在近日2018中國(guó)區(qū)塊鏈大會(huì)上，中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)區(qū)塊鏈專委會(huì)主任、復(fù)旦教授斯雪明介紹了一番區(qū)塊鏈形式化表示與體系結(jié)構(gòu)演進(jìn)。

雷鋒網(wǎng)了解到，他指出，長(zhǎng)期以來，信息系統(tǒng)在不斷地演進(jìn)地體系結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)演進(jìn)，首先通過對(duì)傳統(tǒng)信息系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，意識(shí)到傳統(tǒng)信息系統(tǒng)的特點(diǎn)，然后對(duì)經(jīng)典區(qū)塊鏈系統(tǒng)進(jìn)行了研究，給出了信息系統(tǒng)的形式化表示和體系結(jié)構(gòu)模型，提煉了經(jīng)典區(qū)塊鏈系統(tǒng)的特點(diǎn)，最后根據(jù)理想?yún)^(qū)塊鏈系統(tǒng)的特點(diǎn)，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(gòu)結(jié)構(gòu)。

以下是演講原文，雷鋒網(wǎng)AI金融評(píng)論作了不改變?cè)獾木庉嫞?/p>

傳播信息系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型與特點(diǎn)

信息系統(tǒng)是一個(gè)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(shí)、政府地收集、加工存儲(chǔ)、傳遞和提供信息實(shí)現(xiàn)組織中各項(xiàng)活動(dòng)的管理、調(diào)節(jié)和動(dòng)作。

傳統(tǒng)信息系統(tǒng)具有靜態(tài)性、相似性、中心化的特點(diǎn)。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(shí)，屬性取值在時(shí)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(diǎn)。另外，傳統(tǒng)信息系統(tǒng)的中心獨(dú)自可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的增、刪、改、存等操作，也可以執(zhí)行服務(wù)的發(fā)布與撤回。這是特權(quán)用戶具有的特點(diǎn)。普通的用戶跟特權(quán)用戶有很大的差別，中心化就導(dǎo)致機(jī)密性、完整性、可用性容易受到內(nèi)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(gè)備份。各個(gè)系統(tǒng)之間通常是相似的，同時(shí)具有集中化的特點(diǎn)。

區(qū)塊鏈系統(tǒng)形式化表示

典型的區(qū)塊鏈系統(tǒng)包括四個(gè)環(huán)節(jié)：發(fā)起交易、傳播交易、驗(yàn)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(diǎn)的幫助下，該交易被廣播到P2P網(wǎng)絡(luò)中。驗(yàn)證交易需要先驗(yàn)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(chǔ)和狀態(tài)存儲(chǔ)。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(duì)消息的驗(yàn)證，驗(yàn)證通過加入?yún)^(qū)塊，同時(shí)提出證明，證明自己打包的權(quán)限，同時(shí)將自己形成的區(qū)塊的證明打包CUM。同步主要是對(duì)區(qū)塊證明的打包進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證通過就開始下一步的共識(shí)。存儲(chǔ)操作主要包括數(shù)學(xué)存儲(chǔ)和狀態(tài)存儲(chǔ)。

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(zhuǎn)賬交易為主，消息打包前，需要工具來證明取得記帳權(quán)，算力決定了進(jìn)行POW的能力。POW的驗(yàn)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(gè)體系結(jié)構(gòu)中，比特幣有一個(gè)交易池，通過實(shí)際打包，從交易池中間來選取部分交易，跟其他的進(jìn)行POW的競(jìng)爭(zhēng)，成功之后產(chǎn)生新的區(qū)塊，然后給其他的節(jié)點(diǎn)。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(shí)候，會(huì)放棄目前的POW競(jìng)爭(zhēng)，并接受新的區(qū)塊，在這個(gè)基礎(chǔ)上進(jìn)行新的POW。

上圖是以太坊的體系結(jié)構(gòu)圖。以太坊的節(jié)點(diǎn)分為了內(nèi)部節(jié)點(diǎn)和合約節(jié)點(diǎn)。與比特幣不同的是，以太坊有叔塊的概念。（如果一個(gè)塊不是最長(zhǎng)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(gè)孤立的塊是一個(gè)塊，它也是合法的，許多進(jìn)出主鏈當(dāng)中，在進(jìn)行POW的時(shí)候，同時(shí)要進(jìn)行叔塊結(jié)合的信息，同時(shí)以太坊也包括私人合約，能夠進(jìn)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(diǎn)加入系統(tǒng)的認(rèn)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(qǐng)節(jié)點(diǎn)的背書簽名，ORDER節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證客戶端節(jié)點(diǎn)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(shí)對(duì)已有交易進(jìn)行驗(yàn)證，消息產(chǎn)生后直接進(jìn)入TANGLE系統(tǒng)，存在中心化嚴(yán)重的問題。

上圖是IOTA的形式化表示，在這個(gè)圖中除了基本的區(qū)塊鏈中的元素之外，還包括了對(duì)兩個(gè)負(fù)交節(jié)點(diǎn)的引用。它直接對(duì)消息單元進(jìn)行驗(yàn)證，在IOTA上沒有同步的操作。

在IOTA中間，系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)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(jìn)行IOTA的管控。

擬態(tài)群體異構(gòu)結(jié)構(gòu)暢想

前面也說到，傳統(tǒng)信息系統(tǒng)的特點(diǎn)包括靜態(tài)性、相似性、中心化，而當(dāng)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(gòu)等特點(diǎn)。而理想的區(qū)塊鏈有六個(gè)特點(diǎn)：動(dòng)態(tài)性、多中心、分布式、適度冗余、異構(gòu)性地、群體性。

那么如何構(gòu)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(dòng)作，變它們的外觀，比如紅魚、海蛇等。當(dāng)它變海蛇的時(shí)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(dòng)物最聰明的一個(gè)。章魚以不確定的色彩、紋理、形狀的變化給攻擊者造成了認(rèn)知困境。

第二個(gè)啟示來自于動(dòng)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(duì)不會(huì)相撞，而且非常可以快速地變化隊(duì)形。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(xué)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(gòu)體系結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)稱MCH體系結(jié)構(gòu)。區(qū)塊鏈系統(tǒng)中的部件可以根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景動(dòng)態(tài)調(diào)整變化，不同的部件有不同實(shí)現(xiàn)方式，但完成統(tǒng)一的目的，系統(tǒng)的部件異構(gòu)構(gòu)建最適合應(yīng)用的區(qū)塊鏈系統(tǒng)。

MCH的目標(biāo)就是，針對(duì)特定的應(yīng)用場(chǎng)景，選擇合適的異構(gòu)部件，構(gòu)建最優(yōu)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，達(dá)到理想應(yīng)用目標(biāo)。

這是我們說MCH體系結(jié)構(gòu)的圖。主要包括節(jié)點(diǎn)環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)組織結(jié)構(gòu)，智能合約，密碼算法、共識(shí)算法等。

具體是怎么運(yùn)作的呢？所有運(yùn)行在系統(tǒng)中的應(yīng)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(gòu)候選集，然后這些候選集就構(gòu)成了下方不同的節(jié)點(diǎn)。我們希望這些節(jié)點(diǎn)之間從軟硬件來說它是異構(gòu)，或者說是部分異構(gòu)。異構(gòu)的節(jié)點(diǎn)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(gè)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(yīng)用時(shí)，很多體系結(jié)構(gòu)并不適合。所以我們認(rèn)為，應(yīng)該根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，有不同的體系結(jié)構(gòu)，體系結(jié)構(gòu)應(yīng)該是可以動(dòng)態(tài)變化的。這樣一來，對(duì)于性能要求高的場(chǎng)景，我們可以用高性能的部件；要求安全性的場(chǎng)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(jì)算很可能大規(guī)模、商業(yè)化的時(shí)代，現(xiàn)在區(qū)塊鏈系統(tǒng)使用的一些密碼算法，等量子計(jì)算大規(guī)模的機(jī)器出來以后，都將會(huì)是不安全的。如果有些系統(tǒng)需要運(yùn)行三十年、五十年，在這個(gè)狀況下，我們?cè)趺醋龅狡交^渡呢？

我認(rèn)為，如果部件是動(dòng)態(tài)變化的，兼容前面，又可以為后面的調(diào)整留下空間，對(duì)系統(tǒng)來說會(huì)是非常有用的。

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