区块链是如何运作的——详解7层架构

西瓜妹 百科
2019-08-10 08:44:17

  我理解区块链就是一个去中心化不可篡改的数据库,或者说是一个分布式账本,有一个小故事帮助大家理解区块链技术是怎么回事:
 
“比特村的故事”,在一个村子里,一开始村民相互交易用的是黄金,后来村民发现直接用金条交易方式非常不方便,一是金条容易磨损;二是金条质量比较重,进行交易时可能需要随身携带,特别不方便。

区块链是如何运作的——详解7层架构(西瓜财经百科)
 
后来他们提出一种办法,由村里一位德高望重的村长替大家记账,把金条收到村长那里,记录一下每个人有多少钱,余额信息就在村长账本里记录。之后村民们互相交易时只需要跟村长说转了多少钱,比如张三买牛转了多少钱给李四,村长完成这笔交易记录之后,这笔转帐就算是完成了。这就是中心化的账本,也可以理解为数字货币的时代。

但是中本聪发现这种模式可能会存在一些问题:

1、中心信任程度问题,村长可以做假帐,把自己或自己朋友余额增加,普通村民没办法去监管这样的改变,这样可能整个市场中流通的货币会增加,造成通货膨胀。
 
2、这个账本只保存在村长这里,那么账本维护可能会有问题。如果账本损坏或者其他因素造成历史记录丢失,可能就再也找不回来了。

中本聪提出了去中心化账本的构想,目的是在没有一个可信中心的环境建立一个全民账本,这个账本主要原理是大家一起记账,每笔账目都需要所有记账人共识,并且每个人都存在这样一份相同的账本,这样就不用担心有个别记账员造假、丢失的问题了。
 
一是个人造假的账本不会得到大家的认可,二是个人丢失账本可以通过其他人重新获取这个账本来恢复所有的历史交易记录。不过这种分布式账本会有一些问题需要解决:

第一个问题:账本一致问题,因为所有人都参与记账,每个人账本如何保持一致是最关键的一个问题;

第二个问题:每个人都有这样的账本,意味着所有人的交易都是公开的,很可能所有人的余额也是公开的,能否做到对交易匿名处理,就是把所有人资产信息隐藏起来;

第三个问题:交易怎么鉴别真伪?即如何防止别人冒充你花你的钱?

第四个问题:大家都记账,记账肯定有消耗,需要消耗存储、消耗精力,如何让记账员长期维持下去?

针对这几个问题,中本聪提出一些关键技术来解决这些问题,我们后面会一一讲解。

区块链技术架构可以分为七层,从底层往上依次是加密层、数据层、网络层、共识层、激励层、合约层和应用层,而每一层都运用了一些技术来保证整个区块链系统的正常运作。

加密层

1.哈希函数;

也叫散列函数,是把一段数据压缩成一个摘要,这个摘要相比原始信息更小,但有一些比较特别的性质,首先是确定性,如果相同的输入数据得到的输出是相同的。
 
基本是不可逆的,给定一个输出,无法直接推算出输入,虽然我们知道有无数个输入会输出同一个哈希值,但如果知道哈希值的话,很难计算出任何一个输入。
 
“雪崩”效应,输入信息只要修改一小部分,哪怕是一个单词,一个字母,甚至1bit值,输出的哈希值就会产生翻天覆地的变化,这一点保证它是不可逆的。
 
哈希函数有什么用?
 
在分布式账本里,为了保证数据完整性,会采用哈希值进行校验。如,一笔交易、一页账本(也就是区块的概念),用了哈希之后生成摘要,意味着整个区块交易信息无法进行篡改(即无法在篡改数据之后保持摘要不变)。

区块链原始的定义或狭义的理解就是区块+链的形式,这个链是通过哈希链接起来,每一个区块可能都有很多交易,整个区块又可以通过哈希函数产生摘要信息,然后规定每一个区块都需要记录上一个区块的摘要信息,这样一来所有区块都可以连成一条链。
 
如果改了历史中某一个区块的数据,意味着这个区块摘要值(即哈希值)会改变,那么下一个区块中记录的上一个区块的哈希也得做相应的修改,以此类推,也就是说如果要修改历史记录的话,要从那一个点开始往后所有记录都要修改才能保证账本的合法性,哈希函数就提高了账本篡改的难度。
 
2.采用非对称加密技术。

这是相对对称加密而言的,对称加密中加密和解密过程用的是同一把钥匙,而非对称加密是加密和解密过程用的是一对密钥,这对密钥分别称为“公钥”和“私钥”,公钥是可以公开的,私钥是个人存储、个人维护的。
 
公钥加密的数据只能用配对的私钥来解密,私钥加密的数据同样也只能用配对的公钥来解密。用非对称加密就可以产生数字签名。

假设有一笔交易,我给你转10元,这个消息或这笔交易有固定的数据格式,通过哈希函数算出这个交易的哈希值(即消息摘要),通过使用私钥加密,得到一个数字签名,然后可以把数字签名以及这个消息同时发送给其他人。

其他人拿到这个消息和数字签名后,首先可以把这个消息的消息摘要算出来,然后就可以用公钥验证这个签名是否真的是由这个消息摘要算出来的,进而判断这个消息是否由我签署并且没有被篡改。

这就是数字签名的效果,它的作用:一是可以确认消息归属,即检验消息是否真的由私钥拥有者发出的,只要拿对应的公钥验证去签名,验证通过就可以证明消息是由私钥拥有者发出的;二是确保消息完整,如果消息被篡改,那么哈希值就发生了变化,用同样的数字签名就无法验证通过。

非对称加密和数据签名解决了“比特村”的两个问题:第一,交易可以鉴别真伪;第二,可以保证交易进行匿名化。

现在不需要实名认证每个人有多少钱,只需要用公钥作为钱包的地址,要花公钥钱包里的钱只需要用对应私钥对一笔交易签名,即可证明你是钱包的所有者,这笔交易别人无法篡改和伪造。

而且公私钥可以在线下自己生成,并不需要在账本里进行实名注册,如果没有账本外的额外信息,任何人都不知道某个公钥钱包到底属于谁的,这就达到了交易匿名的目的。

数据层
 
刚才说到区块的概念,可以理解为账本中的一页记账纸,里面记录了若干笔交易,除此以外,区块里需要包含哪些信息?

首先有一个区块高度,可以理解为账本的页码;包含上一个区块摘要信息,这个是为了保证整个区块链链式账本不可篡改性;包含本区块里所有数据交易哈希摘要值。

网络层

网络层是用P2P网络来进行消息的传播,P2P网络是对等式网络,也可以称为是无中心的自组织网络,特点是没有中心化的服务器,任何节点在这个网络中既是服务器,也是客户端。

消息的发送、网络的组织都是自发的,整个网络可以无限扩展,任何节点可以随时加入、随时退出。网络层规定了区块链系统中交易是怎么传输的,以及每一页账本(即区块)是怎么传输的。

共识层
 
就是要让全网所有记账员账本保持一致,也就是说对所有交易有一个先后顺序,达成完全一致。具体而言,共识机制主要需要解决以下三个问题:

1、What,下一个区块包含哪些交易;
2、Who,下一个区块由谁产生;

3、When,下一个区块在什么时候产生;

 

区块链共识算法用的最多的是PoW,字面意思是工作量证明,即证明你做了一定量的工作。

工作量证明官方定义是要求用户进行一些比较耗时的复杂运算,然后得出这个答案能够被其他人快速验证,用工作期间耗用的时间、设备、能源作为担保成本,来确保资源是被真正需求方所使用。

PoW最早是在反垃圾邮件中使用,在发送一个邮件之前,需要在本地进行平均几秒的PoW计算,目的是为了增加黑客群发一些垃圾邮件的成本,对于正常用户来说发送一封邮件是低频操作,每次等待几秒完全可以接受;但对于制造垃圾邮件的人,就大幅增加了成本。

PoW一般用哈希函数实现,哈希函数特点是结果确定,但不可逆,知道一个哈希值或哈希值特征,很难推算出输入,如何使用哈希函数实现PoW呢?假设现在有一条消息,哈希值是确定的,如果规定允许在这个消息后面加上一个随机数(我们称为nonce值),然后再计算哈希,那么这个哈希就可以随着nonce值的改变而改变,我们不断地尝试不同的nonce值,就可以得到不同的哈希值。

当得到哈希值符合某一个特征,比如前三位为0或者小于某个特定的数,那么就接受该nonce值作为一个符合要求的答案。这个过程中需要计算方尝试很多次才能得到符合条件的答案,条件越苛刻,需要计算的次数就越多,而这个答案在验算方这边只需要进行一步哈希计算,就可以知道这个nonce值是否是符合条件的答案。PoW通过使用哈希函数保证了难计算、易验证的特点。

PoW运用在比特币这边,区块头部有一个nonce值,每一个矿工需要不断调整区块的Nonce值,使得整个区块的哈希值小于某一个目标哈希(这个目标哈希值由难度值确定,难度值越高,目标哈希值越小),这样一个区块才是合法的区块,谁先算出这个合法的区块,广播到网络中,这个合法的区块就会被其他人接受。

 

POW的优点是工程上非常简单可靠,容易实现,容错率可以达到50%,控制全网算力没有达到50%,基本上不可能篡改历史记录,这在中本聪一篇论文里有严格的数据论证,是比较公平的机制,投入越多算力,获得记账权概率越大,越有可能产生新的区块。

缺点则是效率低,对于算力和能源浪费非常严重,有人统计过现在整个区块链网络电力消耗超过一个小型国家全国的电力消耗。

同时POW会有分叉,可能有若干个矿工,同时算出下一个区块,因为算哈希值是随机的,可能有人在相近时间内算出来了,因为网络有延迟,不同矿工接受不同的区块,然后就产生了分叉,分叉可能需要等待多个区块来确认,这个交易的确认时间也是不确定的。

目前阶段算力越来越集中,因为一个独立的矿工想要挖下一个区块的话,以你的算力可能在全网比例非常低,挖到下一个区块的概率非常低,以至于一辈子可能都挖不上一个区块。

这时候最好的选择就是加入某一个矿池,贡献你的算力,按照算力份额分成,比如整个矿池挖出下一个区块,把下一个区块奖励平均分给整个矿池里面算力的,这样加入矿池就可以获得比较稳定的奖励,也导致算力越来越集中在矿池手里。

共识层除了POW,还有其他算法,比如POS权益证明,就是占有的比例越多,获得下一个区块发布权的概率越大。POW简单理解就是按劳分配,多劳多得,POS就是按钱分配,持有越多,获得的收益也就越大。

早期的POS也是跟POW一样,结合POW,通过计算当前持有的权益所占比例来决定这个节点的难度,可能持有越多,需要计算的难度值越低,就越有可能算出下一个区块,这是早期的POS。

之后有人提出纯POS想法,完全由节点权益决定区块形成,这时候不需要计算POW进行挖矿,但是现在工业界没有一个公认安全可靠的纯POS项目,但在学术界有一些论文,也提出一些解决方案,对安全性有比较严格的数据论证,但他们的工程化难度非常高。

POS的优点是资源消耗少;共识效率高;权益平等。缺点是实现复杂,安全性有待验证,容易导致马太效应,富者越富,权益会越来越集中,跟POW有差不多的特点。

前面讲了加密层、数据层、网络层、共识层,基本上一笔交易的流程就可以确定下来了:

新交易创建之后,通过P2P网络广播到全网所有的矿工,矿工把这个交易验证通过之后,打包进一个区块中,接着开始计算PoW,当得到某个nonce值使得这个区块的哈希值符合条件之后,再通过P2P网络把这个区块广播给所有的矿工,其他矿工验证这个区块合法之后,就会将这个区块添加到自己的账本中,这样一个交易就在全网范围内完成了写入。

激励层

这样一个分布式账本系统,需要所有矿工消耗CPU、存储、带宽等资源诚实地记账,如果完全没有激励的话,这些矿工可能就没有动力去维护这个系统了。

比特币的激励机制是如果一个矿工计算出了一个新的区块,这个区块会产生一些新的比特币,连同区块里所有交易的手续费都可以归这个矿工所有,这些比特币是对一个诚实矿工的奖励。

如果一个矿工试图修改历史记录或者将不合法的交易打包到新的区块,那么这个矿工将白白浪费算力,而不能使其他矿工同步自己的账本,这部分浪费的算力可以理解为是对不诚实矿工的惩罚。

激励机制在公有链中是必需的。在联盟链中,所有节点都是已经经过组织认证的节点,不需要额外的激励,这些节点也会自发地维护整个系统的安全和稳定。

但在公有链中,节点不需要进行认证,可以随时加入、随时退出这个网络,记账需要消耗CPU、存储、带宽等资源,所以需要有一定的激励机制来确保矿工在记账的过程中能有收益,以此来保证整个区块链系统朝着良性循环的方向发展。

合约层

合约层是区块链可编程特性的基础,区块链可以理解为是去中心化不可篡改的账本,程序代码也是数据,也可以存到账本里。智能合约是存储在区块链中的一段不可篡改的程序,可以自动化的执行一些预先定义好的规则和条款,响应接收到的信息。合约发布之后,其运行和维护就交给全网的矿工去达成共识,合约的开发者定义了合约运行的规则,这个规则发布之后就是公开透明且不可篡改的。

应用层

运行在合约层之上,通过使用合约层的脚本和代码构建去中心化的应用。现在比较火的应用有众筹类的WeiFund,游戏类的加密猫,博彩类的Fomo3D等。

总结
 
加密层,区块链技术的基石,提供了整个区块链系统的安全性、匿名性保证。
数据层,采用偏序的数据结构,又采用了消息摘要的形式,使得历史数据难以篡改,数据的完整性得以保证。
网络层,规定了整个网络节点里的通信机制,可以实现没有中心服务器的数据共享。
共识层,通过POW、POS等共识算法来保证全网数据的一致性,是区块链技术里的关键。
激励层,是通过经济激励机制,使得整个区块链系统可以朝着良性循环方向发展。
合约层,提供区块链系统的可编程性。
应用层,可以开发分布式应用,来丰富整个区块链的生态。

区块链整个发展历程可以分为区块链1.0,即比特币,是可信的分布式账本,更多是在数字加密货币领域的应用;

区块链2.0,即以太坊为代表,在可信的分布式账本基础上,加上了图灵完备的智能合约,基本所有程序逻辑都可以用智能合约的形式写出来,区块链2.0扩大了区块链应用场景;

区块链3.0,目前还没有公认的区块链3.0项目,未来可能在可扩展性或者区块链应用上有更大的突破。

区块链的技术特点是它没有特定主体,它是由P2P网络连接起来的一个去中心化的全球系统,这确实会给监管带来很多挑战。目前的区块链行业乱象丛生,需要有监管介入,方能促使区块链行业健康发展,但同时也应避免过严的监管阻碍区块链行业的发展。


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