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[摘 要]本文对区块链的定义和特征进行阐释，指出区块链技术架构。
[关键词]区块链技术；技术架构；去中心化
中图分类号：F821 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）09-0320-01
1前言
区块链技术来源于中本聪在2008年发表的论文"Bitcoin： A peer-to-peer electronic cash system"，通过结合密码算法、点对点通信和分布式共识等已有技术，实现了一种全新的去中心可信数据交互机制，具有交互记录协同维护、交互数据不可篡改、交互过程不可抵赖等突出优势，能够有效降低中心化架构存在的公信力差、易受网络攻击等问题。区块链技术提供了一种不同于传统领域中基于中介的信任模式，而是将信任建立在开源的算法和共识机制之上，能够减少中间环节，降低信任成本，在众多的领域都有应用价值。
2区块链的定义和特征
2.1区块链的定义
在中本聪（Satoshi Nakamoto）发表的论文《Bitcoin： APeer-to-Peer Electronic Cash System》一文中，将区块链进行了定义。区块链可以通过广义角度与狭义角度来定义，以广义角度来看，区块链也可称为区块链技术，是将块链式的数据结构、分布式的节点共识算法、密码学、智能合约充分利用起来，构建新的分布式架构计算范式达到对数据的存储、生产、传输、操作。以狭义角度来看，区块链是将数据区块按时间顺序相连，并通过密码学来完成其不可篡改的分布式账本。
2.2 区块链的特征
（1）去中心化。除非在系统建立之前就已经人为设定，否则区块链中任一结点都相同，有着相同的权利和义务，所有的结点共同维护区块链的数据，区块链中不存在中心化的管理机构。
（2）信息透明。区块链中的数据对所有用户来说都是透明的，任何用户都可以随意查询区块链中的数据，并且考虑到数据保密的情况，私有信息会被加密，可登录的用户也被限制。
（3）高度自治。区块链按照建立时的规范和协议，自动且安全的进行交换数据，无需人为操作干预，这种规范一致的协议既包括支持系统运行的数学算法，也包括完成交易的智能合约。
（4）数据无法篡改。区块链内的数据经过计算生成结果后即被安全存储，除非同时控制超过 51%的系统算力，否则无法对区块链中的数据进行修改，因此区块链本身的安全系数很高。
3区块链技术架构
3.1数据层
数据层实现区块链的核心业务，即在两个“地址”之间进行可靠的、具有公信力的数据传递。区块链中的“地址”，类似于银行卡账号，是用户参与区块链业务时使用的假名。通常是在用户的控制下利用公钥加密算法（例如ECC）生成。其中生成的公钥信息将用于交易的输入地址或者输出地址，私钥信息由用户自己保存，用于对交易签名。区块链中的“交易”记录了用户之间数据交互的过程。通常包括输入地址、输出地址、交易内容等信息。交易内容在数字货币中代表交易的金额，在其他应用中，可能代表一个字符串或者一个证书ID。例如在基于区块链技术的数据存储应用STORJ中，交易的内容是指存储数据的哈希值。
全局账本是区块链中的数据存储结构，用于存储所有的交易记录、合约以及相关的参数信息。全局账本通常由“区块”构成，每个区块存储一定数量的交易信息以及针对这些交易的哈希值、时间戳等参数。区块之间按照时间关系通过区块哈希连接。全局账本实际上是从初始区块到最新区块的数据链条，这也是区块链名字的由来。全局账本由所有参与节点共同维护，每一个节点各自维护本地的全局账本，节点通过定期和邻居节点交换信息使全局账本保持同步。持有不同全局账本的节点不能参与后续的交易。
3.2网络层
网络层的核心任务是确保区块链节点之间可以通过P2P网络进行有效通信。主要内容包括区块链网络的组网方式和节点之间的通信机制。区块链网络采用P2P组网技术，具有去中心、动态变化的特点。网络中的节点是地理位置分散但是关系平等的服务器，不存在中心节点，任何节点可以自由加入或者退出网络。目前规模最大的区块链网络是比特币网络。比特币网络建立在公共互联网之上，节点来自全球各地，每天对外提供服务的节点数量平均为9000个，总体节点数量（包括不对外提供服务的节点）估计为10万个左右。
3.3共识层
区块链技术采用共识机制保证所有合法节点维持的全局账本是相同的。常见的共识机制包括POW机制、POS机制、PBFT机制等。POW机制的核心思路是设置一个数学难题，让参与节点求解难题。在求解过程中付出最大工作量（算力）的节点将被选择为记账节点，即由此节点生成新的区块。其他节点通过接受此区块更新自己的全局账本。通过选择一个特定用户记账，解决了多用户记账带来的数据不同步問题。但是此类共识机制将浪费大量的算力，同时导致记账权逐步被拥有大额算力的用户（例如矿池）垄断，带来很多的安全问题。
POS机制通过使用币天（节点持有的数字货币和持有的天数）来选择记账节点，不需要消耗大量的计算资源，目前被很多应用作为POW的替代机制。此外，还有许多共识机制从速度、安全性等方向做出了改进，满足区块链技术在不同业务场景的需要。
3.4激励层
为了鼓励更多用户参与共识，提高系统的安全性。最初的区块链技术中设置了激励机制奖励参与共识的用户。例如，在比特币中，参与记账的节点被称为矿工。成功获得记账权的矿工节点将收到比特币作为奖励。但是随着区块链技术的发展，区块链的应用场景从公有链衍生到联盟链和私有链。在这些场景中节点是可控的，因此不需要设置额外的激励机制。
3.5合约层
合约层封装了能够在链上存储和执行的逻辑代码。合约代码存储在交易的脚本文件中，一旦交易被写入区块，则代码将永久运行。合约的执行需要外界触发，所有的区块链验证节点都将验证合约的逻辑，并将执行结果写入区块链。相比传统的代码，区块链智能合约具有逻辑公开、执行过程透明等优势，具有很高的公信力和可信度。
3.6应用层
应用层封装了区块链的各种应用场景和案例，用户通过部署在应用层的各种应用程序进行交互，而不用考虑区块链底层技术细节。目前典型的区块链应用包括数字货币应用、数据存证应用、能源应用等。数字货币应用是区块链中最早出现的应用。除了比特币以外，目前出现了大量的竞争币，例如以太币、Zcash、门罗币等。
区块链中的数字货币是由被称为矿工的节点在参与区块链共识机制时创建。普通用户可以通过交易所或者私下交易的方式购买数字货币。用户持有的数字货币可以在数字货币系统中进行交易，用于购买商品或者服务。目前已有很多大型的企业和商户支持数字货币交易，例如微软和亚马逊。
区块链架构中共识层、激励层和合约层专注于数据一致性和上层业务，与用户信息无直接关系。因此，和交易监管密切相关的是数据层、网络层和应用层。本文将重点分析这三层的底层协议，研究针对性的监管机制。
4结语
区块链作为一种去中心化，并能够将共识机制、加密计算、分布式数据存储等技术集成的应用，近年来被各国引起重视，其应用领域广泛，在媒体、经济、科技等发展的推动下，国内外都进入加速探索、快速发展的时期。更有人将区块链技术视为在蒸汽技术革命、电力技术革命、计算机技术革命、互联网产业化等技术革命后，最富有潜力能够产生颠覆性革命效果的一项技术。
参考文献
[1]柳叶. 区块链应用现状及安全风险研究[J]. 科技创新与应用，2018，（30）：23-24.
[2]熊健坤. 区块链技术的兴起与治理新革命[J]. 哈尔滨工业大学学报（社会科学版），2018，（05）：15-18.
[关键词]区块链技术；技术架构；去中心化
中图分类号：F821 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）09-0320-01
1前言
区块链技术来源于中本聪在2008年发表的论文"Bitcoin： A peer-to-peer electronic cash system"，通过结合密码算法、点对点通信和分布式共识等已有技术，实现了一种全新的去中心可信数据交互机制，具有交互记录协同维护、交互数据不可篡改、交互过程不可抵赖等突出优势，能够有效降低中心化架构存在的公信力差、易受网络攻击等问题。区块链技术提供了一种不同于传统领域中基于中介的信任模式，而是将信任建立在开源的算法和共识机制之上，能够减少中间环节，降低信任成本，在众多的领域都有应用价值。
2区块链的定义和特征
2.1区块链的定义
在中本聪（Satoshi Nakamoto）发表的论文《Bitcoin： APeer-to-Peer Electronic Cash System》一文中，将区块链进行了定义。区块链可以通过广义角度与狭义角度来定义，以广义角度来看，区块链也可称为区块链技术，是将块链式的数据结构、分布式的节点共识算法、密码学、智能合约充分利用起来，构建新的分布式架构计算范式达到对数据的存储、生产、传输、操作。以狭义角度来看，区块链是将数据区块按时间顺序相连，并通过密码学来完成其不可篡改的分布式账本。
2.2 区块链的特征
（1）去中心化。除非在系统建立之前就已经人为设定，否则区块链中任一结点都相同，有着相同的权利和义务，所有的结点共同维护区块链的数据，区块链中不存在中心化的管理机构。
（2）信息透明。区块链中的数据对所有用户来说都是透明的，任何用户都可以随意查询区块链中的数据，并且考虑到数据保密的情况，私有信息会被加密，可登录的用户也被限制。
（3）高度自治。区块链按照建立时的规范和协议，自动且安全的进行交换数据，无需人为操作干预，这种规范一致的协议既包括支持系统运行的数学算法，也包括完成交易的智能合约。
（4）数据无法篡改。区块链内的数据经过计算生成结果后即被安全存储，除非同时控制超过 51%的系统算力，否则无法对区块链中的数据进行修改，因此区块链本身的安全系数很高。
3区块链技术架构
3.1数据层
数据层实现区块链的核心业务，即在两个“地址”之间进行可靠的、具有公信力的数据传递。区块链中的“地址”，类似于银行卡账号，是用户参与区块链业务时使用的假名。通常是在用户的控制下利用公钥加密算法（例如ECC）生成。其中生成的公钥信息将用于交易的输入地址或者输出地址，私钥信息由用户自己保存，用于对交易签名。区块链中的“交易”记录了用户之间数据交互的过程。通常包括输入地址、输出地址、交易内容等信息。交易内容在数字货币中代表交易的金额，在其他应用中，可能代表一个字符串或者一个证书ID。例如在基于区块链技术的数据存储应用STORJ中，交易的内容是指存储数据的哈希值。
全局账本是区块链中的数据存储结构，用于存储所有的交易记录、合约以及相关的参数信息。全局账本通常由“区块”构成，每个区块存储一定数量的交易信息以及针对这些交易的哈希值、时间戳等参数。区块之间按照时间关系通过区块哈希连接。全局账本实际上是从初始区块到最新区块的数据链条，这也是区块链名字的由来。全局账本由所有参与节点共同维护，每一个节点各自维护本地的全局账本，节点通过定期和邻居节点交换信息使全局账本保持同步。持有不同全局账本的节点不能参与后续的交易。
3.2网络层
网络层的核心任务是确保区块链节点之间可以通过P2P网络进行有效通信。主要内容包括区块链网络的组网方式和节点之间的通信机制。区块链网络采用P2P组网技术，具有去中心、动态变化的特点。网络中的节点是地理位置分散但是关系平等的服务器，不存在中心节点，任何节点可以自由加入或者退出网络。目前规模最大的区块链网络是比特币网络。比特币网络建立在公共互联网之上，节点来自全球各地，每天对外提供服务的节点数量平均为9000个，总体节点数量（包括不对外提供服务的节点）估计为10万个左右。
3.3共识层
区块链技术采用共识机制保证所有合法节点维持的全局账本是相同的。常见的共识机制包括POW机制、POS机制、PBFT机制等。POW机制的核心思路是设置一个数学难题，让参与节点求解难题。在求解过程中付出最大工作量（算力）的节点将被选择为记账节点，即由此节点生成新的区块。其他节点通过接受此区块更新自己的全局账本。通过选择一个特定用户记账，解决了多用户记账带来的数据不同步問题。但是此类共识机制将浪费大量的算力，同时导致记账权逐步被拥有大额算力的用户（例如矿池）垄断，带来很多的安全问题。
POS机制通过使用币天（节点持有的数字货币和持有的天数）来选择记账节点，不需要消耗大量的计算资源，目前被很多应用作为POW的替代机制。此外，还有许多共识机制从速度、安全性等方向做出了改进，满足区块链技术在不同业务场景的需要。
3.4激励层
为了鼓励更多用户参与共识，提高系统的安全性。最初的区块链技术中设置了激励机制奖励参与共识的用户。例如，在比特币中，参与记账的节点被称为矿工。成功获得记账权的矿工节点将收到比特币作为奖励。但是随着区块链技术的发展，区块链的应用场景从公有链衍生到联盟链和私有链。在这些场景中节点是可控的，因此不需要设置额外的激励机制。
3.5合约层
合约层封装了能够在链上存储和执行的逻辑代码。合约代码存储在交易的脚本文件中，一旦交易被写入区块，则代码将永久运行。合约的执行需要外界触发，所有的区块链验证节点都将验证合约的逻辑，并将执行结果写入区块链。相比传统的代码，区块链智能合约具有逻辑公开、执行过程透明等优势，具有很高的公信力和可信度。
3.6应用层
应用层封装了区块链的各种应用场景和案例，用户通过部署在应用层的各种应用程序进行交互，而不用考虑区块链底层技术细节。目前典型的区块链应用包括数字货币应用、数据存证应用、能源应用等。数字货币应用是区块链中最早出现的应用。除了比特币以外，目前出现了大量的竞争币，例如以太币、Zcash、门罗币等。
区块链中的数字货币是由被称为矿工的节点在参与区块链共识机制时创建。普通用户可以通过交易所或者私下交易的方式购买数字货币。用户持有的数字货币可以在数字货币系统中进行交易，用于购买商品或者服务。目前已有很多大型的企业和商户支持数字货币交易，例如微软和亚马逊。
区块链架构中共识层、激励层和合约层专注于数据一致性和上层业务，与用户信息无直接关系。因此，和交易监管密切相关的是数据层、网络层和应用层。本文将重点分析这三层的底层协议，研究针对性的监管机制。
4结语
区块链作为一种去中心化，并能够将共识机制、加密计算、分布式数据存储等技术集成的应用，近年来被各国引起重视，其应用领域广泛，在媒体、经济、科技等发展的推动下，国内外都进入加速探索、快速发展的时期。更有人将区块链技术视为在蒸汽技术革命、电力技术革命、计算机技术革命、互联网产业化等技术革命后，最富有潜力能够产生颠覆性革命效果的一项技术。
参考文献
[1]柳叶. 区块链应用现状及安全风险研究[J]. 科技创新与应用，2018，（30）：23-24.
[2]熊健坤. 区块链技术的兴起与治理新革命[J]. 哈尔滨工业大学学报（社会科学版），2018，（05）：15-18.