淺談QitChain Network的架構細節與共識的基本原理（上）

導語：在本系列的前三篇文章中，我們對QitChain的基本情況做了一些簡要介紹，包括出現背景，基礎架構概覽、共識、經濟體系以及生態環境等。至此，關于QitChain的前期準備已經基本完成，因此可以討論一些更深層次、更加細節的內容了。

在本文中，我們將討論QitChain架構的技術細節、整個分布式系統的區塊結構以及CPoC共識的技術本質，籍此加深讀者對QitChain系統的深入了解，以增強其對該系統前景的信心。

因此，當涉及區塊結構和共識內容時，我們會用較多的篇幅探討QitChain的技術架構及這些架構設計背后所蘊含的密碼學思想。我們相信，這樣的討論能夠讓讀者更好地理解我們為何在技術架構方面給予QitChain一個相對謹慎的樂觀態度。

從頭開始的第二遍梳理：QitChain Network的架構細節

在此前的文章中，我們曾提及QitChain Network是整個QitChain項目的核心之一，為整個生態系統提供核心支撐。在QitChain的藍圖中，它將提供分布式存儲與服務建設、發現等功能。而根據QitChain團隊的設計，QitChain Network主要由五部分組成：

存儲：存儲是QitChain Network的立足之本和靈魂所在。在已發布的系列文章中，我們曾提及，QitChain Network因其分布式設計而具有安全性，可以存儲包括關鍵文檔、視頻以及代碼等在內的重要文件。當然，這樣的表述僅限于用戶層面。實際上，而在架構師的方案中，該部分還需要存儲QitChain鏈中不斷增長的數據，包括區塊、鏈式信息、交易記錄、Merkel樹等基礎的數據內容，并且允許網絡參與者相互之間達成無需信任第三方存在的共識。

共識：QitChain Network的共識算法采用了先進的CPoC共識。此前我們也曾簡要地介紹了該算法的優勢。后續部分，我們將繼續詳細講解該共識的數學算法。

日本最大比特幣閃電網絡社區獲房地產公司Open House贊助以進行聯合研究:6月18日消息，位于日本東京圈的頂級房地產公司Open House Group Company Limited正在贊助日本最大的閃電網絡社區“Diamond Hands”進行聯合研究項目。Open House將贊助Diamond Hands的支持和拓展工作，以進一步推廣閃電網絡在該地區的應用。該社區將參與Open House的內部項目和社區發展的研發工作，這涉及到個人用戶和企業對閃電網絡的采用。此外，Open House試圖通過探索面向企業的全節點業務運營來加強其對該生態系統的理解。這項研究將包括在個人設備上安全存儲數據，在房地產的完整節點上的云數據庫，利用第二層比特幣技術進行房地產交易，以及如何在閃電網絡上進行支付。（Bitcoin Magazine）[2022/6/18 4:37:24]

客戶端：客戶端是直接面向QitChain用戶的構成組件，它允許用戶對其賬戶和其中的數字資產進行查詢、管理和交易。

點對點網絡：基于點對點架構的QitChain網絡允許節點之間互相通信，以及與外界進行信息交換。當然，基于區塊鏈最重要特征之一的分布式架構，QitChain Network的節點也不存在層級結構，因而具有透明性、可靠性的特點。每個節點在對外提供服務的同時，也能同時使用來自網絡中其他節點的服務。一言以蔽之，整個QitChain Network就是根據特定的分布式點對點協議運行的所有節點的集合。

接口：QitChain Network允許用戶通過它們與外部網絡進行交互。除了基礎的http接口之外，系統同時還提供WebSocket RTC接口。后者是一種旨在解決分布式系統中，服務器之間相互進行遠程調用的方案。通過RTC接口，可以令用戶通過它們和外部網絡中的服務器進行遠程調用時，如同本地調用一樣簡捷方便。

綜上所述，我們可以看到QitChain?Network的五個部分各自具備對應功能，分別負責底層邏輯、用戶交互和外部通訊等重要工作。其中存儲、共識與客戶端對內；而點對點網絡和接口對外，將整個項目打造成一個有機的技術解決方案。在QitChain的白皮書上的一張關系圖可以比較直觀地概括各個部分在QitChain Network中所處的位置和它們之間的相互關系：

美股區塊鏈板塊盤前走強，億邦國際、嘉楠科技漲11%:行情顯示，美股區塊鏈板塊盤前走強，Marathon Patent漲近20%，Bit Digital、Riot Blockchain漲18%，第九城市漲13%，億邦國際、嘉楠科技漲11%。[2021/7/26 1:16:03]

Figure 1: QitChain白皮書中對于QitChain Network的架構示意圖

分工合作：QitChain的節點類型與結構

在分布式的網絡系統中，節點是最基礎也是最為重要的元素：它們負責接收、存儲和廣播數據，獲取區塊獎勵，管理數字資產，并且構成網路路由。在分布式系統的初創時代，節點之間是平等的，它們有著相同的結構、儲存相同的全網數據，并且忠實記錄全網絡上的每一筆數字資產交易。

但正如魚與熊掌不可兼得一樣，區塊鏈的“不可能三角”證明了分布式系統如果要從密碼學的象牙塔里走向普羅大眾，那么必然要求在安全性上做一定妥協以滿足高性能要求。而事實也是如此，大量的區塊鏈項目為了提高性能而對一些節點進行了改變，使得節點之間出現了分工合作的局面。

我們在之前的文章中曾經提及，QitChain的節點包括完全節點和輕節點。但這兩種節點并非節點的全部分類。QitChain在全網中一共存在以下幾種不同的節點以分工履行其職能并共同構成QitChain核心網絡：

同步全節點

同步全節點是擁有完整區塊鏈賬本的節點。任何一個同步全節點都能夠獨立自主地校驗所有數據，而不需要借由任何外部參照進行輔助。在區塊鏈的香草時代，人們對于其處理問題的效率并不那么看重的時候，大多數項目中的每一個節點都是同步全節點。這樣的架構擁有最強的安全性，但其速度遠遠不足以支撐當今國際交易系統的處理需求。

輕節點

在之前的文章中，我們提到過輕節點只儲存區塊頭而非全部交易數據。與大多數人的想象相不同，輕節點是一個很早就被提出的概念。它基于簡化支付認證技術（Simplified Payment Verification, SPV）,利用Merkle Proof機制，在只需要保存最長區塊鏈的區塊頭的情況下，就能夠驗證一筆交易是否存在。

由于本篇重在討論技術細節，因此我們來關注一下輕節點如何利用Merkle Proof來實現在無需借助遍歷全賬本的情況下來驗證交易是否存在。哈希樹（Merkle Tree）是密碼學中的一種樹狀數據結構，其特點在于其每個葉節點（即最底端的節點）的標簽都是該節點的哈希值，而除了葉節點之外的其他所有節點則以其所有子節點的標簽的哈希加密作為標簽。這樣，整棵樹的頂點標簽便是可以看做除頂點之外所有節點標簽的一個巨型的復哈希值。

Figure 2: 一棵哈希樹的基本結構

Merkle Proof的意義在于證明一筆特定交易是否確實存在于某個特定的區塊中，用戶不必對整個區塊鏈中的每一個區塊進行遍歷搜索，而只需要檢查區塊頭所組成的鏈即可。如果能夠在這條區塊頭所組成的鏈的某一個區塊頭找到該交易的哈希，則可以認證該交易的確存在于該區塊頭所對應的區塊中。而這一系列操作僅僅最多只是瀏覽了所有區塊頭而非遍歷整個區塊鏈，因此能夠在保證相對安全的情況下更加高效。在QitChain Network中，輕節點因如前文所述，只含有區塊頭而沒有交易信息，因此合并成鏈之后，整條鏈的大小只有完整區塊鏈的1/1000左右。

Figure 3: 使用Merkle Proof證明某項交易是否存在于特定的某個區塊中

服務商節點

服務商節點的主要任務是提供計算或通證質押（依靠不同的共識而產生變化）、爭奪新出塊的記賬權并獲得數字資產。而在QitChain Network的語境中，其服務商節點提供的是存儲服務。其對生命周期的定義是從一筆數字資產的交易被創建開始的，隨后該交易會被一個或多個簽名進行加密并且全網廣播。當該筆交易被大多數其他類型的節點接收之后，最終會被一個存儲服務商節點所驗證并添加到鏈上的一個區塊中。當這筆交易進入區塊鏈并且被足夠多的后續區塊所確認之后，便會成為區塊鏈的一部分。

由此不難發現，根據存儲服務商節點發揮的作用，該節點應當提供存儲服務、完整區塊鏈數據以及網絡路由。在某些特定的情況下，為了更容易獲得區塊的打包記賬權及其附屬的數字資產激勵，服務商節點會被統合起來形成節點集群以實現“集中力量辦大事”的效果。

由此可見，QitChain Network作為QitChain項目的核心，通過其架構的設計和節點的分工，對整個項目的完整性、有效性進行了有力的支撐，但其創新之處仍然遠不止于此。QitChain大膽地采用了號稱“博采眾家之長”的CPoC共識機制來實現其數字資產的分配與經濟模型的架構，而CPoC如何博采眾長，其先進性又如何體現，則是我們在之后需要討論的內容。

作者：Akechi??

參考資料

Qitchain Network, QitCoin Whitepaper v2.0

Bitcoin Wiki, Simplified Payment Verification, https://wiki.bitcoinsv.io/index.php/Simplified_Payment_Verification#:~:text=Simplified%20Payment%20Verification%20(SPV)%20is,the%20properties%20of%20Merkle%20proofs

Bitcoin SV, Merkle Proof Standardised Format, https://tsc.bitcoinassociation.net/standards/merkle-proof-standardised-format/

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