区块链架构设计简述

区块链架构设计简述

广义区块链

首先要理清晰这里的区块链的范围，如果只是讲狭义的区块链，仅仅涉及到数据存储技术，数据库或文件操作等。而我们要谈的是广义的区块链，包含以下几个技术点：

• 点对点网络设计（P2P）
• 加密技术应用（椭圆曲线加密）
• 分布式算法的实现（PoW/DPoS/...）
• 数据存储技术（LevelDB/BoltDB/IPFS/...）
• 区块链构建（Block/Blockchain）
• 虚拟机和智能合约（V8/Smart Contract）
• 数据外界查询界面（RPC）

以上几个方面，还有往外延伸到分布式存储，分布式计算，机器学习，VR，物联网，大数据等。

架构图

从架构设计来看，区块链可以简单分为三个层次，协议层、扩展层和应用层。其中，协议层可以细分为存储层和网络层。

image

协议层

协议层，是最底层的技术，基本就是一个完整的区块链产品，类似电脑的操作系统，维护着网络节点，对外仅仅暴露API调用，一般是提供一个简单的钱包客户端来调用这些API，如果采用分层的设计理念，这个协议层只是负责主资产（主链代币）的结算，不包括侧链的功能，那么这个客户端的功能将是非常克制简单的，只会建立地址，验证签名，转账支付，查看余额等。

这个协议层是一切的基础，构建了网络环境，搭建了交易通道，制定了节点挖矿奖励规则，设计实现了地址等。

这一层的开发包括网络编程（P2P），分布式共识算法，加密签名，数据存储技术等4个大的板块，其中分布式共识算法有比较成熟的PoW，PoS和DPoS可以借鉴，而加密签名技术是直接简单的调用，数据库存储也是可以拿来即用，只有点对点网络的实现和并发是开发的难点，这方面，go语言天生的优势就体现出来了。

整个协议层包括存储层和网络层，数据存储的技术选型从两个维度去考虑，一个是性能，一个是易用性。整个系统的性能取决于网络和数据存储的IO性能，网络IO优化空间不大，但本地数据存储的IO是可以优化的。我们可以选择google的LevelDB，这个数据库的读写性能就很好，基于上面的一些功能可以借鉴btcd的ffldb实现。

扩展层

如果说底层的协议层是电脑的操作系统，那么这个扩展层就相当于电脑的驱动程序，是为了让区块链产品更加实用。我们的扩展层主要是两个方向，一个是虚拟机和智能合约，另外一个是侧链技术。

在开发扩展层的时候，除了在交易时与协议层进行交互之外，其他时候尽量不要与协议层的开发混在一起。这个扩展层跟上面的应用层更加接近，如果用中心化的思维去理解，就好比B/S架构中的服务端（Server）。

这样解耦的设计是有明显好处的，可以让主链的数据更小，网络更独立，同时保证扩展层开发不受约束。

智能合约需要跑在一个独立的虚拟机上面，而虚拟机是不在协议层的，而采用分层设计的话，就不能跑在结算层的主链上，而需要在扩展层开发一条可以让大家跑智能合约的侧链，当然用户也可以发行自己的业务公链，然后上面可以跑智能合约。

扩展层的侧链需要跟结算层的主链进行双向挂钩绑定。

应用层

这个层类似电脑中的各种软件程序，是普通用户可以直接使用的产品，可以理解为B/S架构中的浏览器（Browser）。

现在应用层最多的是钱包服务，但这是最基础最简单的服务，跟每个用户所需的服务还有很大空间待挖掘。

在已有的钱包服务之外，我们主要提供四大类服务：

• 存储服务

  已有的专注分布式存储的公链项目比较多，比较成功的有IPFS+Filecoin的组合，然而此种设计也有优化空间，主要是两个方向：

  • 激励层Filecoin网络将所有节点都当成存储挖矿和检索挖矿的平等节点，而没有考虑到不同节点的网络和存储环境。网络最好的节点负责存储订单抢单，然后进行订单分配，更多便宜的存储节点进行存储，这样的模型更加符合真实环境和合理。
  • 存储数据形成Merkle DAG，对于计算是不友好的，如果要在存储节点同时进行计算，需要数据本地化保存。

• 计算服务

  将节点加入GPU，就能让分布式的众多节点拥有强大计算能力，同时配合分布式存储的本地数据，进行计算服务。这一层需要将计算任务量化，并且能够公平定价且防止作弊，构建一个计算任务订单网络，进行计算订单匹配，同时还需要证明计算完成，验证计算完成，交易打包在侧链上出区块。

• DAPP

  在侧链上运行不同的虚拟机，在不同虚拟机上跑不同的DAPP，同时要打通智能合约之间数据的交互，智能合约和外部数据的交互，有利于对接外部的先知机，让不同的智能合约和虚拟机在性能和安全性两个维度取得平衡。

• 发链服务

  对于特定的业务形态，需要特定的区块链来提供服务，这都是侧链所要完成的工作，给用户一个友好的界面发布一条基础公链，将技术细节封装起来，用户只需要按照需要进行参数选定，一键发布一条属于自己的公链，在这条公链上，可以跑虚拟机智能合约，可以发行自己的Token，可以规划自己的经济体系等。

编程实现

在多核时代，Go是我们的选择，优势是很明显的，可以用同步方式轻松实现高并发，特别是在分布式系统，网络编程等领域，应用非常广泛。

可以选用V8虚拟机作为智能合约的环境，这样可以支持JavaScript来编写开发智能合约。

选用DPoS来构建共识算法，网络编程方面选用gRPC来做P2P通讯，使用Protocol Buffer来序列化要传递的数据结构。