前面几章介绍了区块链背景以及相关的基础知识，本章将为读者介绍区块链的架构。区块链源于支持BitCoin虚拟货币 系统的底层基础架构，在支撑BitCoin平稳运行三四年后，以其独特的去中心化架构逐渐吸引IT业界的关注，使得业界的关注点逐渐从虚拟货币转移到区块 链平台上，并被认为是目前呼声最高的下一代互联网——“价值互联网”的颠覆性技术。

本章将深入剖析区块链基础架构（区块链1.0），阐述其架构属性和特点，同时也详细分析从基础架构上延伸扩展的区块链2.0和区块链3.0架构，最后介绍用来集成整合不同区块链的互联链架构。

3.1　基本定义

在详细讨论区块链之前，为了便于准确地把握区块链的架构，我们先给出区块链的定义。由于目前在业界并没有统一的区块链定义，我们将用渐进逼近的方式来定义区块链，以求完整、准确。

定义1： 区块链

1）一个分布式的链接账本，每个账本就是一个“区块”；

2）基于分布式的共识算法来决定记账者；

3）账本内交易由密码学签名和哈希算法保证不可篡改；

4）账本按产生时间顺序链接，当前账本含有上一个账本的哈希值，账本间的链接保证不可篡改；

5）所有交易在账本中可追溯。

该定义中“分布式”的定义如下。

定义2： 分布式

分布式是一种计算模式，指在一个网络中，各节点通过相互传送消息来通信和协调行动，以求达到一个共同目标[1] 。

在区块链中，分布式包括“完全去中心”“部分去中心”和“部分中心”3种模式，分别对应区块链的3种部署模式：“公共链”“联盟链”和“私有链”。分布式意味着在区块链网络中不存在一个中心节点，该节点负责生成、修改、保管所有账本。

定义3： 完全去中心

一种网络的架构模式，在该模式下网络没有拥有者，完全对外开放。网络中每个节点都可选择拥有相同的权限。在完全去中心的区块链网络上，所有节点都可以读写区块链数据，都可作为记账的候选节点参与共识流程，有机会参与账本的生成和记账。

定义4： 部分去中心

一种网络的架构模式，在该模式下网络属于一个联盟共同所有，网络只对联盟成员开放。网络中每个节点被赋予不同权限。在“部分去中心”的区块链网络上，节点根据所赋予权限读写区块链数据，参与共识流程以及参与账本的生成和记账。

定义5： 部分中心

一种网络的架构模式，在该模式下网络属于一个所有者，网络只对所有者内部成员开放。网络中每个节点被赋予不同权限。在“部分中心”的区块链网络上，节点根据所有者赋予的权限读写区块链数据，参与共识流程以及参与账本的生成和记账。

在有了一个明确的区块链定义之后，我们来看比特币下的区块链架构。在此之前，我们也对大家耳熟能详的“架构”一词做一个严格定义。

定义6： 架构

架构有两个层面的涵义。一个是静态层面的，主要是勾画系统边界、结构、组成的组件以及组件之间的关联关系；另一个是动态层面，主要是规范组件的行为以及组件之间的交互协议。根据一个IT系统的架构，可以界定该系统的功能特性和一些非功能特性[2] 。

例如：对于Bitcoin，它的功能可以是虚拟货币的发行和流通，是支付，结算和清算，保证不可“双花”、交易不可篡改、交易可追溯；非功能特性则包括安全措施（签名、加密、隐私保护等）以及平均出块时间、每秒交易量等。

架构设计要考虑不断变化的和恒久不变的两方面。

一个有长久生命力的系统都有一个设计高明的架构，其精髓在于架构能支持系统功能的变化、发展、演化，允许系统功能不断变化，也就是架构必须提供的灵活性。

而系统对易用性、安全性、稳定性和性能却应该是恒久不变的，因此IT架构的设计必须强调非功能特性，其中开放性、可扩 展性、可移植性、可维护性、灵活性、安全性、性能（响应时间、吞吐率、并发数等）最为重要。比特币出现短短几年后，从中衍生出多种代币和应用，可以窥见其 架构设计的安全、巧妙、灵活和可扩展性。

区块链因应用场景的不同而有不同的架构。在《区块链：新经济蓝图及导读》一书中，作者Melanie Swan提出一个按区块链应用范围和发展阶段来划分的概念，把区块链应用分为区块链1.0、2.0和3.0。她把比特币作为区块链1.0的典型应用。区块 链1.0支撑虚拟货币应用，也就是与转账、汇款和数字化支付相关的密码学货币应用。区块链2.0支撑智能合约应用，合约是经济、市场和金融的区块链应用的 基石。区块链2.0应用包括股票、债券、期货、贷款、抵押、产权、智能财产和智能合约。区块链3.0应用是超越货币、金融和市场的范围的去中心化应用，特 别是在政府、健康、科学、文化和艺术领域的应用。

区块链也会因部署模式的不同而有不同的架构。如公共链、联盟链、私有链和侧链。多种区块链架构的出现也使得链与链之间的集成、整合成为挑战，因此互联链（Interledger）的概念也应运而生[3] 。

下面我们逐个讨论不同架构的区块链。

[1] Coulouris，George；Jean Dollimore；Tim Kindberg；Gordon Blair，Distributed Systems：Concepts and Design（5th Edition）.Boston：Addison-Wesley，2011.

[2] 吴玉征，郑凯，中国云力量，电子工业出版社，2016.

[3] Stefan Thomas&Evan Schwartz，A Protocol for Interledger Payments，Ripple.com，2015.

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