《區(qū)塊鏈技術(shù)及應(yīng)用》區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建目錄/CONTENTS5.1網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)5.2去中心化5.3基于開源區(qū)塊鏈項目5.4編程案例本章小結(jié)思考題5.1.網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)5.1.1網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)通常來說，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)指的是一臺有獨(dú)立地址并具有傳送或接收數(shù)據(jù)功能的設(shè)備。而在區(qū)塊鏈中，節(jié)點(diǎn)必須具有以下幾個特點(diǎn)。（1）具有一定的存儲空間：任何節(jié)點(diǎn)都必須存儲整條區(qū)塊鏈或區(qū)塊鏈的一部分。（2）連接網(wǎng)絡(luò)：通常來說，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)由多個節(jié)點(diǎn)組成，因此這些節(jié)點(diǎn)必須通過網(wǎng)絡(luò)相連。（3）參與區(qū)塊鏈：任何一個區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)必須運(yùn)行與區(qū)塊鏈相關(guān)的程序。區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)具有一定的存儲空間連接網(wǎng)絡(luò)參與區(qū)塊鏈5.1.1網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)在現(xiàn)在的區(qū)塊鏈應(yīng)用中，區(qū)塊鏈中的節(jié)點(diǎn)可分為礦工節(jié)點(diǎn)、全節(jié)點(diǎn)和輕節(jié)點(diǎn)。1．礦工節(jié)點(diǎn)現(xiàn)有的礦工節(jié)點(diǎn)運(yùn)行于強(qiáng)大或?qū)Ｓ玫挠布ㄈ鏏SIC）上，它們唯一的目標(biāo)是盡可能快地挖出新區(qū)塊。2.全節(jié)點(diǎn)全節(jié)點(diǎn)驗證礦工挖出來的塊的有效性，并對交易進(jìn)行確認(rèn)。為此，它們必須擁有區(qū)塊鏈的完整副本。同時，全節(jié)點(diǎn)執(zhí)行路由操作，幫助其他節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)彼此。區(qū)塊鏈中的節(jié)點(diǎn)輕節(jié)點(diǎn)全節(jié)點(diǎn)礦工節(jié)點(diǎn)3．輕節(jié)點(diǎn)輕節(jié)點(diǎn)并不存儲整個區(qū)塊鏈副本，但是仍然能夠?qū)灰走M(jìn)行驗證（不過不是驗證全部交易，而是一個交易子集，如發(fā)送到某個指定地址的交易）。5.1.2區(qū)塊鏈的運(yùn)行機(jī)制通常來說，一個系統(tǒng)可以根據(jù)中心機(jī)構(gòu)的數(shù)量分為3類：中心化系統(tǒng)、多中心化系統(tǒng)和去中心化系統(tǒng)。（1）中心化系統(tǒng)：只存在一個中心機(jī)構(gòu)。（2）多中心化系統(tǒng)：同時存在多個中心機(jī)構(gòu)。（3）去中心化系統(tǒng)：不存在任何中心機(jī)構(gòu)。中心化系統(tǒng)（左）、多中心化系統(tǒng)（中）和去中心化系統(tǒng)（右）5.1.2區(qū)塊鏈的運(yùn)行機(jī)制區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)通常來說是去中心化的，這意味著沒有服務(wù)器，客戶端也不需要依賴服務(wù)器來獲取或處理數(shù)據(jù)。在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中，每個節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)的一個完全（Full-Fledged）成員。節(jié)點(diǎn)就是一切，它既是一個客戶端，也是一個服務(wù)器。區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)是一個P2P的網(wǎng)絡(luò)，即節(jié)點(diǎn)直接連接到其他節(jié)點(diǎn)。它的拓?fù)涫潜馄降?，因為在?jié)點(diǎn)的世界中沒有層級之分。5.2去中心化5.2.1去中心化的定義中心化的意思是中心決定節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)必須依賴中心，節(jié)點(diǎn)離開了中心就無法生存。去中心化恰恰相反，在一個分布有眾多節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)中，每個節(jié)點(diǎn)都具有高度自治的特征，每個節(jié)點(diǎn)都是一個“小中心”。由于中心化設(shè)計里存在著強(qiáng)大的中心機(jī)構(gòu)，因此可以解決許多技術(shù)上難以解決的問題，如對整個系統(tǒng)的監(jiān)督和管理。去中心化系統(tǒng)通常存在著效率低下的問題，但去中心化的系統(tǒng)具有能夠降低系統(tǒng)運(yùn)營成本、防止系統(tǒng)被中心機(jī)構(gòu)掌控的優(yōu)點(diǎn)。流通標(biāo)準(zhǔn)中心中心化去中心化5.2.2

工作量證明機(jī)制區(qū)塊鏈技術(shù)最重要的創(chuàng)新之一，便是通過工作量證明機(jī)制來實現(xiàn)分布式共識，同時通過提高攻擊成本來防御惡意攻擊。工作量證明的關(guān)鍵特點(diǎn)就是，分布式系統(tǒng)中請求服務(wù)的節(jié)點(diǎn)必須解決一個有難度但是可行的問題，但是驗證問題答案的過程對服務(wù)提供者來說非常容易，也就是一個不容易解答但是容易被驗證的問題。這種問題通常需要消耗一定的CPU時間來計算某個問題的答案，目前絕大部分的區(qū)塊鏈都選擇使用工作量證明的分布式共識機(jī)制，網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)通過執(zhí)行解密來獲得創(chuàng)建新區(qū)塊的權(quán)利。1.compute2.solve3.send4.vertifySenderReceiver5.2.3區(qū)塊鏈共識當(dāng)一個節(jié)點(diǎn)挖出一個新區(qū)塊后，默認(rèn)會立即將新區(qū)塊鏈接到本地存儲的區(qū)塊鏈的末尾，并且廣播到整個網(wǎng)絡(luò)中。其他節(jié)點(diǎn)在收到這一新區(qū)塊后，會驗證這一區(qū)塊的有效性并決定是否接收這一區(qū)塊。當(dāng)同時收到多個新區(qū)塊時，節(jié)點(diǎn)默認(rèn)只承認(rèn)那些連接到共識鏈（最長鏈）上最后一個被確認(rèn)的新區(qū)塊，并以第一個滿足條件的區(qū)塊所在的鏈為共識鏈。對于收到的其他區(qū)塊，節(jié)點(diǎn)可以自己選擇處理方式，推薦的方式為將較新的區(qū)塊以支鏈的形式保存起來。如果一個節(jié)點(diǎn)收到的區(qū)塊的索引遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于該節(jié)點(diǎn)當(dāng)前共識鏈的最后一個區(qū)塊的索引，那么說明該節(jié)點(diǎn)很有可能已經(jīng)失去與其他節(jié)點(diǎn)的同步，需要立即重新進(jìn)行同步（從其他節(jié)點(diǎn)下載區(qū)塊鏈）。按照上述共識機(jī)制，經(jīng)過一段時間的區(qū)塊競爭后，一定會有一條最長的共識鏈形成。5.2.3區(qū)塊鏈共識3個節(jié)點(diǎn)，區(qū)塊數(shù)量完全一樣，同一時刻只有一個節(jié)點(diǎn)挖出一個新區(qū)塊3個節(jié)點(diǎn)，區(qū)塊數(shù)量完全一樣，同一時刻不止一個節(jié)點(diǎn)挖出一個新區(qū)塊在上一張圖的人基礎(chǔ)上。礦工a又挖出一個新區(qū)塊一個節(jié)點(diǎn)長時間掉線收到一個比較舊的區(qū)塊緩存舊區(qū)塊，產(chǎn)生支鏈下圖為區(qū)塊鏈就最長鏈達(dá)成共識的詳細(xì)過程：5.3基于開源區(qū)塊鏈項目5.3.1Hyperledger超級賬本項目為透明、開放和去中心化的企業(yè)級分布式賬本技術(shù)提供了開源參考實現(xiàn)，并促進(jìn)了區(qū)塊鏈和分布式賬本相關(guān)協(xié)議、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展。作為一個聯(lián)合項目，超級賬本由用于不同目的和場景的子項目組成。所有項目都遵守ApacheV2許可，并約定共同遵守以下基本原則。（1）重視模塊化設(shè)計：包括交易、合同、一致性、身份、存儲等技術(shù)場景。（2）重視代碼可讀性：保障新功能和模塊都可以很容易添加和擴(kuò)展。（3）可持續(xù)的演化路線：隨著需求的深入和應(yīng)用場景的增加，不斷增加和演化新的項目。Hyperledger重視模塊設(shè)計重視代碼可讀性可持續(xù)的演化路線5.3.2

InterLedgerInterLedger是Ripple公司推出的一個跨賬本協(xié)議，旨在幫助銀行間進(jìn)行快速結(jié)算。Ripple公司的跨賬本協(xié)議允許參與者查看相同的賬本，通過該公司網(wǎng)絡(luò)，銀行客戶可以實現(xiàn)實時點(diǎn)對點(diǎn)跨境轉(zhuǎn)賬，無須中央組織管理，支持各國使用不同的貨幣。在InterLedger系統(tǒng)中，兩個不同的賬本系統(tǒng)可以通過第三方來進(jìn)行貨幣之間的兌換，如下圖所示。賬本系統(tǒng)不需要信任第三方，因為協(xié)議使用密碼算法為這兩個賬本系統(tǒng)和第三方創(chuàng)建資金托管，并且當(dāng)各方在資金上達(dá)成共識時，它們可以互相進(jìn)行交易。這意味著此類交易不需要受到法律合同的保護(hù)和過多的審查，大大降低了交易的門檻。5.3.2

InterLedger1.InterLedger協(xié)議功能InterLedger協(xié)議（InterLedgerProtocol，ILP）有3個關(guān)鍵功能，即具有ILP數(shù)據(jù)包、可進(jìn)行無信任發(fā)送和具有打包價值。InterLedger協(xié)議功能具有打包價值可無信任發(fā)送具有ILP數(shù)據(jù)包（1）具有ILP數(shù)據(jù)包：InterLedger協(xié)議的核心是ILP數(shù)據(jù)包，這是發(fā)送方、第三方、接收方之間使用的消息傳遞標(biāo)準(zhǔn)。（2）可進(jìn)行無信任發(fā)送：InterLedger的第二個關(guān)鍵功能是其能夠讓用戶通過第三方網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行匯款，而不需要信任它們。（3）具有打包價值：或?qū)⑤^大的轉(zhuǎn)賬分成許多低價值的數(shù)據(jù)包。5.3.3

steemSteem項目使用加密貨幣獎勵用戶，解決了現(xiàn)有社交平臺利潤分配不合理的問題。簡而言之，Steem是一個通過加密貨幣獎勵來支持社區(qū)建設(shè)和社交互動的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫。Steem的兩個重要特色：1．共識機(jī)制：Steem系統(tǒng)采用石墨烯技術(shù)，所以區(qū)塊鏈記賬采用的是DPoS算法。2．首創(chuàng)零手續(xù)費(fèi)：因為Steem使用新發(fā)行的代幣給見證人（記賬員）發(fā)工資，加上Steem使用的是DPoS共識機(jī)制，記賬員記賬不會有太大的工作量，所以大部分的價值可以保存下來并分發(fā)給平臺中的其他貢獻(xiàn)者。所有記賬員的工資占Steem系統(tǒng)每年產(chǎn)生新代幣總數(shù)的10%。DPoS共識機(jī)制5.4

編程案例5.4.1實現(xiàn)私有鏈1.準(zhǔn)備工作本小節(jié)的目標(biāo)是開發(fā)一個能夠在本地運(yùn)行的私有鏈，這一區(qū)塊鏈接收和存儲本地用戶上傳的數(shù)據(jù)，且每個用戶在上傳數(shù)據(jù)時需要提供自己的數(shù)字簽名以驗證自己的身份。簡易區(qū)塊鏈架構(gòu)如下圖：2.區(qū)塊結(jié)構(gòu)構(gòu)建在本小節(jié)中為簡便起見，我們只是簡單地將其以列表的形式進(jìn)行組織。一般來說，區(qū)塊鏈中的區(qū)塊必須包含下列元數(shù)據(jù)：區(qū)塊產(chǎn)生的時間，誰生成了這個區(qū)塊，上一個區(qū)塊的哈希值，工作量證明的結(jié)果等。每個區(qū)塊都必須包含以下屬性：前一個區(qū)塊的哈希值（hash）、工作量證明（proof）、索引（index）、時間戳（timestamp）以及交易列表（trans）5.4.1

實現(xiàn)私有鏈3.Blockchain類回憶一下前文對這個私有鏈的要求，它需要完成3個功能。（1）能夠接收區(qū)塊鏈擁有者上傳的數(shù)據(jù)，并把接收到的數(shù)據(jù)存儲到區(qū)塊鏈中。（2）能夠執(zhí)行工作量證明算法，產(chǎn)生存儲數(shù)據(jù)的新區(qū)塊，并將未確認(rèn)的數(shù)據(jù)寫入新區(qū)塊。（3）能夠?qū)?shù)據(jù)提交者的身份進(jìn)行驗證，只有通過了驗證，系統(tǒng)才會接收提交的數(shù)據(jù)。Blockchain類的功能是管理區(qū)塊鏈，它能執(zhí)行存儲交易、加入新區(qū)塊、驗證簽名等操作。在它的構(gòu)造方法中還創(chuàng)建了兩個列表：chain列表用于存儲區(qū)塊鏈，trans列表用于存儲尚未確認(rèn)的交易（數(shù)據(jù)）。newTrans()方法newBlock()方法hash()方法工作量證明機(jī)制signProof()方法lastBlock()方法經(jīng)過上圖的流程，Blockchain類的開發(fā)已經(jīng)基本完成了，它能夠驗證上傳數(shù)據(jù)者的身份，將未確認(rèn)的新交易緩存起來，創(chuàng)建新的區(qū)塊并將緩存的交易寫入其中。5.4.1實現(xiàn)私有鏈4.區(qū)塊鏈API開發(fā)首先，需要為Flask框架編寫HTML模板。目前我們需要兩個模板，一個是控制區(qū)塊鏈執(zhí)行各種操作的頁面的模板，另一個是提交交易的頁面的模板。編寫完模板之后，就需要為Flask框架定制接口了。/index區(qū)塊鏈應(yīng)用的首頁/chain查看區(qū)塊鏈上存儲的所有數(shù)據(jù)/newtrans接收和驗證用戶提交的數(shù)據(jù)/newblock執(zhí)行工作量證明算法并生成新的區(qū)塊編寫向外界提供4類接口5．測試與運(yùn)行編寫完成Blockchain類和接口.py文件之后，就可以開始運(yùn)行區(qū)塊鏈了。運(yùn)行結(jié)果如圖所示。sever.py腳本運(yùn)行結(jié)果5.4.1實現(xiàn)私有鏈Web服務(wù)器啟動之后，會顯示服務(wù)器綁定的IP地址和端口。復(fù)制命令行中的“:5000”，將其粘貼到瀏覽器地址欄中，在末尾加上前文編寫的某個接口的名稱。即可訪問我們編寫的頁面，其結(jié)果如下圖所示。

單擊“查看區(qū)塊鏈”按鈕，就可以看到目前區(qū)塊鏈中存儲的所有數(shù)據(jù)，其結(jié)果如圖所示。5.4.1實現(xiàn)私有鏈可以看到，目前區(qū)塊鏈中只存在初始化Blockchain類時建立的創(chuàng)世區(qū)塊?；氐降谝粋€頁面，單擊“新交易”按鈕就會進(jìn)入交易提交界面，如圖右所示。前3項可以任意填寫，因為目前的區(qū)塊鏈只負(fù)責(zé)存儲我們提交的數(shù)據(jù)而不會在意具體數(shù)據(jù)是否有意義。第4項和第5項需要輸入配套的公鑰和私鑰，公鑰和私鑰的生成如右圖所示。5.4.1實現(xiàn)私有鏈分別復(fù)制命令行中的公鑰和私鑰到交易提交頁面的兩個輸入框中，單擊“提交”按鈕即可查看交易提交是否成功。交易提交成功的結(jié)果如圖所示。另外一種產(chǎn)生配套的公鑰和私鑰的方法是在網(wǎng)上搜索“RSA密鑰在線生成”，可以找到一些提供配套RSA密鑰生成的網(wǎng)站，如圖所示。5.4.1實現(xiàn)私有鏈交易順利提交之后，再次訪問/chain接口，可以看到剛剛提交的交易還沒有加入?yún)^(qū)塊鏈。這是因為剛剛提交的交易還沒有通過工作量證明算法加入新區(qū)塊，目前仍處于未確認(rèn)狀態(tài)。回到第一個頁面，單擊“新區(qū)塊”按鈕就會開始執(zhí)行工作量證明算法，這個過程可能會需要一些時間，特別是如果hard被設(shè)置得太大，時間會更久。當(dāng)工作量證明算法完成之后，包含未確認(rèn)交易的新區(qū)塊產(chǎn)生并加入?yún)^(qū)塊鏈，數(shù)據(jù)正式被區(qū)塊鏈存儲，其結(jié)果如圖。5.4.1實現(xiàn)私有鏈再次訪問/chain接口，可以看到剛才提交的交易已經(jīng)被存儲到區(qū)塊鏈中了，其結(jié)果如圖。5.4.2

實現(xiàn)公有鏈在接下來的開發(fā)中，我們首先會在前文開發(fā)的私有鏈的基礎(chǔ)上，繼續(xù)擴(kuò)展區(qū)塊鏈的功能，將其變?yōu)橐粋€完全開放的、無許可必要的、任何人都可以參與其中的公有鏈。常見的公有鏈系統(tǒng)架構(gòu)如圖所示。1．準(zhǔn)備工作目標(biāo)：開發(fā)一個公有鏈節(jié)點(diǎn)，每個節(jié)點(diǎn)可以接收和存儲任意用戶上傳的數(shù)據(jù)，并且這些公有鏈節(jié)點(diǎn)可以通過網(wǎng)絡(luò)自動組成一個公有鏈網(wǎng)絡(luò)。5.4.2實現(xiàn)公有鏈2．改造Blockchain類改造的主要內(nèi)容如下。（1）能夠獲取其他節(jié)點(diǎn)的信息。（2）能夠驗證其他節(jié)點(diǎn)存儲的區(qū)塊鏈?zhǔn)欠窈戏?。?）能夠獲取區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中具有最長長度的區(qū)塊鏈。前文建立的區(qū)塊鏈的創(chuàng)世區(qū)塊并不是固定的，它還記錄了區(qū)塊鏈開始運(yùn)行的時間，這對私有鏈來說不存在任何問題，但對公有鏈或聯(lián)盟鏈來說，會造成很大的困擾。這是因為在公有鏈網(wǎng)絡(luò)中，為了保證不同節(jié)點(diǎn)存儲的區(qū)塊鏈都是安全、可信的，我們需要確保這些區(qū)塊鏈都具有共同的、不可被更改的祖先。這樣我們只需要從創(chuàng)世區(qū)塊開始，檢查之后的每一個區(qū)塊是否是根據(jù)事先設(shè)定的規(guī)則生成的，就可以驗證區(qū)塊鏈的合法性。init()方法validChain()方法registerNode()方法longChain()方法5.4.2實現(xiàn)公有鏈3．改造區(qū)塊鏈API由于公有鏈需要在能夠執(zhí)行私有鏈的各種操作的基礎(chǔ)上再增加節(jié)點(diǎn)注冊、數(shù)據(jù)驗證與同步等操作，因此我們勢必要對區(qū)塊鏈的API進(jìn)行改造，改造的主要內(nèi)容如下。（1）增加了/newnode接口，功能是調(diào)用Blockchain類中的registerNode()方法完成新節(jié)點(diǎn)的注冊。（2）增加了/synchronize接口，功能是驗證其他已知節(jié)點(diǎn)上存儲的區(qū)塊鏈的合法性，并完成區(qū)塊鏈的同步。4．多任務(wù)技術(shù)所謂的多任務(wù)技術(shù)是指操作系統(tǒng)可以同時運(yùn)行多個任務(wù)。多任務(wù)的實現(xiàn)有以下3種方式。（1）多進(jìn)程模式。（2）多線程模式。（3）多進(jìn)程+多線程模式。5.4.2實現(xiàn)公有鏈5．測試與運(yùn)行為了方便測試，本小節(jié)沒有使用自動化運(yùn)行，而是借助/newnode接口和/synchronize接口完成對公有鏈的測試工作。首先同時在兩個控制臺中運(yùn)行接口.py文件，并且為兩個接口進(jìn)程設(shè)置不同的端口（本例中為5000和5001）。運(yùn)行結(jié)果如圖。然后通過瀏覽器訪問兩個接口進(jìn)程對應(yīng)的首頁，即:5000/index和:5001/index。首頁的訪問結(jié)果如圖所示。5.4.2實現(xiàn)公有鏈接下來單擊“注冊新