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区块链基础设施纵览:基本框架原则——揭示存储、计算和通信元素

| 作者 Trent McConaghy 关注 0 他的粉丝 ,译者 王强 关注 1 他的粉丝 发布于 2018年4月2日. 估计阅读时间: 22 分钟 | GMTC大前端的下一站,PWA、Web框架、Node等最新最热的大前端话题邀你一起共同探讨。

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以太坊、IPFS/Filecoin和BigchainDB之间是怎样的关系?Golem、Polkadot或Interledger又是什么情况?我经常被问到诸如此类的问题,所以决定写下这篇文章,从基本框架层面回答这些问题。

简单来说:并不存在名为“区块链”的无所不能的神奇系统。相比之下,倒是有很多优秀的计算构件块,可以组合起来创建实用的去中心化应用。以太坊可以充当此类角色,此外还有很多类似的选择。接下来具体分析。

背景

构成计算技术的基本元素是存储、处理和通信。大型主机、PC、移动设备和云服务都以各自的方式展现这些元素。各个元素之内还有专门的构件块来分配资源。

例如,在存储元素内,既有文件系统也有数据库。文件系统使用目录文件的层级结构存放mp3这样的blob(二进制大对象)数据,而数据库用来存放结构化的元数据,使用SQL[1]这样的查询接口。在中心化的云平台上,我们可能使用Amazon S3服务存放文件,用MongoDB Atlas运行数据库,并使用Amazon EC2处理运算需求。

本文聚焦于区块链的大框架:介绍区块链中各个计算元素的模块以及各个模块的一些实现案例,偏向概论而非详解。

区块链的组成模块

以下是去中心化技术中各个计算元素的构件块:

  • 存储:代币存储、数据库、文件系统/blob
  • 处理:有状态的业务逻辑、无状态的业务逻辑、高性能计算
  • 通信:数据、价值和状态的连接网络

区块链的基础架构纵览

区块链技术体现在每个模块中,如下图所示[2]:

存储

作为基本计算元素,存储部分包含了以下构件块。

代币存储。代币是价值的存储媒介(例如资产、证券等),价值可以是比特币、航空里程或是数字作品的版权。代币存储系统的主要作用是发放和传输代币(有多种变体),同时防止多重支付之类的事件发生。

比特币Zcash是两大“纯净”的、只关注代币本身的系统。以太坊则开始将代币用于各种服务,以实现其充当全球计算中心的理想。这些例子中代币被用作运营整个网络架构的内部激励。

还有些代币不是网络用来推动自身运行的内部工具,而是用做更高级别网络的激励,但它们的代币实际上是存储在底层架构中的。一个例子是像Golem这样的ERC20代币,运行在以太坊网络层上。另一个例子是Envoke的IP授权代币,运行在IPDB网络层上。

最后我用“.*”来说明大多数区块链系统都有一套代币存储机制。

数据库。数据库专门用来存储结构化的元数据,例如数据表(关系型数据库)、文档存储(例如JSON)、键值存储、时间序列或图数据库。数据库可以使用SQL这样的查询快速检索数据。

传统的分布式(但中心化)数据库如MongoDBCassandra通常会存储数百TB甚至PB级的数据,性能可达到每秒百万写入

SQL这样的查询语言是很强大的,因为它将实现与规范区分开来,这样就不会绑定在某个具体的应用上。SQL已经作为标准应用了数十年,所以同一个数据库系统可以用在很多不同的行业中。

换言之,要在比特币之外讨论一般性,不一定要拿图灵完备性说事。你只需要一个数据库就够了,这样既简洁又方便扩展。有些时候图灵完备也是很有用的,我们将在“去中心化处理”一节具体讨论。

BigchainDB是去中心化的数据库软件,是专门的文档存储系统。它基于MongoDB(或RethinkDB),继承了后者的查询和扩展逻辑。但它也具备了区块链的特征,诸如去中心化控制、防篡改和代币支持。IPDB是BigchainDB的一个受监管的公开实例。

在区块链领域,也可以说IOTA是一个时间序列数据库。

文件系统/blob数据存储。这些系统以目录和文件的层级结构来存储大文件(电影、音乐、大数据集)。

IPFSTahoe-LAFS是去中心化的文件系统,包含去中心化或中心化的blob存储。FileCoinStorjSiaTieron是去中心化的blob存储系统,古老而出色的BitTorrent也是如此,虽然后者使用的是p2p体系而非代币。以太坊SwarmDatSwarm-JS基本上都支持上述两种方式。

数据市场。这种系统将数据所有者(比如企业)与数据使用者(比如AI创业公司)连接在一起。它们位于数据库与文件系统的上层,但依旧是核心架构,因为数不清的需要数据的应用(例如AI)都依赖这类服务。Ocean就是协议和网络的一个例子,可以基于它创建数据市场。还有一些特定应用的数据市场:Enigma Catalyst用于加密市场,Datum用于私人数据,DataBroker DAO则用于物联网数据流[2]。

处理

接下来讨论处理这个基本计算元素。

“智能合约”系统,通常指的是以去中心化形式处理数据的系统[3]。它其实有两个属性完全不同的子集:无状态(组合式)业务逻辑和有状态(顺序式)业务逻辑。无状态和有状态在复杂性、可验证性等方面差异巨大。第三种去中心化的处理模块是高性能计算(HPC)。

无状态(组合式)业务逻辑。这是一种任意逻辑,不在内部保留状态。用电子工程术语来说,它可以理解为组合式数字逻辑电路。这一逻辑可以表现为真值表、逻辑示意图、或者带条件语句的代码(if/then、and、or、not等判断的组合)。因为它们没有状态,很容易验证大型无状态智能合约,从而创建大型可验证的安全系统。N个输入和一个输出需要O(2^N)个计算来验证。

跨账本协议(ILP)包含crypto-conditions(CC)协议,以便清楚地标出组合电路。CC很好理解,因为它通过IETF成为了互联网标准,而ILP则在各种中心和去中心化的支付网络(例如超过75家银行使用的瑞波)中广泛应用。CC有很多独立实现的版本,包括JavaScriptPythonJava等。BigchainDB、瑞波等系统也用CC,用以支持组合式业务逻辑/智能合约。

Bitshare和Eos也支持无状态业务逻辑。

因为有状态逻辑是无状态逻辑的超集,支持有状态逻辑的系统也自然支持无状态逻辑(但代价是增加复杂性,可验证性方面也要考虑更多问题)。

BigchainDB、Bitshares、Eos还支持事件。它提供了一种持久的层级,使功能更接近有状态的业务逻辑(感谢Ian Grigg指出这一点[2])。

有状态(顺序)业务逻辑。这是一种在内部保留状态的任意逻辑。也就是说,它有记忆,或者说它是一种带有至少一个反馈回路(和一个时钟)的组合逻辑电路。例如,一颗微处理器有一个内部寄存器,根据发送给它的机器码指令进行更新。更一般地说,有状态的业务逻辑是一个图灵机,接受一系列输入并返回一系列输出。有这种(实际近似)表现的系统被称为图灵完备系统[4]。

以太坊是最知名的使用有状态业务逻辑/智能合约的区块链系统,其智能合约直接在链上运行。LiskRChainDFINITYAeternityTezosFabricSawtooth和很多其它系统也有智能合约。运行“在某处”的代码是个强大的理念,有很多使用场景。这也能部分解释为什么以太坊一飞冲天,为什么它的生态系统如此兴旺,以及为什么会有这么多竞争者在这一领域崛起。

因为顺序逻辑是组合逻辑的超集,这类系统也支持组合逻辑。

正如DAO黑客所示,代码中的小错误可能导致严重后果。芯片产业采用的形式化验证也能在这里发挥作用,以太坊基金会正在这方面做出努力。但它有规模限制:对于组合电路,可能的映射数量最多有2^(输入数量)种。对于时序电路,内部状态的上限是2^(内部状态变量的数量),前提是内部的变量都是布尔值。例如,对于一个带有3个输入的组合电路,它有2^3=8种可能的状态供验证。但如果它是一个带有32位寄存器的时序电路,要完整验证就要检查2^32=42亿种状态。这一限制约束了时序电路的复杂程度(如果要保证可信度)。“按结构修正”是另一种验证有状态智能合约的手段,比如Rchain使用的rho微积分。

如果需要去中心化的处理,很多场景下有个更简单的方法:只要把处理过程放在客户端一侧,运行在浏览器或移动设备中,用JS或Swift代码编写就行了。这个时候就要信赖客户端的处理过程,如果设备是你自己控制的那就没什么问题。我们把它叫做“胖客户端”,是相对于“胖协议”架构来说的。这种体系对主流web开发者很友好。例如,很多web应用需要用到应用状态。要开发这样的系统只需要用到JS+IPDB(使用js-bigchaindb驱动)。如果你的应用也需要blob存储和支付功能,就再加上JS的IPFS客户端版本(ipfs.js)和以太坊版本(web3.js),比如:

高性能计算(HPC)。这是一种处理“重负载”计算任务的过程,诸如渲染、机器学习、电路模拟、气象预报、蛋白质折叠等任务都是这种类型。这类计算任务往往花费几个小时、甚至数周时间,运行在整套机器集群上(CPU、GPU甚至TPU)。

这些方法可以让HPC去中心化:

  • GolemiEx.ec可以用来组成去中心化的超级计算机及相关的应用框架。
  • Nyriad可以组成存储处理框架。基本上这个处理过程与中心化的存储是放在一起的(Nyriad也有适合后者的方案)。
  • TrueBit实现第三方计算,并进行后期计算检查(空闲时进行隐式检查,出现问题时进行显式检查)。
  • 有些人只是用VM或Docker容器执行复杂的计算任务,将结果(VM最终状态或单纯的计算结果)放到blob存储里,只提供有限的访问权限。然后他们把存储访问授权卖给容器使用者,比如代币读取权限。这种方式需要更多客户端来验证结果,好处在于技术都很成熟。当TrueBit成熟后,这种方法自然会与其融合。

通信

这一节我们会谈到第三个也是最后一个基本的计算元素,通信。描绘通信框架的方法很多,我会重点介绍网络连接。它有三个层级:数据、价值和状态。

数据。60年代,ARPA.net诞生了。它的成功催生了一系列类似的网络,诸如NPLCYCLADES。新的问题随之出现:它们无法互相交流。Cerf和Kahn在70年代发明了TCP/IP来连接这些网络,创建一个网络组成的联网系统,也就是今天我们熟知的Internet。TCP/IP是当今网络连接的事实标准。OSI协议栈曾经是它的竞争对手,但很早就消亡了;然而讽刺的是,OSI的模型被证明是有用的。于是,虽然TCP/IP历史悠久,但它仍然是连接网络数据的去中心化构件。

Tor项目可以被视为TCP/IP的上层,用来保护用户的隐私。然而它有很多中心化的特点,更不要说它获得了国防部的资助,令很多人不满。代币化的类Tor项目正在兴起,可以拭目以待[2]。

价值。TCP/IP只在数据层连接不同网络。你可以复送分包——将一个分包一次发送到很多目的地——也无所谓。但如果要在网络中发送价值时,该怎样连接网络呢?比如比特币到以太坊,乃至SWIFT清算网络到瑞波XRP网络。你需要代币能一次只发送到一个目的地。防止重复发送的一种联网方式是使用汇票,但这种做法往往消耗很多资源。但是,我们可以只保留汇票的核心要素,抛开信任中介,使用密钥托管。爱丽丝可以通过马洛里向鲍勃汇款,款项经过马洛里之手但他不能动用(并且有期限约束,马洛里不能一直占着款子不放)。这就是跨账本协议(ILP)的核心要素。这也是双向挂钩(想想侧链)和状态管道(比如LightningRaiden)的理念;但重点完全在于为价值交换连接网络。除了ILP,Cosmos等系统会更复杂一些,以换取更多便利。

状态。除了连接价值网络,我们能否更进一步?想象一个计算机病毒,其带有自己的比特币钱包,可以在网络间跳转;或者以太坊主网中的一个智能合约,可以将其状态转向另一个以太坊网络乃至另一个兼容网络?或者,为什么将AI DAO局限在单一网络中?

于是诞生了Polkadot,用来连接网络的状态。Aeternity也介于价值网络和状态网络之间。

案例

现在我们研究了三大计算元素(存储、处理、通信),探讨了每种元素的去中心化构件,以及每种构件的项目实例。

人们开始发展组合式的系统。有很多由两种构件组成的模式,通常使用IPFS+以太坊或IPFS+IPDB。甚至有人使用三个或更多的模块组合。以下是一些前沿案例:

  • Ujo使用IPFS|Swarm+IPDB+以太坊,用于去中心化音乐网络。IPFS或Swarm用在文件系统和blob存储上。IPDB(和BigchainDB)用于元数据存储和查询。以太坊用于代币存储和有状态业务逻辑。
  • Innogy使用IPFS+IPDB+IOTA,用于供应链/物联网应用。IPFS用于文件系统和blob存储。IPDB(和BigchainDB)用于元数据存储和查询。IOTA用于时间序列数据。

相关工作

以下是区块链社区其他研究者的相关框架,我很高兴能与他们进行很好的交流。

Joel Monegro的“胖协议”框架强调每个构件都是一个协议。我觉得这是一个很酷的框架,尽管它要求构件之间只能使用网络协议交流。还有一种方式:模块可以简单地成为“导入”语句或库调用。

使用导入的原因可以是为了(a)更低的延迟:一个网络呼叫要花费时间,可能影响乃至破坏可用性;(b)简洁:使用库调用(乃至嵌入代码)往往比连接到一个网络、支付代币等更简单;(c)更加成熟:协议栈才刚刚兴起。我们有历史数十年之久的优秀Unix库,甚至Python和JS模块也有15年以上的历史。

Fred Ehrsam的“Dapp开发者协议栈强调web商业模式。虽然它很有帮助,但它不是要针对给定计算元素(比如文件系统与数据库)在模块之间进行细化区分的。

BigchainDB白皮书(最早发布于2016年2月)第一部分展示了其早期版本的形态,如下所示:

它关注于处理、文件系统和数据库这几大构件。它没有使用“计算元素”的框架,没有区分去中心化处理的类型。本文是我在过去一年半根据这份白皮书进一步思考的成果;我在5月22日在Consensus 2017上的演讲进一步补充了我的观点,与本文内容很接近。(我写这篇文章的部分原因是很多人请我将这些思考化作文字)。

该图还指出了一个频谱,最左边是完全的中心化,最右是完全的去中心化。这有助于将已有的软件系统升级为更加去中心化的形式,将最有必要升级的模块优先去中心化。

Stephan Tual的“Web 3.0重构”堆栈与本文的思想基本一致,只不过更偏重于以太坊。它为社区提供了很好的服务,用一张映射图将很多项目归类到相似的构件中。我惊喜地意识到它与我的思想非常相似。不过它的应用服务模块层(消息模块、存储模块、共识模块、管理模块……)实际上将三种事物混合在一起:应用、“是什么”和“怎样做”。对我而言,模块应该是“是什么”的类别。所以消息是一个应用(应该在应用层);存储应该更加细粒化;共识是“怎样做”的部分(隐藏在一些模块里);管理也是“怎样做”的部分(所以也该隐藏起来)。它也有“网络”协议,用作单独的底层模块,不过我将它们视为模块间交互的一种可行方式,与库调用类似。不管怎样,我认为这是非常出色的堆栈。

Alexander Ruppert的“映射去中心化世界有大约20类组织,x轴有四个高级类,依次是基础设施层、中间件层、流动层、应用层。这也是很棒的部分;我很高兴能帮助Alex做出这个映射。它对核心基础设施着墨不多,更注重广泛的趋势;而本文主要写的是核心基础设施的框架原则。

未来

Ujo这样的系统将很多模块合并在一起,诸如IPFS或Swarm(用于blob)+以太坊(用于代币和业务逻辑)+IPDB和BigchainDB(用于可快速查询的数据库),所以综合了所有系统的优点。

我希望随着人们更好地理解构件之间的关系,这种趋势也会随之加速。这也比把所有东西都塞入名为“区块链”的单一框架更有效率。

我希望这一理念随着去中心化生态系统一起继续进化。AWS一开始只有一种服务:为blob存储提供的S3服务;之后它有了处理服务:EC2;它继续进化。AWS现在有50多个模块,当然其中少数模块依旧是最关键的。下图列出了AWS的所有服务。

aws.amazon.com的完整服务截图,2017年7月15日

我发现类似的故事正在去中心化世界上演。初看起来,我们可以设想每一个AWS模块的去中心化版本。但也会有不同点,因为每种生态系统(云、移动、去中心化)都有自己的特定模块,比如去中心化的代币存储。这将是很有趣的旅程!

注释

[1] 其实我们可以进一步对这些构件进行分级。例如数据库是在文件系统之上的。后者则在原始数据(blob)存储之上。分布式数据库推动通信发展。例如,多数现代数据库使用Ext4、XFS或GridFS等文件系统与底层存储。本文中我给出的框架是应用开发者的视点:文件系统的UX是什么,数据库的UX是什么,等等。

[2] 2017年8月我在此加入了一些新内容。

[3] 我从未真正喜欢过“智能合约”这种说法。在AI语境下它们并不算智能。它们也和”合约“这个法律概念没有关系。如果它们的确包含法律元素,它们通常会加上状态,比如说用Ricardian合约。”去中心化处理“的称谓和其中的”去中心化业务逻辑“更加合理。不过现在“智能合约”的叫法如此普及,就这么叫也可以。相比纠结称谓,我们有更有意义的事情要做。

[4] 这里我提到的“图灵完备”是实践层面的,不是纯粹理论层面的。理论上,机器根据输入数据及其当前内部状态返回一系列输出数据;但实践上,机器无法永续运行,无法解决“机器何时停止”的问题(停止问题)。

原文链接:https://blog.bigchaindb.com/blockchain-infrastructure-landscape-a-first-principles-framing-92cc5549bafe

感谢无明对本文的审校。

 

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