摘要：使用模型的代表是比特幣。每一個比特幣全節(jié)點都會維護當(dāng)前所有的集合，這個集合我們就稱為比特幣賬本的當(dāng)前狀態(tài)即當(dāng)前的賬本。

本文是對前幾期秘猿區(qū)塊鏈課堂中關(guān)于 Cell 模型的總結(jié)。底層公鏈 CKB 的 Cell 模型是一個高度抽象的模型，事實上，你不僅可以在 Cell 上實現(xiàn) First-class Asset，也可以在 Cell 上模擬 Account。通過本文的介紹我們可以看出，Cell 模型是一個不同于 UTXO 模型和 Account 模型的新設(shè)計。除了狀態(tài)模型的不同，CKB 還將計算（也就是狀態(tài)生成）轉(zhuǎn)移到了鏈外，在鏈上只需要對狀態(tài)進行驗證的邏輯。獨特的狀態(tài)模型和計算驗證分離這兩點決定了 CKB 的編程模型上必然會出現(xiàn)新的 DApp 范式和設(shè)計模式。

秘猿科技區(qū)塊鏈小課堂第 19 期

喜歡函數(shù)式編程的工程師應(yīng)該很熟悉一個名詞：First-class Function，翻譯成中文應(yīng)該叫「頭等函數(shù)」或者「一等函數(shù)」。First-class Function 指的是一類編程語言，在這些語言中函數(shù)是一個完全獨立的概念：函數(shù)可以被當(dāng)作值賦給一個變量，可以被當(dāng)作參數(shù)傳遞給其他函數(shù)，也可以被當(dāng)作返回值從其它函數(shù)傳出來。在這樣的語言中我們可以像操縱數(shù)據(jù)一樣操縱函數(shù)，所以在這些語言中函數(shù)和數(shù)據(jù)一樣是「一等公民」（First-class Citizen）。First-class Function 是函數(shù)式語言的一個關(guān)鍵特性，很多函數(shù)式編程的強大能力來源于此。

Nervos CKB 使用 Cell 模型來構(gòu)建整個共同知識庫的狀態(tài)。Cell 模型是一個非常簡單但是與現(xiàn)有區(qū)塊鏈設(shè)計非常不同的狀態(tài)模型，我們在設(shè)計 Cell 模型的時候已經(jīng)意識到，基于 Cell 模型的 DApp 將擁有一些非常不同的性質(zhì)，就像函數(shù)式編程和面向?qū)ο缶幊虝a(chǎn)生風(fēng)格迥異的設(shè)計模式和程序特性一樣。在這篇文章中，我想闡述 Cell 模型可以支持的一種非常有趣的 DApp 設(shè)計模式，我們把它叫做 First-class Asset，因為通過它我們可以將用戶自定義的加密資產(chǎn)變成區(qū)塊鏈中的「一等公民」。

在 Cell 模型之前，各種區(qū)塊鏈?zhǔn)褂玫臓顟B(tài)模型基本上就是兩種：UTXO 模型和 Account 模型。

使用 UTXO 模型的代表是比特幣。UTXO 是未被花費的交易輸出（Unspent Transaction Output）的縮寫，一個 UTXO 可以簡單的理解為是一個比特幣，然而和一般的硬幣不同，每一個 UTXO 的面值都是不一樣的。每個 UTXO 中都通過一段鎖腳本（Lock Script）記錄了這枚硬幣的所有者是誰，同時保證只有所有者能夠花費這枚硬幣。每一個比特幣全節(jié)點都會維護當(dāng)前所有 UTXO 的集合，這個集合我們就稱為比特幣賬本的當(dāng)前狀態(tài)（即當(dāng)前的賬本）。每一次比特幣轉(zhuǎn)賬都是一個從 UTXO 集合中刪除幾個硬幣（屬于付款方）然后又增加幾個新硬幣（屬于收款方和 / 或付款方）的過程。由于整個賬本狀態(tài)是基于 UTXO 這個最小單元構(gòu)建的，我們把它叫做 UTXO 模型。

使用 Account 模型的代表是以太坊。Account 就是賬戶，和銀行賬戶類似，代表了資產(chǎn)的所有者，賬戶里面最重要的數(shù)據(jù)是余額（Balance），記錄這個賬戶持有的以太幣的數(shù)量。賬戶是資產(chǎn)所有者的代表，所有者可以是人（對應(yīng)外部賬戶）或者智能合約（對應(yīng)合約賬戶），外部賬戶通過私鑰簽名來驗證資產(chǎn)所有權(quán)，合約賬戶的所有權(quán)通過合約代碼來確定，合約代碼和狀態(tài)都保存合約賬戶內(nèi)部。外部賬戶要轉(zhuǎn)賬的時候，用戶在交易中指明轉(zhuǎn)賬數(shù)量，賬本中的付款方賬戶余額和收款方賬戶余額就會做相應(yīng)的減少和增加。由于整個賬本狀態(tài)是基于賬戶（Account）這個最小單元構(gòu)建的，我們把它叫做 Account 模型。

UTXO 模型和 Account 模型代表了構(gòu)建賬本狀態(tài)的兩種思路。賬本是所有者與資產(chǎn)之間關(guān)系的集合。UTXO 模型以資產(chǎn)為基礎(chǔ)建模，先構(gòu)建出「硬幣」的概念，再給硬幣賦予所有者的屬性；Account 模型以所有者為基礎(chǔ)建模，先構(gòu)建出「賬戶」的概念，再給賬戶賦予余額的屬性。以哪種方式作為基礎(chǔ)模型決定了系統(tǒng)中的操作的基本對象是資產(chǎn)還是賬戶（所有者）。

所以我們說，硬幣（Coin）是 UTXO 模型中的 First-class Citizen，每一個 UTXO 都是一個具有獨立標(biāo)識符的對象（Transaction ID + Output Index），Coin 是用戶直接操作的對象（用戶在構(gòu)造的交易中包含 UTXO），賬戶是基于 Coin 建立的上層概念（只存在于錢包中）。因此 UTXO 是 First-class Coin。

在 Account 模型中，賬戶是 First-class Citizen，聚合在賬戶余額中的硬幣沒有獨立的標(biāo)識符。賬戶是用戶直接操作的對象，資產(chǎn)的轉(zhuǎn)移是由賬戶作為用戶的代理實現(xiàn)的，這一點在接受方是合約賬戶時體現(xiàn)的最為明顯。在這樣的模型下，用戶定義加密資產(chǎn)（例如 ERC 20）更像是通過第三方記賬的方式，而非點對點的方式轉(zhuǎn)移，這個差異會將第三方（這里的第三方指的是托管加密資產(chǎn)的智能合約）引入資產(chǎn)轉(zhuǎn)移流程，增加智能合約的設(shè)計復(fù)雜度（我們可以把智能合約看作在資產(chǎn)轉(zhuǎn)移時會自動執(zhí)行的邏輯）。為了降低這種復(fù)雜度，Account 模型中的交易需要加入特殊的邏輯（Value 字段），但是這樣的特殊邏輯只有助于原生資產(chǎn)，同時造成對原生資產(chǎn)和用戶自定義資產(chǎn)的不同代碼路徑。

對于這些問題，Kelvin Fitcher 寫過一篇 Looking at ownership in the EVM 進行了很好的分析，在此不再贅述。

有了這些背景，我們應(yīng)該更容易理解 CKB 的這一設(shè)計理念了：

有了 Cell 模型，我們能夠簡化設(shè)計，并在 Nervos CKB 上實現(xiàn)作為「一等公民」的用戶定義資產(chǎn)（User Defined Assets），簡稱 First-class Assets.

First-class Assets 與 UTXO 一樣，具有獨立標(biāo)識符，可以被用戶及腳本直接引用和操作。

如何實現(xiàn) First-class Assets 呢？

無論用何種方式，我們都需要記錄所有者和資產(chǎn)之間的關(guān)系。這些關(guān)系記錄，本質(zhì)上是經(jīng)過共識的狀態(tài)。要有 First-class Assets, 必須先有First-class State，而這正是 Cell 模型的出發(fā)點。

Nervos CKB 的名字來自于 Common Knowledge Base（共同知識庫）的縮寫。我們之所以把 Nervos 網(wǎng)絡(luò)中的區(qū)塊鏈稱為「共同知識庫」，是因為它的責(zé)任是持續(xù)不斷的對網(wǎng)絡(luò)的共同狀態(tài)形成全球共識，換句話說，CKB 是一個由全球共識維護的狀態(tài)庫。一個狀態(tài)庫的基本模型，很自然的是將整個狀態(tài)劃分為更小的狀態(tài)單元組織起來。這些更小的狀態(tài)單元，就是 Cell。

由于 Cell 是一種狀態(tài)單元，有獨立的標(biāo)識符（Transaction ID + Cell Output Index），可以被直接引用，作為參數(shù)傳遞給腳本，它是 CKB 中的「一等公民」，也就是說狀態(tài)是 CKB 中的「一等公民」。Cell 不僅僅是一種 First-class State，而且是最簡單的一種 First-class State：一個 Cell 中只有 Capacity，Data，Lock 以及 Contract（可選，Contract 可以是一段代碼或者指向一個 Code Cell 的 Reference）四個字段。

如下圖所示，Cell 的所有者可以直接更新 Cell 中保存的狀態(tài)，不需要經(jīng)過任何中間方，而在 Account 模型中用戶只能通過合約代碼（賬戶中的 Code）來操作賬戶內(nèi)的狀態(tài)，狀態(tài)實際上是托管在合約手中的。

值得指出的是，有了 Cell，CKB 實際上就獲得了一種有狀態(tài)的編程模型。一種普遍的觀點是，以太坊編程模型的表達(dá)能力來自圖靈完備的虛擬機，實際上通過賬戶使得智能合約能夠保存計算狀態(tài)是一個大過 EVM的優(yōu)點（圖靈不完備的語言也有很強大的表達(dá)能力）。

CKB 通過 Cell 和 CKB-VM（Simple Yet Powerful! 這得另外寫一篇文章了）的組合實現(xiàn)了一種新的有狀態(tài)的智能合約編程模型。這個編程模型更加適合 Layer 2，因為通過分析 Layer 2 協(xié)議的共同模式我們可以看到，協(xié)議層之間的交互對象應(yīng)該是狀態(tài)對象（State Transaction）而不是事件對象（Event Transaction），Layer 1 應(yīng)該是一個狀態(tài)層而不是計算層。

CKB 編程模型的另一個特點是，不區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)（狀態(tài)）和代碼。這句話的意思是，與 Account 模型不同，合約的狀態(tài)和代碼都可以儲存在 Cell 的 Data 字段中，保存代碼的 Cell 可以被其它 Cell 引用（因為它們是First-class State!），合約的狀態(tài)和代碼不需要綁定在一起，存放在一個地方。開發(fā)者可以通過一條簡單的指令把代碼 Cell 或者數(shù)據(jù) Cell 的內(nèi)容載入運行時內(nèi)存，然后根據(jù)需要自行將其解釋為代碼執(zhí)行或者數(shù)據(jù)來讀寫。

有了這些底層支持，我們就可以將一個合約的代碼和狀態(tài)分開保存在不同的地方：Code Cell 的 Code（Data）字段存放代碼，而 State Cell 的 State（Data）的字段則保存狀態(tài)；在 State Cell 中通過 Contract ref 引用 Code Cell 來建立對自身保存的 State 的業(yè)務(wù)邏輯約束，通過 Lock ref 引用另外一個 Code Cell 來表達(dá) State Cell 的所有權(quán)。每一個 State Cell 可以屬于不同的用戶，因此在 Cell 模型下獨立的用戶狀態(tài)是非常容易實現(xiàn)的模式（在 Account 模型下，合約狀態(tài)往往由多個用戶狀態(tài)混合構(gòu)成，例如在一個 ERC 20 合約中，Alice 和 Bob 的 Token 余額都記錄在同一個合約的內(nèi)部狀態(tài)里面）。

如果想對 CKB-VM 上的合約編寫有更多了解，請看這兩篇文章「An Introduction to Nervos CKB-VM」「Hello：CKB」：有了這樣一種編程模型，我們就能構(gòu)造 First-class Asset 了。

CKB 中的用戶定義資產(chǎn)（User Defined Asset）可以這樣來構(gòu)造：

設(shè)計資產(chǎn)定義合約（Asset Definition），規(guī)定資產(chǎn)的主要約束（例如總數(shù)量，發(fā)行者，交易前后數(shù)量不變等）；

保存合約代碼到 Asset Definition Cell 中；

在滿足發(fā)行權(quán)限的情況下，發(fā)行者發(fā)行資產(chǎn)，并將資產(chǎn)狀態(tài)保存在另外的 State Cell中。State Cell 的 Contract
字段引用保存了資產(chǎn)定義的 Code Cell，保證 State Cell 的變化受到資產(chǎn)定義的約束；

Asset Cell 的持有者可以通過更新 Lock 來改變 Asset Cell 的所有者。

可以看到，在這樣的設(shè)計中，用戶定義的資產(chǎn)是作為獨立對象存在于系統(tǒng)中的，每一份資產(chǎn)都是一個 Cell，每一份資產(chǎn)都擁有自己的標(biāo)識符。我們完全可以認(rèn)為 Asset Cell 是 UTXO 的通用化版本。這樣的 First-class Asset 有如下優(yōu)點：

Asset Cell 可以被引用，可以直接作為其它合約的參數(shù)傳入。只要引用 Asset Cell 的 Input
有正確的用戶授權(quán)，合約就可以正常的使用用戶的 Asset Cell；

資產(chǎn)定義與資產(chǎn)狀態(tài)分離。Asset Definition Cell 的所有者是資產(chǎn)的發(fā)行者，而 Asset Cell 是屬于每個用戶的。Asset Cell 的授權(quán)邏輯和業(yè)務(wù)邏輯分離，所有權(quán)完全由自己的 Lock 決定，與 Asset Definition 的邏輯無關(guān)，這意味著 First-class Asset 不是托管在資產(chǎn)發(fā)行者、開發(fā)者或是資產(chǎn)定義合約的手中，而是真正完全屬于用戶的；

用戶的資產(chǎn)相互隔離，用戶資產(chǎn)狀態(tài)獨立。CKB 的經(jīng)濟模型關(guān)注狀態(tài)存儲激勵問題：用戶在區(qū)塊鏈上保存狀態(tài)不僅需要支付寫入費用，而且應(yīng)該承擔(dān)與存儲時間成正比的存儲成本。如果用戶的資產(chǎn)狀態(tài)混合在一個地方保存（例如 ERC 20），這些狀態(tài)的存儲成本有誰來支付將是一個問題。

只要 Asset Definition Cell 的 Lock 邏輯允許，資產(chǎn)定義可以獨立更新。

上面的示意圖只是在 CKB 上實現(xiàn) First-class Asset 的一種方式。除了上面討論的方面，還有一些有趣的細(xì)節(jié)，例如，Asset Definition Cell 是不是可以有屬于自己的狀態(tài)？Asset Definition Cell 以及 Asset Cell 的 Capacity 應(yīng)該由誰來提供？對于這些問題，我們已經(jīng)有了一些非常漂亮的想法。這些細(xì)節(jié)的設(shè)計、討論和實現(xiàn)是我們現(xiàn)在正在進行的工作。

Cell 模型是一個高度抽象的模型，事實上，你不僅可以在 Cell 上實現(xiàn)First-class Asset，也可以在 Cell 上模擬 Account。通過這篇文章的介紹我們可以看出，Cell 模型是一個不同于 UTXO 模型和 Account 模型的新設(shè)計。除了狀態(tài)模型的不同，CKB 還將計算（也就是狀態(tài)生成）轉(zhuǎn)移到了鏈外，在鏈上只需要對狀態(tài)進行驗證的邏輯。獨特的狀態(tài)模型和計算驗證分離這兩點決定了 CKB 的編程模型上必然會出現(xiàn)新的 DApp 范式和設(shè)計模式。

從CKB白皮書完成到現(xiàn)在將近一年的時間中，我們看到越來越多的人開始關(guān)注和討論First-class State和First-class Asset這兩種新的思路（雖然大家用的名詞各自都不一樣），這些進展讓我們非常興奮。如果你有興趣對First-class State和First-class Asset進行更多的探討，或是在CKB的編程模型上有什么有趣的想法，歡迎聯(lián)系我們討論～

CKB的代碼已經(jīng)完全開源，這篇文章介紹的內(nèi)容在代碼中都已經(jīng)實現(xiàn)。歡迎給我們的代碼提出各種意見：

https://github.com/nervosnetw... 9 (ckb上用ruby腳本編程的示例，理解ckb上編程模型的最佳入口）
https://github.com/nervosnetw... 1
https://github.com/nervosnetw... 2
感謝Ian Yang, Xuejie Xiao，Kevin Wang在CKB和Cell模型設(shè)計中提供的幫助～