技术 | Web3应用程序架构
本号上两篇文章，主要是从概念和生态上来描述Web3, 有助于对Web3有初步的宏观认识，阅读请点击：
编译&发布本文的主要目的是，让大家能从技术架构对Web3的DApps建立简单的认识，建议有程序开发背景的朋友阅读，当然如果您不是工程背景，愿意了解其中的原理，也可以一看。文末附赠大家的礼物：web3.js Documentation
注: 本着客观独立的出发点，本号不推销任何意义上的商业产品，不提供任何投资建议，不接任何PR需求。本文不构成任何投资上的建议。
*本号文章大多属于为爱发电，供参考和学习使用，欢迎大家转发。
作者 |Preethi Kasireddy
编译 |阿法兔
序言
Web 3.0的应用程序（DApps）的架构与Web 2.0时代的App完全不同。以博客网站Medium（类似博客园）为例，用户可以在Medium网站发布文章，与其他用户互动。我们每天都在接触类似的Web 2.0应用，用起来似乎很简单，但要实现这些功能（发布文章、与用户交互等功能）等，还是有很多准备工作需要网站完成。
具体需要做哪些工作呢？
第一，网站必须具备一个可以存储基本数据的空间，储存用户、帖子、标签、评论、点赞等，数据库需要不断更新。
第二，后端代码（用Node.js、Java或Python等语言编写）需要对Medium网站的业务逻辑进行清晰的定义。例如，当某个新用户注册、发布新博客或在别人的博客上发表评论时，网站会有什么样的变化？
第三，前端代码（通常用JavaScript、HTML和CSS编写）必须定义Medium的用户界面逻辑。例如，网站是什么样子的，当用户与页面上的每个元素（例如按钮、状态栏、小图标等）互动时，会发生什么？
组合在一起，当我们在Medium上写一篇博文时，会与它的前端互动，与后端对话（后端还要和数据库对话）。这些代码都托管在集中式服务器上，通过互联网浏览器发送给用户。通俗来说，大家今天使用的大多数Web 2.0 App的工作方式就是如此。
但是，变化正在发生。
区块链技术为Web 3.0应用开启了一个新的方向，为了加深理解，这篇文章将着重分析基于以太坊的Web3的DApps架构。
Web 3.0到底有何不同？
与Web 2.0应用不同，Web 3.0消除了中间商（管理中心）。无需数据库集中存储应App的状态（ State），也不需要集中的网络服务器来存放后端的逻辑。
相反，Web3可以利用区块链，在互联网上的去中心化的状态机上（由匿名节点维护）构建应用程序。
通过 "状态机（state machine）"，这里是指维护给定的程序状态和该机器上允许的未来状态的机器。区块链是状态机，它被实例化为一些创世的状态，并有非常严格的规则（即共识）来定义该状态如何转换。
科普：什么是状态机？
状态机由状态寄存器和组合逻辑电路构成，能够根据控制信号按照预先设定的状态进行状态转移，是协调相关信号动作,完成特定操作的控制中心。状态机分为摩尔（Moore）型状态机和米莉（Mealy）型状态机。
状态机就是状态转移图。举个最简单的例子，人有三个状态：健康，感冒，康复中。触发的条件有淋雨（t1），吃药（t2），打针（t3），休息（t4）。所以状态机就是健康-（t4）->健康；健康-（t1）->感冒；感冒-（t3）->健康；感冒-（t2）->康复中；康复中-（t4）->健康，等等。就是这样状态在不同的条件下跳转到自己或不同状态的图。
那么后端服务器呢？与Web2.0后端被控制的方式不同，在Web 3.0生态中，我们可以编写智能合约，定义应用程序的逻辑，将应用程序部署到去中心化的状态机上。这意味着，每个想构建区块链应用的人，都会在共享状态机上部署代码。
前端几乎保持不变，有一些特殊例子将会在后文介绍。
以下是该架构示意图：
详细说明：
我们具体分析一下：
1）区块链
以太坊上的区块链世界是今天的当红炸子鸡：因为以太坊是全球可访问的、具有确定性的状态机，由点对点（Peer to Peer）的节点网络共同维护。以太坊状态机上的状态变化，是由网络的参与者遵循的共识规则所控制的。
所以，以太坊的设计，就是一个世界上任何人都可以访问、写入的状态机。因此，以太坊不属于任何单个实体，而是由网络中的每个参与者共同拥有。
注意，数据写到以太坊区块链上，就不能再被更改。
2）智能合约
智能合约是一个在以太坊区块链上运行的程序，智能合约定义了区块链上发生的状态变化背后的逻辑。智能合约是用高级语言（编程语言）编写的，如Solidity或Vyper。
由于智能合约代码存储在以太坊区块链上，所以任何人都可以检查网络上所有智能合约的应用逻辑。
3）以太坊虚拟机（Ethereum Virtual Machine）缩写为EVM
啥是虚拟机呢？
就是计算机系统的仿真器，可以在一个完全隔离的系统中，提供我们真实计算机的功能。
系统虚拟机可以提供一个可以运行完整操作系统的完整系统平台，例如我们用的Windows系统。MAC OS系统等。
程序虚拟机就是，可以在仿真器里单独运行计算机程序。
也就是说，如果购买了云服务商提供的虚拟机，就像从云服务商那里买了一块地，之后就可以在虚拟机上面安装各种软件和运行各种任务，就像我们在自己买来的土地上自由改造，盖房子一样。
接下来，通过以太坊虚拟机，可以执行智能合约中定义的逻辑，处理以太坊（全球可访问）状态机上发生的状态变化。
EVM不理解像Solidity和Vyper这样的高级语言，这些语言被用来编写智能合约。相反，必须将高级语言编译成Bytecode，EVM才可以执行。
4) 前端
最后，在前端这块。前端定义了用户界面逻辑，但前端也会与智能合约中定义的应用逻辑进行交互。
前台和智能合约之间的通信比上图中的架构要稍复杂，那么，前端如何和以太坊的智能合约进行通信？
前端代码如何与以太坊的智能合约进行通信？
想与区块链上的数据和代码互动时，就需要与节点们的其中一个互动。这是因为，任何节点都可以广播请求在EVM（以太坊虚拟机）上执行一个交易。然后，矿工会执行该交易，并将产生的状态变化广播至网络的其他部分。
有两种方法来广播（公布/确认）一个新的交易。
构建自己的在以太坊区块链上的节点，运行以太坊区块链软件
应用第三方服务如如Infura和Alchemy提供的节点，如Infura和Alchemy
此外，随着DApp规模的扩大，存储完整的以太坊区块链的成本会上升，就需要增加更多的节点来拓展基础设施。这就是为什么，随着基础设施变得更加复杂，需要全职的DevOps工程师，工程师可以帮助维护基础设施，确保可靠的正常运行时间和快速响应时间。
综上所述，为了避免这些麻烦事，许多DApps就会选择使用Infura或Alchemy等服务来管理节点基础设施。当然，这是有代价的（有机会进一步讨论这个问题）
接着讲一下供应商。当需要与区块链互动时，所连接的节点（无论是自己设置的还是使用）
一旦通过Provider连接到区块链，我们可以读取存储在区块链上的状态。但如果想写入状态，在向区块链提交交易之前，还需要做一件事-，这就是用私钥 "签署 "交易。举个例子：设想有一个DApp，用户可以阅读或发布博客文章到区块链上，在前端有一个按钮，任何人都可以查询某个特定用户写的博客文章。(回顾一下，从区块链上阅读并不要求用户签署交易)。
然而，当一个用户想在链上发布一个新的帖子时，这个DApp就会要求用户使用他们的私钥 "签署 "交易，只有在那时，DApp才会将交易转发到区块链上。否则，节点将不接受该交易。这种交易的 "签名 "是Metamask的典型作用（MetaMask 是一个开源的以太坊钱包，能帮助用户方便地管理自己的以太坊数字资产）
Metamask是一个工具，通过它，应用程序能够轻松处理密钥管理和交易签名。Metamask会在浏览器中存储用户私钥，每当前端需要用户签署交易时，就会调用Metamask。
Metamask提供与区块链的连接（作为 "Provider"），因为它已经有了与Infura提供的节点的连接，因为它需要它来签署交易。这样一来，Metamask既是一个提供者，也是一个签署者（ Signer）。
基于区块链的存储
这是为什么呢？
原来，在以太坊上，用户每次向区块链添加新数据时都要付费。这是因为在去中心化的状态机上增加一个状态，会增加维护该状态机节点的成本。
每次用户的交易需要添加新的状态时，要求用户为使用我们的DApp支付额外的费用，这样的用户体验不优质。解决这个问题的方法之一，是应用分散的链外存储解决方案，如IPFS或Swarm。
IPFS:星际文件系统(InterPlanetary File System); IPFS 是一个分布式的Web, 点对点的超媒体协议。IPFS系统不是将数据存储在一个集中的数据库中，而是将数据分布和存储在一个点对点的网络中，需要时很容易就可以检索到。
IPFS 还有一个名为“Filecoin”的激励层。通过Filecoin,世界各地的节点可以存储和检索这些数据。可以通过Infura或 Pinata（which provides an easy-to-use service where you can “pin” your files to IPFS and take the IPFS hash and store that on the blockchain）这种开箱服务，可以将文件“钉”到IPFS上，然后把IPFS哈希保存，存到区块链上。
Swarm也是类似的，它是一个去中心化的存储网络，但有一个明显的区别。Filecoin是一个独立的系统，而Swarm的激励系统是内置的，通过以太坊区块链上的智能合约执行，用于存储和检索数据。
所以现在，架构中加上IPFS或Swarm，应用架构看起来如下图所示：
所以，如果我们想建立一个真正的去中心化的应用程序，可能会选择在一个去中心化的存储解决方案上托管你的前端，如IPFS或Swarm。
所以现在我们应用架构看起来会如下图所示：
在区块链中进行查询：
1）智能合约事件（Smart Contract Events）
使用Web3.js库来查询和监听智能合约事件。可以监听特定的事件（ listen for smart contract events），并在每次事件被触发时指定一个回调（emit an event ）。例如，如果我们有一个智能合约，每个区块都会从A向B发送一个连续的支付流（continuous payment stream），那么就可以在每次向人B支付新的款项时发出一个事件。前端代码可以监听智能合约发送的事件，并根据它执行具体的行动。
2）索引（The Graph）
上述方法存在一些限制。例如，如果部署了一个智能合约，后来突然需要一个最初没有包括的事件，怎么办？必须用该事件和数据重新部署一个新的智能合约。此外，使用回调来处理各种UI逻辑很快就会变得非常复杂。
在这种场景下， "The Graph"索引就可以发挥作用。
The Graph是一个链外索引解决方案，可以更容易查询以太坊区块链上的数据。
The Graph允许我们定义哪些智能合约需要索引，哪些事件和函数调用需要监听，以及如何将传入的事件转化为前端逻辑（或需要调用API的业务）可以消费的实体。它使用GraphQL作为查询语言，许多前端工程师喜欢这种语言，因为与传统的REST API相比，表达能力相对很强。
（解释：GraphQL:FB推出的一种代替rest方法的新结构查询语法）
通过索引区块链数据，The Graph让我们在应用逻辑中以低延迟查询链上数据。
现在，DApp架构看起来如下图所示：
解释：以太坊的Gas是什么？
Gas其实就是邮费。如果我们去邮局给别人寄信，需要贴邮票，支付邮费，对于以太坊网络也是一样，给别人转账或者调用合约，需要支付gas费。所以gas就相当于邮局的邮费。
DApp的扩展（Scaling）
Ethereum average gas price
Average transaction fee
Average block size
很明显，这里有一个问题，由于各项成本相对较高，在以太坊上建立一个具有高GAS费用和全区块的DApp会导致一个非常糟糕的用户体验。值得庆幸的是，有一些解决方案正在开发中。
一个流行的扩展解决方案是Polygon，一个L2扩展解决方案。Polygon没有在主区块链上执行交易，而是有 "侧链 "来处理和执行交易。侧链是一个二级区块链，与主链对接。每隔一段时间，侧链就会将其最近的区块聚合起来提交给主链。
L2解决方案在链外进行交易，只在链上存储交易数据。这就可以对区块链进行扩展，我们不需要在链上执行每一笔交易。这也使得交易更快、更便宜，而且在必要时，仍然可以与主以太坊区块链进行通信。
如果觉得上述稍显复杂，你并不是一个人：）。将所有工具拼凑在一起是很复杂的，可能会带来艰难的开发者体验。但不必担心，逐渐会产生新的开发者框架，这些框架会改善开发体验。
例如，开发框架Hardhat是，使以太坊开发者更容易建立、部署和测试智能合约。Hardhat提供了 "Hardhat网络"，开发者可以用它来将他们的智能合约部署到本地网络上--而不需要处理实时环境。更好的是，它提供了一个伟大的插件生态系统，使开发者的生活更加轻松。Hardhat还提供了console.log()功能，类似于JavaScript，用于调试目的。
当然，这仅仅是个开始。我希望我们在未来能继续看到更好的开发者工具。
总结
原文链接：1.https://www.preethikasireddy.com/post/the-architecture-of-a-web-3-0-application
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