前言：如何針對(duì)一個(gè)系統(tǒng)快速建立架構(gòu)層面的理解，在《區(qū)塊鏈技術(shù)指南》一書中關(guān)于“架構(gòu)”的定義有很好的闡述，即“架構(gòu)有兩個(gè)層面的涵義。一個(gè)是靜態(tài)層面的，主要是勾畫系統(tǒng)邊界、結(jié)構(gòu)、組成的組件以及系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系；另一方面是動(dòng)態(tài)層面，主要是規(guī)范組件的行為以及組件之間的交互協(xié)議”。本文試圖從這兩個(gè)方面比對(duì)及分析比特幣和以太坊架構(gòu)之間差異性、以太坊相對(duì)比特幣演進(jìn)及優(yōu)勢(shì)所在。
一、比特幣區(qū)塊鏈架構(gòu)及要素
下圖所示即為比特幣的區(qū)塊鏈架構(gòu)構(gòu)成，分為前端和節(jié)點(diǎn)后臺(tái)兩個(gè)部分：
這其中有幾個(gè)關(guān)鍵要素：
1、錢包
錢包直接面向比特幣的用戶，用來(lái)保存用戶的私鑰數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)管理用戶余額和提供基本的支付、轉(zhuǎn)賬交易功能。從部署場(chǎng)景上還可以進(jìn)一步劃分：互聯(lián)網(wǎng)錢包、移動(dòng)錢包、桌面錢包、和紙錢包，這四種錢包依次具有易用性遞減和安全等級(jí)不斷遞增的特點(diǎn)。
因?yàn)樾枰С直忍貛沤灰祝藻X包具有一個(gè)基本的屬性：需要驗(yàn)證用戶相關(guān)的支付交易，根據(jù)易用性可以采用SPV方式（即簡(jiǎn)單支付驗(yàn)證，本文中不展開說(shuō)明）、第三方平臺(tái)或可信任的服務(wù)器端驗(yàn)證。
在技術(shù)上，錢包可以看做是對(duì)比特幣API、節(jié)點(diǎn)后臺(tái)一些功能調(diào)用以及交易流程處理封裝的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)。
2.HTTP/JSON RPC API
這是比特幣提供共的外部接口，通過(guò)該接口可以控制比特幣節(jié)點(diǎn)，而提供對(duì)應(yīng)功能的是節(jié)點(diǎn)后臺(tái)的HTTP/JSON RPC服務(wù)器。該接口對(duì)于使用不同語(yǔ)言開發(fā)訪問(wèn)比特幣節(jié)點(diǎn)功能的應(yīng)用提供了便利。
3.區(qū)塊鏈管理、交易驗(yàn)證、鄰接節(jié)點(diǎn)管理及共識(shí)
這幾個(gè)要素之間有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。首先，新的比特幣節(jié)點(diǎn)初始啟動(dòng)時(shí)需要發(fā)現(xiàn)鄰接節(jié)點(diǎn)，并與至少一個(gè)節(jié)點(diǎn)建立連接。連接建立后，如果是初始的比特幣全節(jié)點(diǎn)要啟動(dòng)區(qū)塊鏈管理下載并驗(yàn)證整條區(qū)塊鏈，節(jié)點(diǎn)可以并行從多個(gè)鄰接節(jié)點(diǎn)同時(shí)下載不同區(qū)間的區(qū)塊鏈。在比特幣網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)持續(xù)每10分鐘有新的區(qū)塊產(chǎn)生時(shí)，節(jié)點(diǎn)會(huì)去驗(yàn)證及接收新的區(qū)塊，并延伸該節(jié)點(diǎn)所擁有的區(qū)塊鏈，而這一過(guò)程中涉及到了共識(shí)。共識(shí)管理在廣義上則包括：挖礦、區(qū)塊驗(yàn)證和交易驗(yàn)證規(guī)則，挖礦的概念較容易理解：不斷對(duì)區(qū)塊報(bào)頭進(jìn)行哈希處理，每次嘗試改變一個(gè)隨機(jī)數(shù)，直到符合一定的條件才產(chǎn)生一個(gè)合格區(qū)塊。這里需要重點(diǎn)理解的是區(qū)塊驗(yàn)證和交易驗(yàn)證。
（1）區(qū)塊驗(yàn)證
區(qū)塊驗(yàn)證的基本流程如下圖所示
除了上述的基本驗(yàn)證以外，還有一個(gè)重要的的概念是重組區(qū)塊鏈，這種情況通常發(fā)生在一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中存在一條不屬于當(dāng)前區(qū)塊鏈的更長(zhǎng)的區(qū)塊鏈時(shí)，需要斷開現(xiàn)有的區(qū)塊并對(duì)區(qū)塊鏈進(jìn)行重組，該部分后面結(jié)合內(nèi)存池管理及回滾講解。
（2）交易驗(yàn)證
交易驗(yàn)證的條件檢查很復(fù)雜，詳細(xì)可參見《區(qū)塊鏈技術(shù)指南》一書中P68頁(yè)2.區(qū)塊驗(yàn)證中所列舉的條件明細(xì)，這其中有一條是比特幣設(shè)計(jì)的精髓：需要依靠腳本來(lái)驗(yàn)證交易的合法性，即每一個(gè)將要花掉的比特幣必須有相應(yīng)的來(lái)源。在實(shí)現(xiàn)上，交易的輸入和輸出都有腳本和數(shù)值組成，并通過(guò)比特幣的腳本引擎在一個(gè)簡(jiǎn)單的堆棧式計(jì)算平臺(tái)上執(zhí)行。但也正是因?yàn)槎褩Ｊ降哪_本語(yǔ)言限制了比特幣的擴(kuò)展性，而以太坊在此基礎(chǔ)之上引入了“圖靈完備”，極大擴(kuò)展了功能應(yīng)用（這一點(diǎn)的比對(duì)會(huì)在后續(xù)的部分講到）。
這里存在兩個(gè)腳本：解鎖腳本和鎖定腳本
用于解鎖UTXO（用私鑰去匹配鎖定腳本）的腳本稱為解鎖腳本（Signature script)，這也叫交易輸入；
交易輸出則是指向一個(gè)鎖定腳本（PubKey script），這個(gè)腳本表達(dá)了：誰(shuí)的簽名能匹配這個(gè)輸出地址，錢就支付給誰(shuí)。
如最常見類型的比特幣交易腳本（支付到公鑰哈希：P2PKH（Pay-to-Public-Key-Hash））組合：
基本交易驗(yàn)證流程如下所示：
1）解鎖腳本運(yùn)行過(guò)程，即入棧操作
2）鎖定腳本運(yùn)行過(guò)程，即出棧操作
4.內(nèi)存池管理、重組區(qū)塊及數(shù)據(jù)庫(kù)
在比特幣網(wǎng)絡(luò)中，一個(gè)驗(yàn)證過(guò)的交易在被放置到一個(gè)挖到的區(qū)塊之前，首先是放置在節(jié)點(diǎn)內(nèi)存中的一個(gè)交易池中，并且需要按照一定的優(yōu)先級(jí)次序從交易池中進(jìn)行選取。優(yōu)先級(jí)可按照1）交易中的輸入對(duì)應(yīng)的UTXO的“鏈齡”
鏈齡是指在鏈上記錄該交易的區(qū)塊為起點(diǎn)計(jì)算后續(xù)加入的區(qū)塊的深度計(jì)量
2）交易額的大小來(lái)劃分
而鏈齡越大或者交易額越大的交易則優(yōu)先級(jí)較高。
優(yōu)先級(jí)計(jì)算采用以下方式
priority=Sum（value of input*input age）/transaction size
另外，一些比特幣節(jié)還會(huì)維持一個(gè)“孤兒”交易池，即如果一個(gè)交易的輸入相對(duì)應(yīng)的UTXO暫時(shí)不能在鏈上被找到（有可能是因?yàn)檠舆t而未被更新導(dǎo)致），即缺失“父”交易，這些交易會(huì)被暫時(shí)放置到“孤兒”交易池中，等到“父”交易到來(lái)后再重新移到內(nèi)存池中，可參見上面區(qū)塊驗(yàn)證的流程處理。
上述處理涉及區(qū)塊鏈重組及數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)，這里簡(jiǎn)單舉例說(shuō)明：
存在A、B區(qū)塊，部分節(jié)點(diǎn)先接收到A區(qū)塊并在此基礎(chǔ)延伸鏈；部分節(jié)點(diǎn)先接收到B區(qū)塊，之后的鏈條發(fā)生分叉，如果B區(qū)塊的鏈條變長(zhǎng)，對(duì)于有A區(qū)塊的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)會(huì)斷開A區(qū)塊，進(jìn)而連接B區(qū)塊重組區(qū)塊鏈。其中斷開區(qū)塊、重組區(qū)塊涉及UTXO更新，被斷開的區(qū)塊中交易回退到交易內(nèi)存池，同時(shí)“回滾”記錄用來(lái)回滾斷開區(qū)塊中的交易。
除了區(qū)塊基礎(chǔ)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以外，比特幣還引入了數(shù)據(jù)庫(kù)便于交易操作及校驗(yàn)，對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及各功能訪問(wèn)之間的關(guān)系如下：
5.比特幣節(jié)點(diǎn)與P2P網(wǎng)絡(luò)管理
比特幣的節(jié)點(diǎn)按照功能劃分可分為三種
（1）全功能節(jié)點(diǎn)，即帶有錢包、RPC服務(wù)端、挖礦以及節(jié)點(diǎn)校驗(yàn)區(qū)塊和交易、鄰節(jié)點(diǎn)間消息傳遞功能的節(jié)點(diǎn)。
（2）基礎(chǔ)全節(jié)點(diǎn)，這種節(jié)點(diǎn)相對(duì)全功能節(jié)點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)化，僅做區(qū)塊和交易的交易和消息中轉(zhuǎn)。
（3）SPV節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)對(duì)可信任的節(jié)點(diǎn)的區(qū)塊和交易做校驗(yàn)。該節(jié)點(diǎn)有兩個(gè)特殊屬性：
1）在于鄰接節(jié)點(diǎn)的連接中設(shè)置過(guò)濾器，被稱之為Bloom過(guò)濾器，并只接收包含在錢包里的公鑰地址的交易。
這里引出了兩個(gè)問(wèn)題：
符合什么規(guī)則的節(jié)點(diǎn)可以作為spv節(jié)點(diǎn)，譬如可被信任或授權(quán)的？
所包含錢包里的公鑰地址由哪里獲取？
2）執(zhí)行兩個(gè)驗(yàn)證
基本過(guò)程如下所示
比特幣的節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成具有“去中心化”特點(diǎn)，即節(jié)點(diǎn)之間的發(fā)現(xiàn)即連接完全自主化，這主要基于P2P網(wǎng)絡(luò)管理具有的基本功能實(shí)現(xiàn)
（1）發(fā)現(xiàn)鄰接節(jié)點(diǎn)
（2）連接并管理與鄰接節(jié)點(diǎn)的socket連接
（3）節(jié)點(diǎn)間交換不同P2P消息
（4）禁止異常行為的鄰接節(jié)點(diǎn)連接，防止Dos攻擊
而這些功能需要基于一個(gè)基礎(chǔ)點(diǎn)：一個(gè)新的節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)后是如何發(fā)現(xiàn)一個(gè)鄰接節(jié)點(diǎn)并與之連接？
這里有兩種方法：
1）使用“DNS種子”查詢DNS，DNS種子即提供比特幣節(jié)點(diǎn)地址的DNS服務(wù)器
2）直接將一個(gè)已知鄰節(jié)點(diǎn)作為種子節(jié)點(diǎn)，通過(guò)他發(fā)現(xiàn)更多的鄰節(jié)點(diǎn)，因?yàn)猷徆?jié)點(diǎn)之間會(huì)相互轉(zhuǎn)發(fā)新節(jié)點(diǎn)的地址，并將已知地址發(fā)送給新節(jié)點(diǎn)。
一個(gè)新的比特幣節(jié)點(diǎn)的缺省配置是主動(dòng)連接8個(gè)鄰節(jié)點(diǎn)，同時(shí)允許最多125個(gè)鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)起連接請(qǐng)求；另一方面，節(jié)點(diǎn)會(huì)去自動(dòng)維護(hù)與已連接節(jié)點(diǎn)之間的連接確保整個(gè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的有效性。因此，比特幣的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以自由加入或離開，真正做到了動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)和自維護(hù)。
6.規(guī)則管理
比特幣節(jié)點(diǎn)必須遵循一定的規(guī)則來(lái)保證其行為同其它節(jié)點(diǎn)的一致性，這包括：
（1）共識(shí)規(guī)則
即所有節(jié)點(diǎn)都必須遵守的規(guī)則
（2）個(gè)性化規(guī)則
即共識(shí)以外的規(guī)則，典型例子如一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以拒絕保存、中轉(zhuǎn)大于200KB對(duì)的交易。這里有一個(gè)原則：個(gè)性化規(guī)則基于共識(shí)規(guī)則，之間不能產(chǎn)生沖突。
附參考文章：
