串（又称消息摘要）的算法。且输入的信息不同，它们对应到 不同字串的几率很高。SHA家族家族的的五个算五个算法法：SHA-1、SHA-224、SHA256、SHA-384和SHA-512，由美国国家安全局（NSA）所设计。常用的MD5也是一种哈希算法。SHA256函数解析任意一串数据任意一串数据0-2256整数整数SHA256函数25Merkle树是区块链的重要数据结构，极大地提高了区块链的运行效率和可扩展性数据数据层层Merkle树树Merkle树是区块链的重要数据结构，其作用是快速归纳和校验区块数据的存在性和完整性。结结构构：由一个根节点、一组中间

30、节点和一组叶节点组成。叶节 点包含存储数据或其哈希值，中间节点是它的两个孩子节点内 容的哈希值，根节点也是由它的两个子节点内容的哈希值组成。运运算算过过程程：如右图所示，Merkle树运算过程一般是将区块体的 数据进行分组哈希，并将生成的新哈希值插入到Merkle树中，如此递归直到只剩最后一个根哈希值并记为区块头的Merkle根。优优点点：首先极大地提高了区块链的运行效率和可扩展性，使得 区块头只需包含根哈希值而不必封装所有底层数据，这使得哈 希运算可高效运行在智能终端上；其次是可支持“简化支付验 证”协议，即在不运行完整区块链网络节点的情况下，也能够 对交易数据进行检验。Part 1 技术篇

31、 区块链基础架构及技术解读H(D1）H(D10）H(D20）【】【】H(D11）H(D1-10）H(D11-20）H(D1-20）-Merkle根Merkle树示意图26非对称加密是为满足安全性需求和所有权验证需求而集成到区块链中的加密技术，其加密解密密钥不同数据数据层层非非对对称加密称加密非对称加密是为满足安全性需求和所有权验证需求而集成到区 块链中的加密技术，其采用的加密解密密钥是不同的，加密的 称为公钥，解密的称为私钥。公钥加密，私钥解密，叫加密；私钥加密，公钥解密，叫数字签名。算算法法：RSADSAElgamalRobinD-HECC等特特点点：首先，用其中一个密钥（公钥或私钥）加密信

32、息后，只 有另一个对应的密钥才能解开；其次是公钥可向其他人公开、私钥则保密，其他人无法通过公钥推算出相应的私钥。目前区块链采用的非对称加密算法主要为ECC，即椭圆曲线加 密算法，利用了某种特殊形式的椭圆曲线，即定义在有限域上 的椭圆曲线，其方程如下：y2=x3+ax+b(mod p)。其中，点（x，y）和一个无穷点O就组成了椭圆曲线E。Part 1 技术篇 区块链基础架构及技术解读yxx椭圆曲线示例 y比特币非对称加密机制示例私钥（50字符）公钥（65字节）私私钥钥（256位）位）公钥（20字节）地址（33字符）SHA256 RIPEMD160SHA256Base5827网络层封装了区块链系统

33、的组网形式P2P网络、传播机制及验证机制网网络层络层网网络层络层封装封装了了区区块块链链系系统统的的组组网网 方式、消息方式、消息传传播播协协议议和数据和数据验验证证 机机制制等等要要素素，结结合合实实际际应应用用需求需求，通通过设计过设计特特定定的的传传播播协议协议和和数数据据验验 证证机制，机制，可可使使得得区区块链块链系系统统中中每每 一个一个节节点点都都能能参参与区与区块块数数据据的的 校校 验验和和记账记账过过程程，仅仅当区当区块块数数据据通通 过过全网大全网大部部分分节节点点验证验证后后，才才 能能 记记入区入区块块链链。Part 1 技术篇 区块链基础架构及技术解读网网络层络层P

34、2P网网络络P2P网络是区块链的组网方式，P2P网络中的每个节点具有平等、自治、分布等特性，所有节点以扁平拓扑结构相互连通，不存在任何中心化的权威节点和层级结构，每个节 点均拥有路由发现、广播交易、广播区块、发现新节点等功能。按照节点存储数据量的不同，可以分为全节点和轻量级节点：全节点保存了从创世区块 到当前最新区块为止的完整区块链数据，并通过实时参与区块数据的校验和记账来动态 更新主链，能够独立自主地校验所有交易，而不需借由任何外部参照；轻量级节点仅仅 保存一部分区块链数据，其任务是“支付验证”，不是“交易验证”。比特币全节点及轻量级节点示意图钱 包完整 区块 链网络 路由 节点矿工钱包网络

35、 路由 节点28区块链传播与验证机制使得每个节点都能参与区块数据的校验和记账过程网网络层络层传传播机制播机制区区块块链链传传播播机机制制：任一区块数据生成后，将由生成该数据的节 点广播到全网其他所有的节点来加以验证。现有的区块链传播 机制多根据比特币传播机制进行设计。比特币系统的交易数据传播协议包括如下步骤：Part 1 技术篇 区块链基础架构及技术解读网网络层络层验证验证机制机制区区块块链链验验证证机机制制：P2P网络中的每个节点都随时监听网络中广 播的数据及新区块。节点接收到邻近节点发来的数据后，将首 先验证该数据的有效性。如果有效，则按照接受顺序为新数据 建立存储池以暂存尚未计入区块的有

36、效数据，同时继续向邻近 节点转发；如果无效，则立即废弃该数据并终止传播。链条，而将被接受区块的随机哈希值视为先于新区块哈希值。比特币交易节点将新生成的交易数据向全网所有节点进行广 播；每个节点都将收集到的交易数据存储到一个区块中；每个节点基于自身算力在区块中找到一个具有足够难度的工 作量证明；当节点找到区块的工作量证明后，就向全网所有节点广播此 区块；仅当包含在区块中的所有交易都是有效的且之前未存在过的，其他节点才认同该区块的有效性；其他节点接受该区块并在该区块末尾制造新的区块以延长该30区块链验证机制示意图节 点 一节 点 二数据传播如果无效 废弃该数据且终止传播建立存储池以暂存尚未 记入区

37、块的有效数据节 点 三如果有效 按照接受顺序为新数据 数据传播共识层封装了共识机制，保障各节点高效的针对区块数据的有效性达成共识共共识层识层拜占庭将拜占庭将军问题军问题拜占庭将军问题是由2013年图灵奖获得者Leslie Lamport提出的一个共识问题，也是一个分布式节点传输所遇到的问题。背背景景及及目目的的：拜占庭防御非常强大，需要十个邻邦的一半以上同时进攻才能攻破。问题 在于，一些将军可能是叛徒，会发布假的（相反的）进攻意向以破坏作战计划。这时，将军们需要找到一种共识机制，可以远程协商，赢取战斗。传传统统解解决决方方案案：口头协议（又称为拜占庭容错算法，即利用通信次数换取信用，每个命 令

38、的执行都需要节点间两两交互去核验信息）和书面协议区区块链块链解决方案解决方案：a)引入一个至少需要10分钟求解的工作量计算，限制网络中每个时刻中被提出的进攻时刻数目；b)将所有求解出的“工作量证明”都逐一加入，“工作量证明链”，记录着所有参与攻击 时刻哈希计算的将军及其工作量证明，以及工作量总和；c)基于工作量证明，只要算力足够强大就可以在一致同意的时间内安全的展开攻击。共共识层识层共共识层识层的目的目的的是是能能够够在决策在决策权权高高 度分散的去度分散的去中中心心化化系系统统中中，保障保障 各各节节点高效点高效的的针针对对区区块块数据数据的的有有 效性达成共效性达成共识识。最最早的共早的共

39、识识机机制制 是是POW，随着区随着区块块链链技技术术发发展展，POS、DPOS等等共共识识机机制制相相继继涌涌 现现。区区块块链链共共识识层层，即即封封装装了了这这 些共些共识识机机制制。Part 1 技术篇 区块链基础架构及技术解读30共识机制需满足一致性和有效性两大性质，目前已出现POW、POS、RPCA等多种共识性质Part 1 技术篇 区块链基础架构及技术解读权权益益证证明明（POS）节节点到点到节节 点点（N2N）瑞波共瑞波共识识 算法算法（RPCA）股股权权代理代理 人共人共识识（DPOS）POOl验验 证证池池PAXOS简简化拜占化拜占 庭容庭容错错（SBFT）RAFT实实用拜

40、占用拜占 庭容庭容错错（PBFT）消耗消耗时间时间 量量证证明明（POET）工作量工作量证证 明明（POW）区块链共识机制的目标是使所有的诚实节点保存一致的区块链视图，需满足两个性质：一致性和有效性，一般从安全性、扩展性、性能效率、资源消耗等四个维度来评价共识机制的技术水平。目前已出现了多种共识机制，包括POW（工作量证明法）、POS（权益证明法）、RPCA（瑞波共识算法）、DPOS（股权代理人共 识）、PooI验证池等。共识机制的类型31“按劳分配”机制POW传播速度快但能源消耗大，“按资分配”机制POS节能但信用基础不牢固共共识层识层POW背背景景：POW在1999年 Markus Jak

41、obsson 和Ari Juels的文章 中被真正提出，实际上就是为信息的传递加入了成本，从而降 低信息传递效率，并加入一个随机元素保证一段时间内只有一 个节点可以有权进行信息广播。工作工作原原理理：简单理解为“按劳分配”，即付出多少劳动获得多少报酬，区块链中的劳动指你为网络提供的计算服务，即算力时长。优优点点：理想状态下可以吸引很多用户参与其中，会促使区块链产品初始阶段快速发展，节点网络迅速扩大。缺缺点点：算力是由计算机硬件CPU、GPU等提供的，能源消耗大，且用户也从个人挖矿发展到大的矿池、矿场，算力越来越集中，去中心化程度减弱。除此之外，其奖励会按照一定的周期减半，用户积极性会降低。Pa

42、rt 1 技术篇 区块链基础架构及技术解读共共识层识层POS背背景景：POS最初引入是作为一种手段来对抗已知的比特币网络 攻击的，特别是51%攻击。在创始区块中会明确写明股权分配 比例，之后通过转让、交易等方式逐渐分散股权，并通过“利 息”的方式新增货币进行激励。工作工作机机制制：简单理解为“按资分配”，即根据用户持有货币的数量和时间，发放利息。优优点点：相对节能，不需要耗费大量电力和能源，同时，相对于POW机制更去中心化，但也有可能因为用户丢失等原因，导致通货紧缩。缺缺点点：如果完全使用POS机制，只能通过IPO的方式发行，这 会导致“少数人”低成本获得大量货币，可能会大量抛售，信 用基础不

43、牢固。因此，大部分区块链产品会采用POW+POS机 制，或者采用DPOS机制。32DPOS共识能耗低效率高但用户积极性不高，RAFT共识设计简单、易理解变现但易造成隐患共共识层识层DPOS背背景景：DPOS是在POW和POS的基础上发展起来的，其解决 POW能耗高，避免POS权益分配下可能的“信任天平”偏颇。比特股最先引入这一机制，目的是用于发布去中心化自治公司，发行股份，产生利润并分配给股东。工工作作原原理理：由社区中选举出来的可信账户即得票数排行前101 位来创建区块，这101个账户之前权力相等并可通过投票的方 式更换。类似在股份制公司中，普通股民无法进入董事会，需 要选举代表人来代替他们

44、决策。优优点点：能耗更低，更加去中心化，确认速度快，出块时间短，效率非常高。缺缺点点：用户投票的积极性不高，在处理坏节点的过程中存在诸 多困难，可能会对网络造成安全隐患。Part 1 技术篇 区块链基础架构及技术解读共共识层识层RAFT背景背景：RAFT也是一种基于领导者的共识，由PAXOS衍生而来，是在复制状态机的背景下提出来的。在这个方法中，在一组服 务器的状态机会产生同样状态的副本，因此，即使有一些服务 器崩溃了，这组服务器也还能继续执行。工工作作原原理理：RAFT算法包含三种角色：跟随者（follower）、候 选人（candidate）和领导者（leader），这三种角色可以随 着时

45、间和条件的变化相互转换。一般有两个过程，首先进行领 导者选举，其次是日志复制，即记录日志和提交数据。优优点点：设计更为简单，容易被软件工程师所理解，更容易编码实现。缺缺点点：RAFT算法从节点不会拒绝主节点的请求，容易出现隐 患，且只能容错故障节点。33各种共识算法具有不同的优缺点，区块链平台选择共识算法时需综合考虑各因素，有所舍弃Part 1 技术篇 区块链基础架构及技术解读35各种共识算法在拜占庭容错、确认速度、可扩展性、吞吐量（TPS）等方面都各有不同的优缺点，没有一种共识算法在各方面是完美的。各平台在选择共识算法的时候也需要综合考虑各因素，有所舍弃。各共识算法对比分析POWPOSDPO

46、SPBFTRAFT拜占庭容错50%50%50%33%无确认速度60min100s100s10s10s可扩展性强强强弱弱吞吐量（TPS）10010001000200010k使用平台用户比特币、以太坊点点币、未来币比特股Hyperiedger fabric 0.6etcd来源：新时代区块链研究院激励层将经济因素集成到区块链技术体系中，包括发行机制和分配机制激励激励层层发发行机制行机制发行机制主要针对的是公有链，主要对该链中数字货币发行的规定，包括发行数量、手续费等。以比特币为例，货币乘以每个区块比特币数量的总数是现有货币的总比特数。每个 区块产生比特币的数量是随着区块的数量递减的。最初，每个区块可

47、以产生50个比 特币，当区块数量达到21万后，每个区块产生的比特币数量将降到25个，之后再降 到12.5个。以此类推，到2140年，每个区块产生的比特币数量将降为10个，届时，比特币的数量将稳定在2100万个。36激励激励层层激励激励层层将将经经济济因因素素集成到区集成到区块块链链 技技术术体系中体系中，主主要要包括包括经济经济激激励励 的的发发行制度行制度和和分分配配制制度度，其，其功功能能 是提供一定是提供一定的的激激励励措措施施，鼓，鼓励励节节 点参与区点参与区块块链链中中安安全全验证验证工工作作，并将并将经济经济因因素素纳纳入入区区块链块链技技术术体体 系中，激励系中，激励遵遵守守规规

48、则则参与参与记记账账的的 节节点点，并并惩惩罚罚不不遵遵守守规规则则的的节节点点。Part 1 技术篇 区块链基础架构及技术解读比特币供给需求曲线P2100万QD(q)2()1()如右图所示，比特币的生产成本随着比特币 的数量增加而增加，供给曲线斜率增加，推 高价格。在比特币数量稳定在2100万上限之 后，其供给曲线将变成一条垂直的直线。随 着需求曲线向外移动，需求增加，比特币价 格也将继续上行。不同的区块链系统分配机制不同，比特币系统已有13种分配机制，PPS和DGM最流行37Part 1 技术篇 区块链基础架构及技术解读分配机制是指，区块链系统中收入等经济资源的配置。正如中国“以按劳分配为

49、主，多种分配方式并存的分配制度”，在每个区块链系统中，也有自己的一套分配机制。在比特币系统中，大量的小算力节点会选择加入“矿池”，通过集聚力量提高挖到新区块的概率，共享该区块的比特币和手续费奖励。据B统计，目前存在13种不同的分配机制，最流行的是PPS和DGM。比特币系统分配机制简述PPS根据股份比例为各节点 估算和支付一个固定的 理论收益PPLNS最后N个股份内贡献 的实际股份比例来分 配区块中的比特币DGM收取部分挖出的货币,然后在之後以正规化 过的值返还给矿工PROT根据节点贡献的股份按比例的分 各合作节点根据其在配比特币ESMPPS均等支付SMPSS按资金最大值双几何制，在短期内 对每

50、个贡献节点支付RSMPPS优先支付最 近的矿工CPPSRB最高每股 薪酬奖励BPM比特币联 合开采POT目标薪酬制ELIGIUS提交工作证明赚取股份SCORE按比例分 配奖励Triplemining 将获得奖励的1%按照各个矿池计 算力的比例分发合约层封装区块链系统的各类脚本代码、算法以及智能合约等，可分为图灵完备和非图灵完备合合约层约层发发展展：区块链1.0时代，合约层基本是缺失的，所以数字货币只能进行交易，而无法 应用于其他领域或者进一步的逻辑推理。区块链2.0时代被称为智能合约时代，合约 层正式出现，其他领域应用区块链成为可能。起起源源：合约层最早应用是以太坊提出的，以太坊合约层包括以太