1.1.2 区块链技术的总体架构

区块链技术的总体架构和分类

“区块链”一词最早出现在中本聪的论文《比特币：一种点对点的电子现金系统》中，其中描述了一个完全不依赖任何第三方金融系统的、点对点的电子现金系统。这篇论文被视为比特币的白皮书，也有人称之为区块链的“创世圣经”。

在这篇论文中，中本聪对比特币网络的工作原理做了以下描述。

（1）我们可以把每一台参与组成比特币系统的计算机称为节点。

（2）每个节点将新交易收集到一个区块中。

（3）节点可以创建链上的下一个区块，并使用当前区块的哈希值作为新区块的“前一个哈希”字段值。

第3句话可以这样理解：对一个区块中的数据计算哈希值，并将其指向下一个区块的头部。用这种方式可以将区块串联成一个链条，这就是所谓的区块链，其示意如图1-1所示。为了便于理解，区块中包含的数据是经过简化的。

哈希算法是一种加密算法，所谓“哈希值”是指数据经过哈希算法处理的结果。哈希算法将在1.1.3小节介绍。

从整体架构的角度来看，区块链应用可以分为存储层、网络层、扩展层和应用层4个层次，具体如图1-2所示。

1.存储层

存储层主要实现区块链的存储功能，其中涉及数据存储（存储格式、区块大小）和加密算法等技术细节。

2.网络层

网络层实现分布式网络编程，涉及网络通信（点对点通信）协议和共识算法等技术细节。共识算法包括比特币采用的工作量证明（Proof of Work,PoW，即谁的算力大，就由谁记账）和以太坊采用的权益证明（Proof of Stake,PoS，即谁的股权多，就由谁记账）。在分布式系统中，还有一个很常用的共识算法，就是投票，其会通过节点投票达成共识。

3.扩展层

扩展层是对经典区块链技术的补充和扩展。企业级应用是区块链扩展层的一个主要的发展方向。区块链技术在发展初期，应用场景多为公有链项目，所有人都可以选择参与。正因为这样，那时候很少有企业愿意应用区块链技术。另外一个因素，就是没有专门针对企业应用的区块链项目，而公有链项目大多需要使用数字货币支付。数字货币的价值浮动太大，企业很难控制项目的成本。

以Hyperledger Fabric为代表的具有完备权限控制和安全保障的企业级区块链，可以解决企业间的信用问题。产业链上下游的各环节，都可能发生企业间的信息交互和配合，如果用传统的线下记账方式，显然是低效的。很多企业都有自己的信息系统，但是它们彼此隔离，形成了一个个的“信息孤岛”。打通这些信息孤岛的成本是巨大的，而且存在彼此之间的信用问题。联盟链由产业链中相关企业共同开发、建设，信息上链后不可随意修改，可以解决企业间的信用问题。只要对相关企业做好科普工作，就可以大大提高企业间相互配合的效率，打通一个个信息孤岛，最终形成行业大数据。

4.应用层

应用层主要负责实现区块链技术在生产、交易、流通和社会生活中的应用。目前，区块链技术大规模应用的条件还不成熟。比较经典的区块链应用包括金融交易、存证、溯源、数字资产、公益（如慈善募捐、众筹等）等。

● 金融交易：区块链技术起源于数字货币，目前应用极为广泛的领域之一是金融交易，比如各种数字货币的钱包和交易所。支付宝、微信支付等平台都推出了与区块链相关的应用。

● 存证：区块链具有时间戳和不可篡改的特性，这两个特性决定了区块链技术可以用于数据的存证。目前在电子合同和知识产权等应用中已经使用区块链技术实现存证。

● 溯源：在商品流通的过程中，其通常要经过厂家（农户）、批发商、物流、仓储、零售商等诸多环节才能最终来到消费者手中，无论哪个环节出现问题都可能影响商品的质量。基于区块链的存证功能，可以将商品在各个环节的流通信息上链存证，从而有效避免假冒伪劣的情况发生。

● 数字资产：除了数字货币，现实生活中的一切资产都可以上链存证。链上数字资产流通（确权和转让）也是区块链技术的经典应用场景。

● 公益：公益活动对公平、公正、公开的要求很高，采用区块链技术可以有效地记录、保障善款的流向和使用，因此慈善募捐和众筹也是区块链技术的经典应用场景。