区块链生态系统的分层架构

引言

在过去的十年里，区块链被誉为最具突破性的技术。它极有可能对金融市场产生影响。这项技术正被应用于各种行业，包括医疗保健、保险、智能家居、制药，甚至政府。但迄今为止，区块链技术最成功的应用是比特币，这是一个点对点电子现金系统，也是第一个使用该技术的系统。因此，理解区块链技术最简单的方法是首先理解比特币系统是如何开发和实现的。简而言之，区块链是一个不断增长的数字数据条目列表。几个相互连接并由加密证明按存储顺序保护的数据块构成了这种列表。本教程的主要目的是解释区块链生态系统的分层架构。

区块链是什么意思？

区块链是一个不断扩大的数字数据记录列表。这种列表由多个相互连接并由加密证明按存储顺序保护的数据块组成。 区块链是一种特定类型的分布式账本技术 (DLT)，它由一个不断扩大的数据点或数据块列表组成，这些数据点或数据块经过加密并安全地相互链接。每个区块都包含一个时间戳、交易数据和前一个区块的加密哈希。这些通常在 Merkle 树中显示为叶子。时间戳证明了在创建区块时交易数据是存在的。每个区块都链接到前一个区块，并基本上形成一个链，因为它包含有关这些区块的信息（参见链表数据结构）。因此，区块链交易一旦被记录就不可逆转，因为这样做将需要逆转所有后续区块。

• 供应链、银行、医疗保健、教育和其他行业都受到区块链技术的影响，这是二十一世纪最具创新性的创新之一。
• 自 1990 年代初期其受欢迎程度开始几乎无可辩驳地增长以来，已经出现了无数的应用程序，这说明了随着数字经济的竞争迅速加剧，区块链可能产生的影响类型。

在 1990 年代，S. Haber 和 W. Scott Stornetta 在具有原始文档时间戳的密码安全区块链方面的开创性工作，促成了区块链的创建。

区块链技术的要素

以下是任何区块链生态系统的主要要素。

1. 节点应用：节点应用允许参与者成为任何有互联网连接的计算机，如果他们愿意的话。节点应用的两个例子是区块链和比特币钱包应用。例如，在一个充当银行链的区块链生态系统中，只允许银行参与。节点应用存在限制。
2. 分布式（或）共享数据库：这种类型的区块链允许用户访问共享数据库和内容。共享账本中包含必须遵循的规则列表。例如，操作比特币节点应用需要我们遵循应用程式码中指定的所有规则。
3. 共识算法：作为区块链系统的关键组成部分之一，共识算法对于网络的运行和安全至关重要。共识算法确保区块链数据安全且始终准确。它显示了网络节点如何选择接受哪些交易，并显示了网络的当前状态。此外，修改区块只需从其前身生成一个新区块并重做所有后续区块的内容这一要求，即可保护区块链免受操纵。与比特币可能需要几分钟才能保证账本一致性不同，Ripple 只需几秒钟。
4. 虚拟机：它是一个计算机程序，代表一个真实或想象的机器，可以通过用某种语言编写的命令来操作。它是存在于机器内部的机器的抽象。我们已经习惯了将现实世界的实体和对象抽象成它们的计算机生成虚拟对应物。想象一下你自己是图形应用程序用户界面上的一个按钮。按下屏幕上的按钮会导致计算机上程序状态的改变。您的驾驶执照在政府计算机上的显示方式可以作为另一个例子。
5. 点对点 (P2P) 网络：这些网络使用去中心化模型来促进多个对等节点之间的通信，而无需中央服务器。区块链网络上的每个节点都可以灵活地充当客户端和服务器，共同贡献和管理数据。区块链网络增强了数据可访问性，有助于系统防止信息丢失。

区块链的各个层

在区块链技术的背景下，生态系统是一组相互结合以创建特殊环境的元素。在基于区块链的生态系统中，不可变交易在分散节点网络中重复。下面描述了区块链（或数字账本）技术所基于的分层架构。

基础设施或硬件层

区块链的最顶层由硬件或基础设施组成。区块链的内容托管在数据中心的服务器上。客户端-服务器架构描述了客户端如何在网页浏览和其他应用程序中向应用程序服务器请求信息或内容。区块链技术通常使用计算机的 P2P 网络来计算、验证和记录共享账本中的交易，并按顺序格式化。结果是一个分布式数据库，记录所有信息、交易和其他相关数据。构成点对点网络的计算机称为节点。验证交易、将其组装成块、将其传播到网络以及其他任务都由区块链网络的节点处理。如果所有人都同意，节点将块提交到区块链网络并更新其本地账本副本。当设备加入区块链网络时，它被称为并用作节点。

数据层

由交易和指针组成的块的链表构成了用于表示区块链数据结构的链表的两个主要部分。由相互链接的块组成，每个块包含数据和对前一个块的引用，称为链表。指针是指示其他变量所在位置的变量。Merkle 树是一种哈希二进制树，包含 Merkle 根的哈希以及前一个块的日期、随机数、块版本号和当前难度目标的哈希。得益于 Merkle 树，区块链技术安全可靠且无可争议。哈希树，有时也称为 Merkle 树，是这样一种树，其中每个叶节点都标有数据块的加密哈希，每个非叶节点都标有其所有子节点的标签。区块链对交易进行数字签名，以确保存储在此处的数据的安全性和完整性。使用私钥签名的交易可以由拥有公钥的任何人验证。数字签名保证了数据完整性并确认了信息篡改，因为加密数据也经过签名。数据加密阻止信息被发现。此外，数字签名保护了发送者或所有者的身份。在区块链上，数据层决定了块的结构。

网络层

点对点 (P2P) 层是网络层的另一个名称。它还负责节点间通信，被称为传播层。网络层管理发现、区块传播和交易。为了保持区块链网络当前状态的有效性，网络层确保节点能够相互交互、同步和传播。P2P 网络是计算机网络，其中节点随机分布并共享任务以实现共同目标。区块链交易也由节点执行。有两种类型的节点，称为全节点和轻节点。挖矿共识规则执行以及交易验证和验证都由全节点实现。另一方面，轻节点只能存储区块链头并发送交易。

共识层

共识层对于区块链平台至关重要。共识层是所有区块链（无论是以太坊、超级账本还是其他区块链）中最关键和最基本的层。验证区块、按正确顺序排列它们并确保每个人都同意是共识层的职责。分布式点对点网络的共识层在节点之间建立了一组协议。共识层保持权力分散和去中心化。

激励层

堆栈的第四层是可选的激励层。此层管理网络节点因其达成共识的努力而获得的奖励。此层可能会或可能不会根据所使用的共识过程实施。为了在区块链上执行操作，此层指定了最低交易费用。网络上可用的不同类型的激励由此决定。

合约层

合约层中的数据，直接位于应用层旁边，描述了服务的操作以及将可用的数据类型，类似于现实世界合同中的数据。主要有四种不同类型的合约，下面简要介绍。

1. 服务合约：为了客户端和公众的利益，服务合约概述了端点功能以及在通信过程中将采用的协议。
2. 数据合约：这指定了服务交换数据的条件。客户端和服务都必须同意数据合约。
3. 消息合约：数据合约受消息协议的约束。其主要目的是修改 SOAP 消息参数的类型格式。应该指出，WCF 使用 SOAP 格式进行通信。这被称为简单对象访问协议。
4. 策略和绑定：策略和具有法律约束力的协议规定了与服务通信必须满足的要求。用户需要遵守此合约。
   • 应用层分为应用和执行两层。
   • 应用层包括客户用于与区块链网络交互的工具。
   • 应用层包括 dApps、智能合约、链码、用户界面以及脚本、API 和框架。许多应用程序将区块链网络作为其后端系统，并通过 API 与之互联。
   • 其子层，即执行层，由智能合约、链码以及基本准则组成。
   • 要从应用层进入执行层，交易必须首先在语义层进行验证和完成。
   • 为了处理交易并保持区块链的确定性，应用程序向执行层发送命令。

专业人士的区块链分层类型

以下是区块链分层类型的专业解释。

第 0 层

硬件。构成区块链生态系统的协议、连接和各种组件构成了第 0 层，它充当区块链的网络架构。区块链网络的一个例子就是这一层。除了促进链间通信，第 0 层还促进链间互操作性。它为解决未来的层可靠性问题提供了基本基础。第 0 层通常使用原生代币来促进参与和增长。

第 1 层

编码语言、协议、共识、争议解决以及缺点是区块链网络的基本操作，主要在第 1 层维护。初始层代表实际的区块链。这一层必须处理大量任务，这通常会导致可移植性问题。随着大量客户的加入，解决和向区块链添加区块所需的额外处理能力会导致更多的费用和更长的处理时间。通过采用改进的共识技术（如 PoS）和分片（将计算功能分成小部分）的发现，可移植性问题得到了显著缓解。

第 2 层

为了提高区块链的生产力，需要更多的处理能力。对更多节点的需求导致网络拥堵。区块链的去中心化性质只能通过添加节点来维持，但改变可扩展性、去中心化或吞吐量将影响其他第 1 层因素。这使得在不将所有处理转移到第 2 层（在第 1 层之上添加的层）的情况下扩展第 1 层成为不可能。通过允许集成第三方第 1 层解决方案，这成为可能。一个名为第 2 层的新网络重新设计了第 1 层并管理所有交易验证。第 2 层位于区块链生态系统中的第 1 层之上，并与第 1 层保持持续通信。然而，第 1 层是唯一负责监督（包括向区块链添加新区块）的实体。

第 3 层

区块链生态系统的最后一层也是肉眼可见的一层。最终，客户端将与第 3 层协议用户界面进行交互。这一层的目标是使 L1 和 L2 的工作更容易、更简单。除了提供用户界面 (UI)，L3 还提供质押应用程序、流动性供应、去中心化交易所以及链内和链间互操作性。dApps 是一种第 3 层接口，它使区块链技术在现实世界中得到应用。

以太坊区块链的层

以太坊区块链层包括

1. 一个用于网络隐私和验证的节点管理网络。
2. 一群创建区块的人。
3. 区块链和交易历史数据。
4. 网络的共识建立机制。

尽管以太坊核心与比特币非常相似，但以太坊提供了更多的适应性和用例。比特币和其他加密货币的交换只是区块链技术的众多应用之一。以太坊区块链目前领先于比特币。以太坊的目标不仅仅是实现比特币交易。

除了促进数字货币交易，以太坊的两个独特卖点是智能合约和 DApps。以太坊拥有自己的数字货币 Ether 和 Gas，它们可以替代比特币来资助平台的维护和所有应用程序。以太坊不受 2100 万数字货币的限制，而比特币则受限制。这是两个区块链网络之间的另一个重要区别。

除了促进加密货币交易之外，以太坊区块链还有许多其他应用。这些应用包括以下内容。

1. 智能合约
2. DApps

结论

区块链生态系统的分层架构包括区块链的元素、各种层、专业人士视角的各种层、以太坊区块链层。