区块链导论区块链系统框架及技术课件.ppt

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1、区块链系统框架及技术,Contents,2.1,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

2、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,PoW,PoS,DPoS,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,3,2.1,数据层,区块链导论,数据区块,?,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：,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：,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,

3、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，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

4、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：,时间戳表示数据在特定时间已经存在的可验证的数据。,?,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：,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

5、，而非原始数据。,?,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,8,Merkle,树,?,定义：,Merkle,树是数据结构中的一种树，可以是二叉树，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：,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

6、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：,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，其中公钥对所有人公开，私钥自己保存。,?,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,10,

7、2.2,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

8、,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：,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：,存储部分数据信息，在需要别的数据时可以通过,简易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：,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

9、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：,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。,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,

10、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,15,2.3,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使节点间对区,块数据有效性保持一致。,区块链导论,16,PoW,共识,?,POW,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

11、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,17,PoW,共识,?,POW,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。,PoW,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

12、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,17,PoS,共识,?,POS,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,?,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

13、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,18,DPoS,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

14、，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,激励层,区块链导论,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，让整个系统朝着,良性循环的方向发展。在私有链或联盟链中

15、，不一定需要进行激,励。,区块链导论,20,2.5,合约层,区块链导论,应用模式,?,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：,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：,是一种旨在以信息化方式传播、验证或执行合同的,计算机协议。以太坊

16、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,Virtual,Machine,，,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,22,2.6,应用层,区块链导论,应用模式,?,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！,区块链导论,