CCF區塊鏈專委會主席斯雪明：區塊鏈體系結構或向擬態群體異構體系結構演進

11月24日–25日，由中國計算機學會主辦的首屆中國區塊鏈技術大會（China Computer Federation ChinaBC 2018）在杭州未來科技城舉行。復旦大學教授、中國計算機學會區塊鏈專委會主任斯雪明在25日上午發表了題為「區塊鏈—形式化表示與體系結構演進」的演講。

以下為現場演講速記，由巴比特整理髮布：

尊敬的各位嘉賓，大家上午好。我今天的演講主題是「區塊鏈—形式化表示與體系結構演進」。分為四個部分：

第一部分是傳播信息系統的數學模型與特點

第二部分是區塊鏈系統的形式化表示

第三部分是典型區塊鏈體系結構

第四部分是區塊鏈體系結構可能的演進方向

一、傳播信息系統的數學模型與特點

我們首先要講一下什麼是信息系統，信息系統是一個人造系統，它由人、硬體、軟體和數據 資源組成，目的是及時、正確的收集、加工存儲、傳遞 和提供信息，實現組織中各項活動的管理、調節和控制。

下圖是一個信息系統形式化的表示。信息系統由信息系統的不同模塊組成，我們稱之為「論域」。

通過這樣的形式化表示，最終得到論域到U的狀態轉換函數，這個函數隨著時間的變化而變化。我們考慮到傳統的信息系統的某一論域時，屬性取值在時間軸上是穩定不變的。所以傳統的信息系統具有靜態性的特點。

另外，當兩個信息系統S和S』進行比較的時候，S』越小表示兩個系統越相似，對於傳統的計算機系統，這兩個系統往往會更小。

最後，傳統信息系統具有中心化的特點，中心(特權用戶) 獨自可以進行數據的增、刪、改、存等操作，也可以執 行服務的發布與撤回等。而普通用戶與特權用戶的許可權有 很大的差別。中心化導致系統的機密性、完整性、可用 性容易受到內部人或外部黑客的破壞。

總而言之，傳統的信息系統具有靜態性、相似性、中心化等特點。傳統信息系統各維度通常是靜態的，數據通常無冗餘或少冗餘（可能有2-3個備份），各信息系統之間通常是相似的，具有中心化的特點，操作許可權和數據的增刪改許可權總是集中的。

二、區塊鏈系統的形式化表示

目前典型的區塊鏈系統包括了四個環節：發起交易、傳播交易、驗證交易、添加區塊。（這裡的「交易」是廣義的交易）

發起交易：可能涉及Token，智能合約，記錄或其他信息；

傳播交易：在節點的幫助下，該交易被廣播到P2P網路中；

驗證交易：藉助已知的演算法，網路中節點驗證交易的合法性和用戶狀態；

添加區塊：交易一旦完成，新的區塊被添加到區塊鏈上，從此永久不可篡改。

下圖是我們對區塊鏈系統的一般的形式化表示，其中包括消息單元、共識（包括打包和同步）和存儲（包括數據存儲和狀態存儲）的過程。

消息單元主要包括消息的數據格式、處理方式，打包過程主要包括消息的驗證，驗證通過加入區塊，同時提出證明（證明自己打包的許可權），同時將形成的區塊的證明打包CON。同步操作主要是對區塊證明的打包CON進行驗證，驗證通過就開始下一步的共識或繼續進行打包操作。

目前來看，比特幣是最具有代表性的單鏈未許可鏈。

消息單元以普通轉賬交易為主(交易雙方地址、輸入輸出金額)，消息打包前，需要工作量證明(PoW)取得記賬權，算力決定了進行PoW的能力，PoW的驗證與區塊的傳播非同步，可能存在分叉，狀態以UTXO為主，傳遞模式。

除了比特幣之外，以太坊也是單鏈未許可鏈的一個典型代表，主要涉及智能合約和世界狀態概念。

下圖為比特幣系統的形式化表示。以（上述）區塊鏈一般的形式化表示為前提，給出了比特幣的具體情況。主要包括PoW打包和UTXO狀態存儲過程。

以fabric為代表的單鏈許可鏈，CA(Certification Authority)作為所有節點加入系統的認證，普通客戶端通過部署鏈碼(chaincode)、調用鏈碼發起交易，通過背書策略申請peer節點(Endorse node)的背書籤名，Order節點驗證客戶端節點的交易和背書消息，轉發給peer節點(Commit node)，通過Kafka(Zookeeper)對交易進行排序Commit node通過CouchDB(或者LevelDB)存儲區塊信息和實時狀態以及世界狀態。

下圖為 fabric的形式化表示，這裡就不再專門介紹了。

除了前面提到的典型的區塊鏈系統之外，現在還出現了新型的以IOTA為代表的DAG結構的區塊鏈。DAG（Directed Acyclic Graph，有向無環圖）中沒有傳統的區塊的概念，交易並發進入系統，交易產生的同時對已有交易進行驗證（這使得DAG結構的吞吐率遠遠大於單鏈結構），消息產生後直接進入Tangle系統。存在安全性差和中心化傾向等問題。

下圖為IOTA的形式化表示。圖中，消息單元除了基本的區塊鏈元素之外，還包括了對兩個父交節點的引用。由於IOTA沒有區塊的概念，所以打包過程是直接對消息單元進行驗證，沒有同步的操作。

三、典型區塊鏈體系結構

我們對比特幣、以太坊、、fabric、IOTA體系結構及其特點進行了深入研究，今天講的絕大部分內容都是第一次講，所以有不當之處還請大家批評指正。

下圖是我們提煉的比特幣的體系結構。在這個體系結構中，比特幣的節點發起的交易進入了交易池，節點通過散落的最低區塊從交易池中來選取部分交易，不停地變更區塊頭的隨機數進行PoW競爭。競爭成功後產生新的區塊，加入到區塊鏈中，並廣播到整個網路。

下圖為比特幣流程示意圖。因為在做的各位對比特幣系統比較熟悉，所以在這裡也不再多講。

下圖為以太坊的體系結構圖。在以太坊中，節點分為內部節點和智能合約節點。與比特幣不同的是，以太坊有叔塊的概念。由於以太坊的出塊間隔只有十幾秒的時間，因此以太坊中臨時分叉與孤塊會大量產生，整個網路的安全性都會下降，以太坊鼓勵人們引用叔塊就可以提高網路安全性。

下圖為以太坊的流程示意圖，由於時間關係，這個示意圖在這裡就不細講了。

下圖為EOS的體系結構圖，EOS是更加去中心化的，但是這樣的操作系統也會存在一些安全隱患。

下圖為EOS的流程示意圖。

下圖為fabric1.2的體系結構圖。在fabric1.2中，客戶端節點發生交易，通過鏈碼（ChainCode）的背書策略，背書（Endorser）節點收到交易提案（Proposal）後，驗證簽名並確定提交者是否有權執行操作，同時根據背書策略模擬執行智能合約，並將結果還給客戶端。

客戶端收到背書（Endorser）節點返回的信息後，判斷提案結果是否一致，以及是否參照指定的背書策略執行，如果沒有足夠的背書，則中止處理；否則，應用程序客戶端把數據打包到一起組成一個交易並簽名，發送給Orderers。Orderers對接收到的交易進行共識排序，然後按照區塊生成策略，將一批交易打包到一起，生成新的區塊，發送給提交（Committer）節點；提交（Committer）節點收到區塊後，會對區塊中的每筆交易進行校驗，檢查交易依賴的輸入輸出是否符合當前區塊鏈的狀態，完成後將區塊追加到本地的區塊鏈，並修改世界狀態。

下圖為fabric1.2的流程示意圖。

下圖為IOTA的體系結構圖。IOTA設計POW這一步是為了防止有人惡意發很多transaction從而阻塞整個網路，或者更進一步通過更改整個DAG的形狀而達成一些攻擊。

下圖為IOTA的流程示意圖。

最後，我們來談一下區塊鏈系統的特點。我們認為，區塊鏈系統具有靜態性、多中心、分散式、冗餘、高度同構等特點。

目前的區塊鏈信息系統通常也是靜態的，具有多中心的特點，數據分散式存儲和共享，在許可鏈中，各節點數據存在一定的冗餘，在非許可鏈中，高度冗餘，各節點運行的系統高度同構。

四、區塊鏈體系結構可能的演進方向

我不敢說區塊鏈體系結構一定會往這個方向演進，但是它是一種可能。

傳統的信息系統具有靜態性、相似性和中心化等特點；

典型的區塊鏈系統具有靜態性、多中心、分散式、冗餘和高度同構等特點；

理想的區塊鏈系統應該具有動態性、多中心，分散式、適度冗餘、異構性和群體性等特點。

那麼，如何構建理想的區塊鏈體系結構呢？我們可以從自然界中得到啟示。

自然界的啟示一：擬態現象

擬態現象是一個生物學概念，指一種生物在形態、行為等特徵上模擬另一種生物，從而使一方或雙方受益的生態適應現象。比如：擬態章魚。

擬態章魚通常生活在15米以內的淺水沙地，通常在河口水域，在這種水域里，有很多貝殼、蝦蟹等擬態章魚喜歡的食物。擬態章魚是自然界中頂級偽裝高手，會模仿各種還有生物，包括海蛇、獅子魚、扁魚、蛙魚、海星、大蟹、貝類、鰩魚等15種動物的外觀和運動。

它的身體有數萬個色袋，叫作「色包」，它靠一個複雜的肌肉網路控制。色包含色素，並靠色素 (顏色) 來表現多種色度。通過放鬆或收縮色袋，擬態章魚僅用不到1秒就能讓自身與任何背景顏色及圖案相一致。

自然界的啟示二：群飛和群游現象

群飛又叫聚集式飛行，鳥群能夠在快速飛行的過程中整齊劃一地轉向， 其目的是能夠免遭老鷹等捕食者的襲擊。典型代表是椋（liáng）鳥。

椋鳥在飛行中形成球狀緊湊隊形，並在接下來擴大和收縮，不斷變換形狀。一大群椋鳥在稱為「輥式覓食」(roller-feeding)的做法中一起覓食：鳥群後面的椋鳥不斷飛到前面去尋找食物。這種有組織的覓食方法意味著每隻鳥都可以變成頭鳥，同時能密切注意捕食者來襲。

群游是一種魚群的集體行為，魚群能夠通過對周圍環境變化做出迅速 感知和統一變向，不僅可以有效抵禦捕食者，還能夠提高捕食效率和

遊動速度。

根據上述生物學中的擬態現象和群飛、群游現象，我們提出了擬態群體異構體系結構，簡稱MCH體系結構。

? 區塊鏈系統中的部件可以根據應用場景動態調整變化

? 不同部件的不同實現方式，完成統一的目的

? 系統的部件異構，構建最適合應用的區塊鏈系統

針對特定的應用場景，選擇合適的異構部件，構建最優的體系結構， 達到理想的應用目標。

下圖為擬態群體異構體系結構。

下圖為擬態群體異構體系結構主要組成。

我們下面來看它怎麼來變化出來的，在擬態群體異構體系結構中，DAPP1、DAPP2、DAPP3是不同的應用，比如DAPP2，從C1到CK，然後到擬態決策，變成異構候選集。然後就構成了不同的節點，這些節點之間我們希望能從軟硬體來說它是異構或部分異構。這樣的異構節點最後就產生了不同的區塊鏈。

值得注意的是，現在很多區塊鏈的體系結構，並不適合真實的應用場景。所以我們認為，體系結構應該是動態可變的，根據不同的應用場景有不同的體系結構。

最後，我要講的是，長期以來，信息系統在不斷地演進，體系結構創新是信息系統發展的永恆之路。我們從信息系統的角度來考察區塊鏈的體系結構演進，首先對傳統信息系統進行了數學建模，指出了傳統信息系統的特點；然後對經典區塊鏈系統進行了研究，給出了區塊鏈系統的形式化表示和體系結構模型，提煉了經典區塊鏈系統的特點；最後，我們根據理想區塊鏈系統的特點，從自然界的擬態、群飛、群游現象中得到啟發，提出了擬態群體異構體系結構。

我的報告就到這裡，謝謝大家。

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