如何用計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的視角去看待區(qū)塊鏈

輿論是個(gè)很有意思的東西。去年年底到今年年初，我們聽(tīng)到了那么多關(guān)于區(qū)塊鏈技術(shù)的贊美，現(xiàn)在，我們又聽(tīng)到人們對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的各種全盤否定。最近我在不同地方看到了不同文章，獲得了不少點(diǎn)擊數(shù)，并被人們大量轉(zhuǎn)發(fā)，這些火熱的文章都是一個(gè)主題，強(qiáng)調(diào)區(qū)塊鏈技術(shù)無(wú)用論調(diào)，并切列舉了各種與區(qū)塊鏈技術(shù)相關(guān)的騙局。

其實(shí)這也很正常。市場(chǎng)研究公司 Gartner 早在九十年代就總結(jié)出一個(gè)叫做「技術(shù)循環(huán)曲線 The Hype Cycle」的模型，來(lái)總結(jié)一項(xiàng)全新科技如何在各種熱炒冷貶和人們的希望與失望之中，成熟演變的過(guò)程。

Gartner技術(shù)循環(huán)曲線的基本周期，揭示了新技術(shù)所經(jīng)歷的周期：誕生的促動(dòng)期-過(guò)高期望的峰值-泡沫化的底谷期-穩(wěn)步爬升的光明期-實(shí)質(zhì)生產(chǎn) （Image Credit： https://www.gartner.com/en/research/methodologies/gartner-hype-cycle）

Gartner在2018年更新的技術(shù)循環(huán)曲線最新?tīng)顟B(tài)，列出區(qū)塊鏈技術(shù)正在從「過(guò)高期望的峰值」步入「泡沫化的底谷期」（ Image Credit： https://www.gartner.com/smarterwithgartner/5-trends-emerge-in-gartner-hype-cycle-for-emerging-technologies-2018/ ）

對(duì)于一個(gè)非資深技術(shù)背景的人，在技術(shù)早期發(fā)展階段，要從蕪雜的市場(chǎng)表現(xiàn)中理清技術(shù)價(jià)值的本質(zhì)，實(shí)屬難上加難。越是基礎(chǔ)層面的技術(shù)發(fā)展，越會(huì)造成嚴(yán)重的信息不對(duì)稱，越是容易被人利用來(lái)構(gòu)造騙局，越是需要深入探究，透過(guò)現(xiàn)象看清其本質(zhì)，同樣的局面在互聯(lián)網(wǎng)早期一樣出現(xiàn)過(guò)。

作為計(jì)算機(jī)科學(xué)的PhD， 這個(gè)過(guò)程我花了近十年，才略見(jiàn)端倪。我看到了區(qū)塊鏈技術(shù)本質(zhì)上帶來(lái)了什么，有什么是現(xiàn)有技術(shù)和基礎(chǔ)設(shè)施及其組合無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。正值中本聰發(fā)表關(guān)于比特幣的論文十周年之際，我想把自己在區(qū)塊鏈這個(gè)領(lǐng)域內(nèi)的經(jīng)歷，以及為什么我相信區(qū)塊鏈技術(shù)是一項(xiàng)了不起的技術(shù)梳理一下，通過(guò)這篇文章分享給大家。

第一個(gè)十年

記得 2009 年，我還在微軟亞洲研究院（MSRA）趕論文，投ACM SIGGRAPH 年會(huì) （一個(gè)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域的頂會(huì)） 的年代，無(wú)意看到了中本聰關(guān)于比特幣的論文，覺(jué)得很有意思，安利了身邊的朋友一起去挖礦。當(dāng)然，幾周之后也就忘記了。

當(dāng)時(shí)我還沒(méi)有開(kāi)始從事分布式系統(tǒng)方向的研究，沒(méi)有意識(shí)到這全網(wǎng)發(fā)生的premissionless共識(shí)協(xié)議有多么偉大，甩了拜占庭容錯(cuò)（BFT）算法幾條街，也沒(méi)有意識(shí)到這個(gè)東西在若干年之后會(huì)改變了自己的財(cái)務(wù)軌跡，更沒(méi)有意識(shí)到這項(xiàng)工作是一個(gè)全新世界的開(kāi)端。

我非常慶幸自己經(jīng)歷過(guò)的這10年，雖然大部分時(shí)候，只是作為一個(gè)看客。

不少朋友問(wèn)我，區(qū)塊鏈這個(gè)東西是個(gè)什么技術(shù)，靠譜嗎？這里先給結(jié)論。對(duì)于問(wèn)題的前半部分， 我的回答是：區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€(gè)獨(dú)特的技術(shù)，并且實(shí)現(xiàn)了全所未有的能力，這個(gè)能力無(wú)法用既有技術(shù)的組合實(shí)現(xiàn)。對(duì)于問(wèn)題的后半部分，在這里我不作任何投資建議，但是我的回答是肯定的：區(qū)塊鏈技術(shù)一定有切實(shí)落地的場(chǎng)景，可以滿足之前無(wú)法滿足的需求，從前所未有的角度帶來(lái)效益的提升。但是，我必須指出，在我看來(lái)，區(qū)塊鏈技術(shù)靠譜的場(chǎng)景，極大概率不是大家眼下看到的這些，也不是對(duì)現(xiàn)有解決方案的改進(jìn)，而是全新的范式下新的業(yè)務(wù)模型、新的盈利模式。評(píng)估一項(xiàng)技術(shù)本身的正確性是相對(duì)容易的，而要評(píng)估一項(xiàng)技術(shù)能產(chǎn)生的社會(huì)影響力以及經(jīng)濟(jì)價(jià)值，卻是難上加難。越是帶來(lái)根本上變化的技術(shù)，其發(fā)展軌跡就越是難以琢磨。區(qū)塊鏈就是一個(gè)例子。

2013年，那時(shí)我在微軟總部主導(dǎo)了一個(gè)基于GPU集群的機(jī)器學(xué)習(xí)計(jì)算平臺(tái)的設(shè)計(jì)和研發(fā)工作。我用這個(gè)架構(gòu)在自己家里挖了一段時(shí)間的萊特幣（LTC）。現(xiàn)在來(lái)看，那是我首次「脫貧」，摘掉了「no-coiner」的帽子。而后，我也入坑交易所，作為一名新韭菜入場(chǎng)了。然后在若干次被割之后，痛定思痛，最后開(kāi)啟了量化交易的職業(yè)支線。在這個(gè)過(guò)程中，對(duì)技術(shù)的認(rèn)可并沒(méi)有幫助我對(duì)加密貨幣的幣價(jià)有任何有效的認(rèn)知。一個(gè)沒(méi)有切實(shí)落地的技術(shù)，價(jià)值何來(lái)？只用量化程序去發(fā)掘短線的價(jià)格趨勢(shì)就好了。當(dāng)時(shí)我沒(méi)有看明白，區(qū)塊鏈到底帶來(lái)了什么。2017年，我來(lái)創(chuàng)新工場(chǎng)做EIR（駐場(chǎng)企業(yè)家）兼投資人，看了無(wú)數(shù)區(qū)塊鏈的商業(yè)計(jì)劃書(shū)，各種花式白皮書(shū)，從底層技術(shù)到上層應(yīng)用，各種漏洞百出的技術(shù)架構(gòu)，自說(shuō)自話的經(jīng)濟(jì)模型，荒誕鬼扯的應(yīng)用場(chǎng)景，簡(jiǎn)直百花齊放。還好這一年里面，我們投了比特大陸，稍微正色履行了一下我這個(gè)投資人的角色。礦機(jī)業(yè)務(wù)確實(shí)賺錢，交易所也很賺錢，但這一切都是建立在對(duì)數(shù)字貨幣未來(lái)期許的基礎(chǔ)上，而不是基于任何當(dāng)下區(qū)塊鏈的切實(shí)業(yè)務(wù)。

這一場(chǎng)曠日持久的擊鼓傳花還可以走多遠(yuǎn)？如果始終沒(méi)有大體量的切實(shí)落地的業(yè)務(wù)頂上，相信總有落幕的那天。不過(guò)誰(shuí)知道呢，就像2016年的那場(chǎng)以太幣的傳銷始終沒(méi)有崩盤，而是被2017年那場(chǎng)更大規(guī)模的ICO續(xù)上命了。不過(guò)在這個(gè)時(shí)期，市場(chǎng)上的DApp給了我一些提示。

核心技術(shù)價(jià)值

我相信，區(qū)塊鏈技術(shù)帶來(lái)了一些特別的東西，前所未有的東西。

時(shí)間到了2018年，7月份出現(xiàn)了一個(gè)游戲，玩家眾多，又一次嚴(yán)重阻塞了以太坊網(wǎng)絡(luò)。Fomo3D，一個(gè)典型的資金盤游戲，玩家以遞增的價(jià)格買鑰匙，如果一段時(shí)間內(nèi)無(wú)人買鑰匙則游戲停止，最后一個(gè)鑰匙買家贏得沉淀資金的一半，另一半資金均價(jià)回購(gòu)所有的鑰匙。

這是一個(gè)設(shè)計(jì)的還不錯(cuò)的龐氏游戲，首輪結(jié)束時(shí)瓜分了價(jià)值180萬(wàn)美元等值的以太幣。有意思的倒不是這個(gè)游戲本身，而是這個(gè)游戲執(zhí)行的方式。這個(gè)資金盤沒(méi)有任何的價(jià)值包裝，只是赤裸裸地描述規(guī)則，項(xiàng)目方也是完全匿名，沒(méi)有任何背景可查，分分鐘準(zhǔn)備跑路的樣子。但是游戲就在這樣一個(gè)完全沒(méi)有信任背書(shū)的情況下，開(kāi)盤了，無(wú)數(shù)玩家竟然都信了，都沖進(jìn)去了。然后一切都如期發(fā)生了，之前約定的規(guī)則都被嚴(yán)格執(zhí)行了，沒(méi)有任何意外。通常龐氏總是和騙局連在一起，不過(guò)這個(gè)游戲是一場(chǎng)「龐氏」，但卻不是一場(chǎng)「騙局」。

這是我想說(shuō)的區(qū)塊鏈技術(shù)的核心價(jià)值（也許是之一），是前所未有的能力，是之前任何信息技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的：

在業(yè)務(wù)全部信息可形式化的范疇內(nèi)，讓這個(gè)計(jì)算系統(tǒng)可以自證清白。

回到前面講到的游戲，正是因?yàn)檫\(yùn)行在以太坊上面，區(qū)塊鏈技術(shù)實(shí)現(xiàn)了規(guī)則一旦被制定、被部署，就無(wú)法被修改，連運(yùn)營(yíng)者開(kāi)發(fā)者都也無(wú)法修改。只要以太坊沒(méi)有因?yàn)楸?1%攻擊而摧毀，這些預(yù)設(shè)的規(guī)則就會(huì)被嚴(yán)格執(zhí)行，不受任何人的干擾和控制。規(guī)則將以開(kāi)源的方式部署，任何人都可以查看并確信規(guī)則的每一個(gè)細(xì)節(jié)。即使最初的開(kāi)發(fā)者突然人間蒸發(fā)，也不會(huì)影響游戲的正常運(yùn)行。這樣的一個(gè)游戲系統(tǒng)，自證清白，一切會(huì)按照預(yù)設(shè)的方式發(fā)生，而不會(huì)有任何意外。所有玩家不需要信任游戲的開(kāi)發(fā)者不會(huì)作惡，也不用擔(dān)心相信游戲的運(yùn)營(yíng)過(guò)程會(huì)有任何的貓膩。如果信息服務(wù)系統(tǒng)可以自證清白，那么其所承載的業(yè)務(wù)就可以贏得所有人的信賴。這個(gè)情形其實(shí)并不是建立了信任，而是業(yè)務(wù)的運(yùn)行不需要信任了（trustless）。同時(shí)大家也可以很簡(jiǎn)單地認(rèn)同這樣的業(yè)務(wù)所傳遞的價(jià)值，不需要各種前置的信任建立過(guò)程，省去了大量的時(shí)間和精力，這就是共識(shí)的價(jià)值。

但是區(qū)塊鏈技術(shù)不是萬(wàn)能的，能夠自證清白地運(yùn)行是有前提的：

1. 相關(guān)業(yè)務(wù)的信息必須能夠被形式化并體現(xiàn)在系統(tǒng)內(nèi)部。所以比特幣的儲(chǔ)值、支付、發(fā)行過(guò)程是有保障的、不需要信任的，但是比特幣對(duì)法幣的價(jià)格不在系統(tǒng)內(nèi)部，系統(tǒng)本身無(wú)法保障這個(gè)事情，完全依賴外部的信任（或者說(shuō)信仰。..）

2. 系統(tǒng)的物理計(jì)算設(shè)備必須是去中心化的，并且參與系統(tǒng)的過(guò)程可以有壁壘，但是必須沒(méi)有授權(quán)控制方（premissionless）。較之傳統(tǒng)的支付接入，比特幣作為支付系統(tǒng)，任何接入方無(wú)需申請(qǐng)，也不需要和任何方簽訂協(xié)議，也不會(huì)被費(fèi)率歧視或者擔(dān)心哪天會(huì)被吊銷。

3. 系統(tǒng)承載的業(yè)務(wù)邏輯的代碼必須開(kāi)源，并且可以證明實(shí)際系統(tǒng)中運(yùn)行的代碼就是源碼公開(kāi)的那一份。結(jié)合上一條，這意味著，系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)也將不再屬于任何一方。所有人在這個(gè)系統(tǒng)中都沒(méi)有既定規(guī)則以外凌駕于其他人之上的特殊優(yōu)勢(shì)，包括開(kāi)發(fā)者。

脫離特定物理計(jì)算設(shè)備的圖靈機(jī)

1936年艾倫·圖靈提出了圖靈機(jī)這個(gè)高度抽象的計(jì)算模型，開(kāi)啟了計(jì)算機(jī)科學(xué)時(shí)代篇章。1945年，馮·諾伊曼在圖靈機(jī)的基礎(chǔ)上給出了工程上可以實(shí)現(xiàn)馮·諾伊曼架構(gòu)，直到現(xiàn)在，大多數(shù)的計(jì)算機(jī)從CPU到GPU，從Intel到ARM都是遵從這一架構(gòu)，并藉由半導(dǎo)體技術(shù)將其的規(guī)模、速度以及性能-功耗比提高到了當(dāng)年不可想象的高度。但是其基本原理始終是下圖的結(jié)構(gòu)。

如果我們用計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的視角去看待區(qū)塊鏈，他是一個(gè)馮·諾伊曼架構(gòu)的延伸。

在區(qū)塊鏈中，「輸入」是未定序未確認(rèn)的交易，「輸出」是有序的經(jīng)過(guò)確認(rèn)的交易，而「內(nèi)存」中則是賬簿的狀態(tài)。其中央處理器執(zhí)行的是硬編碼（hardcoded）在區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)軟件中的交易邏輯，或者是第三方部署的智能合約。

我這里從這個(gè)視角展現(xiàn)區(qū)塊鏈，是為了用最簡(jiǎn)潔的方式介紹區(qū)塊鏈的工作原理，并不是想說(shuō)區(qū)塊鏈本身也是一個(gè)通用計(jì)算機(jī)，或者說(shuō)世界大計(jì)算機(jī)。

馮·諾伊曼架構(gòu)最初是在一個(gè)完全中心化的設(shè)定下給出的，現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)單機(jī)、大型機(jī)乃至集群和云服務(wù)，本質(zhì)上都是這樣的一個(gè)模型。他們關(guān)心的是高效地完成計(jì)算，是狀態(tài)被正確更新，得出預(yù)期的輸出。整個(gè)系統(tǒng)的輸入、執(zhí)行邏輯和原始狀態(tài)都被可信的單一方控制。

而區(qū)塊鏈?zhǔn)窃谝粋€(gè)去中心化的設(shè)定下給出的，整個(gè)計(jì)算系統(tǒng)不被任何一方長(zhǎng)期控制。區(qū)塊鏈關(guān)心的是這個(gè)計(jì)算是如何完成的，系統(tǒng)的輸入是否合法，執(zhí)行邏輯是不是被篡改。至于其承載的實(shí)際計(jì)算量，用一臺(tái)單機(jī)就可以分分鐘計(jì)算完這十年的所有歷史交易?，F(xiàn)有的馮·諾伊曼架構(gòu)的計(jì)算系統(tǒng)，其計(jì)算過(guò)程始終在一個(gè)固定的物理計(jì)算設(shè)備上完成，并且這個(gè)計(jì)算設(shè)備有單一的控制方?？赡苁且粋€(gè)手機(jī)，一臺(tái)電腦，甚至一個(gè)數(shù)據(jù)中心。對(duì)于這個(gè)系統(tǒng)的控制者，只要防好黑客，他是可以相信這個(gè)計(jì)算系統(tǒng)的。而其他人則沒(méi)有信任的依據(jù)，系統(tǒng)的控制者也無(wú)法向第三方證明系統(tǒng)是可信的，即使開(kāi)源了也不行，即使用上了SGX技術(shù)也沒(méi)什么幫助。

而這正是區(qū)塊鏈所攻克的問(wèn)題。區(qū)塊鏈將馮·諾伊曼架構(gòu)的計(jì)算架構(gòu)進(jìn)一步拓展，使其同特定的物理計(jì)算設(shè)備分離，才能從根本上避免計(jì)算過(guò)程被單一的控制方掌控，讓所有人都可以信賴這個(gè)計(jì)算系統(tǒng)。無(wú)論是工作量證明（PoW）、權(quán)益證明（PoS）或者拜占庭容錯(cuò)（BFT）等共識(shí)機(jī)制，上述計(jì)算過(guò)程的實(shí)際步驟在全球不同的物理基礎(chǔ)（節(jié)點(diǎn)）上完成。而不同共識(shí)算法的本質(zhì)就是給出一個(gè)依次選擇這些物理基礎(chǔ)的方案，保證其公允，保證其安全。同時(shí)在數(shù)據(jù)傳遞層面（提交輸入，獲取輸出），藉由既有的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使得通訊沒(méi)有一個(gè)固定的接入點(diǎn)，不依賴于特定的IP地址。從而使得這個(gè)計(jì)算系統(tǒng)能夠在所有人的監(jiān)督下，可信地完成計(jì)算過(guò)程，很難被篡改，也很難被阻止。

為了脫離特定的物理計(jì)算設(shè)備，區(qū)塊鏈在性能上付出了重大的代價(jià)。在不同的節(jié)點(diǎn)上間歇完成計(jì)算步驟，需要每個(gè)節(jié)點(diǎn)都準(zhǔn)備好計(jì)算所需要的上下文和輸入數(shù)據(jù)。在一個(gè)計(jì)算步驟完成之后，需要每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都獲取到最新的輸出數(shù)據(jù)，并更新上下文。期間涉及到大量的冗余的信息傳遞和存儲(chǔ)以及相應(yīng)的計(jì)算。當(dāng)然后續(xù)有非常多的優(yōu)秀團(tuán)隊(duì)，改進(jìn)這一設(shè)計(jì)，提升其性能和容量，但無(wú)論設(shè)計(jì)如何優(yōu)化，這些冗余的通訊、存儲(chǔ)和計(jì)算是不可能徹底避免的。不過(guò)這些代價(jià)是值得的，它給馮·諾伊曼架構(gòu)賦于了全新的計(jì)算本質(zhì)：一個(gè)可以脫離特定物理基礎(chǔ)的計(jì)算方式，一個(gè)可被任一第三方信賴的計(jì)算過(guò)程。

區(qū)塊鏈的計(jì)算本質(zhì)

通過(guò)剝離數(shù)字貨幣這個(gè)構(gòu)建在區(qū)塊鏈技術(shù)上的應(yīng)用，上圖給出了區(qū)塊鏈本質(zhì)上的計(jì)算模型。與常規(guī)的馮·諾伊曼架構(gòu)最大的區(qū)別，是同特定的物理計(jì)算設(shè)備分離。一旦代碼被部署，狀態(tài)被初始化，全網(wǎng)開(kāi)始工作，這個(gè)計(jì)算系統(tǒng)將以不受任何控制方控制的方式開(kāi)始運(yùn)行，永不停止。系統(tǒng)不斷獲取外部提交的企圖改變系統(tǒng)狀態(tài)的操作（OP），依次確認(rèn)這些操作，以有序的方式輸出這些合法的操作，并同步執(zhí)行這些操作改變系統(tǒng)的狀態(tài)。

所以：

賬簿不是區(qū)塊鏈的本質(zhì) 這個(gè)系統(tǒng)維護(hù)的狀態(tài)完全可以是賬簿之外的東西，當(dāng)然更可以不是數(shù)據(jù)庫(kù)。它可以是社交關(guān)系圖譜，可是是網(wǎng)頁(yè)的相關(guān)性及排名，也可以是每個(gè)人信用分?jǐn)?shù)和歷史等等。其規(guī)則所執(zhí)行的也可以不是交易，而是任何可以被形式化、數(shù)字化的信息。交易不可篡改不是區(qū)塊鏈的本質(zhì) 這個(gè)系統(tǒng)不可篡改的是既定的規(guī)則（代碼），以及不可篡改的初始狀態(tài)（例如比特幣的傳世區(qū)塊）。如果上層業(yè)務(wù)想要的話，我們完全可以在規(guī)則中包含翻轉(zhuǎn)或者取消交易的內(nèi)容。有序鏈?zhǔn)絽^(qū)塊打包不是區(qū)塊鏈的本質(zhì) 有序輸出數(shù)據(jù)的方式有好多種，區(qū)塊的批量打包也只是現(xiàn)在的系統(tǒng)對(duì)于性能和交易確認(rèn)延遲的一個(gè)折中。理論上一個(gè)一個(gè)出也沒(méi)問(wèn)題，只要有序。輸出交易的序也可以不是嚴(yán)格的全局完整的單一線性的序，例如DAG那樣的結(jié)構(gòu)一樣是區(qū)塊鏈的可能實(shí)現(xiàn)方式，只要這個(gè)不完整的序不會(huì)對(duì)狀態(tài)重建造成混淆就行。同樣基于異步共識(shí)的分片技術(shù)也不具備全局的序，但是也不妨礙它成為高性能區(qū)塊鏈的可能解決方案。當(dāng)然，我們姑且還是可以叫：區(qū)塊鏈」這個(gè)名字。

世界計(jì)算機(jī)不是區(qū)塊鏈的本質(zhì) 區(qū)塊鏈的核心訴求在于關(guān)注計(jì)算過(guò)程的可信，而不是為了獲得計(jì)算的結(jié)果。這一點(diǎn)是與為了高效將計(jì)算完成，獲得結(jié)果的云計(jì)算本質(zhì)的區(qū)別。云計(jì)算無(wú)法實(shí)現(xiàn)向第三方證明其計(jì)算過(guò)程是可信的，區(qū)塊鏈對(duì)于計(jì)算任務(wù)本身也無(wú)法向云計(jì)算那樣的高效和低成本。

總之，區(qū)塊鏈的計(jì)算本質(zhì)是一個(gè)可以和特定計(jì)算設(shè)備分離的馮·諾伊曼架構(gòu)，是可以向第三方證明的可信計(jì)算范式，目的是為了計(jì)算過(guò)程真實(shí)可信，支持上層應(yīng)用上實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯的自證清白，為世界帶來(lái)可以計(jì)算的信任。

沿著這個(gè)技術(shù)本質(zhì)，我們可以進(jìn)一步探究，區(qū)塊鏈應(yīng)該去做什么，去承載什么樣的需求和業(yè)務(wù)。我會(huì)留點(diǎn)時(shí)間，在未來(lái)的文章中和大家繼續(xù)探討 ：）。歡迎大家通過(guò)我的微信公眾號(hào)「王嘉平」和知乎專欄「去中心化數(shù)字世界隨想」，就這個(gè)話題展開(kāi)更多討論。