前言

區(qū)塊鏈作為一種架構設計的實現(xiàn)，與基礎語言或平臺等差別較大。區(qū)塊鏈是加密貨幣背后的技術，是當下與VR虛擬現(xiàn)實等比肩的熱門技術之一，本身不是新技術，類似Ajax，可以說它是一種技術架構，所以我們從架構設計的角度談談區(qū)塊鏈的技術實現(xiàn)。

無論你擅長什么編程語言，都能夠參考這種設計去實現(xiàn)一款區(qū)塊鏈產(chǎn)品。與此同時，梳理與之相關的知識圖譜和體系，幫助大家系統(tǒng)的去學習研究。

基本概念

區(qū)塊鏈的概念最近很火，它來自于比特幣等加密貨幣的實現(xiàn)，但是目前，這項技術已經(jīng)逐步運用在各個領域。什么是區(qū)塊鏈技術？為了感性認識這個問題，我們可以使用谷歌地球的例子做類比，ajax不是什么新技術，但組合在一起就成就了產(chǎn)品谷歌地球，與之類似，區(qū)塊鏈也不是什么新技術，但與加密解密技術、P2P網(wǎng)絡等組合在一起，就誕生了比特幣。技術人員，特別是Web開發(fā)工程師，學習了解ajax技術最早是被谷歌地球酷炫的效果所吸引。而現(xiàn)在，歷史再一次重演，很多人被比特幣的瘋狂發(fā)展所吸引，進而開始研究其背后的技術——區(qū)塊鏈。

區(qū)塊鏈原本是比特幣等加密貨幣存儲數(shù)據(jù)的一種獨特方式，是一種自引用的數(shù)據(jù)結構，用來存儲大量交易信息，每條記錄從后向前有序鏈接起來，具備公開透明、無法篡改、方便追溯的特點。實際上，這種特性也直接體現(xiàn)了整個比特幣的特點，因此使用區(qū)塊鏈來概括加密貨幣背后的技術實現(xiàn)是非常直觀和恰當?shù)?。區(qū)塊鏈是一項技術，加密貨幣是其開發(fā)實現(xiàn)的一類產(chǎn)品（含有代幣，也有不含代幣的區(qū)塊鏈產(chǎn)品），不能等同或混淆。與加密貨幣相比，區(qū)塊鏈這個名字拋開了代幣的概念，更加形象化、技術化、去政治化，更適合作為一門技術去研究、去推廣。

所以，目前當大家單獨說到區(qū)塊鏈的時候，就是指的區(qū)塊鏈技術，是實現(xiàn)了數(shù)據(jù)公開、透明、可追溯的產(chǎn)品的架構設計方法，算作廣義的區(qū)塊鏈。而當在具體產(chǎn)品中談到區(qū)塊鏈的時候，可以指類似比特幣的數(shù)據(jù)存儲方式，或許是數(shù)據(jù)庫設計，或許是文件形式的設計，這算作狹義的區(qū)塊鏈。廣義的區(qū)塊鏈技術，必須包含點對點網(wǎng)絡設計、加密技術應用、分布式算法的實現(xiàn)、數(shù)據(jù)存儲技術的使用等4個方面，其他的可能涉及到分布式存儲、機器學習、VR、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等。狹義的區(qū)塊鏈僅僅涉及到數(shù)據(jù)存儲技術，數(shù)據(jù)庫或文件操作等。本文的區(qū)塊鏈，指的是廣義的區(qū)塊鏈。

架構圖

從架構設計上來說，區(qū)塊鏈可以簡單的分為三個層次，協(xié)議層、擴展層和應用層。其中，協(xié)議層又可以分為存儲層和網(wǎng)絡層，它們相互獨立但又不可分割。如圖：

協(xié)議層

所謂的協(xié)議層，就是指代最底層的技術。這個層次通常是一個完整的區(qū)塊鏈產(chǎn)品，類似于我們電腦的操作系統(tǒng)，它維護著網(wǎng)絡節(jié)點，僅提供Api供調用。通常官方會提供簡單的客戶端（通稱為錢包），這個客戶端錢包功能也很簡單，只能建立地址、驗證簽名、轉賬支付、查看余額等。這個層次是一切的基礎，構建了網(wǎng)絡環(huán)境、搭建了交易通道、制定了節(jié)點獎勵規(guī)則，至于你要交易什么，想干什么，它一概不過問，也過問不了。典型的例子，自然是比特幣，還有各種二代幣，比如萊特幣等，本書介紹的億書幣也是。這個層次，是現(xiàn)階段開發(fā)者聚集的地方，這說明加密貨幣仍在起步當中。

從用到的技術來說，協(xié)議層主要包括網(wǎng)絡編程、分布式算法、加密簽名、數(shù)據(jù)存儲技術等4個方面，其中網(wǎng)絡編程能力是大家選擇編程語言的主要考慮因素，因為分布式算法基本上屬于業(yè)務邏輯上的實現(xiàn)，什么語言都可以做到，加密簽名技術是直接簡單的使用（請看書中相關的加密解密文章，不建議自由發(fā)揮，沒有過多的編碼邏輯），數(shù)據(jù)庫技術也主要在使用層面，只有點對點網(wǎng)絡的實現(xiàn)和并發(fā)處理才是開發(fā)的難點，所以對于那些網(wǎng)絡編程能力強，對并發(fā)處理簡單的語言，人們就特別偏愛。也因此，Nodejs開發(fā)區(qū)塊鏈應用，逐漸變得更加流行，Go語言也在逐漸興起。

上面的架構設計圖里，我把這個層面進一步分成了存儲層和網(wǎng)絡層。數(shù)據(jù)存儲可以相對獨立，選擇自由度大一些，可以單獨來討論。選擇的原則無非是性能和易用性。我們知道，系統(tǒng)的整體性能，主要取決于網(wǎng)絡或數(shù)據(jù)存儲的I/O性能，網(wǎng)絡I/O優(yōu)化空間不大，但是本地數(shù)據(jù)存儲的I/O是可以優(yōu)化的。比如，比特幣選擇的是谷歌的LevelDB，據(jù)說這個數(shù)據(jù)庫讀寫性能很好，但是很多功能需要開發(fā)者自己實現(xiàn)。目前，困擾業(yè)界的一個重大問題是，加密貨幣交易處理量遠不如現(xiàn)在中心化的支付系統(tǒng)（銀行等），除了I/O，需要全方位的突破。

分布式算法、加密簽名等都要在實現(xiàn)點對點網(wǎng)絡的過程中加以使用，所以自然是網(wǎng)絡層的事情，也是編碼的重點和難點，《Nodejs開發(fā)加密貨幣》全書分享的基本上就是這部分的內容。當然，也有把點對點網(wǎng)絡的實現(xiàn)單獨分開的，把節(jié)點查找、數(shù)據(jù)傳輸和驗證等邏輯獨立出來，而把共識算法、加密簽名、數(shù)據(jù)存儲等操作放在一起組成核心層。無論怎么組合，這兩個部分都是最核心、最底層的部分，都是協(xié)議層的內容。

擴展層

這個層面類似于電腦的驅動程序，是為了讓區(qū)塊鏈產(chǎn)品更加實用。目前有兩類，一是各類交易市場，是法幣兌換加密貨幣的重要渠道，實現(xiàn)簡單，來錢快，成本低，但風險也大。二是針對某個方向的擴展實現(xiàn)，比如基于億書側鏈，可為第三方出版機構、論壇網(wǎng)站等內容生產(chǎn)商提供定制服務等。特別值得一提的就是大家聽得最多的“智能合約”的概念，這是典型的擴展層面的應用開發(fā)。所謂“智能合約”就是“可編程合約”，或者叫做“合約智能化”，其中的“智能”是執(zhí)行上的智能，也就是說達到某個條件，合約自動執(zhí)行，比如自動轉移證券、自動付款等，目前還沒有比較成型的產(chǎn)品，但不可否認，這將是區(qū)塊鏈技術重要的發(fā)展方向。

擴展層使用的技術就沒有什么限制了，可以包括很多，上面提到的分布式存儲、機器學習、VR、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等等，都可以使用。編程語言的選擇上，可以更加自由，因為可以與協(xié)議層完全分離，編程語言也可以與協(xié)議層使用的開發(fā)語言不相同。在開發(fā)上，除了在交易時與協(xié)議層進行交互之外，其他時候盡量不要與協(xié)議層的開發(fā)混在一起。這個層面與應用層更加接近，也可以理解為B/S架構的產(chǎn)品中的服務端（Server）。這樣不僅在架構設計上更加科學，讓區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)更小，網(wǎng)絡更獨立，同時也可以保證擴展層開發(fā)不受約束。

從這個層面來看，區(qū)塊鏈可以架構開發(fā)任何類型的產(chǎn)品，不僅僅是用在金融行業(yè)。在未來，隨著底層協(xié)議的更加完善，任何需要第三方支付的產(chǎn)品都可以方便的使用區(qū)塊鏈技術；任何需要確權、征信和追溯的信息，都可以借助區(qū)塊鏈來實現(xiàn)。我個人覺得，這個目標應該很快就能實現(xiàn)。

應用層

這個層面類似于電腦中的各種軟件程序，是普通人可以真正直接使用的產(chǎn)品，也可以理解為B/S架構的產(chǎn)品中的瀏覽器端（Browser）。這個層面的應用，目前幾乎是空白。市場亟待出現(xiàn)這樣的應用，引爆市場，形成真正的擴張之勢，讓區(qū)塊鏈技術快速走進尋常百姓，服務于大眾。大家使用的各類輕錢包（客戶端），應該算作應用層最簡單、最典型的應用。很快，億書將基于億書網(wǎng)絡推出文檔協(xié)作工具，這個就是典型的應用層的產(chǎn)品。

限于當前區(qū)塊鏈技術的發(fā)展，億書只能從協(xié)議層出發(fā)，把目標指向應用層，同時為第三方開發(fā)者提供擴展層的強大支持。這樣做既可以避免貪多，又可以避免無法落地，是真正理性的開發(fā)路線。因為純粹的開發(fā)協(xié)議層或擴展層，無法真正理解和驗證應用層，會脫離實際，讓第三方開發(fā)者很難使用。如果僅僅考慮應用層，市面上又找不到真正牢固、易用的協(xié)議層或擴展層的產(chǎn)品。所以，我們只好全面發(fā)力，采取完全開源開放的態(tài)度，通過社區(qū)的力量，共同去做一件有意義的事情，也算為中國區(qū)塊鏈技術發(fā)展做點技術積累和微薄貢獻。

編程實現(xiàn)

很多小伙伴，習慣結合自己的技術背景，來理解上面的架構設計。這里，結合具體的編程語言，簡單介紹幾款產(chǎn)品，僅供參考。

（1）C/C++

這兩個語言是無法逾越的，任何開發(fā)遇到瓶頸，基本上都會找到它們，自然應該排在第一位要介紹的。同時，區(qū)塊鏈技術的鼻祖，比特幣（協(xié)議層）就是用C++語言開發(fā)的，而且目前為止，沒有比比特幣更加成功的區(qū)塊鏈產(chǎn)品。所以，無論你使用什么語言開發(fā)，在正式進入這個行業(yè)的過程中，都應該先研究研究比特幣。比特幣官方客戶端錢包用的Qt，第三方錢包有Python語言開發(fā)的，特別是第三方整理的開發(fā)庫（Api包）很多是Nodejs設計的。比特幣的架構，與上面的架構設計基本相同，另外，因為共識算法采用的是工作量證明機制（PoW:Proof of work)，還有一些特殊的挖礦的過程。其他競爭幣都是直接來自比特幣的分支，所以編程語言相同，具體的技術選型和技術實現(xiàn)上可能有所改進，比如：萊特幣，使用了其他的加密算法。

官方網(wǎng)站：https://bitcoin.org/

源碼庫：https://github.com/bitcoin
（2）Nodejs/Javascript

Nodejs平臺強大的網(wǎng)絡編程能力，以及js腳本語言的簡單快捷，在區(qū)塊鏈領域自然少不了它的身影。億書便是這樣一個區(qū)塊鏈產(chǎn)品，億書幣是它的協(xié)議層，使用了著名的express開發(fā)框架，基于http協(xié)議開發(fā)而成。同時，它采用了授權股權證明機制（DPoS），算法上的改進，讓它在處理交易時更加輕量，處理能力大大提升。它提供了強大的協(xié)作機制，為數(shù)字出版、版權保護提供了便利；擴展了側鏈功能，可以基于它開發(fā)任何去中心化的應用，從而為專業(yè)作者、博客愛好者和開發(fā)者提供很多方便。《Nodejs開發(fā)加密貨幣》這本書完整分享了它的源碼，從區(qū)塊鏈基礎概念到代碼實現(xiàn)，從基本原理到開發(fā)設計思路，都做了比較詳細的探索，目前為止，從協(xié)議層面深入代碼講解區(qū)塊鏈技術實現(xiàn)的書籍極少，這算作一本。

官方網(wǎng)站：http://ebookchain.org/

源碼庫：https://github.com/Ebookcoin
（3）Python

如果是Python語言愛好者，我建議研究研究以太坊（Ethereum）的Python實現(xiàn)。盡管因為The Dao事件鬧得沸沸揚揚，但從技術實現(xiàn)的角度來說，仍然值得參考學習。以太坊官方定位為一種開發(fā)管理分布式應用的平臺，主攻方向就是“智能合約”，并為其定制了一種編程語言Solidity。以太坊的核心是以太坊虛擬機（EVM），允許用戶按照自己的意愿創(chuàng)建操作。以太坊給出了Go、Java、Python等多語言的實現(xiàn)。其中以python為基礎的實現(xiàn)主要包括三個部分：Pyethapp是客戶端部分；pyethereum是核心庫，實現(xiàn)了區(qū)塊鏈、以太坊模擬機和挖礦等功能；pydevp2p是點對點網(wǎng)絡庫，實現(xiàn)了節(jié)點發(fā)現(xiàn)、合約代碼傳輸、加密簽名等功能，這三者組合在一起就是完整的區(qū)塊鏈實現(xiàn)，后面兩個核心庫共同組成了協(xié)議層。另外，go-ethereum是go語言的完整實現(xiàn)；Ethereum(J) 是純Java實現(xiàn)，它作為可以嵌入任何Java/Scala項目的庫提供?？蛻舳朔矫妫€有Rust、Ruby、Javascript等語言的實現(xiàn)。

官方網(wǎng)站：https://ethereum.org/

源碼庫：https://github.com/ethereum/pyethapp
（4）Go

在多核時代，Go語言備受喜愛，它可以讓你用同步方式輕松實現(xiàn)高并發(fā)，特別是在分布式系統(tǒng)、網(wǎng)絡編程等領域，應用非常廣。所以，在區(qū)塊鏈開發(fā)領域，也有很多使用Go語言的項目。其中，由linux基金會主導的超級賬本（HyperLeger），版本庫的名字叫Fabric，就是其中一個。該項目試圖為新一代的事務應用創(chuàng)建一種開放的分布式賬本標準，支持許可式區(qū)塊鏈（這種方式可能無法再現(xiàn)比特幣那種強大的網(wǎng)絡效應）。Fabric的開發(fā)環(huán)境建立在VirtualBox虛擬機上，部署環(huán)境可以自建網(wǎng)絡，也可以直接部署在BlueMix上，部署方式可docker化，支持用Go和JavaScript開發(fā)智能合約。它采用PBFT分布式算法，網(wǎng)絡編程方面用gRPC來做P2P通訊，使用 Protocol Buffer來序列化要傳遞的數(shù)據(jù)結構。在架構設計上，F(xiàn)abric可能與比特幣等區(qū)塊鏈產(chǎn)品有所不同，但是上述基本組成部分還是不可或缺的。

官方網(wǎng)站：https://www.hyperledger.org/

源碼庫：https://github.com/hyperledger
其他編程語言，比如：C#等，也有具體實例，這里就不再列舉?？傊?，針對不同的編程語言，在具體的編碼或架構設計上可能有所差別，甚至很大，但是協(xié)議層所使用的技術并沒有太大的變化。其中，網(wǎng)絡編程是重點和難點，多數(shù)沒有現(xiàn)成的框架可用，都是使用編程語言自身提供的庫來設計開發(fā)，所以比較底層，非?？简為_發(fā)者的編碼功底。

知識圖譜

循著上面的分析，我們已經(jīng)可以了解區(qū)塊鏈是什么，并知道怎么實現(xiàn)了，順便梳理一下其中的編程技術知識，自然也就清晰多了。

根據(jù)個人的理解，我把與區(qū)塊鏈相關的知識分為下面5個方面：

（1）基礎知識

區(qū)塊鏈是新技術，與之相關的是其背后大量的新概念、新理論。這些知識，雖然不直接體現(xiàn)在編碼里，但卻是理解區(qū)塊鏈，掌握區(qū)塊鏈技術的基本知識。所以，理當成為區(qū)塊鏈技術不可或缺的一部分。這部分從基本概念入手，到工作原理的描述，就能夠把區(qū)塊鏈基礎知識全部覆蓋。

（2）技術實現(xiàn)

區(qū)塊鏈是一項技術，但從上面的分析可以看出，它應該是一種架構應用，架構的實現(xiàn)理當是我們知識庫的核心。正如大家看到的，任何一款區(qū)塊鏈產(chǎn)品，協(xié)議層必須包括點對點網(wǎng)絡、加密簽名、數(shù)據(jù)存儲、分布式算法等4個部分，應用層也必然要提供錢包、客戶端瀏覽器等基礎應用。所以，把這部分獨立出來，也是合情合理。

在擴展層的部分，區(qū)塊鏈技術可以對接各種應用，比如：金融、物聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡安全、版權保護、電子商務等等，現(xiàn)有的很多技術都可以用在這里。只不過，如何與區(qū)塊鏈結合，如何實現(xiàn)跨行業(yè)使用，自然是這部分內容研究的課題。所以，這里所羅列或涉及到的技術，理應歸為技術實現(xiàn)的一個重要部分。

（3）開發(fā)環(huán)境

區(qū)塊鏈是多項技術的組合，有其自身的復雜性，個別應用對開發(fā)環(huán)境依賴較大，開發(fā)工具與環(huán)境搭建，是讓開發(fā)者快速上手的重要內容。

（4）項目實踐

據(jù)說，短短數(shù)年，全球區(qū)塊鏈產(chǎn)品已經(jīng)有幾千個，其中不乏創(chuàng)新應用。有些優(yōu)秀的開源產(chǎn)品和項目實踐，是最好的學習研究資料。

（5）開發(fā)文檔

這個自然不用說了，每一種產(chǎn)品也都會有自己的開發(fā)文檔。另一個，就是有心的開發(fā)者整理匯總的一些資源，可以幫助我們節(jié)省很多查詢的時間。

我在考慮這個知識體系的過程中，主要思考的是，讀者循著這些標簽去查閱文章，能否快速掌握區(qū)塊鏈技術，并最終上手開發(fā)實現(xiàn)一個區(qū)塊鏈產(chǎn)品。另外，也刻意規(guī)避了與具體編程語言，以及特定領域相關的詞匯，唯一可以區(qū)分的就是這些節(jié)點之下對應的文章標簽。所以，這些分類就顯得非常中性。也考慮過使用比特幣、競爭幣、智能合約、數(shù)字資產(chǎn)、智能資產(chǎn)等具體領域的實現(xiàn)作為分類方法，但又怕限制了讀者的思維，同時隨著區(qū)塊鏈的發(fā)展，這個圖譜將不停的修改下去。這里，呼吁一下，希望讀到這篇文章的小伙伴提供您的寶貴意見，讓我們把這個關于區(qū)塊鏈的知識分類圖譜做得更加科學合理，使用更加方便。

總結

這篇文章，我們把區(qū)塊鏈技術基礎架構描述了一下，需要再次強調的是，這僅僅是一種實現(xiàn)方式，絕非所有的區(qū)塊鏈產(chǎn)品都是如此，我們也期待更多創(chuàng)新出現(xiàn)，也相信一定會出現(xiàn)。編程實現(xiàn)羅列了幾種編程語言與其實現(xiàn)的典型產(chǎn)品，因為協(xié)議層技術較為底層，并沒有太多現(xiàn)成的框架需要介紹或討論，同時，具體的技術細節(jié)，也絕非幾行字能夠羅列清楚，所幸，這些產(chǎn)品都是開源產(chǎn)品，大家可以結合自己的技術背景，進一步查看對應的產(chǎn)品源碼，很快就能了解其中的奧妙。