基于區(qū)塊鏈智能合約的分片方案紫皮書正式發(fā)布

MultiVAC今天正式發(fā)布了智能合約紫皮書：《MultiVAC編程模式紫皮書：支持圖靈完備智能合約的區(qū)塊鏈分片方案》。

該論文是MultiVAC核心算法團(tuán)隊(duì)繼2018年發(fā)布技術(shù)白皮書和技術(shù)黃皮書后的第三個(gè)技術(shù)力作：

· 在彈性計(jì)算白皮書中，MultiVAC首創(chuàng)了彈性計(jì)算分片模型，將區(qū)塊鏈的不可能三角轉(zhuǎn)化成為彈性架構(gòu)，開發(fā)者可以自由定義和取舍安全性、去中心化和擴(kuò)展性，描述和論證了MultiVAC彈性公鏈的整體技術(shù)架構(gòu)；

· 在全維度分片黃皮書中，MultiVAC提出了世界上首個(gè)計(jì)算、存儲(chǔ)和傳輸三個(gè)維度都實(shí)現(xiàn)完全分片的區(qū)塊鏈架構(gòu)，真正實(shí)現(xiàn)了無限拓展性，還有效降低了礦工門檻，使得個(gè)人電腦等普通計(jì)算設(shè)備也能夠自由加入網(wǎng)絡(luò)；

· 在今天發(fā)布的編程模式紫皮書中，MultiVAC在高效低門檻的全分片架構(gòu)上，實(shí)現(xiàn)了對圖靈完備智能合約的有效支持，提供了一個(gè)全新的支持并行化處理的區(qū)塊鏈編程模型，將區(qū)塊鏈這臺(tái)世界計(jì)算機(jī)從單核升級到可無限擴(kuò)展的多核系統(tǒng)。

MultiVAC CTO應(yīng)翔博士在紫皮書中指出：

“很多分片項(xiàng)目基于區(qū)塊鏈2.0時(shí)代的淺薄認(rèn)知，將區(qū)塊鏈分片的層次劃分為網(wǎng)絡(luò)分片、交易分片、狀態(tài)分片，而忽視了下一代區(qū)塊鏈系統(tǒng)所面臨的真正挑戰(zhàn)來源于對傳統(tǒng)馮諾依曼計(jì)算機(jī)體系的革命性創(chuàng)新和重定義。若真正視區(qū)塊鏈為下一代去中心化的世界計(jì)算機(jī)，區(qū)塊鏈系統(tǒng)應(yīng)重建新的體系結(jié)構(gòu)以應(yīng)對吞吐量限制，設(shè)計(jì)全新的存儲(chǔ)和傳輸策略來重定義世界計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)流，提供全新的編程模式來適配全新的體系結(jié)構(gòu)，堅(jiān)守去中心化的初心以保障這一世界計(jì)算機(jī)不受任何單一個(gè)體的控制且永不被關(guān)停。

MultiVAC設(shè)計(jì)了全維度平行分片的架構(gòu)，真正將區(qū)塊鏈這個(gè)世界計(jì)算機(jī)從單核升級到可無限擴(kuò)展的多核系統(tǒng)，解決了關(guān)鍵性的吞吐量瓶頸。開創(chuàng)性的存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)控制權(quán)分離策略，顛覆了馮諾依曼結(jié)構(gòu)依賴的存儲(chǔ)框架，使分布式數(shù)據(jù)流可交互、可驗(yàn)證。全新的異步分片開發(fā)模式和LLVM開發(fā)平臺(tái)，允許開發(fā)者在多核分布式體系下靈活開發(fā)，實(shí)現(xiàn)各種編程邏輯。而低礦工門檻保證了普通用戶可以自由加入MultiVAC系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)的控制權(quán)又完整掌控在普通礦工手中，保證了MultiVAC成為真正去中心化的區(qū)塊鏈架構(gòu)。

2008年中本聰在比特幣白皮書中高喊的“One-CPU-One-Vote”理念，被ASIC礦機(jī)和中心化礦池所無情摧毀，但終將在MultiVAC上再次重建，并更加強(qiáng)大！”

自去年10月份MultiVAC算法團(tuán)隊(duì)啟動(dòng)智能合約編程模式設(shè)計(jì)，到今年5月份完稿發(fā)布，紫皮書共經(jīng)歷了6個(gè)月接近30個(gè)版本的迭代。方案設(shè)計(jì)的同時(shí)，團(tuán)隊(duì)同步推進(jìn)了工程可行性驗(yàn)證和架構(gòu)開發(fā)工作。

紫皮書的發(fā)布，也意味著MultiVAC底層架構(gòu)已經(jīng)全部設(shè)計(jì)完畢，接下來將進(jìn)入經(jīng)濟(jì)模型討論與開發(fā)者平臺(tái)構(gòu)建階段。

以下內(nèi)容是對紫皮書部分的摘要和解讀，歡迎廣大技術(shù)愛好者和社區(qū)粉絲討論指正：

如果概括MultiVAC的整體設(shè)計(jì)，引用紫皮書中的一段話：“MultiVAC精巧地將各個(gè)功能模塊做了合理劃分，使運(yùn)行節(jié)點(diǎn)各司其職。在存儲(chǔ)上，將壓力轉(zhuǎn)移到存儲(chǔ)模塊，減輕了普通參與者的負(fù)擔(dān)，而存儲(chǔ)模塊本身不涉及執(zhí)行和共識(shí)，不存在中心化風(fēng)險(xiǎn)。在執(zhí)行上，MultiVAC 提供了完整的指令集，不給開發(fā)者設(shè)置局限，且在設(shè)計(jì)過程中，時(shí)刻體現(xiàn)了對運(yùn)行性能的重視。在共識(shí)方面，權(quán)力在各執(zhí)行節(jié)點(diǎn)中均勻分布，平權(quán)原則落到實(shí)處?！?/p>

MultiVAC 系統(tǒng)的特色如下：

· MultiVAC 是一個(gè)圖靈完備的分片區(qū)塊鏈方案。為開發(fā)者提供靈活的編程開發(fā)框架以搭建復(fù)雜的應(yīng)用。

· MultiVAC 是首個(gè)實(shí)現(xiàn)性能完全線性擴(kuò)展的分片。異步分片架構(gòu)為構(gòu)建高 TPS 的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)提供了基礎(chǔ)。

· 降低了參與者的設(shè)備門檻，維護(hù)了區(qū)塊鏈系統(tǒng)去中心化的核心價(jià)值主張。MultiVAC 網(wǎng)絡(luò)的參與者不需要性能強(qiáng)勁的設(shè)備，使得社區(qū)更加平民化、去中心化。

· MultiVAC 的拓展性十分優(yōu)異。目前的 MultiVAC 方案靈活、簡潔、優(yōu)雅，在當(dāng)前基礎(chǔ)上可以較簡單地加入新的擴(kuò)展功能，如閃電網(wǎng)絡(luò)或隱私計(jì)算等。

MultiVAC 突破性地解決了當(dāng)今區(qū)塊鏈?zhǔn)澜绲亩囗?xiàng)關(guān)鍵性難題，為建立一個(gè)理想的區(qū)塊鏈社區(qū)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1、UTXO/賬戶雙模型彈性選擇+異步分片編程——保證跨分片交互一致性

現(xiàn)有的其他合約分片方案，大多采用兩種方式保證跨分片信息傳遞的一致性。一種要求發(fā)送跨分片交易時(shí)等待回執(zhí)，并對涉及數(shù)據(jù)加鎖，不僅大幅度降低系統(tǒng)性能，回執(zhí)也可能丟失。這就像你通過微信給一人發(fā)送消息，如果對方?jīng)]有回復(fù)，你需要一直等待，什么也不做?？赡軐Ψ胶芫弥蟛拍芑貜?fù)你，也有可能永遠(yuǎn)不回復(fù)（消息丟失了），因此這種方式會(huì)對系統(tǒng)性能產(chǎn)生極大的限制。

另一種是將跨分片交易拆分為多個(gè)子操作。比如一筆交易從分片A發(fā)送到分片B，在分片A中執(zhí)行扣款后，轉(zhuǎn)賬指令的執(zhí)行將完全由分片B決定，因此一但交易量上升，將導(dǎo)致執(zhí)行順序喪失單調(diào)一致性。這就要求跨片操作滿足交換律（轉(zhuǎn)賬類操作），即改變執(zhí)行順序也可以得到同樣結(jié)果。但很多其他邏輯的智能合約是無法滿足交換律的，很多公鏈項(xiàng)目通過對系統(tǒng)的約束來保證此類指令的交換律，因此放棄了智能合約的圖靈完備性，使得可開發(fā)的應(yīng)用邏輯受到了極大的限制。

舉個(gè)例子，A村的兩個(gè)男村民皇埔鐵牛和司馬鐵蛋都愛上了隔壁B村的蘇翠花姑娘，他們都寫了一封情書給蘇翠花。而蘇翠花先收到誰的情書就會(huì)接受誰?；势诣F牛和司馬鐵蛋先后將情書放入郵筒，并由B村的郵遞員送到蘇翠花的手里。在一個(gè)無法維持單調(diào)一致性的郵政系統(tǒng)中，蘇翠花先收到誰的信取決于郵遞員：郵遞員保證信最終會(huì)送到收信人手中，但是收信人收到信的順序不一定遵循基礎(chǔ)的順序。而在MultiVAC的系統(tǒng)中，郵遞員保證收信的順序和寄出信件的順序一致。

針對這一問題，MultiVAC將跨片操作分為兩類：

對于滿足交換律的操作，使用UTXO數(shù)據(jù)類型，礦工可以無視內(nèi)容低成本快速執(zhí)行操作；

對于必須滿足單調(diào)一致性的復(fù)雜智能合約操作，則使用賬戶模型，并強(qiáng)制從協(xié)議層面要求礦工按照順序執(zhí)行，但成本較高，適用于低頻操作。

通過首創(chuàng)的雙數(shù)據(jù)模型彈性選擇，允許開發(fā)者靈活選擇所需的數(shù)據(jù)類型，使系統(tǒng)在一致性、性能和成本方面達(dá)成了靈活與平衡。

此外，礦工發(fā)送跨片間交易指令是異步操作，發(fā)送完畢后礦工可立即參與下一輪的出塊，無需等待其他分片回執(zhí)，分片之間數(shù)據(jù)不共享和交互不堵塞，避免了數(shù)據(jù)加鎖帶來的性能瓶頸。

2、全局?jǐn)?shù)據(jù)分散設(shè)計(jì)+多賬戶模型——提高分片并行性能

我們知道，將區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分片的目的是要提高整體性能。因此為了達(dá)到并行處理的目的，分片之間不可能進(jìn)行完全數(shù)據(jù)共享，那樣也違背了分片的初衷。但智能合約又要求所有分片都對此全局?jǐn)?shù)據(jù)有感知。

比如，某個(gè)電商平臺(tái)的智能合約中有10個(gè)商品，分片A的用戶買了5個(gè)，分片B的用戶最多只能購買5個(gè)，商品數(shù)量就是全局?jǐn)?shù)據(jù)，每次合約調(diào)用各分片間都需要相互同步，否則就會(huì)造成超賣。因此，如何處理對全局?jǐn)?shù)據(jù)的依賴是所有區(qū)塊鏈系統(tǒng)都要面對的難題。

為了保證數(shù)據(jù)一致性，目前通常有兩種方案，一種是給數(shù)據(jù)加鎖，同一時(shí)間只能被單一分片讀寫；另一種是數(shù)據(jù)只允許被單一指定分片調(diào)用。但這兩種方案都會(huì)導(dǎo)致智能合約的吞吐量嚴(yán)重制約于單個(gè)分片。

針對以上，我們首次提出將全局?jǐn)?shù)據(jù)拆分到各個(gè)分片上，即將總商品數(shù)量下放到分片，每個(gè)分片中都會(huì)有一定的商品額度，當(dāng)交易發(fā)生時(shí)，智能合約只讀寫對應(yīng)分片的數(shù)據(jù)就可以。允許用戶在不同分片上進(jìn)行操作，防止分片間購買力不同而造成的庫存不足，將全局交易分散到各個(gè)分片上。同時(shí)，用戶在所有分片上都有賬戶，鼓勵(lì)用戶進(jìn)行快速低成本的片內(nèi)交易，充分釋放了分片的并行性能。

3、圖靈完備虛擬機(jī)+高級語言C/C++/Rust——實(shí)現(xiàn)超高自由度開發(fā)

正如紫皮書中提到的，目前很多公鏈方案為了簡化設(shè)計(jì)，舍棄了圖靈完備性，導(dǎo)致開發(fā)者能夠?qū)崿F(xiàn)的業(yè)務(wù)邏輯嚴(yán)重受限。也有部分公鏈提出了自己的開發(fā)語言，不僅學(xué)習(xí)成本高，而且無法支持高級開發(fā)框架，徒增開發(fā)者的編程負(fù)擔(dān)。

在這一點(diǎn)上，MultiVAC秉承了一貫的設(shè)計(jì)理念，不給開發(fā)者設(shè)限。我們提供了圖靈完備的虛擬機(jī)，同時(shí)適配C/C++/Rust等多種高級成熟編程語言，為開發(fā)者提供靈活的編程開發(fā)框架以搭建各種復(fù)雜應(yīng)用。

不僅如此，MultiVAC 團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，沒有完美的區(qū)塊鏈系統(tǒng)，一套好的區(qū)塊鏈方案應(yīng)該能夠隨著各領(lǐng)域的技術(shù)突破不斷進(jìn)化。所以在設(shè)計(jì)過程中，MultiVAC遵循了松弛可擴(kuò)展的原則，保證整套技術(shù)框架易迭代易拓展，各模塊能夠靈活地整合新技術(shù)，與時(shí)俱進(jìn)。目前的 MultiVAC 方案靈活、簡潔、優(yōu)雅，在當(dāng)前基礎(chǔ)上可以較簡單地加入新的擴(kuò)展功能，如閃電網(wǎng)絡(luò)或隱私計(jì)算等。