區(qū)塊鏈概念及架構(gòu)設(shè)計知識圖譜

1、前言區(qū)塊鏈作為一種架構(gòu)設(shè)計的實現(xiàn)，與基礎(chǔ)語言或平臺等差別較大。區(qū)塊鏈?zhǔn)羌用茇泿疟澈蟮募夹g(shù)，是當(dāng)下與VR虛擬現(xiàn)實等比肩的熱門技術(shù)之一，本身不是新技術(shù)，類似Ajax，可以說它是一種技術(shù)架構(gòu)，所以我們從架構(gòu)設(shè)計的角度談?wù)剠^(qū)塊鏈的技術(shù)實現(xiàn)。無論你擅長什么編程語言，都能夠參考這種設(shè)計去實現(xiàn)一款區(qū)塊鏈產(chǎn)品。與此同時，梳理與之相關(guān)的知識圖譜和體系，幫助大家系統(tǒng)的去學(xué)習(xí)研究。2、基本概念區(qū)塊鏈的概念最近很火，它來自于比特幣等加密貨幣的實現(xiàn)，但是目前，這項技術(shù)已經(jīng)逐步運用在各個領(lǐng)域。什么是區(qū)塊鏈技術(shù)？為了感性認(rèn)識這個問題，我們可以使用谷歌地球的例子做類比，ajax不是什么新技術(shù)，但組合在一起就成就了產(chǎn)品谷歌地球，與之類似，區(qū)塊鏈也不是什么新技術(shù)，但與加密解密技術(shù)、P2P網(wǎng)絡(luò)等組合在一起，就誕生了比特幣。技術(shù)人員，特別是Web開發(fā)工程師，學(xué)習(xí)了解ajax技術(shù)最早是被谷歌地球酷炫的效果所吸引。而現(xiàn)在，歷史再一次重演，很多人被比特幣的瘋狂發(fā)展所吸引，進而開始研究其背后的技術(shù)區(qū)塊鏈。區(qū)塊鏈原本是比特幣等加密貨幣存儲數(shù)據(jù)的一種獨特方式，是一種自引用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用來存儲大量交易信息，每條記錄從后向前有序鏈接起來，具備公開透明、無法篡改、方便追溯的特點。實際上，這種特性也直接體現(xiàn)了整個比特幣的特點，因此使用區(qū)塊鏈來概括加密貨幣背后的技術(shù)實現(xiàn)是非常直觀和恰當(dāng)?shù)?。區(qū)塊鏈?zhǔn)且豁椉夹g(shù)，加密貨幣是其開發(fā)實現(xiàn)的一類產(chǎn)品（含有代幣，也有不含代幣的區(qū)塊鏈產(chǎn)品），不能等同或混淆。與加密貨幣相比，區(qū)塊鏈這個名字拋開了代幣的概念，更加形象化、技術(shù)化、去政治化，更適合作為一門技術(shù)去研究、去推廣。所以，目前當(dāng)大家單獨說到區(qū)塊鏈的時候，就是指的區(qū)塊鏈技術(shù)，是實現(xiàn)了數(shù)據(jù)公開、透明、可追溯的產(chǎn)品的架構(gòu)設(shè)計方法，算作廣義的區(qū)塊鏈。而當(dāng)在具體產(chǎn)品中談到區(qū)塊鏈的時候，可以指類似比特幣的數(shù)據(jù)存儲方式，或許是數(shù)據(jù)庫設(shè)計，或許是文件形式的設(shè)計，這算作狹義的區(qū)塊鏈。廣義的區(qū)塊鏈技術(shù)，必須包含點對點網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、加密技術(shù)應(yīng)用、分布式算法的實現(xiàn)、數(shù)據(jù)存儲技術(shù)的使用等4個方面，其他的可能涉及到分布式存儲、機器學(xué)習(xí)、VR、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等。狹義的區(qū)塊鏈僅僅涉及到數(shù)據(jù)存儲技術(shù)，數(shù)據(jù)庫或文件操作等。本文的區(qū)塊鏈，指的是廣義的區(qū)塊鏈。3、架構(gòu)圖從架構(gòu)設(shè)計上來說，區(qū)塊鏈可以簡單的分為三個層次，協(xié)議層、擴展層和應(yīng)用層。其中，協(xié)議層又可以分為存儲層和網(wǎng)絡(luò)層，它們相互獨立但又不可分割。如圖：協(xié)議層所謂的協(xié)議層，就是指代最底層的技術(shù)。這個層次通常是一個完整的區(qū)塊鏈產(chǎn)品，類似于我們電腦的操作系統(tǒng)，它維護著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，僅提供Api供調(diào)用。通常官方會提供簡單的客戶端（通稱為錢包），這個客戶端錢包功能也很簡單，只能建立地址、驗證簽名、轉(zhuǎn)賬支付、查看余額等。這個層次是一切的基礎(chǔ)，構(gòu)建了網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、搭建了交易通道、制定了節(jié)點獎勵規(guī)則，至于你要交易什么，想干什么，它一概不過問，也過問不了。典型的例子，自然是比特幣，還有各種二代幣，比如萊特幣等，本書介紹的億書幣也是。這個層次，是現(xiàn)階段開發(fā)者聚集的地方，這說明加密貨幣仍在起步當(dāng)中。從用到的技術(shù)來說，協(xié)議層主要包括網(wǎng)絡(luò)編程、分布式算法、加密簽名、數(shù)據(jù)存儲技術(shù)等4個方面，其中網(wǎng)絡(luò)編程能力是大家選擇編程語言的主要考慮因素，因為分布式算法基本上屬于業(yè)務(wù)邏輯上的實現(xiàn)，什么語言都可以做到，加密簽名技術(shù)是直接簡單的使用（請看書中相關(guān)的加密解密文章，不建議自由發(fā)揮，沒有過多的編碼邏輯），數(shù)據(jù)庫技術(shù)也主要在使用層面，只有點對點網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)和并發(fā)處理才是開發(fā)的難點，所以對于那些網(wǎng)絡(luò)編程能力強，對并發(fā)處理簡單的語言，人們就特別偏愛。也因此，Nodejs開發(fā)區(qū)塊鏈應(yīng)用，逐漸變得更加流行，Go語言也在逐漸興起。上面的架構(gòu)設(shè)計圖里，我把這個層面進一步分成了存儲層和網(wǎng)絡(luò)層。數(shù)據(jù)存儲可以相對獨立，選擇自由度大一些，可以單獨來討論。選擇的原則無非是性能和易用性。我們知道，系統(tǒng)的整體性能，主要取決于網(wǎng)絡(luò)或數(shù)據(jù)存儲的I/O性能，網(wǎng)絡(luò)I/O優(yōu)化空間不大，但是本地數(shù)據(jù)存儲的I/O是可以優(yōu)化的。比如，比特幣選擇的是谷歌的LevelDB，據(jù)說這個數(shù)據(jù)庫讀寫性能很好，但是很多功能需要開發(fā)者自己實現(xiàn)。目前，困擾業(yè)界的一個重大問題是，加密貨幣交易處理量遠不如現(xiàn)在中心化的支付系統(tǒng)（銀行等），除了I/O，需要全方位的突破。分布式算法、加密簽名等都要在實現(xiàn)點對點網(wǎng)絡(luò)的過程中加以使用，所以自然是網(wǎng)絡(luò)層的事情，也是編碼的重點和難點，Nodejs開發(fā)加密貨幣全書分享的基本上就是這部分的內(nèi)容。當(dāng)然，也有把點對點網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)單獨分開的，把節(jié)點查找、數(shù)據(jù)傳輸和驗證等邏輯獨立出來，而把共識算法、加密簽名、數(shù)據(jù)存儲等操作放在一起組成核心層。無論怎么組合，這兩個部分都是最核心、最底層的部分，都是協(xié)議層的內(nèi)容。擴展層這個層面類似于電腦的驅(qū)動程序，是為了讓區(qū)塊鏈產(chǎn)品更加實用。目前有兩類，一是各類交易市場，是法幣兌換加密貨幣的重要渠道，實現(xiàn)簡單，來錢快，成本低，但風(fēng)險也大。二是針對某個方向的擴展實現(xiàn)，比如基于億書側(cè)鏈，可為第三方出版機構(gòu)、論壇網(wǎng)站等內(nèi)容生產(chǎn)商提供定制服務(wù)等。特別值得一提的就是大家聽得最多的“智能合約”的概念，這是典型的擴展層面的應(yīng)用開發(fā)。所謂“智能合約”就是“可編程合約”，或者叫做“合約智能化”，其中的“智能”是執(zhí)行上的智能，也就是說達到某個條件，合約自動執(zhí)行，比如自動轉(zhuǎn)移證券、自動付款等，目前還沒有比較成型的產(chǎn)品，但不可否認(rèn)，這將是區(qū)塊鏈技術(shù)重要的發(fā)展方向。擴展層使用的技術(shù)就沒有什么限制了，可以包括很多，上面提到的分布式存儲、機器學(xué)習(xí)、VR、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等等，都可以使用。編程語言的選擇上，可以更加自由，因為可以與協(xié)議層完全分離，編程語言也可以與協(xié)議層使用的開發(fā)語言不相同。在開發(fā)上，除了在交易時與協(xié)議層進行交互之外，其他時候盡量不要與協(xié)議層的開發(fā)混在一起。這個層面與應(yīng)用層更加接近，也可以理解為B/S架構(gòu)的產(chǎn)品中的服務(wù)端（Server）。這樣不僅在架構(gòu)設(shè)計上更加科學(xué)，讓區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)更小，網(wǎng)絡(luò)更獨立，同時也可以保證擴展層開發(fā)不受約束。從這個層面來看，區(qū)塊鏈可以架構(gòu)開發(fā)任何類型的產(chǎn)品，不僅僅是用在金融行業(yè)。在未來，隨著底層協(xié)議的更加完善，任何需要第三方支付的產(chǎn)品都可以方便的使用區(qū)塊鏈技術(shù)；任何需要確權(quán)、征信和追溯的信息，都可以借助區(qū)塊鏈來實現(xiàn)。我個人覺得，這個目標(biāo)應(yīng)該很快就能實現(xiàn)。應(yīng)用層這個層面類似于電腦中的各種軟件程序，是普通人可以真正直接使用的產(chǎn)品，也可以理解為B/S架構(gòu)的產(chǎn)品中的瀏覽器端（Browser）。這個層面的應(yīng)用，目前幾乎是空白。市場亟待出現(xiàn)這樣的應(yīng)用，引爆市場，形成真正的擴張之勢，讓區(qū)塊鏈技術(shù)快速走進尋常百姓，服務(wù)于大眾。大家使用的各類輕錢包（客戶端），應(yīng)該算作應(yīng)用層最簡單、最典型的應(yīng)用。很快，億書將基于億書網(wǎng)絡(luò)推出文檔協(xié)作工具，這個就是典型的應(yīng)用層的產(chǎn)品。限于當(dāng)前區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展，億書只能從協(xié)議層出發(fā)，把目標(biāo)指向應(yīng)用層，同時為第三方開發(fā)者提供擴展層的強大支持。這樣做既可以避免貪多，又可以避免無法落地，是真正理性的開發(fā)路線。因為純粹的開發(fā)協(xié)議層或擴展層，無法真正理解和驗證應(yīng)用層