【读书笔记】《图解区块链》原理篇之三：区块链底层架构

【读书笔记】《图解区块链》原理篇之三：区块链底层架构

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一、区块链的模型架构

1.数据层  主要描述区块链技术的物理形式。

2.网络层  主要目的是实现区块链网络中节点之间的信息交流。

3.共识层  让高度分散的节点在去中心化的系统中高效地针对区块数据的有效性达成共识。

4.激励层  提供一定的激励措施，鼓励节点参与区块链的安全验证工作。

5.合约层  主要指各种脚本代码、算法机制以及智能合约等。

6.应用层  封装区块链的各种应用场景和案例。

二、区块链的基本类型

1.公有链

公有链是指全世界任何人都可读取、任何人都能发送交易且交易能获得有效确认，任何人都能参与共识过程的区块链。（授权给所有人，任何人都可以参与）

公有链特点：

保护用户免受开发者的影响

访问门槛低

所有数据默认公开

2.私有链

私有链是指其写入权限仅在一个组织手里的区块链，目的是对读取权限或者对外开放权限进行限制。（授权给单独的个人或实体）

私有链特点：

交易速度快

更好地保障隐私

交易成本低甚至为零

有助于保护其基本产品不被破坏

3.联盟链

联盟链是指其共识过程受到预选节点控制的区块链。可能会允许每个人读取，也可能会受限于参与者走混合路线。（由联盟链中的机构决定授权，超过半数确认，区块生效）

4.许可链、混合链和复杂链

许可链是指每个节点都需要许可才能加入的区块链系统，私有链和联盟链都属于许可链。

随着区块链技术的发展，区块链技术架构不再简单地划分为私有链和公有链，界限越来越模糊，从而出现了复杂链和混合链的概念。

三、区块链的共识机制

1.工作量证明

工作量证明(Proof of Work，简称PoW)通常只能从结果证明，因为监测工作过程通常是繁琐且低效的。

PoW优点：完全去中心化，节点自由进出。

PoW缺点：比特币已吸引全球大部分的算力，其他再使用PoW共识机制的区块链应用很难获得相同的算力来保障自身的安全；挖矿造成大量资源浪费；共识达成周期较长。

2.权益证明

权益证明(Proof of Stake，简称PoS)由“Quantum Mechanic”2011年在比特币论坛讲座上首先提出，后经Peercoin（点点币）和NXT（未来币）以不同思路实现。

PoS的主要理念是节点记账权的获得难度与节点持有的权益成反比。

PoS优点：在一定程度上缩短了共识达成的时间，不再需要大量消耗能源去挖矿。

PoS缺点：还是需要挖矿，本质上没有解决商业应用的痛点。所有的确认都只是一个概率上的表达，理论上有可能存在其他攻击影响。

3.股份授权证明（简称DPoS）

它与PoS的主要区别在于节点选举若干代理人，由代理人验证和记账，但其合规监管、性能、资源消耗和容错性与PoS相似。

DPoS优点：大幅缩小参与验证和记账节点的数量，可以达到秒级的共识验证。

DPoS缺点：整个共识机制还是依赖于代币，而很多商业应用是不需要代币的。

4.投注共识

投注共识是以太坊下一代的共识机制Casper（鬼马小精灵）引入的一个全新概念，属于PoS。Casper的共识是按区块达成的，而不是像PoS那样按链达成。

5.瑞波共识机制

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。它比其他系统更中心化。

6.Pool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。

Pool优点：不需要代币也可以工作，在成熟的分布式一致性算法（Pasox、Raft）的基础上，实现秒级共识验证。

Pool缺点：去中心化程度不如比特币，更适合多方参与的多中心商业模式。

7.实用拜占庭容错

实用拜占庭容错机制是一种采用“许可投票、少数服从多数”来选举领导者并进行记账的共识机制。

该共识机制允许拜占庭容错，允许强监管节点参与，具备权限分级能力，性能更高，耗能更低，而且每轮记账都会由全网节点共同选举领导者，允许33％的节点犯错，容错性为33％。由于特别适合联盟链的应用场景，实用拜占庭容错机制及其改进算法为目前使用最多的联盟链共识算法。

8.授权拜占庭容错

授权拜占庭容错，是2016年4月，小蚁公司发布共识算法白皮书中，描述的一种通用共识机制，是在实用拜占庭算法基础上的进行的改进。

9.帕克索斯算法

这是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，并允许强监管节点参与，其性能高，资源消耗低。但其选举过程不允许有作恶节点，不具备容错性。