区块链导论区块链系统框架及技术课件.ppt

1、区块链系统框架及技术Contents2.1数据层2.2网络层2.3共识层2.4激励层2.5合约层2.6应用层区块链导论1区块链系统?区块链支撑技术：区块链支撑技术：区块链系统是由多种技术相互支撑构成的系统，包括数据区块、时间戳、数字签名、P2P网络、共识算法等，此外还包括Merkle树、UTXO模型（Unspent Transaction Output）等。区块链导论2区块链系统?系统架构：系统架构：系统层次由高到低分别是应用层、合约层、激励层、共识层、网络层以及数据层。下图为区块链基础架构模型。区块链导论可编程货币可编程金融可编程社会应用层脚本代码算法机制智能合约合约层发行机制分配机制激励层

2、PoWPoSDPoS 共识层P2P网络传播机制验证机制网络层数据区块链式结构时间戳哈希函数Merkle树非对称加密数据层32.1 2.1 数据层数据层区块链导论数据区块?构成：构成：区块链的数据区块包括区块头和区块体。具体如下图所示。?区块头：区块头：包含当前区块的版本号、时间戳、当前区块的随机数、Merkle根信息、以及前一区块的哈希值和本区块的哈希值等。?区块体：区块体：主要包含交易计数和交易详情的交易列表。区块体中的Merkle树会对记录的各个交易进行签名，来保证交易的不可伪造，通过Merkle树的哈希值计算过程产生唯一的Merkle根。区块链导论4链式结构?区块链采用链式结构记录数据，

3、每个参与竞争记账权的节点称为矿工，矿工将当前区块与区块主链上的最末端区块链接，就形成了从初始区块到当前区块的一条区块链，这条区块链记录了所有的交易数据，使得在该条区块链之上的所有数据历史都可以被追溯和查询。区块链导论5链式结构?区块链的链接模型如下图。其中上一区块的哈希值实际上是指上一个区块头部的哈希值，而计算随机数规则决定了哪个矿工可以获得记录区块的权力。?若不同地区的两个矿工同时在当前区块主链上链接新的数据区块时，系统约定在后续区块链接时，将通过计算和比较，将数据区块链接到长度最大的备选链上，形成新的主链。区块链导论区块链链接模型6时间戳?定义：定义：时间戳表示数据在特定时间已经存在的可验

4、证的数据。?意义：意义：?区块链中每个数据区块头都需要加盖时间戳，来记录区块的写入时间，保证每个区块按顺序依次链接，后一个区块的时间戳可以对前一区块的时间戳进行增强，为区块链应用于时间敏感的领域奠定了基础。?保证区块链数据的不可篡改和伪造。区块链导论7哈希函数?定义：定义：哈希函数，也称散列函数，实现将任意长度的输入转换为固定长度的输出。哈希函数值是指由固定长度的数字和字母组成的字符串，区块链通常直接保存哈希函数值，而非原始数据。?特点：特点：具有单向性、易压缩、高灵敏、抗碰撞等特点，适用于存储区块链中的数据。区块链导论8Merkle树?定义：定义：Merkle树是数据结构中的一种树，可以是二

5、叉树，也可以是多叉树，它具有树结构的所有特点。?Merkle二叉树会将区块链中的数据分组进行哈希运算，向上不断递归运算产生新的哈希节点，除底层哈希节点外，其余哈希节点都包含两个相邻的哈希值。Merkle二叉树的根保存在区块头中，其余部分保存在区块体中。?意义：意义：Merkle树使得区块头只需包含该区块记录的所有交易经过不断递归运算最终形成的哈希值；同时使得节点在不了解整个区块的情况下，对是否包含某一交易进行验证，极大提高了区块链的运行效率。其作用主要是快速归纳和校验区块数据的完整性。区块链导论9非对称加密?定义：定义：非对称加密也称公钥加密，需要两个非对称的密钥，分别是公钥和私钥，其中公钥对

6、所有人公开，私钥自己保存。?意义：意义：?非对称加密用于保证系统安全性及所有权验证问题。常见的非对称加密算法包括RSA、Elgamal、ECC等，区块链系统中使用的是椭圆曲线加密算法ECC。?非对称加密除了对数据进行加密外，还可用于数字签名认证，通过私钥签名的交易可以使用对应的公钥对其进行验证，从而对交易发起者进行验证。区块链导论102.2 2.2 网络层网络层区块链导论网络层?网络层封装了区块链系统的组网方式、消息传播协议和数据验证机制等要素。?网络层的设计是为了保证区块链中各个节点间的通信，通过特定的协议和机制，使得每个节点都能参与记账和数据校验等。同时保证数据区块是经过大部分节点验证后才

7、记入区块链中的。区块链导论11网络结构?区块链系统一般采用P2P网络来组织各个节点参与验证和记账。?P2P 网络是一种不需中心服务器、而是依靠节点间沟通的体系。P2P网络示意如下图所示。网络中的每个节点地位平等，既产生信息，也接收信息，每个节点都承担网络路由、数据验证等功能。P2P网络示意图区块链导论12网络结构?网络节点根据存储数据量的不同，可以分为全节点和轻量级节点。?全节点：全节点：存储了从创始区块以来的所有区块链数据，在进行数据校验时不需依靠别的节点，仅依靠自身就可以完成校验更新等操作，但全节点部署时硬件成本较高。?轻量级节点：轻量级节点：存储部分数据信息，在需要别的数据时可以通过简易

8、支付验证方式向邻近节点请求所需数据来完成验证更新。区块链导论13数据传播协议?区块链网络交易信息的公布方式是广播，存在两种广播机制：交易广播和区块构造广播。?交易广播：交易广播：指生成交易的节点将交易信息传播给相邻节点，相邻节点验证后继续传播给其相邻节点，通过节点间的相互传播，使得交易信息快速被网络中的所有节点所接收，若多数节点（51%）接收，则交易通过；若交易信息有错，不再进行广播。?区块构造广播：区块构造广播：指找到正确随机数后对其进行广播，其他节点进行验证，若大部分节点验证通过，则确认记账权，生成新区块。区块链导论14数据验证机制?数据验证机制是指节点对广播的交易信息和区块进行验证的过程

9、。区块链没有中心机构进行交易信任校验和保证，因此每一项交易都需要依靠全网节点的验证来保证，至少经过多数（51%）节点验证的交易才能取得信任。?在比特币系统中，每个节点都时刻监听区块链网络中广播的交易数据与新区块。节点会收集网络中已经广播但未确认的交易和区块，按照预先定义的标准，从不同方面验证交易数据和区块的有效性，并将有效的交易数据整合至当前区块中。区块链导论152.3 2.3 共识层共识层区块链导论共识层?共识层封装了各种共识算法。在分布式系统中，决策权越分散的系统达成共识的效率越低，但系统稳定性高；决策权越集中的系统达成共识效率高，但稳定性差。?区块链共识技术的优势之一是在去中心化的系统中

10、使节点间对区块数据有效性保持一致。区块链导论16PoW共识?POW工作原理工作原理?工作量证明（Proof of Work，PoW）共识机制是通过节点间的算力竞争来保持共识及数据一致，即对于工作量的证明，是生成要加入到区块链中的一笔新的交易信息（即新区块）时必须满足的要求。?在基于工作量证明（PoW）机制构建的区块链网络中，节点通过计算随机哈希散列的数值解争夺记账权，求得正确的数值解以生成区块的能力是节点算力的具体表现。工作量证明机制具有完全去中心化的优点，节点可以自由进出。区块链导论17PoW共识?POW优缺点优缺点?在比特币系统中，判定竞争结果是通过工作量证明（PoW）的机制来完成的。Po

11、W的主要特点是计算的不对称性，工作端需要经过长时间运算得到结果，而验证端可以很容易通过结果对工作端所做工作进行检验。?PoW共识机制具有重要的创新意义，但要求的强大算力造成了大量资源浪费，而且交易确认时间过长，不适合小额交易的商业应用。区块链导论17PoS共识?POS原理原理?权益证明（Proof of Stake，PoS）共识解决PoW共识机制需要强大算力造成的资源浪费问题，使用权益证明来替换工作量证明。?PoS要求用户证明拥有某些数量的货币，节点对特定数量货币的所有权称为币龄，每次交易都将消耗特定数量的币龄。?POS特点特点?PoS共识过程中挖矿难度与交易输入的币龄成反比。在挖矿过程中，消

12、耗币龄最高的区块将被链接。?PoS共识过程依靠内部币龄，不需大量耗费电力和能源，很大程度上解决了PoW共识机制中资源浪费的问题，同时也缩短了共识时间。但依据权益来选择会导致首富账户的权力过大，甚至支配记账权。区块链导论18DPoS共识?股份授权证明（Delegated Proof of Stake，DPoS）共识机制中节点可以自主的选择其信任的节点，利用权益人股票的权力来公平民主的解决共识问题。所有的网络参数，包括交易费用、生成块的时间以及交易大小，都可以通过选出来的代理人来调整。?比特股（Bitshare）是一类采用DPoS机制的加密货币，其引入了见证人的概念。见证人可以创造区块，比特股持有

13、者选出的 N个见证人可以视为N个矿池，每个矿池的权利完全平等，若这些见证人（矿池）提供的算力不稳定、计算机宕机，持股人可以随时通过投票更换见证人。?DPoS是目前看到的最快、最高效、灵活的共识模型，减少了参与验证和记账的节点数量，实现了快速的共识验证。19区块链导论2.4 2.4 激励层激励层区块链导论激励层?激励层：激励层：激励层提供一定的激励措施鼓励节点参与区块链的日常运作以及共识验证工作。为了鼓励节点参与区块链的运作，例如数字货币等区块链一般会使用特定数量货币的奖励给区块创建者。?激励层将经济因素集成到区块链技术体系中。在公有链中，区块链系统遵循着激励机制奖励获得记账权的节点，让整个系统

14、朝着良性循环的方向发展。在私有链或联盟链中，不一定需要进行激励。区块链导论202.5 2.5 合约层合约层区块链导论应用模式?合约层：合约层：合约层是区块链2.0新出现的拓展架构，但却是区块链延伸各种应用功能的必要支撑，极大地提升了区块链的可拓展性。合约层由合约虚拟机与智能合约两部分组成。?合约虚拟机：合约虚拟机：是区块链中智能合约的运行基础，为合约代码提供了沙盒式的执行环境。合约虚拟机本身一般不存储到区块链上，而是与区块链并行存储到各个节点计算机中。每个校验节点都会运行合约虚拟机，并将其作为区块有效性校验协议的一部分。区块链导论21应用模式?智能合约：智能合约：是一种旨在以信息化方式传播、验

15、证或执行合同的计算机协议。以太坊是应用智能合约最早且最成功的区块链，大多数合约虚拟机都是仿照以太坊虚拟机（Ethereum VirtualMachine，EVM）设计。以Solidity语言实现方法为例合约层的整体运作流程如下图。合约地址调用Solidity代码编译Bytecode载入合约虚拟机区块链导论合约层运作流程222.6 2.6 应用层应用层区块链导论应用模式?应用层：应用层：应用层又称为业务层，它封装了区块链的各种功能业务与各个行业的应用场景。?传统的应用层包括数字货币交易平台、数字货币投资平台和数字货币钱包等，在进入区块链 3.0后，区块链的应用层便不再仅限于货币交易应用，更多地在于信息的数字化、管理的数字化、资产的数字化，在于应用模式的全方位变化。区块链导论23谢谢！谢谢！区块链导论