摘要：為了理解底層公鏈的模型，我們前置了幾篇概念性文章，講述了我們應(yīng)該以狀態(tài)為中心設(shè)計(jì)區(qū)塊鏈系統(tǒng)的，以及這么做帶來的好處。交易依然表示狀態(tài)的變化遷移。

為了理解底層公鏈 CKB 的 Cell 模型，我們前置了幾篇概念性文章，講述了我們應(yīng)該以狀態(tài)為中心設(shè)計(jì)區(qū)塊鏈系統(tǒng)的，以及這么做帶來的好處。并且在上一篇文章中，詳細(xì)分析了比特幣 UTXO 模型和以太坊的 Account 模型，以及進(jìn)行了對比分析。終于，我們要來了解集大成者 Cell 模型了。（前排提示：一遍看不懂沒關(guān)系，多看幾遍就懂了）

秘猿科技區(qū)塊鏈小課堂第 18 期

在設(shè)計(jì) CKB 的時(shí)候，我們想要解決三個(gè)方面的問題：

狀態(tài)爆炸引起的公地悲劇及去中心化的喪失；

計(jì)算和驗(yàn)證耦合在了一起使得無論是計(jì)算還是驗(yàn)證都失去了靈活性，難以擴(kuò)展；

交易與價(jià)值存儲(chǔ)這兩個(gè)目標(biāo)的內(nèi)在矛盾，Layer 2 和跨鏈的出現(xiàn)將放大這種矛盾，并對 Layer 1 的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生非常負(fù)面的影響。

對這些問題沒有答案，Layer 1 就無法長久運(yùn)行，區(qū)塊鏈給我們的種種承諾自然也是無從談起。這三個(gè)問題根植于區(qū)塊鏈架構(gòu)和協(xié)議設(shè)計(jì)的最深處，很難通過打補(bǔ)丁的方式來解決，我們必須從最基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)開始，重新審視問題的根源，尋找更合適的地基。

幸運(yùn)的是，這個(gè)更合適的地基簡單得令人感到幸福，而且一直就擺在我們眼前。（本文會(huì)包含一些非常簡單的代碼，應(yīng)該不會(huì)影響非技術(shù)讀者閱讀……）

Bitcoin 把整個(gè)賬本分割保存在了一個(gè)個(gè) UTXO 里面，UTXO 是未花費(fèi)交易輸出（Unspent Transaction Output）的簡寫，實(shí)際上是交易中包含的輸出（CTxOut）。CTxOut 的結(jié)構(gòu)非常簡單，只有兩個(gè)字段：

class CTxOut
{
public:
    CAmount nValue;
    CScript scriptPubKey;
...
}

每一個(gè) CTxOut 代表了一個(gè)面值不同的硬幣（Yay bit-“Coin”），其中 nValue代表這個(gè)硬幣的面值是多少，scriptPubKey 是一段表示這個(gè)硬幣所有者是誰的腳本（通常包含了所有者的公鑰），只有能提供正確參數(shù)使這個(gè)腳本運(yùn)行成功的人才能把這個(gè)硬幣「轉(zhuǎn)讓」給另外一個(gè)人。

為什么要給「轉(zhuǎn)讓」打引號(hào)？因?yàn)樵谵D(zhuǎn)讓的時(shí)候，并不是簡單地把硬幣中的 scriptPubKey 修改或是替換掉，而是會(huì)銷毀和創(chuàng)造新的硬幣（畢竟在數(shù)字的世界中銷毀和創(chuàng)造虛擬硬幣的成本很低）。每一個(gè) Bitcoin 交易，都會(huì)銷毀一批硬幣，同時(shí)又創(chuàng)造一批硬幣，新創(chuàng)造的硬幣會(huì)有新的面值和新的所有者，但是被銷毀的總面值總是大于等于新創(chuàng)造的總面值，以保證沒有人可以隨意增發(fā)。交易表示的是賬本狀態(tài)的變化。

這樣一個(gè)模型的特點(diǎn)是：

硬幣（資產(chǎn)）是第一性的；

所有者是硬幣的屬性，每一枚硬幣有且僅有一個(gè)所有者；

硬幣不斷的被銷毀和創(chuàng)建。

是不是很簡單？如果你覺得自己已經(jīng)理解了 Bitcoin 和 UTXO ，恭喜你，你也已經(jīng)理解了CKB 和 Cell！

Layer 1 的關(guān)注點(diǎn)在狀態(tài)，以 Layer 1 為設(shè)計(jì)目標(biāo)的 CKB 設(shè)計(jì)的關(guān)注點(diǎn)很自然就是狀態(tài)。Ethereum 將交易歷史和狀態(tài)歷史分為兩個(gè)維度，區(qū)塊和交易表達(dá)的是觸發(fā)狀態(tài)遷移的事件而不是狀態(tài)本身，而 Bitcoin 協(xié)議中的交易和狀態(tài)融合成了一個(gè)維度，交易即狀態(tài)，狀態(tài)即交易，正是一個(gè)以狀態(tài)為核心的架構(gòu)。

同時(shí)，CKB 想要驗(yàn)證和長久保存的狀態(tài)，不僅僅是簡單的數(shù)字（nValue)，而是任何人認(rèn)為有價(jià)值的、經(jīng)過共識(shí)的數(shù)據(jù)。顯然 Bitcoin 的交易輸出結(jié)構(gòu)滿足不了這個(gè)需求，但是它已經(jīng)給了我們足夠的啟發(fā)：只需要將 nValue 一般化，把它從一個(gè)存放整數(shù)的空間變成一個(gè)可以存放任意數(shù)據(jù)的空間，我們就得到了一個(gè)更加一般化的「CTxOut」，或者叫 Cell：

pub struct CellOutput {
    pub capacity: Capacity,
    pub data: Vec,
    pub lock: Script,
    pub type_: Option

交易依然表示狀態(tài)的變化 / 遷移。狀態(tài)的變化，或者說 Cell 內(nèi)容的「更新」實(shí)際上也是通過銷毀和創(chuàng)建來完成的（并不是真的去修改原有 Cell 中的內(nèi)容）。每一筆交易實(shí)際上都會(huì)銷毀一批 Cells，同時(shí)創(chuàng)建一批新的 Cells；新創(chuàng)造的 Cells 會(huì)有新的所有者，也會(huì)存放新的數(shù)據(jù)，但是被銷毀的 capacity 總和總是大于等于新創(chuàng)建的 capacity 總和，由此保證沒有人可以隨便增發(fā) capacity。因?yàn)?capacity 可以轉(zhuǎn)讓，無法增發(fā)，擁有 capacity 等于擁有相應(yīng)數(shù)量的共識(shí)狀態(tài)空間，capacity 是 CKB 網(wǎng)絡(luò)中的原生資產(chǎn)。Cell 的銷毀只是把它標(biāo)記為「已銷毀」，類似 Bitcoin 的 UTXO 從未花費(fèi)變?yōu)橐鸦ㄙM(fèi)，并不是從區(qū)塊鏈上刪掉。每一個(gè) Cell 只能被銷毀一次，就像每一個(gè) UTXO 只能被花費(fèi)一次。
這樣一個(gè)模型的特點(diǎn)是：

狀態(tài)是第一性的；
所有者是狀態(tài)的屬性，每一份狀態(tài)只有一個(gè)所有者；
狀態(tài)不斷的被銷毀和創(chuàng)建。

所以說，Cell 是 UTXO 的一般化（generalized）版本。
Verify
僅僅有一塊可以保存任意狀態(tài)的空間還不夠。Bitcoin 之所以有價(jià)值，是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)中的全節(jié)點(diǎn)會(huì)對每一筆交易進(jìn)行驗(yàn)證 ，使得所有用戶都相信（并且知道別人也相信）Bitcoin 協(xié)議中寫下的規(guī)則（例如 2100 萬的上限）會(huì)得到保證。
共同知識(shí)之所以能成為共同知識(shí)，是因?yàn)槊總€(gè)人都知道其他人認(rèn)可這些知識(shí) ，區(qū)塊鏈之所以能讓知識(shí)變成共同知識(shí)，是因?yàn)槊總€(gè)人都知道其他人都能獨(dú)立驗(yàn)證這些知識(shí)并由此產(chǎn)生認(rèn)可。任何共識(shí)的過程都包含了一系列的驗(yàn)證以及相互之間的反復(fù)確認(rèn)，這個(gè)過程正是網(wǎng)絡(luò)中共同知識(shí)形成的過程。（需要注意的是，驗(yàn)證知識(shí)是相對事先確定的驗(yàn)證規(guī)則來說的，通過驗(yàn)證的知識(shí)不代表命題為真。）
我們?nèi)绾悟?yàn)證 Cell 中保存的數(shù)據(jù)呢？這時(shí)候就需要 Cell 中的另一個(gè)字段 type 發(fā)揮作用了。type 與 lock 一樣，也是一段腳本， type 定義了 data 字段中保存的數(shù)據(jù)在狀態(tài)遷移過程中必須要遵守的規(guī)則，是對狀態(tài)的約束。CKB 網(wǎng)絡(luò)在共識(shí)的過程中，會(huì)在 CKB-VM 中執(zhí)行 type 腳本，驗(yàn)證新生成的 Cell 中保存的狀態(tài)符合 type 中預(yù)先定義好的規(guī)則。滿足同一種 type 約束的所有 Cell，保存的是同一種類型的數(shù)據(jù)。
舉個(gè)例子，假設(shè)我們想定義一個(gè)叫做 SatoshiCoin 的代幣（UDT，UserDefinedToken），它的狀態(tài)遷移必須滿足的約束是什么？只有兩條：
用戶必須證明自己是輸入代幣的所有者；
每一次轉(zhuǎn)賬的時(shí)候，輸入的代幣數(shù)量必須大于等于輸出的代幣數(shù)量。
第一條約束可以通過 lock 腳本來表達(dá)，如果有興趣可以查看這里的示例代碼[1]，與 Bitcoin 的 scriptPubKey 原理相同；第二條約束，在 Bitcoin 中是在底層硬編碼實(shí)現(xiàn)的，在 CKB 中則是通過 type 腳本來實(shí)現(xiàn)。每個(gè) Cell 代表的 SatoshiCoin 數(shù)量是一種狀態(tài)，我們首先定義其狀態(tài)結(jié)構(gòu)，即每個(gè) type 等于 SatoshiCoin 的 Cell 在 data 保存的狀態(tài)為一個(gè)長度為 8 的字節(jié)串，代表的是序列化過后的數(shù)量：
{
    "amount": "Bytes[8]" // serialized integer
}
type 腳本在執(zhí)行中，需要讀入交易中所有同類型的 Cells（根據(jù) type 字段可以判斷），然后檢查同一類型下的輸入 Cells 中保存的 amount 之和大于等于輸出 Cells 中保存的 amount 之和 。于是通過 lock 和 type 兩個(gè)腳本，我們就實(shí)現(xiàn)了一個(gè)最簡單的代幣。
lock  和 type 腳本不僅可以讀取自身 Cell 中保存的狀態(tài)，也能夠引用和讀取其它 Cell 中保存的狀態(tài)，所以 CKB 的編程模型是一個(gè)有狀態(tài)的編程模型。值得指出的是，Ethereum 的編程模型之所以強(qiáng)大，更多是因?yàn)樗袪顟B(tài)，而不是因?yàn)樗挠邢迗D靈完備。我們可以把 type 腳本保存在一個(gè)獨(dú)立的 Cell 里面，然后在每一個(gè) SatoshiCoin Cell 的 type 字段引用它，這樣做的好處是相同的 type 腳本只需要一份空間保存，像這樣保存數(shù)字資產(chǎn)定義的 Cell 我們把它叫做 ADC（Asset Definition Cell）。
SatoshiCoin 的另一個(gè)特點(diǎn)是，具體的資產(chǎn)與所有者之間的記錄，分散保存在多個(gè)獨(dú)立的 Cell 里面，這些 Cell 可以是開發(fā)者提供給用戶的，也可以是用戶自己擁有的，甚至是租來的。只有在共識(shí)空間所有權(quán)明確的情況下，所有者才能真正擁有共識(shí)空間里面保存的資產(chǎn)（任何數(shù)據(jù)都是資產(chǎn)）。在 CKB 上，因?yàn)橛脩艨梢哉嬲龘碛泄沧R(shí)空間，所以用戶可以真正擁有數(shù)字資產(chǎn)（當(dāng)你能真正擁有土地的時(shí)候，才能真正擁有土地上的房子）。
Cell 是抽象的狀態(tài)驗(yàn)證模型，Cell 提供的存儲(chǔ)（data）沒有任何內(nèi)部結(jié)構(gòu)，Cell 支持任意的狀態(tài)驗(yàn)證規(guī)則（type）和所有權(quán)驗(yàn)證規(guī)則（lock），我們可以在 Cell 模型上模擬 UTXO 模型（就像上面的 SatoshiCoin），也可以在 Cell 模型上構(gòu)建 Account 模型。lock 腳本在驗(yàn)證交易輸入的時(shí)候執(zhí)行，確保用戶對輸入有所有權(quán)，有權(quán)銷毀輸入的 Cells；type 腳本在驗(yàn)證交易輸出的時(shí)候執(zhí)行，確保用戶生成的新狀態(tài)符合類型約束，正確生成了新的 Cells。由于狀態(tài)模型迥異，以及計(jì)算和驗(yàn)證分離，CKB 的編程模型與 Ethereum 的編程模型有非常大的不同，什么是 CKB 編程模型上的最佳實(shí)踐還需要大量的探索。

通用驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)（General Verification Network）
Bitcoin 是一個(gè)驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)（Verification Network）。在轉(zhuǎn)賬時(shí)，用戶告訴錢包/本地客戶端轉(zhuǎn)賬的數(shù)量和收款人，錢包根據(jù)用戶提供的信息進(jìn)行計(jì)算，在本地找出用戶擁有的數(shù)量合適的硬幣（UTXO），同時(shí)產(chǎn)生一批新的硬幣，這些硬幣有些歸收款人所有，有些是找零。之后錢包將這些花費(fèi)掉的硬幣和新生成的硬幣打包到一個(gè)交易里面，將交易廣播，網(wǎng)絡(luò)對交易驗(yàn)證后將交易打包到區(qū)塊里面，交易完成。
在這個(gè)過程中，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)并不關(guān)心老的狀態(tài)（被銷毀的硬幣）是怎樣被搜索出來的，也不關(guān)心新的狀態(tài)（新硬幣）是怎樣生成出來的，只關(guān)心這些硬幣的面值總和在交易前后沒有改變。在轉(zhuǎn)賬過程中，計(jì)算在用戶端完成，因此用戶在交易發(fā)送時(shí)就能確定計(jì)算結(jié)果（新狀態(tài)）是什么。
Ethereum 是一個(gè)通用計(jì)算網(wǎng)絡(luò)（General Computation Network）。在使用 DApp 的時(shí)候，用戶告訴錢包/本地客戶端想要進(jìn)行的操作，錢包將用戶的操作請求原樣打包到交易里面，并將交易廣播。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)收到交易之后，根據(jù)區(qū)塊鏈的當(dāng)前狀態(tài)和交易包含的操作請求進(jìn)行計(jì)算，生成新的狀態(tài)。在這個(gè)過程中，計(jì)算在遠(yuǎn)端完成，交易結(jié)果（新狀態(tài)）只有在交易被打包到區(qū)塊之后才能確定，用戶在交易發(fā)送的時(shí)候并不能完全確定計(jì)算結(jié)果。

（圖中，上面是 Ethereum 的流程，交易中包含的是用戶請求或者說事件/Event；下面是 Bitcoin/CKB 的流程，交易中包含的是鏈下生成的狀態(tài)/State。）
CKB 是一個(gè)通用驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)（General Verification Network）。在使用 DApp 的時(shí)候，用戶告訴錢包/本地客戶端想要進(jìn)行的操作，錢包根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)和用戶的操作請求進(jìn)行計(jì)算，生成新的狀態(tài)。在這個(gè)過程中，計(jì)算在用戶端完成，計(jì)算結(jié)果（新狀態(tài)）在交易發(fā)出的時(shí)候就已經(jīng)確定了。
換句話說，Bitcoin 和 CKB 都是先計(jì)算再共識(shí)，而 Ethereum 是先共識(shí)再計(jì)算。有趣的是，在許可鏈架構(gòu)里面也有同樣派別之分：Fabric 是先計(jì)算再共識(shí)，而 CITA（實(shí)際上不僅僅是許可鏈）是先共識(shí)再計(jì)算。（思考題：哪一種架構(gòu)更適合許可鏈？）
計(jì)算與驗(yàn)證的分離同時(shí)也使得 Layer 2 與 Layer 1 自然分開了。Layer 1 關(guān)心的是新的狀態(tài)是什么，并不關(guān)心新的狀態(tài)是如何得到的。無論是 State channel，Plasma 還是其他 Layer 2 方案，其實(shí)質(zhì)都是在鏈外進(jìn)行計(jì)算，在特定時(shí)候?qū)⒆罱K狀態(tài)提交到 Layer 1上進(jìn)行驗(yàn)證。

為什么 CKB 的 Cell 模型更好？
現(xiàn)在我們得到了一個(gè)非常不同的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在這個(gè)結(jié)構(gòu)之上我們設(shè)計(jì)了獨(dú)特的經(jīng)濟(jì)模型，這個(gè)結(jié)果真的更好嗎？回顧一開始的三個(gè)問題也許能給我們一些啟示。
capacity 是原生資產(chǎn)，受到預(yù)先確定的發(fā)行規(guī)則約束，其總量有限；
capacity 同時(shí)又是狀態(tài)的度量，有多少 capacity ，CKB 上就能放多少數(shù)據(jù)，CKB 狀態(tài)空間的最大值與 capacity 總量大小相等，CKB 上保存的狀態(tài)不會(huì)超過 capacity 總量。
這兩點(diǎn)決定了 CKB 不會(huì)有狀態(tài)爆炸的問題。在 capacity 發(fā)行規(guī)則適當(dāng)?shù)那闆r下，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該可以長久的保持去中心化的狀態(tài)。每一個(gè) Cell 都是獨(dú)立狀態(tài)，有明確的所有者，原本屬于公共資源的狀態(tài)空間被私有化，寶貴的共識(shí)空間可以被更有效的使用。
CKB 是一個(gè)通用驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)，計(jì)算和驗(yàn)證得到了分離，各自的靈活性和擴(kuò)展性都得到了提高。更多的計(jì)算被推到了用戶端執(zhí)行，計(jì)算發(fā)生在離場景和數(shù)據(jù)更近的地方，數(shù)據(jù)處理的方式更靈活，工具更多樣。這也意味著，在 CKB 架構(gòu)中，錢包是一個(gè)能做的事情更多，能力更大的入口。在驗(yàn)證端，由于計(jì)算結(jié)果已經(jīng)完全確定，交易的依賴分析變得非常輕松，交易的并行處理也就更加容易。
在基于 Cell 建立的經(jīng)濟(jì)模型中，存儲(chǔ)的使用成本與占用空間大小和占用時(shí)間成正比，礦工可以通過提供共識(shí)空間獲得相應(yīng)的收益。CKB 提供的 Utility 是安全的共識(shí)空間，價(jià)值來自于其安全性和可用性（accessability），并不是來自于交易處理能力（TPS），與 Layer 2 負(fù)責(zé)交易的特點(diǎn)相輔相成，在分層網(wǎng)絡(luò)和跨鏈網(wǎng)絡(luò)中具有更好的價(jià)值捕獲能力。
最后，CKB 不是……
IPFS
CKB 是一種存儲(chǔ)這一點(diǎn)可能會(huì)使人感到迷惑：「這不就是 IPFS/Filecoin/（任何分布式存儲(chǔ)）嗎？」
CKB 不是分布式存儲(chǔ)，關(guān)鍵的區(qū)別在于分布式存儲(chǔ)只有存儲(chǔ)，沒有驗(yàn)證，也就不會(huì)對其存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)形成共識(shí)。分布式存儲(chǔ)的容量可以隨著存儲(chǔ)技術(shù)的增長而等比例的增長，而 CKB 的容量則收到形成全球共識(shí)效率的限制。
CKB 也不需要擔(dān)心容量不夠。在 Layer 2 以及分層技術(shù)成熟的階段，極端情況下，Layer 1 上可能只需要放一個(gè) merkle root 就足夠了。在 Layer 1 上進(jìn)行驗(yàn)證所需要的狀態(tài)，也可以通過交易提交給節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)通過 merkle proof 驗(yàn)證狀態(tài)是有效的，在此基礎(chǔ)之上再驗(yàn)證狀態(tài)遷移是有效的，這個(gè)方向已經(jīng)有一些研究。
Qtum
Qtum 是嘗試在 UTXO 模型上引入更強(qiáng)大的智能合約的先行者之一，具體做法是保持 Bitcoin 原有的 UTXO 模型不變，在其上引入賬戶抽象層（Account Abstraction Layer），支持 EVM 或是 x86  虛擬機(jī)。
在 Qtum 中，Bitcoin 的驗(yàn)證是第一層，EVM 的計(jì)算是第二層（注意這是一個(gè)區(qū)塊連協(xié)議內(nèi)部的分層，不是 Layer 1 和 Layer 2）。Qtum 對 UTXO 中 scriptPubKey 的處理邏輯進(jìn)行修改，以實(shí)現(xiàn)在交易打包后，將 Bitcoin Transaction 中攜帶的請求傳遞給 EVM 進(jìn)行執(zhí)行的效果。
Qtum 將 Bitcoin 和 Ethereum 的執(zhí)行模型橋接到了一起，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)先驗(yàn)證交易輸入部分（同 Bitcoin），再調(diào)用合約進(jìn)行計(jì)算（同 Ethereum），狀態(tài)分散在 UTXO 模型和 EVM 自己的狀態(tài)存儲(chǔ)兩個(gè)地方，整體架構(gòu)比較復(fù)雜。
CKB 所做的是繼承 Bitcoin 的架構(gòu)思路，對 UTXO 模型進(jìn)行一般化（Generalization）處理得到 Cell 模型，整體架構(gòu)保持了一致性以及 Bitcoin 的簡潔。CKB 上的所有狀態(tài)都在 Cell 里面，計(jì)算在鏈下完成（類似 Bitcoin），網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)只做驗(yàn)證。