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區(qū)塊鏈共識(shí)算法導(dǎo)論 版權(quán)信息
- ISBN：9787030714466
- 條形碼：9787030714466 ; 978-7-03-071446-6
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數(shù)：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
區(qū)塊鏈共識(shí)算法導(dǎo)論 內(nèi)容簡介
本書主要內(nèi)容由七個(gè)章節(jié)組成，**章為區(qū)塊鏈基本內(nèi)容介紹區(qū)塊鏈的基本概念以及原理。第二章為共識(shí)算法基礎(chǔ)介紹區(qū)塊鏈技術(shù)作用的分布式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，共識(shí)問題的起源以及共識(shí)算法的分類。第三章為分布式一致性共識(shí)算法及應(yīng)用介紹在分布式系統(tǒng)中共識(shí)算法的類型及運(yùn)用。第四章為典型區(qū)塊鏈共識(shí)算法及應(yīng)用介紹PoW、PoS、DPoS、PBFT和Ripple幾種共識(shí)算法的基本概念、算法流程、安全性和典型運(yùn)用。第五章為業(yè)務(wù)共識(shí)算法及典型應(yīng)用介紹業(yè)務(wù)共識(shí)算法的基本概念和相關(guān)應(yīng)用場景。第六章為針對共識(shí)算法的攻擊介紹各典型區(qū)塊鏈共識(shí)算法存在的問題和漏洞，針對不同共識(shí)機(jī)制的攻擊方法。第七章為共識(shí)算法的改進(jìn)和發(fā)展方向介紹根據(jù)存在的漏洞而對共識(shí)算法的改進(jìn)以及區(qū)塊鏈共識(shí)算法的發(fā)展方向和路線。
區(qū)塊鏈共識(shí)算法導(dǎo)論 目錄
目錄
**章 區(qū)塊鏈基本內(nèi)容 1
1.1 區(qū)塊鏈的基本概念及原理 1
1.1.1 區(qū)塊鏈的起源與發(fā)展 1
1.1.2 區(qū)塊鏈的基本概念及工作原理 4
1.2 區(qū)塊鏈的相關(guān)理論 8
1.2.1 密碼學(xué) 8
1.2.2 共識(shí)機(jī)制 9
1.2.3 智能合約 9
1.3 典型的區(qū)塊鏈平臺(tái) 10
1.3.1 比特幣 10
1.3.2 以太坊 11
1.3.3 超級(jí)賬本 11
1.4 區(qū)塊鏈應(yīng)用 13
1.4.1 電子存證 13
1.4.2 產(chǎn)品溯源 14
1.4.3 金融服務(wù) 15
1.4.4 政務(wù)民生 16
1.5 本章小結(jié) 17
參考文獻(xiàn) 18
第二章 共識(shí)算法基礎(chǔ) 19
2.1 共識(shí)算法介紹 19
2.1.1 共識(shí)算法的起源和發(fā)展 19
2.1.2 共識(shí)算法的基本概念及工作原理 19
2.1.3 共識(shí)算法分類 20
2.2 共識(shí)算法基本定理 20
2.2.1 FLP不可能定理 20
2.2.2 CAP定理 20
2.3 共識(shí)算法評(píng)價(jià) 21
2.3.1 共識(shí)算法的分布式一致性 21
2.3.2 共識(shí)算法的安全性 22
2.3.3 共識(shí)算法的擴(kuò)展性 22
2.3.4 共識(shí)算法的容錯(cuò)性 22
2.4 區(qū)塊鏈共識(shí)算法 22
2.4.1 區(qū)塊鏈共識(shí)算法基礎(chǔ) 22
2.4.2 主流共識(shí)算法 22
2.4.3 共識(shí)算法分類 24
2.5 本章小結(jié) 25
參考文獻(xiàn) 25
第三章 分布式一致性算法 26
3.1 Paxos算法 26
3.1.1 Paxos故事背景 26
3.1.2 Paxos算法介紹 28
3.1.3 Paxos一致性三大法則 31
3.2 Raft算法 34
3.2.1 Raft背景介紹 34
3.2.2 復(fù)制狀態(tài)機(jī) 35
3.2.3 Raft算法過程 38
3.2.4 Raft算法完善 43
3.3 PBFT算法 46
3.3.1 實(shí)用拜占庭容錯(cuò)系統(tǒng)模型 47
3.3.2 客戶端流程 47
3.3.3 PBFT算法流程 48
3.3.4 日志回收 51
3.3.5 視圖變更 51
3.4 其他共識(shí)算法介紹 53
3.5 本章小結(jié) 55
參考文獻(xiàn) 56
第四章 典型區(qū)塊鏈共識(shí)算法及應(yīng)用 57
4.1 區(qū)塊鏈共識(shí)算法基礎(chǔ) 57
4.1.1 共識(shí)問題 57
4.1.2 區(qū)塊鏈系統(tǒng)模型 58
4.1.3 區(qū)塊鏈共識(shí)算法發(fā)展 60
4.2 典型區(qū)塊鏈共識(shí)算法 61
4.2.1 PoW算法 61
4.2.2 PoS算法 64
4.2.3 DPoS算法 66
4.2.4 PBFT算法 70
4.2.5 Ripple算法 73
4.3 典型區(qū)塊鏈算法評(píng)估 75
4.4 其他區(qū)塊鏈共識(shí)算法 76
4.5 本章小結(jié) 79
參考文獻(xiàn) 79
第五章 業(yè)務(wù)共識(shí)算法及典型應(yīng)用 81
5.1 業(yè)務(wù)共識(shí)算法基礎(chǔ) 81
5.1.1 業(yè)務(wù)共識(shí)發(fā)展 81
5.1.2 業(yè)務(wù)共識(shí)場景 84
5.1.3 業(yè)務(wù)共識(shí)問題 85
5.2 業(yè)務(wù)共識(shí)算法 85
5.3 業(yè)務(wù)共識(shí)算法典型應(yīng)用 87
5.4 本章小結(jié) 94
參考文獻(xiàn) 95
第六章 針對共識(shí)算法的攻擊 96
6.1 針對工作量證明機(jī)制的攻擊 96
6.1.1 雙重支付攻擊 96
6.1.2 種族攻擊 97
6.1.3 芬尼攻擊 98
6.1.4 Vector76攻擊 99
6.1.5 替代歷史攻擊 100
6.1.6 51%攻擊 101
6.2 工作量證明機(jī)制攻擊防范 103
6.2.1 雙花攻擊 103
6.2.2 自私挖礦 104
6.2.3 日蝕攻擊 108
6.3 針對權(quán)益證明機(jī)制的攻擊和防范 111
6.3.1 長程攻擊 112
6.3.2 長程攻擊防范措施 114
6.3.3 無利害關(guān)系攻擊 115
6.3.4 無利害關(guān)系攻擊防范應(yīng)對措施 115
6.3.5 賄賂攻擊 115
6.4 本章小結(jié) 116
參考文獻(xiàn) 117
第七章 共識(shí)算法的改進(jìn)和發(fā)展方向 118
7.1 共識(shí)算法改進(jìn)方向 118
7.1.1 提高吞吐量 118
7.1.2 增強(qiáng)擴(kuò)展性 119
7.1.3 減少消耗 120
7.1.4 定做場景 121
7.2 共識(shí)算法發(fā)展方向 121
7.2.1 安全層面 121
7.2.2 擴(kuò)容層面 122
7.2.3 啟動(dòng)層面 123
7.2.4 激勵(lì)層面 125
7.3 本章小結(jié) 125
參考文獻(xiàn) 126
**章 區(qū)塊鏈基本內(nèi)容 1
1.1 區(qū)塊鏈的基本概念及原理 1
1.1.1 區(qū)塊鏈的起源與發(fā)展 1
1.1.2 區(qū)塊鏈的基本概念及工作原理 4
1.2 區(qū)塊鏈的相關(guān)理論 8
1.2.1 密碼學(xué) 8
1.2.2 共識(shí)機(jī)制 9
1.2.3 智能合約 9
1.3 典型的區(qū)塊鏈平臺(tái) 10
1.3.1 比特幣 10
1.3.2 以太坊 11
1.3.3 超級(jí)賬本 11
1.4 區(qū)塊鏈應(yīng)用 13
1.4.1 電子存證 13
1.4.2 產(chǎn)品溯源 14
1.4.3 金融服務(wù) 15
1.4.4 政務(wù)民生 16
1.5 本章小結(jié) 17
參考文獻(xiàn) 18
第二章 共識(shí)算法基礎(chǔ) 19
2.1 共識(shí)算法介紹 19
2.1.1 共識(shí)算法的起源和發(fā)展 19
2.1.2 共識(shí)算法的基本概念及工作原理 19
2.1.3 共識(shí)算法分類 20
2.2 共識(shí)算法基本定理 20
2.2.1 FLP不可能定理 20
2.2.2 CAP定理 20
2.3 共識(shí)算法評(píng)價(jià) 21
2.3.1 共識(shí)算法的分布式一致性 21
2.3.2 共識(shí)算法的安全性 22
2.3.3 共識(shí)算法的擴(kuò)展性 22
2.3.4 共識(shí)算法的容錯(cuò)性 22
2.4 區(qū)塊鏈共識(shí)算法 22
2.4.1 區(qū)塊鏈共識(shí)算法基礎(chǔ) 22
2.4.2 主流共識(shí)算法 22
2.4.3 共識(shí)算法分類 24
2.5 本章小結(jié) 25
參考文獻(xiàn) 25
第三章 分布式一致性算法 26
3.1 Paxos算法 26
3.1.1 Paxos故事背景 26
3.1.2 Paxos算法介紹 28
3.1.3 Paxos一致性三大法則 31
3.2 Raft算法 34
3.2.1 Raft背景介紹 34
3.2.2 復(fù)制狀態(tài)機(jī) 35
3.2.3 Raft算法過程 38
3.2.4 Raft算法完善 43
3.3 PBFT算法 46
3.3.1 實(shí)用拜占庭容錯(cuò)系統(tǒng)模型 47
3.3.2 客戶端流程 47
3.3.3 PBFT算法流程 48
3.3.4 日志回收 51
3.3.5 視圖變更 51
3.4 其他共識(shí)算法介紹 53
3.5 本章小結(jié) 55
參考文獻(xiàn) 56
第四章 典型區(qū)塊鏈共識(shí)算法及應(yīng)用 57
4.1 區(qū)塊鏈共識(shí)算法基礎(chǔ) 57
4.1.1 共識(shí)問題 57
4.1.2 區(qū)塊鏈系統(tǒng)模型 58
4.1.3 區(qū)塊鏈共識(shí)算法發(fā)展 60
4.2 典型區(qū)塊鏈共識(shí)算法 61
4.2.1 PoW算法 61
4.2.2 PoS算法 64
4.2.3 DPoS算法 66
4.2.4 PBFT算法 70
4.2.5 Ripple算法 73
4.3 典型區(qū)塊鏈算法評(píng)估 75
4.4 其他區(qū)塊鏈共識(shí)算法 76
4.5 本章小結(jié) 79
參考文獻(xiàn) 79
第五章 業(yè)務(wù)共識(shí)算法及典型應(yīng)用 81
5.1 業(yè)務(wù)共識(shí)算法基礎(chǔ) 81
5.1.1 業(yè)務(wù)共識(shí)發(fā)展 81
5.1.2 業(yè)務(wù)共識(shí)場景 84
5.1.3 業(yè)務(wù)共識(shí)問題 85
5.2 業(yè)務(wù)共識(shí)算法 85
5.3 業(yè)務(wù)共識(shí)算法典型應(yīng)用 87
5.4 本章小結(jié) 94
參考文獻(xiàn) 95
第六章 針對共識(shí)算法的攻擊 96
6.1 針對工作量證明機(jī)制的攻擊 96
6.1.1 雙重支付攻擊 96
6.1.2 種族攻擊 97
6.1.3 芬尼攻擊 98
6.1.4 Vector76攻擊 99
6.1.5 替代歷史攻擊 100
6.1.6 51%攻擊 101
6.2 工作量證明機(jī)制攻擊防范 103
6.2.1 雙花攻擊 103
6.2.2 自私挖礦 104
6.2.3 日蝕攻擊 108
6.3 針對權(quán)益證明機(jī)制的攻擊和防范 111
6.3.1 長程攻擊 112
6.3.2 長程攻擊防范措施 114
6.3.3 無利害關(guān)系攻擊 115
6.3.4 無利害關(guān)系攻擊防范應(yīng)對措施 115
6.3.5 賄賂攻擊 115
6.4 本章小結(jié) 116
參考文獻(xiàn) 117
第七章 共識(shí)算法的改進(jìn)和發(fā)展方向 118
7.1 共識(shí)算法改進(jìn)方向 118
7.1.1 提高吞吐量 118
7.1.2 增強(qiáng)擴(kuò)展性 119
7.1.3 減少消耗 120
7.1.4 定做場景 121
7.2 共識(shí)算法發(fā)展方向 121
7.2.1 安全層面 121
7.2.2 擴(kuò)容層面 122
7.2.3 啟動(dòng)層面 123
7.2.4 激勵(lì)層面 125
7.3 本章小結(jié) 125
參考文獻(xiàn) 126
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區(qū)塊鏈共識(shí)算法導(dǎo)論 節(jié)選
**章 區(qū)塊鏈基本內(nèi)容 1.1 區(qū)塊鏈的基本概念及原理 1.1.1 區(qū)塊鏈的起源與發(fā)展 20世紀(jì)90年代，誕生了**個(gè)使用密碼保護(hù)的數(shù)據(jù)區(qū)塊應(yīng)用，它被用來實(shí)現(xiàn)一個(gè)不能篡改文檔時(shí)間戳的系統(tǒng)，隨后，發(fā)明者將其與默克爾樹相結(jié)合，通過將多個(gè)文檔證書形成一個(gè)區(qū)塊來提高數(shù)據(jù)記錄的效率。 直到2008年，區(qū)塊鏈技術(shù)才**次出現(xiàn)在比特幣系統(tǒng)中。2008年10月31日，一個(gè)自稱中本聰?shù)娜嗽诰W(wǎng)站的密碼學(xué)郵件列表中發(fā)表了題為《比特幣：一種點(diǎn)對點(diǎn)的電子現(xiàn)金系統(tǒng)》（Bitcoin：A Peer-to-Peer Electronic Cash System）的論文，文中提出，希望可以創(chuàng)建一套“基于密碼學(xué)原理而非基于信用”的電子交易系統(tǒng)，即任何人可以在不知道對方背景信息的情況下進(jìn)行交易，且不需要第三方介入。 2008年11月9日，中本聰在SourceForge網(wǎng)站上注冊了比特幣（bitcoin）項(xiàng)目，并于英國時(shí)間2009年1月3日在芬蘭赫爾辛基的一個(gè)小型服務(wù)器上挖出了序號(hào)為0的比特幣區(qū)塊——?jiǎng)?chuàng)世區(qū)塊（上帝區(qū)塊），如圖1.1所示，同時(shí)獲得了50個(gè)比特幣的挖礦獎(jiǎng)勵(lì)。 在**個(gè)區(qū)塊中沒有交易記錄，只有《泰晤士報(bào)》2009年1月3日的頭版文章標(biāo)題，即“Chancellor on brink of second bailout for banks”，意思是財(cái)政大臣將對銀行進(jìn)行第二次救助，如圖1.2所示。 緊接著在2009年1月9日，序號(hào)為1的比特幣區(qū)塊被挖出，與序號(hào)為0的創(chuàng)世區(qū)塊相連后形成了鏈，這標(biāo)志著區(qū)塊鏈的誕生。 要進(jìn)一步了解區(qū)塊鏈的起源，需要回到20世紀(jì)90年代末，從一個(gè)名為“B-money”的虛擬貨幣提案說起。 1.B-money 畢業(yè)于美國華盛頓大學(xué)的戴偉（Wei Dai）于1998年提出了匿名的分布式電子加密貨幣系統(tǒng)B-money。在這個(gè)系統(tǒng)中，參與者通過解決復(fù)雜的計(jì)算難題來產(chǎn)生資金，并通過匿名的方式使用分布式數(shù)據(jù)庫來交換數(shù)字貨幣。典型的電子現(xiàn)金系統(tǒng)會(huì)使用一個(gè)中心賬簿來追蹤賬戶余額。不管是中央銀行、商業(yè)銀行、Visa或者任何其他的支付服務(wù)提供商，都需要一個(gè)由中心控制的數(shù)據(jù)庫來追蹤資金所有者。在B-money提案中，賬簿不再由一個(gè)中心機(jī)構(gòu)管理，而是由所有匿名參與者共同管理。賬簿包含公鑰，上面附著相應(yīng)的金額，每個(gè)參與者都擁有一份賬簿的副本，當(dāng)一筆新交易產(chǎn)生時(shí)，參與者都將更新他們的副本。這種去中心化的手段使任何人都不能阻止交易，同時(shí)也保證了所有用戶的隱私安全。B-money雖然在一定程度上實(shí)現(xiàn)了去中心化的加密貨幣系統(tǒng)（其核心思想與比特幣非常相似），但在實(shí)踐中還是存在很大的困難，包括貨幣初始化（要求所有參與者共同參與計(jì)算量成本的制定并就此達(dá)成一致）以及共識(shí)模型（不具備魯棒性）等困難未被解決。盡管如此，中本聰還是在比特幣的論文中引用了戴偉的工作，并且在比特幣官網(wǎng)上將B-money視作比特幣的思想來源，這足以證明B-money和其創(chuàng)始人戴偉的偉大。 2.HashCash 在區(qū)塊鏈中，由誰獲得打包區(qū)塊的權(quán)利并將系統(tǒng)中進(jìn)行的交易信息打包成塊添加到鏈上是一個(gè)重要問題。在比特幣的設(shè)計(jì)中，區(qū)塊頭部分包含一個(gè)難度值，所有節(jié)點(diǎn)都可以隨機(jī)選取一個(gè)值，并采取某種算法將值和交易信息等進(jìn)行計(jì)算使結(jié)果符合難度，比特幣設(shè)計(jì)中采用的算法引用了HashCash。 英國埃克斯特大學(xué)的Adam Back于1997年提出了哈希現(xiàn)金（HashCash）技術(shù)，用于過濾垃圾郵件、抵抗針對郵件的DDoS（distributed denial of service，分布式拒絕服務(wù)）攻擊。HashCash使用的是一種叫Hash的散列過程，用到的算法叫SHA（secure Hash algorithm，安全哈希算法）。輸入任意長度的字符串經(jīng)過SHA得到的輸出是固定長度的，由結(jié)果猜測出原始輸入幾乎不可能。正是由于這個(gè)特點(diǎn)，HashCash被應(yīng)用在區(qū)塊鏈的創(chuàng)建過程時(shí)，會(huì)創(chuàng)建有效塊并將它們添加到鏈中，雖然獲得創(chuàng)建有效塊的權(quán)利很難（要不斷采用Hash算法計(jì)算出符合條件的難度值），但驗(yàn)證它們是否正確卻很簡單（只要將打包者采取的隨機(jī)數(shù)進(jìn)行Hash計(jì)算，觀察所得的結(jié)果是否滿足難度值要求）。這就是PoW（proof of work，工作量證明）機(jī)制，PoW*終也成為比特幣的基石。HashCash也是中本聰論文中為數(shù)不多的引用之一。 3.拜占庭將軍問題 區(qū)塊鏈技術(shù)需要解決的問題之一就是如何達(dá)成共識(shí)，共識(shí)問題在比特幣中也有出現(xiàn)，那么共識(shí)是什么？共識(shí)的起源又從哪里說起？這就需要提到拜占庭將軍問題。 拜占庭將軍問題（Byzantine failures）也被稱為拜占庭容錯(cuò)問題，是由Leslie Lamport（2013年圖靈獎(jiǎng)得主）提出的一個(gè)在點(diǎn)對點(diǎn)通信中用來描述分布式系統(tǒng)一致性問題的著名例子，見圖1.3。 這個(gè)例子講的是拜占庭帝國派出10支軍隊(duì)去包圍敵國，10支軍隊(duì)單獨(dú)進(jìn)攻都毫無勝算，至少需要6支軍隊(duì)（一半以上）同時(shí)進(jìn)攻才能攻下敵國。這10支軍隊(duì)在分開包圍的情況下，依靠通信兵騎馬相互通信來協(xié)商進(jìn)攻意向和進(jìn)攻時(shí)間。 在拜占庭將軍問題中并不考慮通信兵是否會(huì)被截獲或無法傳達(dá)信息等問題，即消息傳遞的信道是絕無問題的（Lamport已經(jīng)證明了在消息可能丟失的不可靠信道上試圖通過消息傳遞的方式達(dá)到一致性是不可能的，所以在研究拜占庭將軍問題時(shí)已經(jīng)假設(shè)了信道是沒有問題的）。然而困擾這些將軍的是，他們?nèi)绾尾拍艽_定在通信中是否有叛徒擅自變更進(jìn)攻意向或進(jìn)攻時(shí)間？如何才能保證有多于（或等于）6支軍隊(duì)在同一時(shí)間一起發(fā)動(dòng)進(jìn)攻贏得戰(zhàn)斗？ 首先假設(shè)沒有叛徒，A將軍提出一個(gè)進(jìn)攻提議（如明日13:00進(jìn)攻），由通信兵分別告訴其他將軍，如果他收到了其余6位以上將軍的同意，則發(fā)起進(jìn)攻。但是，若其他將軍也在此時(shí)發(fā)出不同的進(jìn)攻提議（如明日14:00進(jìn)攻），由于時(shí)間上的差異，不同的將軍收到（并認(rèn)可）的進(jìn)攻提議可能是不一樣的，這時(shí)可能就會(huì)出現(xiàn)A將軍提議有3位支持者，B將軍提議有4位支持者，C將軍提議有2位支持者等情況。 我們繼續(xù)增加分析的復(fù)雜性，在隊(duì)伍中加入叛徒，有可能出現(xiàn)如圖1.4所示的問題。那么在有叛徒的情況下，一個(gè)叛徒會(huì)向不同的將軍發(fā)出不同的進(jìn)攻提議（如通知A明日13:00進(jìn)攻，通知B明日14:00進(jìn)攻等），一個(gè)叛徒也可能同意多個(gè)進(jìn)攻提議（如既同意13:00進(jìn)攻，又同意14:00進(jìn)攻等）。叛徒發(fā)送前后不一致的進(jìn)攻提議，被稱為拜占庭錯(cuò)誤，能夠處理拜占庭錯(cuò)誤的容錯(cuò)性稱為拜占庭容錯(cuò)（Byzantine fault tolerance，BFT）。 在比特幣中，中本聰創(chuàng)造性地引入了PoW機(jī)制來解決一致性問題。在該機(jī)制中，增加了節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息的成本，降低了節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息的速率，保證了在一個(gè)時(shí)間點(diǎn)只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)（或少量節(jié)點(diǎn)）在進(jìn)行廣播，同時(shí)在廣播時(shí)會(huì)附上自己的簽名。 回到拜占庭將軍問題，工作量證明過程就是A將軍在向其他將軍發(fā)起一個(gè)進(jìn)攻提議時(shí)，其他將軍看到A將軍簽過名的進(jìn)攻提議書，如果是誠實(shí)的將軍，就會(huì)立刻同意進(jìn)攻提議，而不再發(fā)起新的進(jìn)攻提議。這就是比特幣網(wǎng)絡(luò)中某個(gè)區(qū)塊達(dá)成共識(shí)的方法。 以上3種技術(shù)，是區(qū)塊鏈起源的基石，也為區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。 1.1.2 區(qū)塊鏈的基本概念及工作原理 區(qū)塊鏈技術(shù)模型包括9大部分，其中包含7個(gè)基礎(chǔ)技術(shù)層以及2個(gè)貫穿7個(gè)基礎(chǔ)技術(shù)層的共用技術(shù)，7個(gè)基礎(chǔ)技術(shù)層分別為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層、網(wǎng)絡(luò)通信層、數(shù)據(jù)安全與隱私保護(hù)層、共識(shí)層、智能合約引擎層、應(yīng)用組件層和區(qū)塊鏈應(yīng)用層，區(qū)塊鏈與現(xiàn)代技術(shù)融合以及區(qū)塊鏈技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為共用技術(shù)，見圖1.5。 1.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層是區(qū)塊鏈*底層的技術(shù)，是一切的基礎(chǔ)。區(qū)塊鏈可以抽象地理解成一個(gè)分布式賬本，各個(gè)賬本之間通過哈希值進(jìn)行連接，構(gòu)成一連串的賬本鏈（即區(qū)塊鏈）。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都保存有賬本中的數(shù)據(jù)副本，其存儲(chǔ)形式需要借助于分布式文件系統(tǒng)或者分布式數(shù)據(jù)庫來完成。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層主要實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)功能，見圖1.6。 2.網(wǎng)絡(luò)通信層 網(wǎng)絡(luò)通信層主要包括P2P（peer to peer）網(wǎng)絡(luò)和共識(shí)算法兩個(gè)組成部分。P2P網(wǎng)絡(luò)也稱為點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)或?qū)Φ染W(wǎng)絡(luò)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1.7所示。區(qū)塊鏈的區(qū)塊數(shù)據(jù)和交易數(shù)據(jù)需要通過P2P網(wǎng)絡(luò)在不同的節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行同步、驗(yàn)證。這就需要網(wǎng)絡(luò)通信層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步、校驗(yàn)等消息傳播機(jī)制和驗(yàn)證機(jī)制等。 3.數(shù)據(jù)安全與隱私保護(hù)層 數(shù)據(jù)安全與隱私保護(hù)層主要負(fù)責(zé)區(qū)塊鏈安全。其中的技術(shù)包括密碼學(xué)加密技術(shù)、哈希算法、數(shù)字簽名技術(shù)、身份認(rèn)證技術(shù)、授權(quán)鑒定技術(shù)、零知識(shí)證明等隱私保護(hù)技術(shù)、防范網(wǎng)絡(luò)攻擊技術(shù)、審計(jì)追溯技術(shù)以及抗量子安全算法等安全保障技術(shù)。與傳統(tǒng)的中心化PKI（public key infrastructure，公鑰基礎(chǔ)設(shè)施）安全體系不一樣，區(qū)塊鏈上的安全技術(shù)強(qiáng)調(diào)采用“去中心化”的區(qū)塊鏈安全技術(shù)體系和隱私保護(hù)體系。 4.共識(shí)層 基于區(qū)塊鏈的各種應(yīng)用，其實(shí)質(zhì)是DApp，即去中心化應(yīng)用（decentralized application）。去中心化應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)運(yùn)行，其結(jié)果需要通過共識(shí)機(jī)制來實(shí)現(xiàn)共識(shí)，使得DApp應(yīng)用狀態(tài)在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中得到確認(rèn)。比特幣區(qū)塊鏈和以太坊的共識(shí)層是使用工作量證明（PoW）共識(shí)機(jī)制，隨著應(yīng)用的不斷豐富，通過工作量證明來達(dá)成共識(shí)已經(jīng)不能滿足應(yīng)用的需求，特別是高并發(fā)需求的應(yīng)用場景。因此，在不同的應(yīng)用場景中需要構(gòu)造能滿足應(yīng)用需求的共識(shí)機(jī)制，比如后來發(fā)展的權(quán)益證明（proot of stake，PoS）、委托權(quán)益證明（delegated proof of stake，DPoS）等，還有一些傳統(tǒng)的強(qiáng)一致共識(shí)算法，像Paxos家族共識(shí)算法和拜占庭容錯(cuò)算法等，可以用來確保滿足有強(qiáng)一致需求的應(yīng)用場景。 5.智能合約引擎層 為了讓各種基于區(qū)塊鏈的交易能夠通過機(jī)器自動(dòng)化完成各種交易和交易驗(yàn)證，需要用到智能合約技術(shù)。智能合約本質(zhì)上是一段程序，繼承了區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)透明、不可篡改和永久運(yùn)行的三個(gè)特性，見圖1.8。 數(shù)據(jù)透明指的是智能合約的數(shù)據(jù)處理是公開透明的，運(yùn)行的時(shí)候任何參與方都可以查看合約代碼和數(shù)據(jù)。不可篡改指的是部署在區(qū)塊鏈上的智能合約代碼以及運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)輸出是不可篡改的，不用擔(dān)心其他惡意節(jié)點(diǎn)修改代碼和數(shù)據(jù)。支撐區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)往往比較多，部分節(jié)點(diǎn)的失效并不會(huì)導(dǎo)致智能合約的停止，理論上接近于永久運(yùn)行。
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