区块链技术架构讲解课件

区块链技术架构讲解此PPT下载后可自行编辑修改你无法阻止像区块链这样的东西。它将无处不在，并迫使这个世界重新调整。区块链技术架构讲解此PPT下载后可自行编辑修改你无法阻止像区1开始啦！有电话可以随时接听，如有疑问可以随时打断我！开始啦！有电话可以随时接听，如有疑问可以随时打断我！2前言3“三体人之间的交流是镜面映射，所有信息都是公开透明的，他们可以互相读取对方的思维，所以无法隐瞒任何事情。”这是科幻作家刘慈欣在《三体》中的描绘。这种公开透明的思维方式跟区块链的去中心化思想是非常相似的。自比特币白皮书诞生以来，区块链技术的发展已有10年的历史。资本已经把区块链作为风口大力投入，创业公司如雨后春笋般涌现，巨头企业抢滩布局开发前沿技术。然而，除了“千帆竞技、百家争鸣”这样美好的场景，也存在一些暴富、神话、炒币、割韭菜、骗局等不和谐之声。在“区块链+”、“+区块链”的时代趋势下，有人怀疑泡沫即将破裂，有人坚信这场变革会带来巨大的机会，有人抛出威胁论……然而大多数人对区块链的理解还处于概念阶段，可能只知道一些技术术语，但并不真正知道它究竟是什么？目前，市场上也出现了许多区块链相关报告与书籍，大致分为三类：一类是以“数字经济之父”唐塔普斯科特的《区块链革命》为代表的描述区块链对社会阐述革命性影响的偏宏观书籍，一类是以安德鲁·安东普洛斯的《精通比特币》为代表的专注比特币研究的书籍，最后一类是以纳拉扬·普鲁斯蒂的《区块链项目开发指南》为代表的偏技术性书籍。这些书籍满足了目前市场上想对区块链有宏观认知的人士、对比特币技术有兴趣的人士，以及想了解区块链开发的技术人士的需求。但是，还有许多需求未被满足，如对区块链的架构进行系统的论述，对区块链不同应用场景的详细介绍。可能大家会比较奇怪，我们为什么要在区块链浪潮逐渐退却的时候选择发布这样一份报告。许多人认为这是区块链的再一次破灭，而我们认为这是区块链美好时代的开始。当资本回归理性，区块链走下神坛，那些真正关注技术和应用的公司才会走入大众视野。前言3“三体人之间的交流是镜面映射，所有信息都是公开透明的，3技术篇——激荡十年，技术革新5第一节区块链诞生背景第二节区块链的内涵与特点第三节区块链分类第四节区块链基础架构及技术解读技术篇——激荡十年，技术革新5第一节区块链诞生背景第二节区块4区块链技术架构解读——激荡十年，技术革新本章要点按照区块链的节点分布情况，区块链可分为公有链、联盟链和私有链三类区块链系统一般由数据层、网络层、共识层、激励层、合约层和应用层组成区块链是分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等计算机技术的新型应用模式“第二代互联网”区块链实现从信息互联网到价值互联网区块链的发展经历了数字货币时代、智能合约时代，将进入大规模应用时代区块链的特点是：去中心化、透明性、开放性、自治性、信息不可篡改及匿名性第1节：区块链诞生背景第2节：区块链的内涵与特点第3节：区块链分类第4节：区块链基础架构及技术解读Part

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技术篇6区块链技术架构解读——激荡十年，技术革新本章要点按照区块链的51.1

区块链诞生背景Part

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技术篇61.1区块链诞生背景Part1技术篇6Part

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技术篇区块链诞生背景区块链诞生的历史背景：生物进化论、自由主义经济学、无政府主义及分布式网络技术区块链虽然是一种社会热潮，但是它的诞生绝不是偶然。社会学上，区块链的诞生基于生物进化论，经济学上基于自由主义经济学，政治学上基于无政府主义，最重要的是分布式网络技术发展成熟。社会学背景-生物进化论信息社会的进化论不同于工业社会，是基于数字关系，是从控制到失控，从边缘到中心，从他治到自治。经济学背景-自由主义经济学哈耶克的自由主义经济学提到，要把货币的发行权还给任何一个人、机构，即货币非国家化。技术背景-分布式网络技术分布式网络技术成熟是区块链得以诞生的基础，没有分布式网络技术，就不可能产生区块链。政治学背景-无政府主义无政府主义在数字世界重新兴起，区块链最初是一些具有无政府主义价值观的人创造出来的。7Part1技术篇区块链诞生背景区块链诞生的历史背景：生Part

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技术篇区块链诞生背景第二代互联网：价值互联网、工业互联网、加密互联网、分布式互联网区块链被称为“第二代互联网”，主要是因为其可以实现从信息互联网到价值互联网、从消费互联网到工业互联网、从公开互联网到加密互联网、从中心化互联网到分布式互联网的转变。互联网： 1996 1998 2002 2009 2012 2013 2014 2016 2017E-Mail 门户网站 即时通讯 电商 O2O 出行 互金 共享 AI信息流电商资金流电商物流电商比特币可编程金融可编程社会8Part1技术篇区块链诞生背景第二代互联网：价值互联网Part

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技术篇区块链诞生背景加密技术、分布式网络技术快速发展为区块链的诞生奠定了强大的技术支撑1980Merkle

Ralf提出了Merkle-Tree这种数据结构和相应的算法1982Lamport等人提出拜占廷将军问题1985Neal

Koblitz和VictorMiller分别提出椭圆曲线密码学1990LeslieLamport提出具高容错的一致性演算法Paxos1991StuartHaber等提出用时间戳确保数位文件安全的协议1997Adam

Back发明Hashcash技术，为一种工作量证明算法2017及之后2016应用领域更广 Blockchain泛、更复杂的

3.0：应用于政智能合约 府、医疗等更复杂的智能合约出现2012Blockchain2.0：智慧资产、智能合约发布2008中本聪发表论文《比特币：点对点的电子现金系统》2005Hal

Finney提出可重复使用的工作量证明机制1998Wei

Dai发布匿名的分散式电子现金系统B-money2001NSA发布了SHA-2系列算法，其中就包括目前应用最广的SHA-256算法2014Blockchain2.5：强调代币应用、分散式帐本、资料层区块链，及结合人工智慧等金融应用9Part1技术篇区块链诞生背景加密技术、分布式网络技术Part

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技术篇区块链诞生背景区块链的发展经历了数字货币时代、智能合约时代，将进入大规模应用时代区块链发展大致经历了三个阶段，从1.0时代的数字货币，到2.0时代的智能合约，再到3.0时代对区块链技术全面应用的畅想。澳大利亚BTL公司主席John

Joseph

Foley曾表示：区块链3.0时代一旦降临，就将颠覆我们现在所有的认知，我们将跨入一个全新的时代，一个不再有信任危机的时代。111.02.03.0区块链1.0是以比特币

、莱特币等为代表的加密货币，是与转账、汇款和数字化支付相关的密码学货币应用数字货币时代区块链2.0是以以太坊、瑞波币为代表的智能合约，是经济、市场和金融领域的区块链应用智能合约时代区块链3.0是区块链技术在社会领域下的应用场景实现，为各种行业提供去中心化解决方案大规模应用时代Part1技术篇区块链诞生背景区块链的发展经历了数字货101.2

区块链内涵与特点Part

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技术篇111.2区块链内涵与特点Part1技术篇11区块链概念众说纷纭，主要是从区块链的价值、本质、技术三个方面去理解区块链的核心价值是将数据的所有权还给了用户，并帮助拥有数据所有权的用户通过分享数据、资源和能力来获得更合理的回报和收益。——董鳕，迅雷高级副总裁、网心科技营销副总裁区块链它本质上是一个技术体系，这个技术体系最核心的东西就用来防篡改和防抵赖，它是怎么做到的？它有很多技术方法，比如说它有共识多方维护，有密码学等等。——王宗友，腾讯科技区块链技术负责人从技术角度区块链是一个分布式数据库，每一个节点存储了全链的数据，区块链通过共识机制和P2P的传播协议保证了数据的最终一致性，通过密码学和链式存储方式防止抵赖和篡改。——张一杰，宜信翼启云服区块链实验室负责人区块链，本质上是一种去中心化的分布式账本，作为一种持续增长的、按序整理成区块的链式数据结构，通过网络中多个节点共同参与数据的计算和记录，并且互相验证其信息的有效性。——刘畅，榕树网络COOPart

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技术篇区块链内涵与特点12区块链概念众说纷纭，主要是从区块链的价值、本质、技术三区块链Part

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技术篇区块链内涵与特点区块链概念：分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等计算机技术的新型应用模式区块链技术起源于化名为“中本聪”的学者在2008年发表的奠基性论文《比特币：一种点对点电子现金系统》，关于区块链的定义有很多，但都是在技术与价值两个角度来阐述的。认为，区块链是分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等计算机技术的新型应用模式。工信部信息中心《2018年中国区块链产业白皮书》狭义区块链：区块链是一种按照时间顺序经数据区块以顺序相连的方式组合成的一种链式数据结构，并以密码学方式保证的不可篡改和不可伪造的分布式账本；广义区块链：区块链技术是利用块链式数据结构来验证和存储数据、利用分布式节点共识算法来生成和更新数据、利用密码学的方式来保证数据传输和访问的安全、利用由自动化脚本代码组成的智能合约来编程和操作数据的一种全新的分布式基础架构与计算范式。13Part1技术篇区块链内涵与特点区块链概念：分布式数据Part

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技术篇区块链内涵与特点区块链特点：去中心化、透明性、开放性、自治性、信息不可篡改及匿名性去中心化区块链不再依赖于中央处理节点，实现了数据的分布式记录、存储和更新透明性区块链的数据记录对全网节点是透明的，数据记录的更新操作也是透明的开放性除了数据直接相关各方的私有信息被加密外，区块链的数据对所有人公开自治性区块链采用基于协商一致的规范和协议，任何人为的干预都不能起作用信息不可篡改区块链系统的信息一旦经过验证添加至区块链后，就会永久储存，无法更改匿名性区块链的匿名性指每个人在区块链上只需要一个与真实身份无关的虚拟身份14Part1技术篇区块链内涵与特点区块链特点：去中心化、Part

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技术篇区块链内涵与特点区块链的核心是去中心化，实现了架构、治理和逻辑上的去中心化，但去中心≠消灭中心，只是弱中心去中心化区块链技术使用分布式核算和存储，不存在中心化的硬件或管理机构，任意节点的权力和义务都是均等的，系统中的数据由整个系统中具有维护功能的节点来共同维护。任一节点停止工作都不会影响系统整体的运作。需要注意的是，区块链的去中心化只是弱化了中心，并不是消灭了中心。以太坊创始人Vitalik

Buterin于2017年2月发表的《The

meaning

of

decentralization》一文中，详细阐述了去中心化的含义。他认为应该从三个角度来区分计算机软件的中心化和去中心化：架构、治理和逻辑：架构（去）中心化：系统由多少物理计算机组成？可容忍这些计算机多少台同时发生崩溃？治理（去）中心化：有多少个人或者组织最终控制着组成该系统的那些计算机？逻辑（去）中心化：指系统呈现的接口和数据是否像是一个单一的整体？中心式 分布式15Part1技术篇区块链内涵与特点区块链的核心是去中心化Part

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技术篇区块链内涵与特点区块链信息不可篡改，但是不可篡改≠不能篡改，只是篡改的成本较高信息不可篡改是区块链的信任来源之一，这也是区块链最容易被设想和应用落地的。例如将区块链技术应用于溯源，如京东建立的“京东区块链防伪追溯平台”、菜鸟网络和天猫国际利用区块链记录跨境进口商品的物流全链信息等。区块链的信息不可篡改也是具有两面性的，数据唯一、可信任是其核心优势，但是当身处复杂应用体系的时候，数据经常需要修改，如银行密码重置等，这对于不可篡改的区块链来说是硬伤。区块链不可篡改≠不能篡改，只是篡改的成本较高。以下三种情况均可对其进行篡改：信息不可篡改区块链是一个P2P的对等网络结构软件，没有服务器，每个节点都会存储一份完整数据，自己最多把自己节点上的数据修改，然而只修改自身数据不能得到其他节点的承认，无法验证通过，就不能将数据打包到区块之中。除此之外，一个数据打包进区块后，更改某个区块的数据，后续区块数据都需要修改，篡改难度大。51%攻击所谓51%

攻击，

就是说在整个网络中有人的算力超过了全网的51%

。这会破坏区块链的去中心化，

从而导致双花等。改变共识机制改变共识机制指如果之前使用的是POW机制，可以选择修改使用DPOS机制等，但这会使得区块链的可信度降低。分叉分

叉

也

就

是

“

复

制

并

修改”

，

选择分叉的一般是认为区块链的底层设计出现了错误，

通过分叉修改这些错误。16Part1技术篇区块链内涵与特点区块链信息不可篡改，但1.3

区块链分类Part

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技术篇171.3区块链分类Part1技术篇17Part

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技术篇区块链分类按照区块链的节点分布情况，区块链可分为公有链、联盟链和私有链三类按照网络范围（区块链的节点分布情况），区块链可分为三种类型：公有链、联盟链和私有链：公有链：节点不需要任何的身份验证机制，只需要遵守同样的协议，即可获取全部区块链上的数据，并且参与到区块链的共识机制中。联盟链：针对特定的某些组织机构开放的区块链系统。私有链：完全被某个组织机构控制并使用的区块链系统。高节点的分化程度低困难容易公有链联盟链私有链被单主体控制的难度公有链、联盟链及私有链对比分析属性公有链联盟链私有链参与者任何人自由进出联盟成员个体或公司内部共识机制POW/POS/DPOS分布式一致性算法分布式一致性算法记账人所有参与者联盟成员协商确定自定义激励机制需要可选不需要中心化程度去中心化多中心化（多）中心化突出特点信用的自建立效率和成本优化透明和可追溯承载能力3-20笔/秒1000-1万笔/秒1000-10万笔/秒典型场景虚拟货币支付、结算等企业内部审计等18Part1技术篇区块链分类按照区块链的节点分布情况，区根据对接类型，区块链可分为单链、侧链和互联链三类Part

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技术篇区块链分类“单链”指能够单独运行的区块链系统，这些区块链系统拥有完备的组件模块，自成一个体系。例如，比特币的主链和侧链、以太坊的主链和侧链、超级账本项目中的Fabric搭建的联盟链等。单链“互联链”是通过跨链技术连接不同区块链设施：包括数据结构和通信协议，互联互通所形成的一个更大的生态区块链。比如电商平台公有链+物流公有链+物流联盟链+银行联盟链

+.....，它们之间的相互协作、通讯、共识、就是一个典型的互联链。互联链“侧链”属于一种区块链系统的跨链技术，指遵守侧链协议的所有区块链，该词是相对比特币主链来说的。侧链协议是指可以让比特币安全地从比特币主链转移到其他区块链，又可以从其他的区块链安全地返回比特币主链的一种协议。侧链连接类型19根据对接类型，区块链可分为单链、侧链和互联链三类Part1根据生态的应用范围，区块链可分为基础链和行业链两类Part

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技术篇区块链分类连接类型 侧链基础链特征：提供底层且通用的各类开发协议和工具，方便开发者在上面快速开发出各种DAPP的一种区块链，一般以公有链为主。典型案例：ETH、EOS等行业链特征：底层技术不如基础链，但是为某些行业特别定制的基础协议和工具。如果基础链是通用性公链，那行业链可理解为专用性公链。典型案例：BTM、GXS、SEER等生态的应用范围20根据生态的应用范围，区块链可分为基础链和行业链两类Part1.4

区块链基础架构及技术解读Part

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技术篇211.4区块链基础架构及技术解读Part1技术篇21Part

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技术篇区块链基础架构及技术解读区块链系统一般由数据层、网络层、共识层、激励层、合约层和应用层六层组成区块链技术的基础架构模型如右图所示，区块链系统一般由数据层、网络层、共识层、激励层、合约层和应用层六层组成：数据层：封装了底层数据区块以及相关的数据加密和时间戳等技术要素；网络层：包括分布式组网机制、数据传播机制和数据验证机制；共识层：主要封装网络节点的各类共识算法；激励层：将经济因素集成到区块链技术体系中来，主要包括经济激励的发行机制和分配机制等；合约层：主要封装各类脚本、算法和智能合约，是区块链可编程特性的基础；应用层：封装了区块链的各种应用场景及案例。应用层可编程货币可编程金融可编程社会合约层脚本代码算法机制智能合约激励层发行机制分配机制共识层POWPOS……网络层P2P网络传播机制验证机制数据层数据区块哈希函数链式结构Merkle树时间戳非对称加密区块链基础架构模型22Part1技术篇区块链基础架构及技术解读区块链系统一般数据层是最底层的技术，涉及数据区块、链式结构、哈希算法等技术要素数据层——数据区块数据区块一般包含区块头和区块体。区块头封装了当前版本号、前一区块地址、当前区块的目标哈希值、当前区块POW等共识过程的解随机数、Merkle根以及时间戳等信息。数据层数据层将一段时间内接收到的交易数据和代码封装到一个带有时间戳的数据区块中，并按时间顺序链接到当前最长的主区块链上，生成最新的区块。该过程涉及数据区块、链式结构、哈希算法、Merkle

树、非对称加密和时间戳等技术要素。Part

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技术篇区块链基础架构及技术解读前一区块后一区块版本号前一区块时间戳随机数目标哈希交易2交易3交易4交易5交易6交易7交易8……Hash2Hash3Hash4Hash5Hash6Hash7Hash8……Hash34Hash56Hash78Merkle根 区块头Hash12Hash1交易1Hash1234Hash1~8Hash5678区块体区块结构23数据层是最底层的技术，涉及数据区块、链式结构、哈希算法数据层链式结构是保证区块链数据完整的基础，时间戳是区块数据的存在性证明数据层——链式结构取得记账权的矿工将当前区块链接到前一区块，形成最新的区块主链。各个区块依次环环相接，形成从创始区块到当前区块的一条最长主链，从而记录了区块链数据的完整历史。Part

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技术篇区块链基础架构及技术解读区块链链式结构区块头1区块头2区块头3前一区块的哈希值前一区块的哈希值前一区块的哈希值Merkle根Merkle根Merkle根区块1

交易详情区块2

交易详情区块3

交易详情数据层——时间戳时间戳是一个经加密后形成的凭证文档，可分为自建时间戳与具有法律效力的时间戳两种。时间戳主要包含三部分：第一，需加时间戳的文件摘要；第二，DTS收到文件的日期和时间；第三，DTS的数字签名。时间戳产生的过程：用户首先将需要加时间戳的文件用Hash编码加密形成摘要，然后将该摘要发送到DTS，DTS在加入了收到文件摘要的日期和时间信息后再对该文件加密（数字签名），然后送回用户。价值：时间戳可以作为区块数据的存在性证明，有助于形成不可篡改和不可伪造的区块链数据库，更为重要的是，时间戳为未来基于区块链的互联网和大数据增加了时间维度，使得通过区块数据和时间戳来重现历史成为可能。24链式结构是保证区块链数据完整的基础，时间戳是区块数据的数据层哈希函数是一种安全散列算法，具有正向快速、逆向困难、输入敏感和冲突避免的特点

Part

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技术篇区块链基础架构及技术解读正向快速逆向困难输入敏感冲突避免给定明文和hash算法，在有限时间和有限资源内能计算出hash值。给定若干hash值，在有限时间内很难（基本不可能）逆推出明文。原始输入信息修改一点信息，产生的hash值看起来应该都有很大不同。很难找到两段内容不同的明文，使得他们的hash值一致。哈希函数的特点数据层——哈希函数区块链通常并不直接保存原始数据或交易记录，而是保存其哈希函数值，即将原始数据编码为特定长度的由数字和字母组成的字符串后计入区块链。哈希函数：安全散列算法（Secure

Hash

Algorithm，缩写为SHA），能计算出一个数字信息所对应到的、长度固定的字符串（又称消息摘要）的算法。且输入的信息不同，它们对应到不同字串的几率很高。SHA家族的五个算法：SHA-1、SHA-224、SHA256、SHA-384和SHA-512，由美国国家安全局（NSA）所设计。常用的MD5也是一种哈希算法。SHA256函数解析任意一串数据 0-2^256整数SHA256函数25哈希函数是一种安全散列算法，具有正向快速、逆向困难、输 PMerkle树是区块链的重要数据结构，极大地提高了区块链的运行效率和可扩展性数据层——Merkle树Merkle树是区块链的重要数据结构，其作用是快速归纳和校验区块数据的存在性和完整性。结构：由一个根节点、一组中间节点和一组叶节点组成。叶节点包含存储数据或其哈希值，中间节点是它的两个孩子节点内容的哈希值，根节点也是由它的两个子节点内容的哈希值组成。运算过程：如右图所示，Merkle树运算过程一般是将区块体的数据进行分组哈希，并将生成的新哈希值插入到Merkle树中，如此递归直到只剩最后一个根哈希值并记为区块头的Merkle根。优点：首先极大地提高了区块链的运行效率和可扩展性，使得区块头只需包含根哈希值而不必封装所有底层数据，这使得哈希运算可高效运行在智能终端上；其次是可支持“简化支付验证”协议，即在不运行完整区块链网络节点的情况下，也能够对交易数据进行检验。Part

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技术篇区块链基础架构及技术解读H(D1）H(D10）H(D20）【…】【…】H(D11）H(D1-10）H(D11-20）H(D1-20）-Merkle根Merkle树示意图26Merkle树是区块链的重要数据结构，极大地提高了区块链的运非对称加密是为满足安全性需求和所有权验证需求而集成到区块链中的加密技术，其加密解密密钥不同数据层——非对称加密非对称加密是为满足安全性需求和所有权验证需求而集成到区块链中的加密技术，其采用的加密解密密钥是不同的，加密的称为公钥，解密的称为私钥。公钥加密，私钥解密，叫加密；私钥加密，公钥解密，叫数字签名。算法：RSA\DSA\Elgamal\Robin\D-H\ECC等特点：首先，用其中一个密钥（公钥或私钥）加密信息后，只有另一个对应的密钥才能解开；其次是公钥可向其他人公开、私钥则保密，其他人无法通过公钥推算出相应的私钥。目前区块链采用的非对称加密算法主要为ECC，即椭圆曲线加密算法，利用了某种特殊形式的椭圆曲线，即定义在有限域上的椭圆曲线，其方程如下：y2=x3+ax+b(mod

p)。其中，点（x，y）和一个无穷点O就组成了椭圆曲线E。Part

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技术篇区块链基础架构及技术解读yxx椭圆曲线示例

y比特币非对称加密机制示例私钥（50字符）公钥（65字节）私钥（256位）公钥（20字节）地址（33字符）SHA256RIPEMD160SHA256Base5827非对称加密是为满足安全性需求和所有权验证需求而集成到区数据层网络层封装了区块链系统的组网形式P2P网络、传播机制及验证机制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，结合实际应用需求，通过设计特定的传播协议和数据验证机制，可使得区块链系统中每一个节点都能参与区块数据的

校验和记账过程，仅当区块数据通过全网大部分节点验证后，才能记入区块链。Part

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技术篇区块链基础架构及技术解读网络层——P2P网络P2P网络是区块链的组网方式，P2P网络中的每个节点具有平等、自治、分布等特性，所有节点以扁平拓扑结构相互连通，不存在任何中心化的权威节点和层级结构，每个节点均拥有路由发现、广播交易、广播区块、发现新节点等功能。按照节点存储数据量的不同，可以分为全节点和轻量级节点：全节点保存了从创世区块到当前最新区块为止的完整区块链数据，并通过实时参与区块数据的校验和记账来动态更新主链，能够独立自主地校验所有交易，而不需借由任何外部参照；轻量级节点仅仅保存一部分区块链数据，其任务是“支付验证”，不是“交易验证”。比特币全节点及轻量级节点示意图钱包完整区块链网络路由节点矿工钱包网络路由节点28网络层封装了区块链系统的组网形式P2P网络、传播机制及验网络区块链传播与验证机制使得每个节点都能参与区块数据的校验和记账过程网络层——传播机制区块链传播机制：任一区块数据生成后，将由生成该数据的节点广播到全网其他所有的节点来加以验证。现有的区块链传播机制多根据比特币传播机制进行设计。比特币系统的交易数据传播协议包括如下步骤：Part

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技术篇区块链基础架构及技术解读网络层——验证机制区块链验证机制：P2P网络中的每个节点都随时监听网络中广播的数据及新区块。节点接收到邻近节点发来的数据后，将首先验证该数据的有效性。如果有效，则按照接受顺序为新数据建立存储池以暂存尚未计入区块的有效数据，同时继续向邻近节点转发；如果无效，则立即废弃该数据并终止传播。链条，而将被接受区块的随机哈希值视为先于新区块哈希值。比特币交易节点将新生成的交易数据向全网所有节点进行广播；每个节点都将收集到的交易数据存储到一个区块中；每个节点基于自身算力在区块中找到一个具有足够难度的工作量证明；当节点找到区块的工作量证明后，就向全网所有节点广播此区块；仅当包含在区块中的所有交易都是有效的且之前未存在过的，其他节点才认同该区块的有效性；其他节点接受该区块并在该区块末尾制造新的区块以延长该30区块链验证机制示意图节点一节点二数据传播如果无效

废弃该数据且终止传播建立存储池以暂存尚未记入区块的有效数据节点三如果有效

按照接受顺序为新数据

数据传播区块链传播与验证机制使得每个节点都能参与区块数据的校验网络层29共识层封装了共识机制，保障各节点高效的针对区块数据的有效性达成共识共识层——拜占庭将军问题拜占庭将军问题是由2013年图灵奖获得者Leslie

Lamport提出的一个共识问题，也是一个分布式节点传输所遇到的问题。背景及目的：拜占庭防御非常强大，需要十个邻邦的一半以上同时进攻才能攻破。问题在于，一些将军可能是叛徒，会发布假的（相反的）进攻意向以破坏作战计划。这时，将军们需要找到一种共识机制，可以远程协商，赢取战斗。传统解决方案：口头协议（又称为拜占庭容错算法，即利用通信次数换取信用，每个命令的执行都需要节点间两两交互去核验信息）和书面协议区块链解决方案：引入一个至少需要10分钟求解的工作量计算，限制网络中每个时刻中被提出的进攻时刻数目；将所有求解出的“工作量证明”都逐一加入，“工作量证明链”，记录着所有参与攻击时刻哈希计算的将军及其工作量证明，以及工作量总和；基于工作量证明，只要算力足够强大就可以在一致同意的时间内安全的展开攻击。共识层共识层的目的是能够在决策权高度分散的去中心化系统中，保障各节点高效的针对区块数据的有效性达成共识。最早的共识机制是POW，随着区块链技术发展，POS、DPOS等共识机制相继涌现。区块链共识层，即封装了这些共识机制。Part

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技术篇区块链基础架构及技术解读30共识层封装了共识机制，保障各节点高效的针对区块数据的有共识层共识机制需满足一致性和有效性两大性质，目前已出现POW、POS、RPCA等多种共识性质Part

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技术篇区块链基础架构及技术解读权益证明（POS）节点到节点（N2N）瑞波共识算法（RPCA）股权代理人共识（DPOS）POOl验证池PAXOS简化拜占庭容错（SBFT）RAFT实用拜占庭容错（PBFT）消耗时间量证明（POET）工作量证明（POW）区块链共识机制的目标是使所有的诚实节点保存一致的区块链视图，需满足两个性质：一致性和有效性，一般从安全性、扩展性、性能效率、资源消耗等四个维度来评价共识机制的技术水平。目前已出现了多种共识机制，包括POW（工作量证明法）、POS（权益证明法）、RPCA

（瑞波共识算法）、DPOS

（股权代理人共识）、PooI验证池等。共识机制的类型31共识机制需满足一致性和有效性两大性质，目前已出现POW、Pa“按劳分配”机制POW传播速度快但能源消耗大，“按资分配”机制POS节能但信用基础不牢固共识层——POW背景：POW在1999年

Markus

Jakobsson

和Ari

Juels的文章中被真正提出，实际上就是为信息的传递加入了成本，从而降低信息传递效率，并加入一个随机元素保证一段时间内只有一个节点可以有权进行信息广播。工作原理：简单理解为“按劳分配”，即付出多少劳动获得多少报酬，区块链中的劳动指你为网络提供的计算服务，即算力×时长。优点：理想状态下可以吸引很多用户参与其中，会促使区块链产品初始阶段快速发展，节点网络迅速扩大。缺点：算力是由计算机硬件CPU、GPU等提供的，能源消耗大，且用户也从个人挖矿发展到大的矿池、矿场，算力越来越集中，去中心化程度减弱。除此之外，其奖励会按照一定的周期减半，用户积极性会降低。Part

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技术篇区块链基础架构及技术解读共识层——POS背景：POS最初引入是作为一种手段来对抗已知的比特币网络攻击的，特别是51%攻击。在创始区块中会明确写明股权分配比例，之后通过转让、交易等方式逐渐分散股权，并通过“利息”的方式新增货币进行激励。工作机制：简单理解为“按资分配”，即根据用户持有货币的数量和时间，发放利息。优点：相对节能，不需要耗费大量电力和能源，同时，相对于POW机制更去中心化，但也有可能因为用户丢失等原因，导致通货紧缩。缺点：如果完全使用POS机制，只能通过IPO的方式发行，这会导致“少数人”低成本获得大量货币，可能会大量抛售，信用基础不牢固。因此，大部分区块链产品会采用POW+POS机制，或者采用DPOS机制。32“按劳分配”机制POW传播速度快但能源消耗大，“按资分共识层DPOS共识能耗低效率高但用户积极性不高，RAFT共识设计简单、易理解变现但易造成隐患共识层——DPOS背景：DPOS是在POW和POS的基础上发展起来的，其解决POW能耗高，避免POS权益分配下可能的“信任天平”偏颇。比特股最先引入这一机制，目的是用于发布去中心化自治公司，发行股份，产生利润并分配给股东。工作原理：由社区中选举出来的可信账户即得票数排行前101位来创建区块，这101个账户之前权力相等并可通过投票的方式更换。类似在股份制公司中，普通股民无法进入董事会，需要选举代表人来代替他们决策。优点：能耗更低，更加去中心化，确认速度快，出块时间短，效率非常高。缺点：用户投票的积极性不高，在处理坏节点的过程中存在诸多困难，可能会对网络造成安全隐患。Part

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技术篇区块链基础架构及技术解读共识层——RAFT背景：RAFT也是一种基于领导者的共识，由PAXOS衍生而来，是在复制状态机的背景下提出来的。在这个方法中，在一组服务器的状态机会产生同样状态的副本，因此，即使有一些服务器崩溃了，这组服务器也还能继续执行。工作原理：RAFT算法包含三种角色：跟随者（follower）、候选人（candidate）和领导者（leader），这三种角色可以随着时间和条件的变化相互转换。一般有两个过程，首先进行领导者选举，其次是日志复制，即记录日志和提交数据。优点：设计更为简单，容易被软件工程师所理解，更容易编码实现。缺点：RAFT算法从节点不会拒绝主节点的请求，容易出现隐患，且只能容错故障节点。33DPOS共识能耗低效率高但用户积极性不高，RAFT共识设计简各种共识算法具有不同的优缺点，区块链平台选择共识算法时需综合考虑各因素，有所舍弃Part

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技术篇区块链基础架构及技术解读35各种共识算法在拜占庭容错、确认速度、可扩展性、吞吐量（TPS）等方面都各有不同的优缺点，没有一种共识算法在各方面是完美的。各平台在选择共识算法的时候也需要综合考虑各因素，有所舍弃。各共识算法对比分析POWPOSDPOSPBFTRAFT拜占庭容错50%50%50%33%无确认速度60min＜100s＜100s＜10s＜10s可扩展性强强强弱弱吞吐量（TPS）＜100＜1000＜1000＜2000＞10k使用平台用户比特币、以太坊点点币、未来币比特股Hyperiedgerfabric0.6etcd来源：新时代区块链研究院各种共识算法具有不同的优缺点，区块链平台选择共识算法时Par34激励层将经济因素集成到区块链技术体系中，包括发行机制和分配机制激励层——发行机制发行机制主要针对的是公有链，主要对该链中数字货币发行的规定，包括发行数量、手续费等。以比特币为例，货币乘以每个区块比特币数量的总数是现有货币的总比特数。每个区块产生比特币的数量是随着区块的数量递减的。最初，每个区块可以产生50个比特币，当区块数量达到21万后，每个区块产生的比特币数量将降到25个，之后再降到12.5个。以此类推，到2140年，每个区块产生的比特币数量将降为10个，届时，比特币的数量将稳定在2100万个。36激励层激励层将经济因素集成到区块链技术体系中，主要包括经济激励的发行制度和分配制度，其功能是提供一定的激励措施，鼓励节点参与区块链中安全验证工作，并将经济因素纳入区块链技术体系中，激励遵守规则参与记账的节点，并惩罚不遵守规则的节点。Part

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技术篇区块链基础架构及技术解读比特币供给需求曲线P2100万 QD(q)𝑆2(𝑞)𝑆1(𝑞)如右图所示，比特币的生产成本随着比特币的数量增加而增加，供给曲线斜率增加，推高价格。在比特币数量稳定在2100万上限之后，其供给曲线将变成一条垂直的直线。随着需求曲线向外移动，需求增加，比特币价格也将继续上行。激励层将经济因素集成到区块链技术体系中，包括发行机制和激励层35不同的区块链系统分配机制不同，比特币系统已有13种分配机制，PPS和DGM最流行37Part

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技术篇区块链基础架构及技术解读分配机制是指，区块链系统中收入等经济资源的配置。正如中国“以按劳分配为主，多种分配方式并存的分配制度”，在每个区块链系统中，也有自己的一套分配机制。在比特币系统中，大量的小算力节点会选择加入“矿池”，通过集聚力量提高挖到新区块的概率，共享该区块的比特币和手续费奖励。据B统计，目前存在13种不同的分配机制，最流行的是PPS和DGM。比特币系统分配机制简述PPS根据股份比例为各节点估算和支付一个固定的理论收益PPLNS最后N个股份内贡献的实际股份比例来分配区块中的比特币DGM收取部分挖出的货币,然后在之後以正规化过的值返还给矿工PROT根据节点贡献的股份按比例的分

各合作节点根据其在配比特币ESMPPS均等支付SMPSS按资金最大值双几何制，在短期内

对每个贡献节点支付RSMPPS优先支付最近的矿工CPPSRB最高每股薪酬奖励BPM比特币联合开采POT目标薪酬制ELIGIUS提交工作证明赚取股份SCORE按比例分配奖励Triplemining将获得奖励的1%按照各个矿池计算力的比例分发不同的区块链系统分配机制不同，比特币系统已有13种分配机3736合约层封装区块链系统的各类脚本代码、算法以及智能合约等，可分为图灵完备和非图灵完备合约层发展：区块链1.0时代，合约层基本是缺失的，所以数字货币只能进行交易，而无法应用于其他领域或者进一步的逻辑推理。区块链2.0时代被称为智能合约时代，合约层正式出现，其他领域应用区块链成为可能。起源：合约层最早应用是以太坊提出的，以太坊合约层包括以太坊虚拟机和智能合约两部分。以太坊虚拟机封装了可以执行图灵完备的脚本语言，可以通过编写脚本语言作为智能合约部署到以太坊区块链中，实现对各行业的赋能。分类：智能合约根据图灵完备（指一系列操作数据的规则，如指令集、编程语言、细胞自动机等，可以用来模拟单带图灵机的可计算系统）与否可以分为两类：图灵完备和非图灵完备。图灵完备的智能合约具有强适应性，可以对逻辑复杂的业务进行编程，但也有可能陷入死循环。非图灵完备智能合约不能进行逻辑复杂的业务操作，但设计简单、效率高、系统安全。38合约层合约层封装区块链系统的各类脚本代码、算法以及由此生成的更为复杂的智能合约，是建立在区块链虚拟机之上的商业逻辑和算法，是实现区块链系统灵活编程和操作数据的基础。Part

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技术篇区块链基础架构及技术解读合约层封装区块链系统的各类脚本代码、算法以及智能合约等，合约37附录：专业名词附录38附录：专业名词附录3838专业名词解释区块链：分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等计算机技术的新型应用模式。自由主义经济学：指当代西方经济理论中强调自由放任理论与政策的经济学体系和流派，产生于20世纪20—30年代，70年代末以来，继承了资产阶级古典自由主义经济理论，并走向极端，大力宣扬自由化、私有化、市场化和全球化。分布式账本：不同于传统数据库技术的数字化所有权记录（因不需要中央管理员或中央数据存储）；这种账本能在点对点网络的不同节点之间相互复制，且各项交易均由私钥签署。无政府主义：又译作安那其主义，是一系列政治哲学思想，其目的在于提升个人自由及废除政府当局与所有的政府管理机构。节点：保存账本副本的共识网络或服务器的成员或系统，并可担任不同角色，如发出、验证、接收和通知等。概括而言，节点可被视作虚拟机实例。加密：通过Quorum结构及保密码，实施交易完整性验证及密码验证的过程，无需信任或依靠中央权力。散列函数：一个应用编程界面通过名为散列的流程为每个文件创建唯一的钥匙或数字指纹。公钥：其他钱包将交易金额发送至这一公共地址。私钥：唯一与所有者连接且只有交易参与方知道的加密钥匙；秘密地锁在数字钱包中。可扩展性：在受到大量运营请求测试时，能够应对、完成逐渐增加的吞吐量并保持甚至提高性能水平或效率的能力。延迟性指交易处理延迟。吞吐量：衡量在规定时间内可以处理多少宗交易的标准。附录39专业名词解释区块链：分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加39专业名词解释SHA-1：一种密码散列函数，美国国家安全局设计，并由美国国家标准技术研究所（NIST）发布为联邦数据处理标准（FIPS）。SHA-1可以生成一个被称为消息摘要的160位（20字节）散列值，散列值通常的呈现形式为40个十六进制数。RSA算法：一种非对称加密算法，1977年由罗纳德·李维斯特（Ron

Rivest）、阿迪·萨莫尔（AdiShamir）和伦纳德·阿德曼（Leonard

Adleman）一起提出，通常是先生成一对RSA

密钥，其中之一是保密密钥，由用户保存；另一个为公开密钥，可对外公开，甚至可在网络服务器中注册。DSA算法：Schnorr和ElGamal签名算法的变种，被美国NIST作为DSS(DigitalSignature

Standard)，是基于整数有限域离散对数难题的，其安全性与RSA相比差不多。Elgamal算法：一种较为常见的加密算法，它是基于1985年提出的公钥密码体制和椭圆曲线加密体系，既能用于数据加密也能用于数字签名，其安全性依赖于计算有限域上离散对数这一难题。D-H算法：安全性基于在有限域中计算离散对数的难度的一种加密算法。可用于密钥分发，但不能用于加/解密报文，核心思想是求有限域上离散对数。ECC算法：椭圆加密算法，一种建立公开密钥加密的演算法，基于椭圆曲线数学。椭圆曲线在密码学中的使用是在1985年由NealKoblitz和Victor

Miller分别独立提出的。区块：一个区块是一个数据包，其中包含零个或多个交易，前块（“父块”）的散列值，以及可选的其他数据。除了初始的“创世区块”以外，每个区块都包含它父块的散列值，区块的全部集合称为区块链，其包含了一个网络里的全部交易历史。附录40专业名词解释SHA-1：一种密码散列函数，美国国家安全局设计40专业名词解释共识机制：区块链或分布式账本技术应用的一种无需依赖中央机构来鉴定和验证某一数值或交易的机制。共识机制是所有区块链和分布式账本应用的基础。RPCA：瑞波共识算法，使一组节点能够基于特殊节点列表形成共识。初始特殊节点列表就像一个俱乐部，要接纳一个新成员，必须由该俱乐部51%的会员投票通过。PAXOS：一种传统的分布式一致性算法，是一种基于选举领导者的共识机制。领导者节点拥有绝对权限，并允许强监督节点参与，其性能高，资源消耗低。所有节点一般有线下准入机制，但选举过程中不允许有作恶节点，不具备容错性。PBFT：实用拜占庭容错，这是分布式计算系统的一个特征，容忍一定程度的错误，而且支持该系统继续运行并达成协议。今天，传统的拜占庭共识协议在概念验证设置中扮演着一定角色。在此类设置中，所有节点均相互认识（已许可系统。网络中的已验证及受信任的验证人随机选取，但总是需要大多数通过，对拜占庭伪装者及Sybil攻击有很好的防护性能）。SBFT：简化拜占庭容错，这个算法中，区块验证者是一个知名的机构。一定数量的节点一定要接受这个区块，当然这取决于错误节点的数量。在这样的系统中，最少要有

2f+1

的节点必须要接受商业网络中的新区块，f

就是错误节点的数量。POOI验证池：基于传统的分布式一致性技术以及数据验证机制，Pool（联营）验证池是目前行业内大范围使用的共识机制。POET：消耗时间量证明，超级账本锯齿湖项目中使用的共识。每个参与者都需要有个等待时间，来确保安全的程序集。获得最短等待时间的参与者会被选为挖出区块，经过等待时间，挖出区块。N2N：节点到节点，只有交易涉及的两个节点参与的机制，回避了传统的共识机制。附录120专业名词解释共识机制：区块链或分布式账本技术应用的一种无需依41附录：参考文献附录42附录：参考文献附录4242参考文献《区块链革命：比特币底层技术如何改变货币、商业和世界》，【加】唐塔普斯科特《区块链技术驱动金融：数字货币与智能合约技术》，【美】阿尔文德·纳拉亚南、【美】约什·贝努《区块链：从数字货币到信用社会》，【中】长铗、【中】韩锋《区块链启示录：中本聪文集》，【美】菲尔·尚帕涅《商业区块链：开启加密经济新时代》，【美】威廉·穆贾雅《区块链项目开发指南》，【印】纳拉扬·普鲁斯蒂《区块链：赋能万物的事实机器》，【美】保罗·维格纳、【美】迈克尔·凯西《区块链：定义未来金融与经济新格局》，【中】张健《解密比特币》，【中】刘宁、【中】沈大海《重塑银行业：论突破性技术如何在下一个十年带来行业聚变》，德勤《区块链共识：价值互联的不变协议》，毕马威《杭州市区块链产业发展报告》，杭州市人民政府金融工作办公室《2018区块链招聘分析报告》，链塔智库《_国内区块链研究热点的文献计量分析》，王发明、朱美娟《区块链技术发展现状与展望》，袁勇、王飞跃附录43参考文献《区块链革命：比特币底层技术如何改变货币、商业和世界43感谢聆听！感谢聆听！44区块链技术架构讲解此PPT下载后可自行编辑修改你无法阻止像区块链这样的东西。它将无处不在，并迫使这个世界重新调整。区块链技术架构讲解此PPT下载后可自行编辑修改你无法阻止像区45开始啦！有电话可以随时接听，如有疑问可以随时打断我！开始啦！有电话可以随时接听，如有疑问可以随时打断我！46前言47“三体人之间的交流是镜面映射，所有信息都是公开透明的，他们可以互相读取对方的思维，所以无法隐瞒任何事情。”这是科幻作家刘慈欣在《三体》中的描绘。这种公开透明的思维方式跟区块链的去中心化思想是非常相似的。自比特币白皮书诞生以来，区块链技术的发展已有10年的历史。资本已经把区块链作为风口大力投入，创业公司如雨后春笋般涌现，巨头企业抢滩布局开发前沿技术。然而，除了“千帆竞技、百家争鸣”这样美好的场景，也存在一些暴富、神话、炒币、割韭菜、骗局等不和谐之声。在“区块链+”、“+区块链”的时代趋势下，有人怀疑泡沫即将破裂，有人坚信这场变革会带来巨大的机会，有人抛出威胁论……然而大多数人对区块链的理解还处于概念阶段，可能只知道一些技术术语，但并不真正知道它究竟是什么？目前，市场上也出现了许多区块链相关报告与书籍，大致分为三类：一类是以“数字经济之父”唐塔普斯科特的《区块链革命》为代表的描述区块链对社会阐述革命性影响的偏宏观书籍，一类是以安德鲁·安东普洛斯的《精通比特币》为代表的专注比特币研究的书籍，最后一类是以纳拉扬·普鲁斯蒂的《区块链项目开发指南》为代表的偏技术性书籍。这些书籍满足了目前市场上想对区块链有宏观认知的人士、对比特币技术有兴趣的人士，以及想了解区块链开发的技术人士的需求。但是，还有许多需求未被满足，如对区块链的架构进行系统的论述，对区块链不同应用场景的详细介绍。可能大家会比较奇怪，我们为什么要在区块链浪潮逐渐退却的时候选择发布这样一份报告。许多人认为这是区块链的再一次破灭，而我们认为这是区块链美好时代的开始。当资本回归理性，区块链走下神坛，那些真正关注技术和应用的公司才会走入大众视野。前言3“三体人之间的交流是镜面映射，所有信息都是公开透明的，47技术篇——激荡十年，技术革新5第一节区块链诞生背景第二节区块链的内涵与特点第三节区块链分类第四节区块链基础架构及技术解读技术篇——激荡十年，技术革新5第一节区块链诞生背景第二节区块48区块链技术架构解读——激荡十年，技术革新本章要点按照区块链的节点分布情况，区块链可分为公有链、联盟链和私有链三类区块链系统一般由数据层、网络层、共识层、激励层、合约层和应用层组成区块链是分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等计算机技术的新型应用模式“第二代互联网”区块链实现从信息互联网到价值互联网区块链的发展