区块链的基本架构有哪些?一文读懂区块链的基本架构

笔者记得当比特币开始受注目时，经常看到有评论和报导将比特币和区块链混为一谈。这一两年随着越来越多的区块链项目的实施，特别是各式各样区块链平台的出现，今天我们反而要掌握的一个课题是，怎样的架构才算是一个区块链？换句话说，一个区块链应该有哪些元素？

初接触区块链的朋友一般的学习方法都是先选择某一个区块链平台，深入研究那个平台的特性。笔者也是先由「比特币」开始，再扩展至其他平台例如「以太坊」(Ethereum) 和Hyperledger Fabric（尚未见到有适合的中文译名，以下会保留这个名称）。而本文却是笔者在接触过不同的区块链平台后作的分析和总结，希望为各位带来另一种学习方式：先从总体认识区块链架构，之后当各位在研习某一个区块链平台时，可以比对这篇文章的介绍，从而较为系统性的掌握区块链不同的部份。

以下我会介绍区块链的三个要素：网络、账本和智能合约。

区块链是由节点构成的网络

所谓网络，就是由多于一部机器连接而成，即我们所称的节点(node)，各个节点通常运行同一组软件，这些软件已备有相互沟通的功能，即我们经常说的P2P (Peer -to-Peer) 通讯模式，而非今天主流的客户— 服务器(Client-Server) 模型。今天大部份区块链平台均以互联网互相连结，按需要节点之间的通讯可作加密处理。

在不同的区块链上，节点可能带有不同的功能。例如Hyperledger Fabric 上的Peer 节点负责管有账本和执行智能合约（稍后有更详细介绍），但Orderer 节点则只负责将交易(Transactions) 排序和构建新的区块(Block)；「以太坊」的节点可以只是单单管有账本和执行智能合约，同时有些节点也可选择加入挖矿(Mining) 角色来构建新的区块等等。

按不同的实施模式，节点的数量有所不同。在公开使用的区块链平台如「比特币」和「以太坊」，任何人在任何地方任何时间都可加入或离开网络，不需要一个中央组织去批准。这种区块链网络我们称为Permissionless Blockchain。因此节点的数目就经常浮动。在本文写作时（2019年3月），比特币有超过一万个节点，而「以太坊」则有八千六百多个，分布在全球各大洲上。

取自网站https://bitnodes.earn.com/（2019年3月）

至于商用的区块链平台就不一样。商用区块链的节点通常只放在参与的机构和监管机构内，而非任何未被批准的机构或个人可以参与。因此，节点的数量会和参与机构数目有关。例如一个由七间银行组成的「区块链贸易融资平台」，即使每间银行有两个节点，总数不会超过二十个节点。

物理上这些节点构成一个可靠稳妥的架构。理论上节点数目越多，分布越广，网络越坚固，而受阻断服务攻击(DoS, Denial of Service) 的机会越少。这是因为每个节点拥有一份相同的数据结构，在区块链我们称之为「账本」Ledger（或称为账簿）。

各节点共同拥有一个相同的账本

这是区块链一个非常重要的元素。技术上「账本」是一个数据结构，之所以称为账本，主要是因为这个数据结构用作保存一笔又一笔的交易纪录，功能上就如一本账本。而事实上，我们所讨论的「区块链」更准确的说法是「分布式账本技术」(Distributed Ledger Technology)，而「区块链」是「分布式账本技术」实现的一种方法。为免把事情复杂化，我们还是沿用「区块链」作讨论。

所谓的「共同拥有」，并非一个「共同使用的物理或逻辑结构」，就如我们说几台电脑共用一个储存装置（硬碟或档案系统）一样。「区块链」所说的「共同拥有」，是各节点各自管有这个数据架构。节点之间的数据架构互不从属，没有物理关系，但它们之间的内容保持相同。

何以各节点管有自己的数据架构而又内容可保持相同？这就是区块链其中一个令人着迷的地方。这个「数据同步」（容许我这样说）的过程称为达致「共识」Consensus。不同区块链会基于不同原因使用不同的共识方法。如「比特币」和「以太坊」这些公共区块链需要使用Proof of Work这个方法生成新的区块，而当中亦涉及经济诱因(incentive)，结果是成千上万的节点向数据达致「同步」这个方向发展。又例如Hyperledger Fabric 是按已定下的政策由指定的Peer 节点处理交易，交给Orderer 节点排序，最后由每个Peer 节点确认才记在账本上，这也是一种使数据达一致的手段。

目前区块链中「共识」这个题目还在发展中，不少人还在投入大量的研究，希望从各方面去改善达致共识的办法。我们悉目以待。

此外，这个「数据架构」是否就是我们沿用很久的「数据库」(Database)？虽然两者都是储存数据的手段，但区块链的数据架构和一般的数据库有着明显的分别。区块链的数据架构通常包含两个部分：交易记录和整体状态(World State)。前者比较易明，就是记录每一笔的交易纪录，而后者则是交易处理过后的状态。

举一个简单例子，如果现在的状态是「我有一百元，而你有二百元」，当一笔交易「我给你五十元」处理后，状态就变为「我有五十元，而你有二百五十元」。但常用的「数据库」就有较广泛的用途而不单只是记录交易和状态。此外，区块链的交易记录只能叠加在现有的记录之上，不能（或不易）删除或更新一些已存在的交易记录。「数据库」则弹性更大，一般可以增加、阅读、更新和删除(CRUD)。

这里我们终于触及到「区块链」这个名词了。上述的交易记录是以「区块链」的模式存在。简单地说，这些交易会放在一个区块内，而区块与区块之间利用密码学(Cryptography) 的技术连结起来成为一个链状结构。新来的交易会加入在新的区块，而新的区块就接在现存的链上，如此这条「区块链」就随时间增长。

区块链的一个重要特性，就是数据写上后不易被修改或删除，而且修改的记录很容易被其他节点发现而拒绝接受。这是因为区块链的构造透过密码学和其链状架构，以及达致共识的机制得出的果效。以刚才的例子，不论是要删去「我给你五十元」这笔交易记录，又或者将整体状态中的「我有五十元」改为「我有五千元」，几乎成为不可能的事。

至于谁来建立区块和维持这条区块链？不同的平台有不同的做法。「比特币」和「以太坊」的区块链是由「采矿节点」(Mining Node or Miner) 透过竞争生成区块，而管有区块链的节点就按既定协议来维护节点上的区块链。Hyperledger Fabric是由Orderer 节点生成区块，而每个Peer 节点收到区块后，再确认当中交易才放入Peer 节点上的区块链。

最后，虽然称为「账本」，所有记录并不限于和金钱或货品交易。理论上任何资料也可以记在这个数据架构，而记在区块链的资料都有着刚才所讲的特性。如果有留意新闻，去年就有人将两韩的「板门店宣言」写在以太坊上。理论上只要以太坊一天还存在，这笔记录都会永远留存。

可编程的智能合约

智能合约(Smart Contract) 并不是区块链发明，然而，在区块链架构中智能合约扮演一个重要的角色。

智能合约是一些编码(code) 或程式(program)，透过编码反映出各参与方的计划和意愿。它之所称为「合约」，是因为在区块链的应用场景中，「智能合约」可视为交易双方或多方共同接受的事项，有如商业上的「合约」；它之所以是「智能」 ，是因为这个编码落实在区块链时，节点会照编码所定的步骤和逻辑(logic) 自动执行，最重要的还是执行结果同步于整个区块链网络（即每一节点）。

沿用上述的例子，「我给你五十元」可以是一个单一而明确的交易，但也可反映现实一个有条件性的合约，例如：「如果你明天把这份文件送到我的公司，我给你五十元」。这个「我给你五十元」交易会否出现，要视乎这个条件有没有发生。当然，现实商业世界的合约条款要更复杂，但只要可以以编码模式写成智能合约，还是可以在区块链的平台执行的。

智能合约的例子（取材自Hyperledger Composer）

技术上来说，智能合约可以更新账本。这个更新涉及产生新的交易记录，和修改整体状态。因为这涉及更新区块链中最重要的数据架构，智能合约必须要反映真实参与各方的意愿（大家都接受这些合约内容和相关编码），按照指定的检定机制（例如合约的执行要由哪些机构确认）等，甚至引入第三方的监察或审计等。

智能合约作为编码，必然在某个地方执行。在区块链的平台上，节点负责执行智能合约，而且是由多个节点各自进行。例如以太坊是每个节点都会执行智能合约，由于是同一份合约编码，如果大家都有着相同的账本，执行后的结果理论上应该是相同，从而更新账本。而Hyperledger Fabric 则按大家协定和需要指定一些节点Peer 负责执行，得出的结果经过Orderer 排序后以区块模式发送给所有Peer 更新他们的账本。（当然，因为各节点各自独立执行合约编码，现实是有可能出现不一致的情况。各平台在设计时已包括机制处理这些情况。）

智能合约的编写会用上编码语言。不同平台有不同的语言，例如以太坊用的是Solidity，一种新的合约语言，而Hyperledger Fabric 使用多种，由最初的Go，发展到后来的Node 和Java。

结语

这篇文章主要以区块链的一些共同特性而加以讨论。日后当大家深入研究某一区块链平台时可以找出这三个重要元素：网络、账本和智能合约的功能。

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