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区块链技术可扩展方案分层模型综述

2018-8-30 23:43

来源: 火币区块链研究院

要系统的考虑区块链技术可扩展方案,首先必须理解区块链技术框架,如图所示:

区块链技术可扩展方案分层模型综述

典型区块链架构

当前主流的区块链架构包含六个层级:网络层、数据层、共识层、激励层、合约层和应用层。图中将数据层和网络层的位置进行了对调,主要用途将在下一节中详述。

网络层:区块链网络本质是一个P2P(Peer-to-peer点对点)的网络,网络中的资源和服务分散在所有节点上,信息的传输和服务的实现都直接在节点之间进行,可以无需中间环节和服务器的介入。每一个节点既接收信息,也产生信息,节点之间通过维护一个共同的区块链来同步信息,当一个节点创造出新的区块后便以广播的形式通知其他节点,其他节点收到信息后对该区块进行验证,并在该区块的基础上去创建新的区块,从而达到全网共同维护一个底层账本的作用。所以网络层会涉及到P2P网络,传播机制,验证机制等的设计,显而易见,这些设计都能影响到区块信息的确认速度,网络层可以作为区块链技术可扩展方案中的一个研究方向;

数据层:区块链的底层数据是一个区块+链表的数据结构,它包括数据区块、链式结构、时间戳、哈希函数、Merkle树、非对称加密等设计。其中数据区块、链式结构都可作为区块链技术可扩展方案对数据层研究时的改进方向。

共识层:它是让高度分散的节点对区块数据的有效性达到快速共识的基础,主要的共识机制有POW(Proof Of Work工作量证明机制),POS(Proof of Stake权益证明机制),DPOS(Delegated Proof of Stake委托权益证明机制)和PBFT(Practical Byzantine Fault Tolerance实用拜占庭容错)等,它们一直是区块链技术可扩展方案中的重头戏。

激励层:它是大家常说的挖矿机制,用来设计一定的经济激励模型,鼓励节点来参与区块链的安全验证工作,包括发行机制,分配机制的设计等。这个层级的改进貌似与区块链可扩展并无直接联系。

合约层:主要是指各种脚本代码、算法机制以及智能合约等。第一代区块链严格讲这一层是缺失的,所以它们只能进行交易,而无法用于其他的领域或是进行其他的逻辑处理,合约层的出现,使得在其他领域使用区块链成为了现实,以太坊中这部分包括了EVM(以太坊虚拟机)和智能合约两部分。这个层级的改进貌似给区块链可扩展提供了潜在的新方向,但结构上来看貌似并无直接联系。

应用层:它是区块链的展示层,包括各种应用场景和案例。如以太坊使用的是truffle和web3-js.区块链的应用层可以是移动端,web端,或是是融合进现有的服务器,把当前的业务服务器当成应用层。这个层级的改进貌似也给区块链可扩展提供了潜在的新方向,但结构上来看貌似并无直接联系。

由此可见,单从结构上分析,区块链技术可扩展方案可以直接从网络层(P2P网络、传播机制和验证机制)、数据层(数据区块和链式结构)以及共识层进行改进达到优化。

以太坊社区在区块链可扩展性上曾提出过Layer分层改进的概念:Layer 1层改进和Layer 2层改进。Layer 1层改进是指通过对某条公链本身的改进来提升它的可扩展性,即On-Chain链上改进;Layer 2层改进是指不影响该公链本身,通过其他方式来实现可扩展性的提升,即Off-Chain链下改进(此处链下的含义仅仅指脱离该公链),如后文将会介绍的侧链、跨链和状态通道等。

在这个理解的基础上,我们借鉴计算机网络分层管理、各层标准化设计的思想,将区块链与传统互联网OSI模型结合,建立区块链技术可扩展方案分层模型三个一级层级:Layer 0层数据传输层,Layer 1层On-Chain公链自身(底层账本)层和Layer 2层Off-Chain扩展性(应用扩展)层。在一级层级的基础上,结合区块链架构又可以进一步分解成七个二级层级来详细研究,具体如图7的划分:

区块链分层研究构架图
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