縱觀區(qū)塊鏈項目的進(jìn)化史，改良和創(chuàng)新已經(jīng)成為必然。
前有以太坊提出智能合約帶來區(qū)塊鏈2.0與“世界計算機(jī)”，后有Polkadot以中繼鏈共享安全建立異構(gòu)分片架構(gòu)。
區(qū)塊鏈從業(yè)者正以分層、算法改進(jìn)等創(chuàng)新不斷組合出了一個個面向業(yè)務(wù)的解決方案。為去中心化世界帶來去中心化商業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)施，帶來傳統(tǒng)業(yè)務(wù)在去中心化世界標(biāo)準(zhǔn)化復(fù)制的機(jī)會。
不過無論項目設(shè)計如何變化，項目實現(xiàn)的目標(biāo)是一致的，都是要在保證去中心化的信仰之下塑造出應(yīng)用生態(tài)的輝煌。
如今，在大部分區(qū)塊鏈項目選擇使用PoS共識后，仍舊有一些項目在改進(jìn)PoW以利用PoW共識的去中心化特征打造生態(tài)繁榮。
本文中，我們就將以公鏈Starcoin為例，解析其白皮書中的設(shè)計思路，展現(xiàn)一個成熟的以PoW共識為基礎(chǔ)的成熟方案，為行業(yè)提供一個組合創(chuàng)新的范例。
哪些設(shè)計理念已成為常規(guī)設(shè)計？
以太坊是公鏈的典型代表，其提出了世界計算機(jī)的概念實現(xiàn)，想要將互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)都運行于區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)之上。目前所有的公鏈，無論是為金融服務(wù)，還是拓展到為數(shù)據(jù)、用戶服務(wù)，也都在向這個目標(biāo)努力。
但一條鏈的網(wǎng)絡(luò)并不足以實現(xiàn)這些需求，例如比特幣雖在金融系統(tǒng)上可以稱之為創(chuàng)新，但比特幣網(wǎng)絡(luò)是一個不能運行智能合約的非圖靈完備加密貨幣網(wǎng)絡(luò)，只有利用加密方式控制的賬戶地址、資產(chǎn)的功能。
隨后以太坊應(yīng)聲而起，以智能合約定義了區(qū)塊鏈的優(yōu)勢和特點。同樣的，以太坊1.0鏈也遇到了PoW網(wǎng)絡(luò)的性能問題。所以以太坊正轉(zhuǎn)向PoS、塑造分片、并且開辟layer2。
從這個路徑上看，以太坊已經(jīng)在塑造分層結(jié)構(gòu)，在以太坊2.0的計劃中，信標(biāo)鏈通過PoS共識運行完成總賬本的驗證，而狀態(tài)執(zhí)行都將在信標(biāo)鏈下的分片中進(jìn)行，更多獨特的擴(kuò)展功能也可能將設(shè)計在layer2層中。
這似乎已經(jīng)是行業(yè)內(nèi)技術(shù)上的共識，波卡、Cosmos等公鏈都不約而同的向相似結(jié)構(gòu)發(fā)展。表現(xiàn)了對“部分信息上鏈驗證”、“分層處理”方案的默許。
Starcoin的分層框架和每層功能定義
為什么呢?因為分層后，可以針對每層出現(xiàn)的問題各個擊破。正如Starcoin，通過區(qū)塊鏈分層技術(shù)，可以在區(qū)塊鏈layer1可以達(dá)到去中心化和安全，通過layer2又可以達(dá)到足夠的可擴(kuò)展性，供商業(yè)使用。為此，Starcoin對每層都進(jìn)行了明確的定義和單獨滿足需求的技術(shù)改良。
Layer1的共識改進(jìn)和邏輯突破
當(dāng)我們拆分區(qū)塊鏈項目的時候可以發(fā)現(xiàn)，layer0是資源層，是由計算設(shè)備組成的點對點通信網(wǎng)絡(luò)層，Layer0可以看到路由、節(jié)點(礦機(jī)或服務(wù)器)，在這層資源之上，公鏈建立了核心的layer1：共識層。
Layer1表現(xiàn)著區(qū)塊鏈的特點，保護(hù)著一些設(shè)計者的信仰。正如比特幣的PoW共識對很多信仰者來說，是重要的，因為工作量證明在原則上顯示了公平，而PoS共識，與既有權(quán)益過于相關(guān)。
也因PoW網(wǎng)絡(luò)是由礦機(jī)搭建而成，其成本和挖礦周期代表了礦工更長久的參與。因此很多區(qū)塊鏈項目選擇將礦機(jī)參與組成的共識層作為layer1，這是對PoW共識的信仰和對礦機(jī)挖礦經(jīng)濟(jì)模型的信任。
Starcoin即是如此，其通過礦機(jī)來搭建一個以共享經(jīng)濟(jì)為保護(hù)的layer1網(wǎng)絡(luò)。堅持PoW的公平性，也用來防止行業(yè)極端變化下的不穩(wěn)定性沖擊。
那Starcoin又如何避免PoW網(wǎng)絡(luò)帶來的既有問題呢?
Starcoin進(jìn)行了重要創(chuàng)新。以以太坊的設(shè)計對比來看，Starcoin的重要創(chuàng)新是在沒有改變PoW共識出塊和廣播流程上，讓出塊變得動態(tài)可控。
首先我們需要了解比特幣、以太坊的出塊和交易打包方式。
當(dāng)節(jié)點開始確認(rèn)出塊，開始廣播后，一段時間內(nèi)，只有納入最長鏈的區(qū)塊才是被認(rèn)可的塊，最長鏈的競爭過程會讓網(wǎng)絡(luò)持續(xù)分叉，出現(xiàn)孤塊、叔塊。其原因在于礦工在打包交易前，很可能需要同步新的交易。
NC中本聰共識中的塊傳播方式
例如，當(dāng)節(jié)點 A 向節(jié)點 B 傳播一個塊并且其中沒有新的交易時，節(jié)點 B 可以立即將這些緊湊塊傳輸給它的所有相鄰節(jié)點。但是，如果區(qū)塊中有新交易，節(jié)點 B 必須首先從節(jié)點 A 同步這些交易，然后驗證這些交易的簽名，這個過程需要時間。最終只有當(dāng)整個區(qū)塊的有效性得到驗證時，節(jié)點 B 才能繼續(xù)傳播這個區(qū)塊。
此時，如果不進(jìn)行新交易打包，出塊時間較短，但如果等待打包新交易，就需要更長的出塊時間。
因此，如何確定一個有效的同步時間，并保證新交易不是無序的一直延續(xù)的在同步，是極為重要的。
與之相關(guān)的，如果孤塊增加，也會而影響網(wǎng)絡(luò)資源使用率和安全性。
Starcoin在這個部分的設(shè)計，是令人驚訝的，其操作很簡單，像以太坊一樣引入了叔塊概念，并且對叔塊進(jìn)行統(tǒng)計。
Starcoin中的叔塊打包監(jiān)測
叔塊是指孤塊中被編入最長鏈的塊，其可以代表網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)分叉較多，孤塊會增加，在網(wǎng)絡(luò)延遲并且網(wǎng)絡(luò)擁堵時，叔塊也會隨之增加，因此，最終叔塊的數(shù)據(jù)可以用來輔助調(diào)整出塊時間和難度。
Starcoin網(wǎng)絡(luò)運行時，為了將叔塊維持在一個合適的閾值內(nèi)，在每個小周期(時隙Epoch)末，都會重新調(diào)整下一個周期的出塊時間，同時調(diào)整的還有挖礦難度。
其邏輯在于，如果叔塊率較高，表示當(dāng)前的出塊時間間隔下，網(wǎng)絡(luò)中存在較多的分叉和孤塊，需要調(diào)大出塊的時間，緩解此問題。反之，則說明全網(wǎng)出塊情況良好，還可能進(jìn)一步縮短出塊時間，提高全網(wǎng)吞吐。
Starcoin引入叔塊的方式對于網(wǎng)絡(luò)本書來說，是自然的。不過還有一些公鏈可能會選擇設(shè)計特殊的切入點。
例如當(dāng)打包前出現(xiàn)新交易時，可以將區(qū)塊空間中引入一個“叔塊頭”概念，其不占據(jù)交易驗證的體積。但可以把新交易引入叔塊頭，然后重新設(shè)計一個提交區(qū)用來驗證交易。
這是一種把影響區(qū)塊打包速度的“新交易”剝離正常區(qū)塊驗證步驟，轉(zhuǎn)換成其他方式驗證提交的方法。與Starcoin的方式不同，它改變了驗證方式。
因此，綜合來看，在layer1網(wǎng)絡(luò)(即比特幣PoW網(wǎng)絡(luò))上做改進(jìn)，首先是先增加小周期(時隙Epoch)用來快速調(diào)整出塊難度。
其次就是解決區(qū)塊打包等待新交易的問題，Starcoin的設(shè)計和選擇是明確的，在不用重新把新交易單獨處理的情況下，只通過叔塊監(jiān)測數(shù)據(jù)而調(diào)整出塊時間和挖礦難度，這樣是將PoW網(wǎng)絡(luò)演變成了一個動態(tài)吞吐網(wǎng)絡(luò)，其規(guī)則像是在高速公路中添加了指揮員，隨時指揮車輛的速度，這樣的改變雖小，卻可以改善PoW鏈在擁堵時的表現(xiàn)。并且，筆者認(rèn)為，出塊時間隨網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)可調(diào)整已經(jīng)成為新公鏈系統(tǒng)的重要特性之一。
在Layer2大展拳腳
Starcoin已經(jīng)改進(jìn)了比特幣、以太坊的PoW模型。而在layer2上，Starcoin設(shè)計為專注于解決資產(chǎn)轉(zhuǎn)移交換等過程中的擴(kuò)展性和性能問題。只是目前，layer2解決方案正處于“百花齊放，暫時無王”的階段，同時面對多個的layer2的解決方案，需要Starcoin設(shè)計團(tuán)隊明確需求后做出選擇。
目前，在Starcoin白皮書中并未展示其部分，其官方表示會在白皮書2.0版本中公布layer2方案。我們可以通過Starcoin對分層網(wǎng)絡(luò)功能的定義去推測其layer2的設(shè)計。
layer2和layer1的普通狀態(tài)關(guān)系
從邏輯上看，layer2是layer1狀態(tài)的遷移交互，因此首先來看Starcoin Layer1職能，詳情如下：
1. 通過增強(qiáng)的中本聰共識機(jī)制來盡可能的在保證安全的基礎(chǔ)上在Layer1擴(kuò)容，最大化Layer1網(wǎng)絡(luò)的利用率。
2. 提供資產(chǎn)的定義，發(fā)行，以及流轉(zhuǎn)，以及l(fā)ayer1、layer2之間的流轉(zhuǎn)能力。
3. 給layer2提供仲裁能力，layer2可以利用Layer1的安全機(jī)制來保證自己的安全。
而這時layer2職能是：
1. 將Layer1的交易分流到layer2，Layer1不再關(guān)心layer2交易的細(xì)節(jié)以狀態(tài)的變更。
2. 提供監(jiān)督機(jī)制，layer2的不同角色之間可以互相監(jiān)督。
3. 提供證據(jù)保全能力，用戶如果對layer2的交易有爭議，可以到Layer1仲裁。
由此來看，首先Layer1、layer2間的互相交互必須保證實現(xiàn)，因為這相關(guān)于Layer1、layer2資產(chǎn)流轉(zhuǎn)的需求以及有相互證明狀態(tài)有效的方式。其次，Starcoin還強(qiáng)調(diào)了layer2不同角色可以互相監(jiān)督。
Layer1、layer2間的狀態(tài)鎖定和證明間的交互
這樣的需求使用單個layer2技術(shù)是無法實現(xiàn)的。例如以太坊上的rollup，其兩層鏈間的雙向交互并不完善。例如零知識證明，雖可以保證兩層鏈間交互數(shù)據(jù)的安全性，卻無法在layer2的角色設(shè)計和數(shù)據(jù)可用性上發(fā)力。
所以可以推測的是，未來Starcoin一定會在layer2使用多技術(shù)組合方案，這在其公示出的layer2思路上得到一些證實，其抽象出一種通用的layer2方案模型如下：
1. 應(yīng)用的狀態(tài)(包括資產(chǎn))在Layer1和layer2之間安全的轉(zhuǎn)移。
2. 保證layer2的數(shù)據(jù)可用性。
3. 提供證明和提供仲裁機(jī)制。
上文說到，從邏輯上看，任何layer2方案都是Layer1的狀態(tài)遷移，詳細(xì)過程可能包含將狀態(tài)鎖定并在layer2重建等。因此，我們來看公示的模型，如果layer1和layer2都有統(tǒng)一的資源模型，那狀態(tài)遷移就不是難事，如果兩層鏈都用統(tǒng)一的框架搭建，數(shù)據(jù)可用性也不是問題，可能唯一遇到的問題會是合約遷移。而Starcoin很亮眼的是，其合約也是無狀態(tài)設(shè)計，因為合約并入了賬戶模型里，狀態(tài)已經(jīng)被確定了所有權(quán)。交互中直接訪問狀態(tài)即可執(zhí)行。
綜上，我們可以對Starcoin抱有足夠的期待，筆者認(rèn)為在layer2技術(shù)上，Starcoin的重點并不在改良技術(shù)，而是對行業(yè)內(nèi)多類技術(shù)的組合與實現(xiàn)，在Starcoin的基礎(chǔ)優(yōu)勢(例如賬戶、存儲模型、編程語言)上占據(jù)優(yōu)勢即可。
巧妙設(shè)計以為長遠(yuǎn)規(guī)劃
分層結(jié)構(gòu)以及對layer1、layer2的單獨設(shè)計，塑造了Starcoin的基本能力，而千變?nèi)f化的業(yè)務(wù)需要要求在一些標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計上仍要具備優(yōu)勢。
這就要提及Starcoin一些有利于長遠(yuǎn)發(fā)展的巧妙設(shè)計。這些設(shè)計雖然討論不多，但卻是公鏈系統(tǒng)不可或缺的特性。
足以稱之為巧妙設(shè)計的，有3點，分別是更改賬戶模型和狀態(tài)存儲，支持多種驗證合法性的方式、雙累加模型，以及基于Move開發(fā)語言的適配。
1)更改賬戶模型和相應(yīng)的狀態(tài)存儲之后，Starcoin得以實現(xiàn)以太坊無法順利進(jìn)行的狀態(tài)計費計算。
對比以太坊來看，以太坊將賬號分為合約賬號和用戶賬號。合約賬號用于部署合約的代碼以及存儲合約的狀態(tài)，用戶在某個合約中的狀態(tài)都保存到該合約賬號下，讀寫權(quán)限也由合約自己控制。這樣的設(shè)計自由度很高，但導(dǎo)致合約狀態(tài)的所有權(quán)不明確，從而容易帶來安全上的問題以及很難解決"狀態(tài)爆炸"問題。
Starcoin更改后的賬戶模型
這樣的設(shè)計帶來了以太坊擁堵情況下，Gas費的暴增以及復(fù)雜合約調(diào)用成本的居高不下。
因此，Starcoin 以太坊賬戶模型基礎(chǔ)上做了以下改進(jìn)：
1. 廢棄了合約賬號，任意賬號都可以部署智能合約，部署的智能合約在當(dāng)前賬號下。
2. 通過對合約編程語言中狀態(tài)存儲機(jī)制的改變，讓智能合約的開發(fā)者很容易的把合約的狀態(tài)分散保存到該狀態(tài)所屬的用戶地址下，從而明確狀態(tài)的所有權(quán)。
通過這樣的改造，一方面增強(qiáng)了鏈對用戶狀態(tài)的安全保護(hù)能力，另外一方面也為狀態(tài)計費提供了可能。未來Starcoin會支持token支付gas，便于用戶和開發(fā)者使用。
2)從上文的討論中，我們還能看到多次提到區(qū)塊鏈驗證，足以證明驗證數(shù)據(jù)是區(qū)塊鏈運行剛需，在 Starcoin 的整體設(shè)計中，還提供了四個層面的數(shù)據(jù)校驗機(jī)制，這些機(jī)制，可以提供全場景下的數(shù)據(jù)驗證邏輯。
1. 交易可校驗：BlockHeader 包含一個全局交易累加器的根哈希，任何上鏈的交易都有對應(yīng)的全局證明。
2. 狀態(tài)可校驗：BlockHeader 包含一個全局狀態(tài)狀態(tài)樹的根哈希，保障了狀態(tài)可驗證。
3. 區(qū)塊可校驗：BlockHeader 包含一個 BlockBody 的哈希，用于校驗 BlockBody 中的數(shù)據(jù)。
4. 鏈可校驗：BlockHeader 包含一個全局區(qū)塊累加器的根哈希。任何一個區(qū)塊可以提供一個和當(dāng)前區(qū)塊的關(guān)系證明，不需要遍歷區(qū)塊即可驗證某個區(qū)塊是否是當(dāng)前區(qū)塊的祖先區(qū)塊。
Starcoin區(qū)塊頭中的的全局區(qū)塊累加和根哈希示意
在四個維度的數(shù)據(jù)校驗的基礎(chǔ)上，再配合Starcoin的合約和賬戶模型，「交易累加器」和「區(qū)塊累積器」組成了Starcoin獨特的「雙累加器」模型，這將成為Starcoin系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全的基礎(chǔ)。也可以通過數(shù)據(jù)合法性的優(yōu)勢為很多業(yè)務(wù)服務(wù)，例如跨鏈數(shù)據(jù)交互驗證。
3)為了更好地擴(kuò)展區(qū)塊鏈的能力，Starcoin 還將 Move 語言作為智能合約，以保證針對數(shù)字資產(chǎn)的編程更加安全、簡單。
Move 語言是Facebook穩(wěn)定幣項目Libra(已更名為Diem)的開發(fā)語言，該語言尤其重視安全性，主要由以下幾個方面保證：
1. 自底向上的靜態(tài)類型系統(tǒng);
2. 資源不可復(fù)制或者隱式丟棄;
3. 資源按用戶存儲，重新定義鏈，合約，用戶三方的數(shù)據(jù)操作權(quán)限;
4. 引入形式化驗證技術(shù)，通過數(shù)學(xué)原理來證明合約的安全性;
更重要的是，Starcoin團(tuán)隊已經(jīng)通過 Move 語言建立了Move開發(fā)社區(qū)，通過開源社區(qū)，可以獲得開發(fā)技術(shù)、開發(fā)資源以及人才儲備和未來的生態(tài)項目孵化能力。
寫在最后
從Starcoin白皮書中詳實的設(shè)計，再到Starcoin已經(jīng)完成的技術(shù)進(jìn)展，綜合來看。 Starcoin除了未確認(rèn)的layer2外，其網(wǎng)絡(luò)從0到1的過程已經(jīng)完成了80%，其中最關(guān)鍵的要數(shù)layer1中對PoW共識的改進(jìn)。小小的改進(jìn)，讓Starcoin可以堅持使用PoW，可以建立一個挖礦生態(tài)。
如果說挖礦生態(tài)是建立layer1的支柱，當(dāng)layer1和layer2組合使用后， Starcoin也會因layer2層對應(yīng)用的擴(kuò)展為DeFi、NFT的應(yīng)用土壤。
其原因有四：
其一，Starcoin有穩(wěn)固的礦工經(jīng)濟(jì)做支撐，網(wǎng)絡(luò)生命力遠(yuǎn)勝其他PoS網(wǎng)絡(luò)。
其二，layer1層的賬戶模型和存儲的設(shè)計讓 Starcoin Gas費更低。
其三，使用Move語言與PoW配合，足夠安全，又具備比特幣金融系統(tǒng)的基因。
其四，layer2的執(zhí)行讓Starcoin雖使用PoW但性能完全可以承載DeFi等應(yīng)用。
為了讓以太坊的性能達(dá)標(biāo)，以太坊團(tuán)隊用了7年時間，才做好了PoW向PoS轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)備，但切換共識還沒有真正進(jìn)行，信標(biāo)鏈的穩(wěn)定性還沒有經(jīng)歷合并后的考驗。如今，我們信任以太坊的DeFi、NFT，是運行在PoW鏈上的，用戶對PoW信任一定高于還未得到全面證實的PoS。
如此來看，筆者認(rèn)為，Starcoin將成為一個保持比特幣金融系統(tǒng)基因，又具備圖靈完備能力的安全智能合約運行平臺。這是一個可以承擔(dān)以太坊DeFi需求的平臺，也是比特幣信仰者曾經(jīng)暢想也可以在未來使用的平臺。
