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| 本文作者： 陳伊莉 | 2018-11-30 15:49 |
在近日2018中國區(qū)塊鏈大會上，中國計算機學會區(qū)塊鏈專委會主任、復旦教授斯雪明介紹了一番區(qū)塊鏈形式化表示與體系結構演進。
雷鋒網(wǎng)了解到，他指出，長期以來，信息系統(tǒng)在不斷地演進地體系結構的創(chuàng)新是信息系統(tǒng)發(fā)展的永恒之路。如果從信息系統(tǒng)的角度來考慮區(qū)塊鏈的體系結構演進，首先通過對傳統(tǒng)信息系統(tǒng)進行數(shù)學建模，意識到傳統(tǒng)信息系統(tǒng)的特點，然后對經(jīng)典區(qū)塊鏈系統(tǒng)進行了研究，給出了信息系統(tǒng)的形式化表示和體系結構模型，提煉了經(jīng)典區(qū)塊鏈系統(tǒng)的特點，最后根據(jù)理想?yún)^(qū)塊鏈系統(tǒng)的特點，從自然界的擬態(tài)群飛、群游現(xiàn)象之間得到了啟發(fā)，提出了擬態(tài)群體異構結構。
以下是演講原文，雷鋒網(wǎng)AI金融評論作了不改變原意的編輯：
信息系統(tǒng)是一個人造系統(tǒng)、它由人，硬件、軟件和數(shù)據(jù)資源組成，目的是及時、政府地收集、加工存儲、傳遞和提供信息實現(xiàn)組織中各項活動的管理、調節(jié)和動作。
傳統(tǒng)信息系統(tǒng)具有靜態(tài)性、相似性、中心化的特點。論域用來代表信息系統(tǒng)的不同模塊。考慮到傳統(tǒng)的信息系統(tǒng)的某一論域時，屬性取值在時間軸上是穩(wěn)定不變的。所以傳統(tǒng)的信息系統(tǒng)是具有靜態(tài)性的特點。另外，傳統(tǒng)信息系統(tǒng)的中心獨自可以進行數(shù)據(jù)的增、刪、改、存等操作，也可以執(zhí)行服務的發(fā)布與撤回。這是特權用戶具有的特點。普通的用戶跟特權用戶有很大的差別，中心化就導致機密性、完整性、可用性容易受到內部人或外部黑客的破壞。
傳統(tǒng)的信息系統(tǒng)各維度通常是靜態(tài)的，數(shù)據(jù)通常沒有冗余，或者是冗余比較少，大概有兩到三個備份。各個系統(tǒng)之間通常是相似的，同時具有集中化的特點。
典型的區(qū)塊鏈系統(tǒng)包括四個環(huán)節(jié)：發(fā)起交易、傳播交易、驗證交易、添加區(qū)塊。
這里的交易一般指的是廣義的交易。發(fā)起交易可能涉及TOKEN、智能合約、記錄等其他的信息在節(jié)點的幫助下，該交易被廣播到P2P網(wǎng)絡中。驗證交易需要先驗證交易的合法性，最后新的區(qū)塊就添加到鏈上，從此就不可分割，不可改造。
區(qū)塊鏈系統(tǒng)的一般形式化表示包括打包和鞏固、數(shù)據(jù)存儲和狀態(tài)存儲。消息單元主要包括消息的數(shù)據(jù)流失，以及消息的處理方式，打包主要是對消息的驗證，驗證通過加入?yún)^(qū)塊，同時提出證明，證明自己打包的權限，同時將自己形成的區(qū)塊的證明打包CUM。同步主要是對區(qū)塊證明的打包進行驗證，驗證通過就開始下一步的共識。存儲操作主要包括數(shù)學存儲和狀態(tài)存儲。
在單鏈的未許可鏈中，比特幣是具有代表性的，比特幣的消息單元以普遍轉賬交易為主，消息打包前，需要工具來證明取得記帳權，算力決定了進行POW的能力。POW的驗證與區(qū)塊的傳播異步，可能存在分叉，狀態(tài)以UTXO為主，傳播模式。
在這個體系結構中，比特幣有一個交易池，通過實際打包，從交易池中間來選取部分交易，跟其他的進行POW的競爭，成功之后產(chǎn)生新的區(qū)塊，然后給其他的節(jié)點。在完成POW之前，收到等于或者是大于正在操作的區(qū)塊的時候，會放棄目前的POW競爭，并接受新的區(qū)塊，在這個基礎上進行新的POW。
上圖是以太坊的體系結構圖。以太坊的節(jié)點分為了內部節(jié)點和合約節(jié)點。與比特幣不同的是，以太坊有叔塊的概念。（如果一個塊不是最長鏈的一部分，那么它被稱為是“孤塊”，在以太坊就叫做叔塊。）一個孤立的塊是一個塊，它也是合法的，許多進出主鏈當中，在進行POW的時候，同時要進行叔塊結合的信息，同時以太坊也包括私人合約，能夠進行有限的操作。
以fabric為代表的單鏈許可鏈，CA作為所有節(jié)點加入系統(tǒng)的認證，普通用戶通過部署鏈碼發(fā)起交易，然后通過背書策略申請節(jié)點的背書簽名，ORDER節(jié)點驗證客戶端節(jié)點的交易和背書消息，專發(fā)給ChainCode。
除了前面提到的典型的區(qū)塊鏈系統(tǒng)之外，現(xiàn)在還出現(xiàn)了新型的以IOTA為代表的有向無環(huán)圖（DAG）的區(qū)塊鏈。它沒有傳統(tǒng)區(qū)塊的概念，交易產(chǎn)生的同時對已有交易進行驗證，消息產(chǎn)生后直接進入TANGLE系統(tǒng)，存在中心化嚴重的問題。
上圖是IOTA的形式化表示，在這個圖中除了基本的區(qū)塊鏈中的元素之外，還包括了對兩個負交節(jié)點的引用。它直接對消息單元進行驗證，在IOTA上沒有同步的操作。
在IOTA中間，系統(tǒng)中節(jié)點進行簡單的POW，主要是為了防止交易泛濫，然后包括已經(jīng)發(fā)生的兩筆交易，然后產(chǎn)生新的交易，交易直接進行IOTA的管控。
前面也說到，傳統(tǒng)信息系統(tǒng)的特點包括靜態(tài)性、相似性、中心化，而當前的區(qū)塊鏈系統(tǒng)一般也具有靜態(tài)型性、多中心、分布式、冗余、高度同構等特點。而理想的區(qū)塊鏈有六個特點：動態(tài)性、多中心、分布式、適度冗余、異構性地、群體性。
那么如何構建理想?yún)^(qū)塊鏈呢？我們從自然界得到了啟示，自然界是我們最好的老師。
第一，我們從擬態(tài)現(xiàn)象得到了啟示。擬態(tài)是一種生物在形態(tài)、行為等特征上模擬另一種生物或環(huán)境、從而使一方或雙方受益的生態(tài)。比如變色龍，以及最厲害的擬態(tài)章魚。
章魚它除了可以變顏色之外，比如模擬沙子，它還可以變化成15種以上的海洋生物，變它們的動作，變它們的外觀，比如紅魚、海蛇等。當它變海蛇的時候，章魚把6只腳藏在地下，伸出2只爪子，再加上顏色又和海蛇一樣，所以看起來很像海蛇。章魚是非哺乳類動物最聰明的一個。章魚以不確定的色彩、紋理、形狀的變化給攻擊者造成了認知困境。
第二個啟示來自于動物的群飛和群游現(xiàn)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的專向，其目的是能夠免遭老鷹等捕捉。群飛很多情況是在非常密集的環(huán)境中飛行，但是鳥和鳥之間絕對不會相撞，而且非?？梢钥焖俚刈兓犘?。魚群的群游也是類似，目的一方面是為了避免大型的捕食，海洋生物的襲擊，還能提高捕食的效率。
從上述生物學中的擬態(tài)群飛、群游現(xiàn)象，我們提出了一種擬態(tài)群體異構體系結構，簡稱MCH體系結構。區(qū)塊鏈系統(tǒng)中的部件可以根據(jù)應用場景動態(tài)調整變化，不同的部件有不同實現(xiàn)方式，但完成統(tǒng)一的目的，系統(tǒng)的部件異構構建最適合應用的區(qū)塊鏈系統(tǒng)。
MCH的目標就是，針對特定的應用場景，選擇合適的異構部件，構建最優(yōu)的系統(tǒng)結構，達到理想應用目標。
這是我們說MCH體系結構的圖。主要包括節(jié)點環(huán)境、網(wǎng)絡組織結構，智能合約，密碼算法、共識算法等。
具體是怎么運作的呢？所有運行在系統(tǒng)中的應用，DAPP1、DAPP2，通過參數(shù)的提煉，比如DPPR提煉出一組參數(shù)——C1到CK，代入決策，形成異構候選集，然后這些候選集就構成了下方不同的節(jié)點。我們希望這些節(jié)點之間從軟硬件來說它是異構，或者說是部分異構。異構的節(jié)點最后就產(chǎn)生了不同的區(qū)塊鏈。
我們這里要注意的是，現(xiàn)在的區(qū)塊鏈，鏈就一條，根據(jù)這樣一個MCH系統(tǒng)鏈就多條。從數(shù)字貨幣交易來說，比特幣和以太坊還是適用的，但是在真正應用時，很多體系結構并不適合。所以我們認為，應該根據(jù)不同的應用場景，有不同的體系結構，體系結構應該是可以動態(tài)變化的。這樣一來，對于性能要求高的場景，我們可以用高性能的部件；要求安全性的場合，就用安全性好的部件。
特別是我們要注意的是，我們現(xiàn)在正處于量子計算很可能大規(guī)模、商業(yè)化的時代，現(xiàn)在區(qū)塊鏈系統(tǒng)使用的一些密碼算法，等量子計算大規(guī)模的機器出來以后，都將會是不安全的。如果有些系統(tǒng)需要運行三十年、五十年，在這個狀況下，我們怎么做到平滑過渡呢？
我認為，如果部件是動態(tài)變化的，兼容前面，又可以為后面的調整留下空間，對系統(tǒng)來說會是非常有用的。
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