对比特币的继承与创新！深入理解公链 CKB 的 Cell 模型

摘要：为了理解底层公链的模型，我们前置了几篇概念性文章，讲述了我们应该以状态为中心设计区块链系统的，以及这么做带来的好处。交易依然表示状态的变化迁移。

为了理解底层公链 CKB 的 Cell 模型，我们前置了几篇概念性文章，讲述了我们应该以状态为中心设计区块链系统的，以及这么做带来的好处。并且在上一篇文章中，详细分析了比特币 UTXO 模型和以太坊的 Account 模型，以及进行了对比分析。终于，我们要来了解集大成者 Cell 模型了。（前排提示：一遍看不懂没关系，多看几遍就懂了）

秘猿科技区块链小课堂第 18 期

在设计 CKB 的时候，我们想要解决三个方面的问题：

状态爆炸引起的公地悲剧及去中心化的丧失；

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；

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。

对这些问题没有答案，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……）

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，并不是简单地把硬币中的 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：

硬币（资产）是第一性的；

所有者是硬币的属性，每一枚硬币有且仅有一个所有者；

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！

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,
    pub lock: Script,
    pub type_: Option

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：

状态是第一性的；
所有者是状态的属性，每一份状态只有一个所有者；
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。type 与 lock 一样，也是一段脚本， type 定义了 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 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：
用户必须证明自己是输入代币的所有者；
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[1]，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 lock 和 type 两个脚本，我们就实现了一个最简单的代币。
lock  和 type 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：哪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。

为什么 CKB 的 Cell 模型更好？
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，矿工可以通过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。
最后，CKB 不是……
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。