摘要：狀態(tài)機(jī)模型區(qū)塊鏈用許多的節(jié)點(diǎn)共同模擬了一臺(tái)多復(fù)本的狀態(tài)機(jī)。區(qū)塊鏈共識(shí)的四個(gè)階段第一階段是加入共識(shí)加入共識(shí)階段決定了什么樣的節(jié)點(diǎn)可以參與共識(shí)協(xié)議。第四階段是退出共識(shí)這是常常被忽略的部分。

在接下來(lái)的秘猿科技小課堂里，我們會(huì)從技術(shù)角度、經(jīng)濟(jì)模型設(shè)計(jì)角度、以及共識(shí)角度來(lái)拆解 Nervos 加密經(jīng)濟(jì)網(wǎng)絡(luò)中，底層公鏈 CKB 的設(shè)計(jì)理念。而本文將會(huì)作為技術(shù)角度核心設(shè)計(jì) Cell 模型的預(yù)備文章，通過(guò)本文，我們希望讀者能夠理解比特幣以狀態(tài)為中心設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)！從而，能夠在接下來(lái)的幾篇文章中，更加充分的理解 Cell 模型對(duì)于比特幣/以太坊模型的傳承與突破。（PS.本文源于 2018 年初，秘猿科技在招商銀行總行舉辦的一次金融區(qū)塊鏈閉門(mén)會(huì)，公鏈 CKB 是對(duì)文中思想的具體實(shí)現(xiàn)。）

秘猿科技區(qū)塊鏈小課堂第 16 期

狀態(tài)機(jī)是計(jì)算機(jī)的一個(gè)基本模型，它可以分成二個(gè)部分：狀態(tài)和操作。狀態(tài)是指計(jì)算機(jī)里的數(shù)據(jù)；操作是指對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行的操作。如果把狀態(tài)機(jī)比喻成日常使用的數(shù)學(xué)計(jì)算器，計(jì)算器屏幕上顯示的就是狀態(tài)，按「按鍵」就是對(duì)計(jì)算器的操作。

狀態(tài)機(jī)模型

區(qū)塊鏈用許多的節(jié)點(diǎn)共同模擬了一臺(tái)多復(fù)本的狀態(tài)機(jī)。在許多區(qū)塊鏈或者分布式系統(tǒng)中，用戶發(fā)出的簽名交易包含了對(duì)狀態(tài)機(jī)的操作，節(jié)點(diǎn)執(zhí)行共識(shí)協(xié)議對(duì)所有操作進(jìn)行排序，然后按共識(shí)排好的順序執(zhí)行操作，計(jì)算出新的狀態(tài)。

多復(fù)本狀態(tài)機(jī)

舉例：我們先保證所有節(jié)點(diǎn)初始狀態(tài)一致，就是讓每人手上的計(jì)算器開(kāi)始狀態(tài)為數(shù)字 0。然后我們把要執(zhí)行的操作廣播給每個(gè)操作員，這四個(gè)操作員算完后，這個(gè)計(jì)算器上的最終結(jié)果是一模一樣的。為什么會(huì)有一樣的結(jié)果？因?yàn)樗麄冇幸粋€(gè)相同的初始狀態(tài)。接著，我們用共識(shí)算法保證了相同的操作順序。所以最后一定有一個(gè)相同的最后狀態(tài)。

狀態(tài)機(jī)的概念在區(qū)塊鏈里面非常重要，但我們往往忽視其中的基本細(xì)節(jié)。設(shè)計(jì)區(qū)塊鏈最應(yīng)該考慮的因素，是應(yīng)該以狀態(tài)為中心，還是以操作為中心進(jìn)行設(shè)計(jì)？這二種不同的設(shè)計(jì)理念會(huì)對(duì)整體架構(gòu)產(chǎn)生很大影響，這也是比特幣和以太坊架構(gòu)的一個(gè)根本區(qū)別：比特幣是以狀態(tài)為中心的設(shè)計(jì)，以太坊是以事件為中心的設(shè)計(jì)。

這兩者有非常大的區(qū)別。如果以事件為中心，計(jì)算是在節(jié)點(diǎn)上發(fā)生；以狀態(tài)為中心的話，計(jì)算是在客戶端發(fā)生。計(jì)算轉(zhuǎn)移到客戶端，節(jié)點(diǎn)的計(jì)算就相應(yīng)減少。交易包含最后的狀態(tài)的話，節(jié)點(diǎn)可以很方便的判斷交易的相互依賴關(guān)系。計(jì)算在節(jié)點(diǎn)上發(fā)生的話，客戶端就可以很簡(jiǎn)單。所以我們需要根據(jù)目標(biāo)來(lái)權(quán)衡這個(gè)事情。其實(shí)很難說(shuō)誰(shuí)更好，只是看我們目標(biāo)是什么。

區(qū)塊鏈被稱為分布式賬本，記錄著所有者和資產(chǎn)之間的關(guān)系。賬本里有二個(gè)概念，一個(gè)是資產(chǎn)，一個(gè)是所有者。所以可以從二個(gè)方向去設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

賬本設(shè)計(jì)

賬戶模型以「人」為核心建模，先建立賬戶的概念，再記錄他們的賬戶里有多少錢，以太坊、CITA 、Ripple 都是這個(gè)模型；以「資產(chǎn)」為核心建模，最基礎(chǔ)的概念是資產(chǎn)，比如 UTXO，在 UTXO 的基礎(chǔ)上去記錄所有權(quán)。以資產(chǎn)為核心建模，更適合并行處理，一個(gè)人所擁有的資產(chǎn)不再是一個(gè)字段，而是可能分成十份。我可以獨(dú)立去操作這十份資產(chǎn)。

RSM設(shè)計(jì)

以賬戶為核心的設(shè)計(jì)，交易并行處理更難，賬戶更改只能按照交易順序一個(gè)一個(gè)來(lái)。但是，賬戶模型可以很方便的去記錄賬戶相關(guān)的元數(shù)據(jù)，比如說(shuō)這個(gè)賬戶有哪些權(quán)限。所以對(duì)于許可鏈來(lái)說(shuō)，賬戶模型是非常適合的選擇。

在公有鏈上，比特幣所開(kāi)創(chuàng)的 Nakamoto 共識(shí)，在開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)下，引入了經(jīng)濟(jì)激勵(lì)，在開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)下實(shí)現(xiàn)了對(duì)拜占庭錯(cuò)誤的容忍，但也付出了性能上的代價(jià)。許可鏈中通常使用傳統(tǒng)拜占庭共識(shí)的變種，充分利用了分布式系統(tǒng)領(lǐng)域過(guò)去幾十年的研究成果。優(yōu)點(diǎn)是延遲非常低、吞吐量很高。

在網(wǎng)絡(luò)分裂時(shí)，許可鏈?zhǔn)沁x擇網(wǎng)絡(luò)停止服務(wù)，等待網(wǎng)絡(luò)的恢復(fù)，來(lái)保證一致性；公有鏈則偏好可用性，在網(wǎng)絡(luò)分裂時(shí)可以容忍賬本分成二個(gè)版本，等網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)之后，選擇其中一個(gè)版本作為正確的版本，廢棄掉另外一個(gè)版本。公有鏈想要的是 24 小時(shí)不間斷的服務(wù)；金融行業(yè)回滾的代價(jià)太大，想要的卻是一致性。所以選擇 C 還是選擇 A，取決于你的需求是什么。

加入共識(shí)階段決定了什么樣的節(jié)點(diǎn)可以參與共識(shí)協(xié)議。比如：在比特幣中，一開(kāi)始是任意節(jié)點(diǎn)都可以加入共識(shí)?，F(xiàn)在則可以認(rèn)為比特幣的共識(shí)加入機(jī)制變成了買礦機(jī)，有礦機(jī)才能參與共識(shí)。在 PoS 里面，則是需要持有代幣或者交保證金才能參與共識(shí)。在 DPoS 里面，代理人需要獲得足夠多的投票才能參與共識(shí)。學(xué)術(shù)界也有其他的研究，比如是加入共識(shí)也需要提供一個(gè)工作量證明。

通過(guò)加入共識(shí)階段的設(shè)計(jì)，我們可以把參與共識(shí)的節(jié)點(diǎn)范圍縮小。比如公有鏈上有一萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)，但是我們只要設(shè)計(jì)一個(gè)加入共識(shí)的機(jī)制，就可以把共識(shí)范圍縮小到 100 個(gè)節(jié)點(diǎn)，一旦我們可以縮小這個(gè)共識(shí)范圍，后面就可以用任意的方法去實(shí)現(xiàn)共識(shí)。

這個(gè)階段需要選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)將交易打包，生成一個(gè)新的區(qū)塊。通常有三種方式：

1.共識(shí)節(jié)點(diǎn)按輪流順序出塊，比如 PoA。
2.采用隨機(jī)出塊方式，從 共識(shí)節(jié)點(diǎn)里隨機(jī)挑一個(gè)節(jié)點(diǎn)出塊，比如 PoW, NXT-PoS，DPoS。
3.在不出問(wèn)題的情況下一直保持一個(gè)節(jié)點(diǎn)出塊，目前只有許可鏈會(huì)用這種方式。

涉及到共識(shí)投票的過(guò)程，這里的設(shè)計(jì)就非常多?，F(xiàn)在大家經(jīng)常在討論的一些新的共識(shí)方法，往往只是第二和第三階段的方案。

投票主要有用區(qū)塊投票和用消息投票兩種方式。在 Nakamoto 共識(shí)中，新制造的區(qū)塊是一張投票，下一個(gè)礦工挖出的塊是對(duì)之前一系列區(qū)塊的投票。每一個(gè)區(qū)塊都是一張票（嚴(yán)格來(lái)說(shuō)票有權(quán)重，例如工作量證明），最后那條高度最長(zhǎng)，包含的區(qū)塊（票數(shù)）最多，就是勝出的那條鏈。在許可鏈里面，常常通過(guò)節(jié)點(diǎn)之間交換投票消息來(lái)對(duì)新出的塊進(jìn)行投票，所以在下一個(gè)塊沒(méi)有出之前就可以對(duì)這一個(gè)塊完成共識(shí)。

這是常常被忽略的部分。在比特幣系統(tǒng)中，退出共識(shí)很簡(jiǎn)單，停止挖礦就行了。在許可鏈中，我們本來(lái)是共識(shí)節(jié)點(diǎn)，現(xiàn)在不想做共識(shí)節(jié)點(diǎn)了，則需要有相應(yīng)的設(shè)計(jì)，進(jìn)行共識(shí)節(jié)點(diǎn)變更。

以上四個(gè)步驟是區(qū)塊鏈共識(shí)的一個(gè)完整流程。傳統(tǒng) BFT 共識(shí)算法，發(fā)揮作用一般是在第三階段，在網(wǎng)絡(luò)異步的時(shí)候會(huì)涉及第二階段，基本上不討論其它兩個(gè)階段。所以我們?nèi)绻獙鹘y(tǒng)的共識(shí)算法融入到區(qū)塊鏈中，需要另外考慮的問(wèn)題是非常多的。

在設(shè)計(jì) CITA 的時(shí)候，我們是為企業(yè)級(jí)的用戶考慮的。他們擁有很好的計(jì)算資源，所以我們可以通過(guò)內(nèi)部并行和分片的方式解決區(qū)塊鏈面臨的性能擴(kuò)展的問(wèn)題，把區(qū)塊鏈里每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的能力放大一百倍，那么整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能力就會(huì)放大一百倍。這是我們 CITA 提出微服務(wù)的原由。我們把一個(gè)節(jié)點(diǎn)拆散，將節(jié)點(diǎn)內(nèi)部變成一個(gè)集群是 CITA 能夠提升吞吐量的根本原因。在 CITA 里面有很多的微服務(wù)，比如 auth 服務(wù)是交易驗(yàn)證的，是可以并行處理的。所以我們通過(guò)這個(gè)方式去解決性能瓶頸問(wèn)題。

CITA 的設(shè)計(jì)目標(biāo)是多中心的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)。這樣的網(wǎng)絡(luò)不需要太多的節(jié)點(diǎn)，就可以創(chuàng)造很高的信任。這是我們自己在某云平臺(tái)上做的一個(gè)實(shí)測(cè)。用了一個(gè)中型的云服務(wù)器，一般交易處理可以達(dá)到 15000 TPS，測(cè)試用例包括存證，合約創(chuàng)建和代幣轉(zhuǎn)移， 都有比較好的性能。特別指出的，CITA 這種架構(gòu)對(duì)云計(jì)算很友好。我們更加傾向從架構(gòu)的角度、從軟件的角度解決各種問(wèn)題。盡量避免去依賴硬件。

在我們工程設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)中我們會(huì)遇到很多選擇，我們往往是選了一邊。有沒(méi)有可能兼得呢？我認(rèn)為在一些地方是可以的。比如以太坊上的智能合約非常的輕量，通過(guò) evm 合約構(gòu)造分布式應(yīng)用時(shí)，可以生成成千上萬(wàn)的合約共同來(lái)完成一個(gè)使命。Fabric 上的合約可以用任意原生語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，執(zhí)行環(huán)境比較重。CITA 則同時(shí)支持二種方式，既可以跑evm合約，又可以跑原生合約。

未來(lái)，我們還可以做什么呢？比如現(xiàn)在的共識(shí)算法的選擇傾向，已經(jīng)很明顯的顯示出了混合共識(shí)的趨勢(shì)。我們是不是也可以做到這一點(diǎn)？以狀態(tài)為中心的設(shè)計(jì)還是以事件為中心的設(shè)計(jì)，是不是也能兼得？這正是我們最近在做的一些嘗試。如果能夠同時(shí)擁有魚(yú)和熊掌，我們可能能夠找到一種更好的區(qū)塊鏈，尤其是公有鏈架構(gòu)。