理解CKB的Cell模型


#1

在设计CKB的时候,我们想要解决三个方面的问题:

  1. 状态爆炸 引起的公地悲剧及去中心化的丧失;
  2. 计算和验证耦合在了一起 使得无论是计算还是验证都失去了灵活性,难以扩展;
  3. 交易与价值存储这两个目标的内在矛盾,Layer 2和跨链的出现将放大这种矛盾,并对Layer 1的经济产生非常负面的影响;

对这些问题没有回答,Layer 1就无法长久运行,区块链给我们的种种承诺自然也是无从谈起。这三个问题根植于区块链架构和协议设计的最深处,很难通过打补丁的方式来解决,我们必须从最基本的数据结构开始,重新审视问题的根源,寻找更合适的地基。

幸运的是,这个更合适的地基简单得令人感到幸福,而且一直就摆在我们眼前。

(本文会包含一些非常简单的代码,应该不会影响非技术读者阅读…)

从Bitcoin我们学到了什么

Bitcoin把整个账本分割保存在了一个个UTXO里面,UTXO是未花费交易输出(Unspent Transaction Output)的简写,实际上是交易中包含的输出(CTxOut)。CTxOut的结构非常非常的简单,只有两个字段:

    class CTxOut
    {
    public:
        CAmount nValue;
        CScript scriptPubKey;
    ...
    }

每一个CTxOut代表了一个面值不同的硬币(Yay bit-”Coin”),其中nValue代表这个硬币的面值是多少,scriptPubKey是一段表示这个硬币的所有者是谁的脚本(通常包含了所有者的公钥),只有能提供正确的参数使这个脚本运行成功的人,才能把这个硬币“转让”给另外一个人。

为什么要给“转让”打引号?因为在转让的时候,并不是简单的把硬币中的scriptPubKey修改或是替换掉,而是会销毁和创造新的硬币(毕竟在数字的世界中销毁和创造虚拟硬币的成本很低)。每一个Bitcoin交易,都会销毁一批硬币,同时又创造一批硬币,新创造的硬币会有新的面值和新的所有者,但是被销毁的总面值总是大于等于新创造的总面值,以保证没有人可以随意增发。交易表示的是账本状态的变化。

这样一个模型的特点是:

  1. 硬币(资产)是第一性的;
  2. 所有者是硬币的属性,每一枚硬币有且仅有一个所有者;
  3. 硬币不断的被销毁和创建;

是不是很简单?如果你觉得自己已经理解了Bitcoin和UTXO,恭喜你,你也已经理解了CKB和Cell!

Cell

Layer 1的关注点在状态,以Layer 1为设计目标的CKB设计的关注点很自然就是状态。Ethereum将交易历史和状态历史分为两个维度,区块和交易表达的是触发状态迁移的事件而不是状态本身,而Bitcoin协议中的交易和状态融合成了一个维度,交易即状态,状态即交易,正是一个以状态为核心的架构。

同时,CKB想要验证和长久保存的状态,不仅仅是简单的数字(nValue),而是任何人们认为有价值的、经过共识的数据。显然Bitcoin的交易输出结构满足不了这个需求,但是它已经给了我们足够的启发:只需要将nValue一般化,把它从一个存放整数的空间变成一个可以存放任意数据的空间,我们就得到了一个更加一般化的”CTxOut",或者叫Cell:

    pub struct CellOutput {
        pub capacity: Capacity,
        pub data: Vec<u8>,
        pub lock: Script,
        pub type_: Option<Script>,
    }

在Cell里面,nValue变成了capacitydata两个字段,这两个字段共同表示一块存储空间,capacity是一个整数,表示这块空间有多大(以字节数为单位),data则是保存状态的地方,可以写入任意的一段字节;scriptPubKey变成了lock,只是换了一个名字而已,表达的是这块共识空间的所有者是谁 - 只有能提供参数(例如签名)使得lock脚本成功执行的人,才能“更新”这个Cell中的状态。整个CellOutput占用的字节数必须小于等于capacity。CKB中存在着许许多多的Cells,所有这些Cell的集合形成了CKB完整的当前状态,在CKB的当前状态中存储的是任意的共同知识,不再仅仅是某一种数字货币。

交易依然表示状态的变化/迁移。状态的变化,或者说Cell内容的“更新”实际上也是通过销毁和创建来完成的(并不是真的去修改原有Cell中的内容)。每一笔交易实际上都会销毁一批Cells,同时创建一批新的Cells;新创造的Cells会有新的所有者,也会存放新的数据,但是被销毁的capacity总和总是大于等于新创建的capacity总和,由此保证没有人可以随便增发capacity。因为capacity可以转让,无法增发,拥有capacity等于拥有相应数量的共识状态空间,capacity是CKB网络中的原生资产。Cell的销毁只是把它标记为”已销毁“,类似Bitcoin的UTXO从未花费变为已花费,并不是从区块链上删掉。每一个Cell只能被销毁一次,就像每一个UTXO只能被花费一次。

这样一个模型的特点是:

  1. 状态是第一性的;
  2. 所有者是状态的属性,每一份状态只有一个所有者;
  3. 状态不断的被销毁和创建;

所以说,Cell是UTXO的一般化(generalized)版本。

Verify

仅仅有一块可以保存任意状态的空间还不够。Bitcoin之所以有价值,是因为网络中的全节点会对每一笔交易进行验证,使得所有用户都相信(并且知道别人也相信)Bitcoin协议中写下的规则(例如2100万的上限)会得到保证。共同知识之所以能成为共同知识,是因为每个人都知道其他人认可这些知识,区块链之所以能让知识变成共同知识,是因为每个人都知道其他人都能独立验证这些知识并由此产生认可。任何共识的过程都包含了一系列的验证以及相互之间的反复确认,这个过程正是网络中共同知识形成的过程。(需要注意的是,验证知识是相对事先确定的验证规则来说的,通过验证的知识不代表命题为真。)

我们如何验证Cell中保存的数据呢?这时候就需要Cell中的另一个字段type发挥作用了。typelock一样,也是一段脚本,type定义了在data字段中保存的数据在状态迁移过程中必须要遵守的规则,是对状态的约束。CKB网络在共识的过程中,会在CKB-VM虚拟机中执行type脚本,验证新生成的Cell中保存的状态符合type中预先定义好的规则。满足同一种type约束的所有Cell,保存的是同一种类型的数据。

举个例子,假设我们想定义一个叫做SatoshiCoin的代币(UDT,UserDefinedToken),它的状态迁移必须满足的约束是什么?只有两条:

  1. 用户必须证明自己是输入代币的所有者;
  2. 每一次转账的时候,输入的代币数量必须大于等于输出的代币数量;

第一条约束可以通过lock脚本来表达,如果有兴趣可以查看这里的示例代码,与Bitcoin的scriptPubKey原理相同;第二条约束,在Bitcoin中是在底层硬编码实现的,在CKB中则是通过type脚本来实现。每个Cell代表的SatoshiCoin数量是一种状态,我们首先定义其状态结构,即每个type等于SatoshiCoin的Cell在data`保存的状态为一个长度为8的字节串,代表的是序列化过后的数量:

    {
        "amount": "Bytes[8]" // serialized integer
    }

type脚本在执行中,需要读入交易中所有同类型的Cells(根据type字段可以判断),然后检查同一类型下的输入Cells中保存的amount之和大于等于输出Cells中保存的amount之和。于是通过locktype两个脚本,我们就实现了一个最简单的代币。

locktype脚本不仅可以读取自身Cell中保存的状态,也能够引用和读取其它Cell中保存的状态,所以CKB的编程模型是一个有状态的编程模型。值得指出的是,Ethereum的编程模型之所以强大,更多是因为它有状态,而不是因为它的有限图灵完备。我们可以把type脚本保存在一个独立的Cell里面,然后在每一个SatoshiCoin Cell的type字段引用它,这样做的好处是相同的type脚本只需要一份空间保存,像这样保存数字资产定义的Cell我们把它叫做ADC(Asset Definition Cell)。SatoshiCoin的另一个特点是,具体的资产与所有者之间的记录,分散保存在多个独立的Cell里面,这些Cell可以是开发者提供给用户的,也可以是用户自己拥有的,甚至是租来的。只有在共识空间所有权明确的情况下,所有者才能真正拥有共识空间里面保存的资产(任何数据都是资产)。在CKB上,因为用户可以真正拥有共识空间,所以用户可以真正拥有数字资产(当你能真正拥有土地的时候,才能真正拥有土地上的房子)。

Cell是抽象的状态验证模型,Cell提供的存储(data)没有任何内部结构,Cell支持任意的状态验证规则(type)和所有权验证规则(lock),我们可以在Cell模型上模拟UTXO模型(就像上面的SatoshiCoin),也可以在Cell模型上构建Account模型。lock脚本在验证交易输入的时候执行,确保用户对输入有所有权,有权销毁输入的Cells;type脚本在验证交易输出的时候执行,确保用户生成的新状态符合类型约束,正确生成了新的Cells。由于状态模型迥异,以及计算和验证分离,CKB的编程模型与Ethereum的编程模型有非常大的不同,什么是CKB编程模型上的最佳实践还需要大量的探索。

通用验证网络(General Verification Network)

Bitcoin是一个验证网络(Verification Network)。在转账时,用户告诉钱包/本地客户端转账的数量和收款人,钱包根据用户提供的信息进行计算,在本地找出用户拥有的数量合适的硬币(UTXO),同时产生一批新的硬币,这些硬币有些归收款人所有,有些是找零。之后钱包将这些花费掉的硬币和新生成的硬币打包到一个交易里面,将交易广播,网络对交易验证后将交易打包到区块里面,交易完成。在这个过程中,网络中的节点并不关心老的状态(被销毁的硬币)是怎样被搜索出来的,也不关心新的状态(新硬币)是怎样生成出来的,只关心这些硬币的面值总和在交易前后没有改变。在转账过程中,计算在用户端完成,因此用户在交易发送时就能确定计算结果(新状态)是什么。

Ethereum是一个通用计算网络(General Computation Network)。在使用DApp的时候,用户告诉钱包/本地客户端想要进行的操作,钱包将用户的操作请求原样打包到交易里面,并将交易广播。网络节点收到交易之后,根据区块链的当前状态和交易包含的操作请求进行计算,生成新的状态。在这个过程中,计算在远端完成,交易结果(新状态)只有在交易被打包到区块之后才能确定,用户在交易发送的时候并不能完全确定计算结果。


(图中,上面是Ethereum的流程,交易中包含的是用户请求或者说事件/Event;下面是Bitcoin/CKB的流程,交易中包含的是链下生成的状态/State。)

CKB是一个通用验证网络(General Verification Network)。在使用DApp的时候,用户告诉钱包/本地客户端想要进行的操作,钱包根据当前状态和用户的操作请求进行计算,生成新的状态。在这个过程中,计算在用户端完成,计算结果(新状态)在交易发出的时候就已经确定了。

换句话说,Bitcoin和CKB都是先计算再共识,而Ethereum是先共识再计算。有趣的是,在许可链架构里面也有同样派别之分:Fabric 是先计算再共识,而CITA (实际上不仅仅是许可链)是先共识再计算。(思考题:那一种架构更适合许可链?)

计算与验证的分离同时也使得Layer 2与Layer 1自然分开了。Layer 1关心的是新的状态是什么,并不关心新的状态是如何得到的。无论是state channel,plasma还是其他Layer 2方案,其实质都是在链外进行计算,在特定时候将最终状态提交到Layer 1上进行验证。

General Verification Only
Bitcoin No Yes
Ethereum Yes No
CKB Yes Yes

为什么更好?

现在我们得到了一个非常不同的基础数据结构,在这个结构之上我们设计了独特的经济模型,这个结果真的更好吗?回顾一开始的三个问题也许能给我们一些启示。

capacity是原生资产,受到预先确定的发行规则约束,其总量有限。capacity同时又是状态的度量,有多少capacity,CKB上就能放多少数据,CKB状态空间的最大值与capacity总量大小相等,CKB上保存的状态不会超过capacity总量。这两点决定了,CKB不会有状态爆炸的问题。在capacity发行规则适当的情况下,网络应该可以长久的保持去中心化的状态。每一个Cell都是独立状态,有明确的所有者,原本属于公共资源的状态空间被私有化,宝贵的共识空间可以被更有效的使用。

CKB是一个通用验证网络,计算和验证得到了分离,各自的灵活性和扩展性都得到了提高。更多的计算被推到了用户端执行,计算发生在离场景和数据更近的地方,数据处理的方式更灵活,工具更多样。这也意味着,在CKB架构中,钱包是一个能做的事情更多,能力更大的入口。在验证端,由于计算结果已经完全确定,交易的依赖分析变得非常轻松,交易的并行处理也就更加容易。

在基于Cell建立的经济模型中,存储的使用成本与占用空间大小和占用时间成正比,矿工可以为提供共识空间获得相应的收益。CKB提供的Utility是安全的共识空间,价值来自于其安全性和可用性(accessability),并不是来自于交易处理能力(TPS),与Layer 2负责交易的特点相辅相成,在分层网络和跨链网络中具有更好的价值捕获能力。

CKB is NOT …

IPFS

CKB是一种存储这一点可能会使人感到迷惑:”这不就是IPFS/Filecoin/[任何分布式存储]吗?“

CKB不是分布式存储,关键的区别在于,分布式存储只有存储,没有验证,也就不会对其存储的数据形成共识。分布式存储的容量可以随着存储技术的增长而等比例的增长,而CKB的容量则收到形成全球共识效率的限制。

CKB也不需要担心容量不够。在Layer 2以及分层技术成熟的阶段,极端情况下,Layer 1上可能只需要放一个merkle root就足够了。在Layer 1上进行验证所需要的状态,也可以通过交易提交给节点,节点通过merkle proof验证状态是有效的,在此基础之上再验证状态迁移是有效的,这个方向已经有一些研究。

Qtum

Qtum是尝试在UTXO模型上引入更强大的智能合约的先行者之一,具体做法是保持Bitcoin原有的UTXO模型不变,在其上引入账户抽象层(Account Abstraction Layer),支持EVM或是X86虚拟机。在Qtum中,Bitcoin的验证是第一层,EVM的计算是第二层(注意这是一个区块连协议内部的分层,不是Layer 1和Layer 2)。Qtum对UTXO中scriptPubKey的处理逻辑进行修改,以实现在交易打包后,将Bitcoin Transaction中携带的请求传递给EVM进行执行的效果。Qtum将Bitcoin和Ethereum的执行模型桥接到了一起,网络节点先验证交易输入部分(同Bitcoin),再调用合约进行计算(同Ethereum),状态分散在UTXO模型和EVM自己的状态存储两个地方,整体架构比较复杂。

CKB所做的是继承Bitcoin的架构思路,对UTXO模型进行一般化(Generalization)处理得到Cell模型,整体架构保持了一致性以及Bitcoin的简洁。CKB上的所有状态都在Cell里面,计算在链下完成(类似Bitcoin),网络节点只做验证。


CKB 精华帖传送门
因为有你,我们完成了 Nervos 经济模型第一次共识的凝聚
Nervos 双周报#7:Dev Meetup 正式更名为 Crypto Wednesday 啦!
#2

CKB 的粉丝 Kryptohenry 点亮了这篇文章…


#3

Cell模型的CellOutput结构,里面的capacity和data确定Nervos的某个存储空间,data字段用于保存状态,然后通过RISC-V虚拟机执行lock(拥有规则)和type(验证规则)的脚本。

那么,可以将CellOutput的capacity和data理解成为真正存储价值的地方吗? data的使用率是100%吗? 如果不是,使用多个CellInput生成新的CellOutput,输入的Cells的capacity大于等于输出的capacity,但是,输出的data使用情况与输入的data使用情况是否有要求?


#4

data的使用率不需要是100%,只要cell中所有字段加起来(capacity.size + data.size + lock.size + type.size)不超过capacity就可以了。


#5

这可以说是一个从当前世界状态转变为历史状态的过程么?


#7

没错。


#8

Q1:
下一次能不能讲一下CKB租赁具体是如何实现的,有几种实现方式,然后这些实现方式中,对Cell内的data,type script,lock script等等会发生什么变化?

我只能想象到通过智能合约去实现这一过程,不知道是不是还有什么更底层、更简单的实现方式?

Q2:
Cell模型可以直接实现多重签名么?


#9

Q1: 租用是通过智能合约/脚本去实现的,这样有最好的灵活性。具体怎么做最好没有完全定型,有兴趣可以自己尝试下试试。

Q2: 当然了,因为有lock实现multisig很容易。


#11

是因为在许可链架构场景中认为故意发起恶意交易的概率比较低,所以先共识再计算并行处理能力更高么?