区块链｜区块链技术及应用参考架构解读

今天的区块链设计超越了加密货币。 它已经发展成为一个支持跨行业应用创意的平台，以满足公共和企业的需求。

下面显示的参考架构将构成为跨行业用例构建或实施区块链应用程序的基础。 它描绘了一个分层架构，该架构提供了为企业需求实施区块链应用程序所需的组件和服务。 它可用于根据业务目标为单个或多个网络（涉及多个业务单元或组织）开发区块链。

可以按照参考架构设计许可（私有、联盟）和无许可（公共）区块链应用程序。

上述参考架构可用于构建任何区块链应用程序。 该系统满足重要的逻辑，这些层是应用层、智能合约层、集成层、分布式账本层和安全层。

让我们看一下图层及其组件：

应用层

最终用户或客户端应用程序驻留在应用程序层。 客户端应用程序通常通过启动事务来启动相关的业务工作流。 交易由节点使用智能合约执行。 客户端应用程序可以用任何软件语言实现并在各种操作系统上运行。 该应用程序可以使用任何区块链框架实现并提供命令行界面 (CLI) 工具，也可以使用特定语言的 SDK（软件开发工具包）与网络上的节点进行通信。 随着区块链的发展，融合技术超越了基于数字加密货币网络的传统概念。 支持区块链框架的不同类型的客户端和工具。 客户端应用程序还可以监听区块链网络上发生的各种类型的事件比特币的应用程序，并对这些事件执行必要的操作。 该事件可以像从网络向应用程序提供状态更新一样简单。 也可以有一个单独的专用应用程序来监控区块链网络。

智能合约层

智能合约是代表区块链网络中交易的软件代码。 它是区块链网络中节点调用相关业务规则或条件的一组代码（IF-THEN）。 智能合约可以具有自动执行和运行的规则或虚拟机环境。 它可以在虚拟容器等安全环境中运行。 智能合约可以用任何软件语言实现，目前流行但不限于Java、Python、Go、Java和Scala。 智能合约也可以编写为服务并放置在注册表中，以便客户可以以与位置无关的方式查找合约。 可以保护注册表并控制访问，以便只有授权的客户才能根据该合同行事。 加密哈希算法可用于保护智能合约本身，使其内容（软件代码和相关元数据）保密。 还可以对智能合约进行编程，以将交易状态转换作为事件进行通信或广播。 它可以是合约本身的生命周期事件，应用程序客户端可以相应地监听和处理这些事件。

积分层

在当今颠覆性的技术世界中，应用程序集成和通信势在必行，没有任何平台可以独立存在。 区块链也是如此，区块链网络应该可以访问网络外的任何数据。 数据可以是可以为区块链工作流程提供重要价值的任何外部应用程序或系统的一部分。 同样，外部系统也必须能够与区块链网络通信。 一种方法是设置外部事件中心作为通过事件处理与外部系统交换数据的媒介。 外部应用程序可以侦听集线器上的特定事件并相应地执行特定任务。 另一方面，智能合约可以侦听来自外部系统的事件并相应地执行业务功能。

人工智能 (AI) 集成层

我们知道，区块链本质上是一种分布式账本，采用基于共识的去中心化、自动化方式进行交易结算过程。 那么比特币的应用程序，人工智能在哪些方面适合区块链？ 人工智能会受到数据的影响。 区块链，一个包含大量交易的数据库，可以像人工智能分支的机器学习一样使用，它可以将复杂的算法应用于数据，以优化特定的业务功能。 人工智能的分支也可用于改进整体业务流程或工作流程。 人工智能算法可以检测重大异常并执行预测建模或分析，以找到降低交易成本并增加区块链网络各方业务收入的指标。 人工智能解决方案还可用于需要自主工作的系统之间的共识。

云端整合层

区块链架构可以扩展以实现托管在云上的组件，这些组件可以提供路由、数据转换、协议转换、扩展证书授权等应用程序集成服务。该组件可以充当中间件，提供其“区块链功能” . 云中的“服务”功能。 区块链实现可以提供适配器以连接到来自区块链网络内部和网络外部的中间件组件。 区块链中间件组件可以托管在安全的“沙盒”环境或安全的虚拟容器中。 外部应用程序在获得访问区块链网络的有效凭证后，可以使用适配器与区块链中间件进行交互。

物联网集成层

集成的新趋势将涉及智能设备，任何设备都可以与区块链网络通信。 不同类型的物联网设备或传感器可以将数据注入区块链网络，然后由区块链节点进行验证。 可以实施标准化的中间件，从设备获取数据并根据区块链网络的要求执行必要的数据转换和转换。 然后，区块链网络中的对等点或节点可以使用智能合约使用特定的共识算法来验证此数据。

分布式账本层

这个分布式账本是区块链架构中的核心持久层。 它提供了一个包含交易条目的去中心化和分布式数据库。 这些条目按它们出现的顺序记录并形成哈希块。 因此，数据库或分类账代表交易的散列区块链，每个区块都引用链中的前一个区块。 账本在整个区块链网络中共享，这意味着每个节点都有一份账本副本，每个节点独立验证交易。 当每个节点都同意并确认交易的真实性时，账本就被认为是一致的。 区块链网络使用不同的共识算法来达成共识。 共识算法是一组管理交易的规则和条件。 为公众实施的区块链网络有一个无需许可的分类账，而在私有网络或联盟中，分类账可以被许可。 许可分类账在访问和管理事务的方式中引入了某种形式的访问控制。

账本管道层

对于基于许可的区块链网络，可以实施一种称为账本管道的模式。 管道可以被认为是区块链网络中的私有通道，其中两个或多个节点更私密地执行交易。 节点必须是成员并且有权使用这些管道。 管道是大网络中的小网络。 在企业中实施区块链时，该模型进一步增强了安全性。

共识算法层

区块链网络通常由不受信任的匿名实体或节点控制。 共识是关于在网络中提供信任因素。 每个节点都可以用交易形式的数据更新区块链网络，这些数据最终需要经过验证才能正式记录为分类帐中的块。 有不同的共识算法可以传达如何创建和验证块（交易），从而加强对网络的信任。

实用拜占庭容错 (PBFT)

这是基于大多数人的共识。 每个节点根据给定的一组规则或条件更新和验证区块链网络。 如果网络中的大多数节点在更新时反映相同的结果，则称该网络是一致的。 可能有少数流氓节点违反了网络规则，但他们的结果不被接受，因为他们违反了公认的算法。 该算法应满足必要条件，并且所有节点必须同意并执行相同的条件才能达到所需的输出。

工作量证明 (PoW) 层

最早设计的传统算法之一是工作量证明。 基于比特币的区块链网络和以太坊使用这种算法。 与 PBFT 不同，PoW 不需要基于多数的共识。 这是一种需要大量计算工作的算法。 只有算力更大的节点才能占用 PoW。 第一个完成任务并获得所需输出的节点有机会创建区块并因其努力而获得补偿或奖励。 PoW 通常涉及某种加密散列来实现预期的目标或结果。

权益证明 (PoS) 层

使用 PoW 需要巨大的计算能力，从而导致高能耗。 这可能不是所希望的。 PoS 通过提供一种称为用户权益的替代方法来克服这个问题。 拥有或拥有最高数字货币（或某些资产）的用户有机会在区块链网络中创建区块。 因此，与其投资高性能的计算节点，不如购买加密货币（或拥有资产）并增加其股份来验证和创建交易区块。

安全层

安全性是区块链架构中的重要组成部分之一。 基于区块链的实现——无论是许可的还是非许可的，都应用了所需的安全和共识策略。 在公共区块链中，每个节点都可以参与网络，而在许可网络中，您拥有某种形式的访问控制，只允许必要的节点参与交易。

区块链网络中的每个实体都必须绑定到一个身份。 在非许可网络中，实体通常仅限于参与交易的用户，而在许可网络中，实体包括组织、节点、用户以及在区块链网络中发挥作用的任何事物。

对于许可区块链，可以使用公钥基础设施 (PKI) 平台，其中受信任的证书颁发机构 (CA) 可以颁发加密凭证。 密码凭证可以采用证书和密钥的形式。 私钥可用于签名，公钥可用于验证。 它形成了一个可信的网络，所有参与者都知道他们是谁以及他们的信任根源。

现在，由于参与区块链网络的各方可能会使用他们自己的加密凭证，可能会建立他们自己的 CA，因此区块链实现提供即插即用服务或某种程度的抽象至关重要，以有效地管理、验证和验证网络上的实体使用不同的安全机制。

总之，区块链安全应具备五项有效措施。 身份验证、访问控制、完整性、机密性和不可否认性。

区块链可以看作是继互联网之后的下一波互联网革命，尤其是在商业领域。

提供共识、身份管理出处、密码学和策略安全的自我调节环境将为新一代应用程序铺平道路，这些应用程序将为区块链网络提供更强大的基础设施支持。 今天存在许多不同类型的区块链，从以太坊等无需许可的分类账到 IBM HyperLedger 等许可分类账。 区块链的行业用例已经从以加密货币为中心的金融部门发展到保险、供应链、医疗保健、物联网和其他各种行业。

基于这些应用场景，区块链的思考已经开始，云计算、大数据、人工智能、物联网和分布式账本的组合功能将带来创新的商业解决方案。

沈浩先生

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中国传媒大学新闻学院教授、博士生导师

中国传媒大学调查统计研究所所长

大数据挖掘与社会计算实验室主任

数据艺术家