Ⅰ 區塊鏈技術的六大核心演算法
區塊鏈技術的六大核心演算法
區塊鏈核心演算法一：拜占庭協定
拜占庭的故事大概是這么說的：拜占庭帝國擁有巨大的財富，周圍10個鄰邦垂誕已久，但拜占庭高牆聳立，固若金湯，沒有一個單獨的鄰邦能夠成功入侵。任何單個鄰邦入侵的都會失敗，同時也有可能自身被其他9個鄰邦入侵。拜占庭帝國防禦能力如此之強，至少要有十個鄰邦中的一半以上同時進攻，才有可能攻破。然而，如果其中的一個或者幾個鄰邦本身答應好一起進攻，但實際過程出現背叛，那麼入侵者可能都會被殲滅。於是每一方都小心行事，不敢輕易相信鄰國。這就是拜占庭將軍問題。
在這個分布式網路里：每個將軍都有一份實時與其他將軍同步的消息賬本。賬本里有每個將軍的簽名都是可以驗證身份的。如果有哪些消息不一致，可以知道消息不一致的是哪些將軍。盡管有消息不一致的，只要超過半數同意進攻，少數服從多數，共識達成。
由此，在一個分布式的系統中，盡管有壞人，壞人可以做任意事情(不受protocol限制)，比如不響應、發送錯誤信息、對不同節點發送不同決定、不同錯誤節點聯合起來干壞事等等。但是，只要大多數人是好人，就完全有可能去中心化地實現共識
區塊鏈核心演算法二：非對稱加密技術
在上述拜占庭協定中，如果10個將軍中的幾個同時發起消息，勢必會造成系統的混亂，造成各說各的攻擊時間方案，行動難以一致。誰都可以發起進攻的信息，但由誰來發出呢?其實這只要加入一個成本就可以了，即：一段時間內只有一個節點可以傳播信息。當某個節點發出統一進攻的消息後，各個節點收到發起者的消息必須簽名蓋章，確認各自的身份。
在如今看來，非對稱加密技術完全可以解決這個簽名問題。非對稱加密演算法的加密和解密使用不同的兩個密鑰.這兩個密鑰就是我們經常聽到的」公鑰」和」私鑰」。公鑰和私鑰一般成對出現, 如果消息使用公鑰加密,那麼需要該公鑰對應的私鑰才能解密; 同樣，如果消息使用私鑰加密,那麼需要該私鑰對應的公鑰才能解密。
區塊鏈核心演算法三：容錯問題
我們假設在此網路中，消息可能會丟失、損壞、延遲、重復發送，並且接受的順序與發送的順序不一致。此外，節點的行為可以是任意的：可以隨時加入、退出網路，可以丟棄消息、偽造消息、停止工作等，還可能發生各種人為或非人為的故障。我們的演算法對由共識節點組成的共識系統，提供的容錯能力，這種容錯能力同時包含安全性和可用性，並適用於任何網路環境。
區塊鏈核心演算法四：Paxos 演算法(一致性演算法)
Paxos演算法解決的問題是一個分布式系統如何就某個值(決議)達成一致。一個典型的場景是，在一個分布式資料庫系統中，如果各節點的初始狀態一致，每個節點都執行相同的操作序列，那麼他們最後能得到一個一致的狀態。為保證每個節點執行相同的命令序列，需要在每一條指令上執行一個「一致性演算法」以保證每個節點看到的指令一致。一個通用的一致性演算法可以應用在許多場景中，是分布式計算中的重要問題。節點通信存在兩種模型：共享內存和消息傳遞。Paxos演算法就是一種基於消息傳遞模型的一致性演算法。
區塊鏈核心演算法五：共識機制
區塊鏈共識演算法主要是工作量證明和權益證明。拿比特幣來說，其實從技術角度來看可以把PoW看做重復使用的Hashcash，生成工作量證明在概率上來說是一個隨機的過程。開采新的機密貨幣，生成區塊時，必須得到所有參與者的同意，那礦工必須得到區塊中所有數據的PoW工作證明。與此同時礦工還要時時觀察調整這項工作的難度，因為對網路要求是平均每10分鍾生成一個區塊。
區塊鏈核心演算法六：分布式存儲
分布式存儲是一種數據存儲技術，通過網路使用每台機器上的磁碟空間，並將這些分散的存儲資源構成一個虛擬的存儲設備，數據分散的存儲在網路中的各個角落。所以，分布式存儲技術並不是每台電腦都存放完整的數據，而是把數據切割後存放在不同的電腦里。就像存放100個雞蛋，不是放在同一個籃子里，而是分開放在不同的地方，加起來的總和是100個。
Ⅱ 區塊鏈的共識機制
一、區塊鏈共識機制的目標
區塊鏈是什麼？簡單而言，區塊鏈是一種去中心化的資料庫，或可以叫作分布式賬本(distributed ledger)。傳統上所有的資料庫都是中心化的，例如一間銀行的賬本就儲存在銀行的中心伺服器里。中心化資料庫的弊端是數據的安全及正確性全系於資料庫運營方（即銀行），因為任何能夠訪問中心化資料庫的人（如銀行職員或黑客）都可以破壞或修改其中的數據。
而區塊鏈技術則容許資料庫存放在全球成千上萬的電腦上，每個人的賬本通過點對點網路進行同步，網路中任何用戶一旦增加一筆交易，交易信息將通過網路通知其他用戶驗證，記錄到各自的賬本中。區塊鏈之所以得其名是因為它是由一個個包含交易信息的區塊（block）從後向前有序鏈接起來的數據結構。
很多人對區塊鏈的疑問是，如果每一個用戶都擁有一個獨立的賬本，那麼是否意味著可以在自己的賬本上添加任意的交易信息，而成千上萬個賬本又如何保證記賬的一致性？ 解決記賬一致性問題正是區塊鏈共識機制的目標 。區塊鏈共識機制旨在保證分布式系統里所有節點中的數據完全相同並且能夠對某個提案（proposal）（例如是一項交易紀錄）達成一致。然而分布式系統由於引入了多個節點，所以系統中會出現各種非常復雜的情況；隨著節點數量的增加，節點失效或故障、節點之間的網路通信受到干擾甚至阻斷等就變成了常見的問題，解決分布式系統中的各種邊界條件和意外情況也增加了解決分布式一致性問題的難度。
區塊鏈又可分為三種：
公有鏈：全世界任何人都可以隨時進入系統中讀取數據、發送可確認交易、競爭記賬的區塊鏈。公有鏈通常被認為是「完全去中心化「的，因為沒有任何人或機構可以控制或篡改其中數據的讀寫。公有鏈一般會通過代幣機制鼓勵參與者競爭記賬，來確保數據的安全性。
聯盟鏈：聯盟鏈是指有若干個機構共同參與管理的區塊鏈。每個機構都運行著一個或多個節點，其中的數據只允許系統內不同的機構進行讀寫和發送交易，並且共同來記錄交易數據。這類區塊鏈被認為是「部分去中心化」。
私有鏈：指其寫入許可權是由某個組織和機構控制的區塊鏈。參與節點的資格會被嚴格的限制，由於參與的節點是有限和可控的，因此私有鏈往往可以有極快的交易速度、更好的隱私保護、更低的交易成本、不容易被惡意攻擊、並且能夠做到身份認證等金融行業必須的要求。相比中心化資料庫，私有鏈能夠防止機構內單節點故意隱瞞或篡改數據。即使發生錯誤，也能夠迅速發現來源，因此許多大型金融機構在目前更加傾向於使用私有鏈技術。
二、區塊鏈共識機制的分類
解決分布式一致性問題的難度催生了數種共識機制，它們各有其優缺點，亦適用於不同的環境及問題。被眾人常識的共識機制有：
l PoW（Proof of Work）工作量證明機制
l PoS（Proof of Stake）股權/權益證明機制
l DPoS（Delegated Proof of Stake）股份授權證明機制
l PBFT（Practical Byzantine Fault Tolerance）實用拜占庭容錯演算法
l DBFT（Delegated Byzantine Fault Tolerance）授權拜占庭容錯演算法
l SCP (Stellar Consensus Protocol ) 恆星共識協議
l RPCA（Ripple Protocol Consensus Algorithm）Ripple共識演算法
l Pool驗證池共識機制
（一）PoW（Proof of Work）工作量證明機制
1. 基本介紹
在該機制中，網路上的每一個節點都在使用SHA256哈希函數(hash function) 運算一個不斷變化的區塊頭的哈希值 (hash sum)。 共識要求算出的值必須等於或小於某個給定的值。 在分布式網路中，所有的參與者都需要使用不同的隨機數來持續計算該哈希值，直至達到目標為止。當一個節點的算出確切的值，其他所有的節點必須相互確認該值的正確性。之後新區塊中的交易將被驗證以防欺詐。
在比特幣中，以上運算哈希值的節點被稱作「礦工」，而PoW的過程被稱為「挖礦」。挖礦是一個耗時的過程，所以也提出了相應的激勵機制（例如向礦工授予一小部分比特幣）。PoW的優點是完全的去中心化，其缺點是消耗大量算力造成了的資源浪費，達成共識的周期也比較長，共識效率低下，因此其不是很適合商業使用。
2. 加密貨幣的應用實例
比特幣(Bitcoin) 及萊特幣(Litecoin)。以太坊(Ethereum) 的前三個階段（Frontier前沿、Homestead家園、Metropolis大都會）皆採用PoW機制，其第四個階段 (Serenity寧靜) 將採用權益證明機制。PoW適用於公有鏈。
PoW機制雖然已經成功證明了其長期穩定和相對公平，但在現有框架下，採用PoW的「挖礦」形式，將消耗大量的能源。其消耗的能源只是不停的去做SHA256的運算來保證工作量公平，並沒有其他的存在意義。而目前BTC所能達到的交易效率為約5TPS（5筆/秒），以太坊目前受到單區塊GAS總額的上限，所能達到的交易頻率大約是25TPS，與平均千次每秒、峰值能達到萬次每秒處理效率的VISA和MASTERCARD相差甚遠。
3. 簡圖理解模式
（ps：其中A、B、C、D計算哈希值的過程即為「挖礦」，為了犒勞時間成本的付出，機制會以一定數量的比特幣作為激勵。）
（Ps：PoS模式下，你的「挖礦」收益正比於你的幣齡(幣的數量*天數)，而與電腦的計算性能無關。我們可以認為任何具有概率性事件的累計都是工作量證明，如淘金。假設礦石含金量為p% 質量, 當你得到一定量黃金時，我們可以認為你一定挖掘了1/p 質量的礦石。而且得到的黃金數量越多，這個證明越可靠。）
（二）PoS（Proof of Stake）股權/權益證明機制
1.基本介紹
PoS要求人們證明貨幣數量的所有權，其相信擁有貨幣數量多的人攻擊網路的可能性低。基於賬戶余額的選擇是非常不公平的，因為單一最富有的人勢必在網路中佔主導地位，所以提出了許多解決方案。
在股權證明機制中，每當創建一個區塊時，礦工需要創建一個稱為「幣權」的交易，這個交易會按照一定比例預先將一些幣發給礦工。然後股權證明機制根據每個節點持有代幣的比例和時間（幣齡）， 依據演算法等比例地降低節點的挖礦難度，以加快節點尋找隨機數的速度，縮短達成共識所需的時間。
與PoW相比，PoS可以節省更多的能源，更有效率。但是由於挖礦成本接近於0，因此可能會遭受攻擊。且PoS在本質上仍然需要網路中的節點進行挖礦運算，所以它同樣難以應用於商業領域。
2.數字貨幣的應用實例
PoS機制下較為成熟的數字貨幣是點點幣（Peercoin）和未來幣（NXT），相比於PoW，PoS機制節省了能源，引入了" 幣天 "這個概念來參與隨機運算。PoS機制能夠讓更多的持幣人參與到記賬這個工作中去，而不需要額外購買設備（礦機、顯卡等）。每個單位代幣的運算能力與其持有的時間長成正相關，即持有人持有的代幣數量越多、時間越長，其所能簽署、生產下一個區塊的概率越大。一旦其簽署了下一個區塊，持幣人持有的幣天即清零，重新進入新的循環。
PoS適用於公有鏈。
3.區塊簽署人的產生方式
在PoS機制下，因為區塊的簽署人由隨機產生，則一些持幣人會長期、大額持有代幣以獲得更大概率地產生區塊，盡可能多的去清零他的"幣天"。因此整個網路中的流通代幣會減少，從而不利於代幣在鏈上的流通，價格也更容易受到波動。由於可能會存在少量大戶持有整個網路中大多數代幣的情況，整個網路有可能會隨著運行時間的增長而越來越趨向於中心化。相對於PoW而言，PoS機制下作惡的成本很低，因此對於分叉或是雙重支付的攻擊，需要更多的機制來保證共識。穩定情況下，每秒大約能產生12筆交易，但因為網路延遲及共識問題，需要約60秒才能完整廣播共識區塊。長期來看，生成區塊（即清零"幣天"）的速度遠低於網路傳播和廣播的速度，因此在PoS機制下需要對生成區塊進行"限速"，來保證主網的穩定運行。
4.簡圖理解模式
（PS：擁有越多「股份」權益的人越容易獲取賬權。是指獲得多少貨幣，取決於你挖礦貢獻的工作量，電腦性能越好，分給你的礦就會越多。）
（在純POS體系中，如NXT，沒有挖礦過程，初始的股權分配已經固定，之後只是股權在交易者之中流轉，非常類似於現實世界的股票。）
（三）DPoS（Delegated Proof of Stake）股份授權證明機制
1.基本介紹
由於PoS的種種弊端，由此比特股首創的權益代表證明機制 DPoS（Delegated Proof of Stake）應運而生。DPoS 機制中的核心的要素是選舉，每個系統原生代幣的持有者在區塊鏈裡面都可以參與選舉，所持有的代幣余額即為投票權重。通過投票，股東可以選舉出理事會成員，也可以就關系平台發展方向的議題表明態度，這一切構成了社區自治的基礎。股東除了自己投票參與選舉外，還可以通過將自己的選舉票數授權給自己信任的其它賬戶來代表自己投票。
具體來說， DPoS由比特股（Bitshares）項目組發明。股權擁有著選舉他們的代表來進行區塊的生成和驗證。DPoS類似於現代企業董事會制度，比特股系統將代幣持有者稱為股東，由股東投票選出101名代表， 然後由這些代表負責生成和驗證區塊。 持幣者若想稱為一名代表，需先用自己的公鑰去區塊鏈注冊，獲得一個長度為32位的特有身份標識符，股東可以對這個標識符以交易的形式進行投票，得票數前101位被選為代表。
代表們輪流產生區塊，收益（交易手續費）平分。DPoS的優點在於大幅減少了參與區塊驗證和記賬的節點數量，從而縮短了共識驗證所需要的時間，大幅提高了交易效率。從某種角度來說，DPoS可以理解為多中心系統，兼具去中心化和中心化優勢。優點：大幅縮小參與驗證和記賬節點的數量，可以達到秒級的共識驗證。缺點：投票積極性不高，絕大部分代幣持有者未參與投票；另整個共識機制還是依賴於代幣，很多商業應用是不需要代幣存在的。
DPoS機制要求在產生下一個區塊之前，必須驗證上一個區塊已經被受信任節點所簽署。相比於PoS的" 全民挖礦 "，DPoS則是利用類似" 代表大會 "的制度來直接選取可信任節點，由這些可信任節點（即見證人）來代替其他持幣人行使權力，見證人節點要求長期在線，從而解決了因為PoS簽署區塊人不是經常在線而可能導致的產塊延誤等一系列問題。 DPoS機制通常能達到萬次每秒的交易速度，在網路延遲低的情況下可以達到十萬秒級別，非常適合企業級的應用。 因為公信寶數據交易所對於數據交易頻率要求高，更要求長期穩定性，因此DPoS是非常不錯的選擇。
2. 股份授權證明機制下的機構與系統
理事會是區塊鏈網路的權力機構，理事會的人選由系統股東（即持幣人）選舉產生，理事會成員有權發起議案和對議案進行投票表決。
理事會的重要職責之一是根據需要調整系統的可變參數，這些參數包括：
l 費用相關：各種交易類型的費率。
l 授權相關：對接入網路的第三方平台收費及補貼相關參數。
l 區塊生產相關：區塊生產間隔時間，區塊獎勵。
l 身份審核相關：審核驗證異常機構賬戶的信息情況。
l 同時，關繫到理事會利益的事項將不通過理事會設定。
在Finchain系統中，見證人負責收集網路運行時廣播出來的各種交易並打包到區塊中，其工作類似於比特幣網路中的礦工，在採用 PoW(工作量證明)的比特幣網路中，由一種獲獎概率取決於哈希算力的抽彩票方式來決定哪個礦工節點產生下一個區塊。而在採用 DPoS 機制的金融鏈網路中，通過理事會投票決定見證人的數量，由持幣人投票來決定見證人人選。入選的活躍見證人按順序打包交易並生產區塊，在每一輪區塊生產之後，見證人會在隨機洗牌決定新的順序後進入下一輪的區塊生產。
3. DPoS的應用實例
比特股(bitshares) 採用DPoS。DPoS主要適用於聯盟鏈。
4.簡圖理解模式
（四）PBFT（Practical Byzantine Fault Tolerance）實用拜占庭容錯演算法
1. 基本介紹
PBFT是一種基於嚴格數學證明的演算法，需要經過三個階段的信息交互和局部共識來達成最終的一致輸出。三個階段分別為預備 (pre-prepare)、准備 (prepare)、落實 (commit)。PBFT演算法證明系統中只要有2/3比例以上的正常節點，就能保證最終一定可以輸出一致的共識結果。換言之，在使用PBFT演算法的系統中，至多可以容忍不超過系統全部節點數量1/3的失效節點 (包括有意誤導、故意破壞系統、超時、重復發送消息、偽造簽名等的節點，又稱為」拜占庭」節點)。
2. PBFT的應用實例
著名聯盟鏈Hyperledger Fabric v0.6採用的是PBFT，v1.0又推出PBFT的改進版本SBFT。PBFT主要適用於私有鏈和聯盟鏈。
3. 簡圖理解模式
上圖顯示了一個簡化的PBFT的協議通信模式，其中C為客戶端，0 – 3表示服務節點，其中0為主節點，3為故障節點。整個協議的基本過程如下：
(1) 客戶端發送請求，激活主節點的服務操作；
(2) 當主節點接收請求後，啟動三階段的協議以向各從節點廣播請求；
(a) 序號分配階段，主節點給請求賦值一個序號n，廣播序號分配消息和客戶端的請求消息m，並將構造pre-prepare消息給各從節點；
(b) 交互階段，從節點接收pre-prepare消息，向其他服務節點廣播prepare消息；
(c) 序號確認階段，各節點對視圖內的請求和次序進行驗證後，廣播commit消息，執行收到的客戶端的請求並給客戶端響應。
(3) 客戶端等待來自不同節點的響應，若有m+1個響應相同，則該響應即為運算的結果；
（五）DBFT（Delegated Byzantine Fault Tolerance）授權拜占庭容錯演算法
1. 基本介紹
DBFT建基於PBFT的基礎上，在這個機制當中，存在兩種參與者，一種是專業記賬的「超級節點」，一種是系統當中不參與記賬的普通用戶。普通用戶基於持有權益的比例來投票選出超級節點，當需要通過一項共識（記賬）時，在這些超級節點中隨機推選出一名發言人擬定方案，然後由其他超級節點根據拜占庭容錯演算法（見上文），即少數服從多數的原則進行表態。如果超過2/3的超級節點表示同意發言人方案，則共識達成。這個提案就成為最終發布的區塊，並且該區塊是不可逆的，所有裡面的交易都是百分之百確認的。如果在一定時間內還未達成一致的提案，或者發現有非法交易的話，可以由其他超級節點重新發起提案，重復投票過程，直至達成共識。
2. DBFT的應用實例
國內加密貨幣及區塊鏈平台NEO是 DBFT演算法的研發者及採用者。
3. 簡圖理解模式
假設系統中只有四個由普通用戶投票選出的超級節點，當需要通過一項共識時，系統就會從代表中隨機選出一名發言人擬定方案。發言人會將擬好的方案交給每位代表，每位代表先判斷發言人的計算結果與它們自身紀錄的是否一致，再與其它代表商討驗證計算結果是否正確。如果2/3的代表一致表示發言人方案的計算結果是正確的，那麼方案就此通過。
如果只有不到2/3的代表達成共識，將隨機選出一名新的發言人，再重復上述流程。這個體系旨在保護系統不受無法行使職能的領袖影響。
上圖假設全體節點都是誠實的，達成100%共識，將對方案A（區塊）進行驗證。
鑒於發言人是隨機選出的一名代表，因此他可能會不誠實或出現故障。上圖假設發言人給3名代表中的2名發送了惡意信息（方案B），同時給1名代表發送了正確信息（方案A）。
在這種情況下該惡意信息（方案B）無法通過。中間與右邊的代表自身的計算結果與發言人發送的不一致，因此就不能驗證發言人擬定的方案，導致2人拒絕通過方案。左邊的代表因接收了正確信息，與自身的計算結果相符，因此能確認方案，繼而成功完成1次驗證。但本方案仍無法通過，因為不足2/3的代表達成共識。接著將隨機選出一名新發言人，重新開始共識流程。
上圖假設發言人是誠實的，但其中1名代表出現了異常；右邊的代表向其他代表發送了不正確的信息（B）。
在這種情況下發言人擬定的正確信息（A）依然可以獲得驗證，因為左邊與中間誠實的代表都可以驗證由誠實的發言人擬定的方案，達成2/3的共識。代表也可以判斷到底是發言人向右邊的節點說謊還是右邊的節點不誠實。
（六）SCP (Stellar Consensus Protocol ) 恆星共識協議
1. 基本介紹
SCP 是 Stellar (一種基於互聯網的去中心化全球支付協議) 研發及使用的共識演算法，其建基於聯邦拜占庭協議 (Federated Byzantine Agreement) 。傳統的非聯邦拜占庭協議（如上文的PBFT和DBFT）雖然確保可以通過分布式的方法達成共識，並達到拜占庭容錯 (至多可以容忍不超過系統全部節點數量1/3的失效節點)，它是一個中心化的系統 — 網路中節點的數量和身份必須提前知曉且驗證過。而聯邦拜占庭協議的不同之處在於它能夠去中心化的同時，又可以做到拜占庭容錯。
[…]
（七）RPCA（Ripple Protocol Consensus Algorithm）Ripple共識演算法
1. 基本介紹
RPCA是Ripple（一種基於互聯網的開源支付協議，可以實現去中心化的貨幣兌換、支付與清算功能）研發及使用的共識演算法。在 Ripple 的網路中，交易由客戶端（應用）發起，經過追蹤節點（tracking node）或驗證節點（validating node）把交易廣播到整個網路中。追蹤節點的主要功能是分發交易信息以及響應客戶端的賬本請求。驗證節點除包含追蹤節點的所有功能外，還能夠通過共識協議，在賬本中增加新的賬本實例數據。
Ripple 的共識達成發生在驗證節點之間，每個驗證節點都預先配置了一份可信任節點名單，稱為 UNL（Unique Node List）。在名單上的節點可對交易達成進行投票。共識過程如下：
(1) 每個驗證節點會不斷收到從網路發送過來的交易，通過與本地賬本數據驗證後，不合法的交易直接丟棄，合法的交易將匯總成交易候選集（candidate set）。交易候選集裡面還包括之前共識過程無法確認而遺留下來的交易。
(2) 每個驗證節點把自己的交易候選集作為提案發送給其他驗證節點。
(3) 驗證節點在收到其他節點發來的提案後，如果不是來自UNL上的節點，則忽略該提案；如果是來自UNL上的節點，就會對比提案中的交易和本地的交易候選集，如果有相同的交易，該交易就獲得一票。在一定時間內，當交易獲得超過50%的票數時，則該交易進入下一輪。沒有超過50%的交易，將留待下一次共識過程去確認。
(4) 驗證節點把超過50%票數的交易作為提案發給其他節點，同時提高所需票數的閾值到60%，重復步驟(3)、步驟(4)，直到閾值達到80%。
(5) 驗證節點把經過80%UNL節點確認的交易正式寫入本地的賬本數據中，稱為最後關閉賬本（last closed ledger），即賬本最後（最新）的狀態。
在Ripple的共識演算法中，參與投票節點的身份是事先知道的，因此，演算法的效率比PoW等匿名共識演算法要高效，交易的確認時間只需幾秒鍾。這點也決定了該共識演算法只適合於聯盟鏈或私有鏈。Ripple共識演算法的拜占庭容錯（BFT）能力為（n-1）/5，即可以容忍整個網路中20%的節點出現拜占庭錯誤而不影響正確的共識。
2. 簡圖理解模式
共識過程節點交互示意圖：
共識演算法流程：
（八）POOL驗證池共識機制
Pool驗證池共識機制是基於傳統的分布式一致性演算法（Paxos和Raft）的基礎上開發的機制。Paxos演算法是1990年提出的一種基於消息傳遞且具有高度容錯特性的一致性演算法。過去, Paxos一直是分布式協議的標准，但是Paxos難於理解，更難以實現。Raft則是在2013年發布的一個比Paxos簡單又能實現Paxos所解決問題的一致性演算法。Paxos和Raft達成共識的過程皆如同選舉一樣，參選者需要說服大多數選民(伺服器)投票給他，一旦選定後就跟隨其操作。Paxos和Raft的區別在於選舉的具體過程不同。而Pool驗證池共識機制即是在這兩種成熟的分布式一致性演算法的基礎上，輔之以數據驗證的機制。
Ⅲ 區塊鏈網路層包括哪些,區塊鏈技術體系架構的網路層主要包括
1分鍾帶你快速了解區塊鏈的技術模型架構區塊鏈技術性並並不是一項單一的技術性，只是多種多樣技術性融合自主創新的結果，其實質是一個弱管理中心的、自信賴的最底層構架技術性。
區塊鏈技術性實體模型由上而下包含數據信息層、傳輸層的共識層、鼓勵層、合同層和網路層。每一層具有一項關鍵作用，不一樣等級中間互相配合，一同搭建一個去管理中心的使用價值傳送管理體系。
數據信息層的特性是不能偽造、全備份數據、徹底公平（數據信息、管理許可權、編碼），而其演算法設計是區塊鏈，包含區塊鏈頭和區塊材。區塊鏈頭由三組區塊鏈資料庫，一組資料庫是父區塊鏈哈希值，用以該區域塊與區塊鏈中的前一區塊鏈相互連接；二組資料庫是Merkle根，一種用於合理地小結區塊鏈中全部買賣的演算法設計；三組資料庫是難度系數總體目標、時間格式和Nonce與生產製造區塊鏈有關。
傳輸層封裝了P2P網路體制、散播和認證體制等技術性。在傳輸層中，新的買賣向各大網站開展廣播節目，每一個連接點都將接到的交易信息列入一個區塊鏈中，且每一個連接點都試著在自身的區塊鏈中尋找一個具備充足難度系數的勞動量證實，當一個連接點找到一個勞動量證實（得到裝包區塊鏈的資質），它就向各大網站開展廣播節目（新裝包的區塊鏈），當且僅當包括在該區域塊中的全部買賣全是合理的且以前未存有過的，別的連接點才認可該區域塊的實效性，而表明認可接納的方式，則是在追隨該區域塊的結尾，生產製造新的區塊鏈以增加該傳動鏈條，而將被接納區塊鏈的任意散列值視作在於新區塊鏈的任意散列值。
的共識層封裝了節點的各種共識機制優化演算法，它是區塊鏈的關鍵技術，由於這決策了區塊鏈的造成，而記帳決策方法可能危害全部系統軟體的安全系數和穩定性。現階段早已發生了十餘種共識機制優化演算法，在其中較為知名的有勞動量證實體制（POW）、好用拜占庭容錯機制優化演算法（PBFT）、利益證實體制（POS）、股權授權證明體制。
鼓勵層包含發售體制和激勵制度。簡易而言，激勵制度是根據經濟發展均衡的方式，激勵連接點參加到維護保養區塊鏈系統優化運作中，避免對總帳簿開展偽造，使長期性保持區塊鏈互聯網運作的驅動力。
合同層具備可編程式控制制器的特點，關鍵包含智能合約、共識演算法、腳本製作、編碼，是區塊鏈可編程式控制制器特點的基本。將編碼置入區塊鏈或動態口令中，完成能夠自定的智能合約，並在做到某一明確的約束的狀況下，不用經過第三方就可以全自動實行，是區塊鏈去信賴的基本。
網路層封裝了區塊鏈的各種各樣應用領域和實例，跟電腦的應用軟體、電腦瀏覽器上的門戶網等很類似，將區塊鏈關鍵技術布署在如以太幣、EOS上並在實際中落地式。
#比特幣[超話]##數字貨幣#
什麼是區塊鏈區塊鏈的意思是一個信息技術領域的術語。從本質上講，它是一個共享資料庫，存儲於其中的數據或信息，具有「蠢並不可偽造」「全程留痕」「可以追溯」「公開透明」「集體維護」等特徵。
它最早出現在1991年，由一群研究人員用來給數字化文檔打時間戳。以使得這些文檔不能被篡改，看上去區塊鏈技術就像一位公證人一樣。
一條區塊鏈就是對所有人完全公開的分布式賬本，它有一個很有趣的屬性：一旦數據被記錄到區塊鏈中後就帶爛跡很難再發生改變。那麼它到底是如何工作的呢？接下來讓我們首先來觀察一下單個區塊的組成。
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一般說來，區塊鏈系統由數據層、網路層、共識層、激勵層、合約層和應用層組成。其中，數據層封裝了底層數據區塊以及相關的數據加密和時間戳等基礎數據和基本演算法；網路層則包括分布式組網機制、數據傳播機制和數據驗證機制等。
區塊鏈技術框架有哪些？
當前主流的區塊鏈架構包含六個層級：網路層、數據層、共識層、激勵層、合約層和應用層。圖中將數據層和網路層的位置進行了對調，主要用途將在下一節中詳述。
網路層：區塊鏈網路本質是一個P2P（Peer-to-peer點對點）的網路，網路中的資源和服務分散在所有節點上，信息的傳輸和服務的實現都直接在節點之間進行，可以無需中間環節和伺服器的介入。每一個節點既接收信息，也產生信息，節點之間通過維護一個共同的區塊鏈來同步信息，當一個節點創造出新的區塊後便以廣播的形式通知其他節點，其他節點收到信息後對該區塊進行驗證，並在該區塊的基礎上去創建新的區塊，從而達到全網共同維護一個底層賬本的作用。所以網路層會涉及到P2P網路，傳播機制，驗證機制等的設計，顯而易見，這些設計都能影響到區塊信息的確認速度，網路層可以作為區塊鏈技術可擴展方案中的一個研究方向；
數據層：區塊鏈的底層數據是一個區塊+鏈表的數據結構，它包括數據區塊、鏈式結構、時間戳、哈希函數、Merkle樹、非對稱加密等設計。其中數據區塊、鏈式結構都可作為區塊鏈技術可擴展方案對數據層研究時的改進方向。
共識層：它是讓高度分散的節點對區塊數據的有效性達到快速共識的基礎，主要的共識機制有POW（ProofOfWork工作量證明機制），POS（ProofofStake權益證明機制），DPOS（DelegatedProofofStake委託權益證明機制）和PBFT（實用拜占庭容錯）等，它們一直是區塊鏈技術可擴展方案中的重頭戲。
激勵層：它是大家常說的挖礦機制，用來設計一定的經濟激勵模型，鼓勵節點來參與區塊鏈的安全驗證工作，包括發行機制，分配機制的設計等。這個層級的改進貌似與區塊鏈可擴展並無直接聯系。
合約層：主要是指各種腳本代碼、演算法機制以及智能合約等。第一代區塊鏈嚴格講這一層是缺失的，所以它們只能進行交易，而無法用於其他的領域或是進行其他的邏輯處理，合約層的出現，使得在其他領域使用區塊鏈成為了現實，以太坊中這部分包括了EVM(以太坊虛擬機)和智能合約兩部分。這個層級的改進貌似給區塊鏈可擴展提供了潛在的新方向，但結構上來看貌似並無直接聯系
應用層：它是區塊鏈的展示層，包括各種應用場景和案例。如以太坊使用的是truffle和web3-js.區塊鏈的應用層可以是移動端，web端，或是是融合進現有的伺服器，把當前的業務伺服器當成應用層。這個層級的改進貌似也給區塊鏈可擴展提供了潛在的新方向，但結構上來看貌似並無直接聯系。
鏈喬教育在線旗下學碩創新區塊鏈技術工作站是中國教育部學校規劃建設發展中心開展的「智慧學習工場2020-學碩創新工作站」唯一獲準的「區塊鏈技術專業」試點工作站。專業站立足為學生提供多樣化成長路徑，推進專業學位研究生產學研結合培養模式改革，構建應用型、復合型人才培養體系。
區塊鏈的層級結構（什麼是區塊鏈的Layer0/1/2）分層結構是區塊鏈處理數據和運行的基礎。
為了尋找到區塊鏈的可擴展性方案，學術研究領域（通常論文中）所指的區塊鏈被分為三層：Layer0、Layer1和Layer2。
通常，區塊鏈系統主要分為：應用層、激勵層、共識層、網路層和數據層，共六層，主要體現在初期的比特幣系統上。隨著智能合約的產生，在應用層和激勵層之間加入了合約層，主要體現在以太坊系統中。
對於每一層的內容如上圖所示，但在具體的不同系統中所使用的技術可能並不相同，比如共識層主要完成節點之間的共識，除了工作量證明機制（ProofofWork）還有權益證明機制（ProofofStake）和拜占庭容錯機制（ByzantineFaultTolerance（BFT）等方式。
數據層、網路層、共識層三者構成了區塊鏈層級的底層基礎，也是區塊鏈必不可少的三個元素，缺少任何一個都無法稱之為真正的區塊鏈技術。
區塊鏈分層結構對應到OSI體系7層模型和TCP/IP4層模型下的對比如下圖所示。
如果我們再聚焦TCP/IP的四層，特別是上面的「應用層」的話，我們會看到，有可能區塊鏈是把原來只專注於信息傳遞的應用層，分出來一個專門用於價值轉移的新層。因此，我們可以認為TCP/IP四層拆分成了五層，將區塊鏈視為TCP/IP的一層：價值層。
一般認為比特幣、以太坊、EOS是區塊鏈1.0、2.0、3.0的代表，如果去看它們的分層也很有意思：
從比特幣到以太坊，增加了合約層。從以太坊到EOS，因為採用DPOS，激勵層實際上合並到了共識層。而EOS增加出來兩層：①工具層，以讓在其上更容易開發應用；②生態層，它自身的定位是一個開源軟體，那麼其他人可以用它的開源軟體建立行業鏈、領域鏈。
徐忠、鄒傳偉寫了一篇央行工作論文，從經濟學的角度探討區塊鏈，試圖給出一種Token範式。其中，實際上他們給出了一個分層模型，這回是內外分層：里層是共識，又分：Token、智能合約、共識演算法；處在共識邊界與區塊鏈邊界，是區塊鏈內的其他信息；處在區塊鏈邊界之外，是互聯網和實體世界。
一些系統為了提升性能，其實對它的分布式網路也進行了分層。也就是，不是所有的節點都是平等的。
比如，以下是EOS的分層。
為了讓區塊鏈變得有用，又有人從其他視角進行討論。ENChain.Asia的朱峰在BAO白皮書中提出了「自組織商業體7層模型」，這個模型又被在《通證經濟的模型與實踐》（0.2）報告中引述，稱之為「自商業七層模型」。
不過，要注意的是，這里的「激勵層」，和我們通常說區塊鏈的激勵層，有相似之處，又不一樣。之前我們討論激勵層，往往是在公鏈原生代幣的角度討論的，而這里的激勵層，則是通證層面討論的。
火幣研究院在2018年12月的一份報告《區塊鏈四層應用模型的構建與解析》中，給出了一個四層的應用模型，很有意思：
參考文獻：
1.區塊鏈十年：各種各樣的層
2.區塊鏈六大層級結構你知道多少？-知乎
3.區塊鏈的六個分層級結構介紹-區塊鏈-電子發燒友網
區塊鏈結構層是什麼？區塊鏈總共有六個層級結構，這六個層級結構自下而上是：數據層、網路層、共識層、激勵層、合約層、應用層。
數據層——數據層是區塊鏈六個層級結構裡面的最底層。數據層我們可以理解成資料庫，只不過對於區塊鏈來說，這個資料庫是不可篡改的、分布式存儲的資料庫，也就是所謂的分布式賬本。
合約層——合約層主要包括各種腳本、代碼、演算法機制、智能合約，是區塊鏈可編程的基礎。我們說的智能合約便屬於合約層。如果說比特幣系統不夠智能，那麼以太坊提出的智能合約則能夠滿足許多應用場景。合約層的原理主要是將代碼嵌入到區塊鏈系統上，用這種方式來實現能夠自定義的智能合約。這樣一來，在區塊鏈系統上，一旦觸發了智能合約的條款，系統就能夠自動執行命令。
網路層——區塊鏈的網路系統，本質上是一個P2P（點對點）網路，點對點意味著不需要一個中間環節或者中心化伺服器來操控這個系統，網路中的所有資源和服務都是分配在各個節點手中的，信息的傳輸也是兩個節點之間直接往來就可以了。不過，需要注意的是P2P（點對點）並不是中本聰發明的，區塊鏈只是融合了這一技術而已。所以，區塊鏈的網路層實際上就是一個特別強大的點對點網路系統。在這個系統上，每一個節點既可以生產信息，也可以接收信息，就好比發郵件，你既可以編寫自己的郵件，也可以收到別人給你發送的郵件。
應用層——應用層就是區塊鏈的各種應用場景和案例，我們現在說的區塊鏈＋就是所謂的應用層。目前已經落地的區塊鏈應用主要是搭建在ETH、EOS等公鏈上的各類區塊鏈應用，博彩、游戲類的應用比較多。真正實用的區塊鏈落地應用，目前有由CoinBank投資的全球首條物聯網落地應用。
共識層——在區塊鏈的世界裡，共識，簡單來說就是全網要依據一個統一的、大家一致同意的規則來維護更新區塊鏈系統這個總賬本，類似於更新數據的規則。讓高度分散的節點在去中心化的區塊鏈網路中高效達成共識，是區塊鏈的核心技術之一，也是區塊鏈社區的治理機制。目前主流的共識機制演算法有：比特幣的工作量證明（POW）、以太坊的權益證明（POS）、EOS的委託權益證明（DPOS）等等。數據層、網路層、共識層這三層保證了區塊鏈上有數據、有網路、有規則。
激勵層——激勵層就是所謂的挖礦機制，挖礦機制其實可以理解成激勵機制：你為區塊鏈系統做了多少貢獻，你就可以得到多少獎勵。用這種激勵機制，能夠鼓勵全網節點參與區塊鏈上的數據記錄和維護工作。
鏈喬教育在線旗下學碩創新區塊鏈技術工作站是中國教育部學校規劃建設發展中心開展的「智慧學習工場2020-學碩創新工作站」唯一獲準的「區塊鏈技術專業」試點工作站。專業站立足為學生提供多樣化成長路徑，推進專業學位研究生產學研結合培養模式改革，構建應用型、復合型人才培養體系。
Ⅳ 區塊鏈系統的組成包含了哪些
區塊鏈系統通常由六個主要部分構成：數據層、網路層、共識層、激勵層、合約層和應用層。數據層負責封裝底層數據區塊以及相關的數據加密和時間戳等技術，確保數據的安全性和不可篡改性。網路層則包含分布式組網機制、數據傳播機制和數據驗證機制等，確保區塊鏈網路的高效運行。
共識層主要負責封裝網路節點的各類共識演算法，如工作量證明（Proof of Work）或權益證明（Proof of Stake），以確保所有參與節點能夠就交易的有效性達成一致意見。激勵層則將經濟因素集成到區塊鏈技術體系中來，包括經濟激勵的發行機制和分配機制，以鼓勵更多人參與維護區塊鏈網路。
合約層是區塊鏈可編程特性的基礎，主要封裝各類腳本、演算法和智能合約。智能合約能夠自動執行合約條款，無需第三方介入，大大提高了交易效率和透明度。應用層則封裝了區塊鏈的各種應用場景和案例，如數字貨幣、供應鏈管理、投票系統等，展示了區塊鏈技術在不同領域的廣泛應用。
基於時間戳的鏈式區塊結構、分布式節點的共識機制、基於共識算力的經濟激勵和靈活可編程的智能合約是區塊鏈技術最具代表性的創新點。這些創新使得區塊鏈不僅能夠提供安全、透明的交易環境，還能夠實現自動化和去中心化的應用，推動了眾多行業的變革。
區塊鏈技術的這些創新點，不僅提高了數據的透明度和安全性，還促進了去中心化應用的發展。隨著時間的推移，區塊鏈技術將繼續演進，為各行各業帶來更多的變革和創新。
Ⅳ 區塊鏈是由哪些部分組成(區塊鏈主要分為)
區塊鏈是什麼,區塊鏈由什麼組成1、區塊鏈是由區塊相互連接形成的鏈式存儲結構，區塊就是鏈式存儲結構中的數據元素，其中第一個區塊被稱為創始區塊。一般區塊包括區塊頭和區塊體兩部分。
2、狹義來講，區塊鏈是一種按照時間順序將數據區塊以順序相連的方式組合成的一種鏈式數據結構，並以密碼學方式保證的不可篡改和不可偽造的分布式賬本。
3、狹義的來講，區塊鏈是就是一種按照時間順序來將數據區塊以順序相連的方式組合成的一種鏈式數據結構，並以密碼學方式保證的不可篡改和不可偽造的分布式賬本。
4、網路稱，區塊鏈是分布式數據存儲、點對點傳輸、共識機制、加密演算法等計算機技術的一種新使用模式。它本質上是一個去中心化的資料庫，同時作為比特幣的底層技術，它是由密碼學產生的一系列數據塊。
5、區塊鏈是由一個個的區塊鏈接而成，而區塊是一個一個的存儲單元，記錄了各區塊節點的交流信息，區塊很像資料庫的記錄，每次寫入數據，就是創建一個區塊。
區塊鏈技術的組成元素架構?區塊鏈是由區塊相互連接形成的鏈式存儲結構，區塊就是鏈式存儲結構中的數據元素，其中第一個區塊被稱為創始區塊。一般區塊包括區塊頭和區塊體兩部分。
區塊鏈技術的架構包括以下幾個方面：去中心化網路：區塊鏈技術的核心是去中心化，它的網路結構不同於傳統的中心化網路結構，它通過點對點的方式實現數據的傳輸和驗證，從而達到去中心化的目的。
當前主流的區塊鏈架構包含六個層級：網路層、數據層、共識層、激勵層、合約層和應用層。圖中將數據層和網路層的位置進行了對調，主要用途將在下一節中詳述。
區塊鏈是什麼1、區塊鏈(Blockchain)是分布式數據存儲、點對點傳輸、共識機制、加密演算法等計算機技術的新型應用模式。所謂共識機制是區塊鏈系統中實現不同節點之間建立信任、獲取權益的數學演算法。
2、區塊鏈是信息技術領域的一個術語。本質上，它是一個共享資料庫。其中存儲的數據或信息具有「不可偽造性」、「全過程追溯性」、「可追溯性」、「公開透明性」和「集體維護性」等特徵。
3、區塊鏈是一個共享資料庫，區塊鏈是分布式數據存儲、點對點傳輸、共識機制、加密演算法等計算機技術的新型應用模式。主要特徵：去中心化。