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理解 CKB 的 Cell 模型

· 阅读需 24 分钟
Jan Xie

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。

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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capacity和data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。

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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。type与lock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。

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通用验证网络​

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。

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（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。

GeneralVerification Only
BitcoinNoYes
EthereumYesNo
CKBYesYes

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。

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