斯雪明：自然界擬態現象，如何啟發理想區塊鏈構建？

在近日2018中國區塊鏈大會上，中國計算機學會區塊鏈專委會主任、復旦教授斯雪明介紹了一番區塊鏈形式化表示與體系結構演進。

雷鋒網了解到，他指出，長期以來，信息系統在不斷地演進地體系結構的創新是信息系統發展的永恆之路。如果從信息系統的角度來考慮區塊鏈的體系結構演進，首先通過對傳統信息系統進行數學建模，意識到傳統信息系統的特點，然後對經典區塊鏈系統進行了研究，給出了信息系統的形式化表示和體系結構模型，提煉了經典區塊鏈系統的特點，最後根據理想區塊鏈系統的特點，從自然界的擬態群飛、群游現象之間得到了啟發，提出了擬態群體異構結構。

以下是演講原文，雷鋒網AI金融評論作了不改變原意的編輯：

信息系統是一個人造系統、它由人，硬體、軟體和數據資源組成，目的是及時、政府地收集、加工存儲、傳遞和提供信息實現組織中各項活動的管理、調節和動作。

傳統信息系統具有靜態性、相似性、中心化的特點。論域用來代表信息系統的不同模塊。考慮到傳統的信息系統的某一論域時，屬性取值在時間軸上是穩定不變的。所以傳統的信息系統是具有靜態性的特點。另外，傳統信息系統的中心獨自可以進行數據的增、刪、改、存等操作，也可以執行服務的發布與撤回。這是特權用戶具有的特點。普通的用戶跟特權用戶有很大的差別，中心化就導致機密性、完整性、可用性容易受到內部人或外部黑客的破壞。

傳統的信息系統各維度通常是靜態的，數據通常沒有冗餘，或者是冗餘比較少，大概有兩到三個備份。各個系統之間通常是相似的，同時具有集中化的特點。

區塊鏈系統形式化表示

典型的區塊鏈系統包括四個環節：發起交易、傳播交易、驗證交易、添加區塊。

這裡的交易一般指的是廣義的交易。發起交易可能涉及TOKEN、智能合約、記錄等其他的信息在節點的幫助下，該交易被廣播到P2P網路中。驗證交易需要先驗證交易的合法性，最後新的區塊就添加到鏈上，從此就不可分割，不可改造。

區塊鏈系統的一般形式化表示包括打包和鞏固、數據存儲和狀態存儲。消息單元主要包括消息的數據流失，以及消息的處理方式，打包主要是對消息的驗證，驗證通過加入區塊，同時提出證明，證明自己打包的許可權，同時將自己形成的區塊的證明打包CUM。同步主要是對區塊證明的打包進行驗證，驗證通過就開始下一步的共識。存儲操作主要包括數學存儲和狀態存儲。

在單鏈的未許可鏈中，比特幣是具有代表性的，比特幣的消息單元以普遍轉賬交易為主，消息打包前，需要工具來證明取得記帳權，算力決定了進行POW的能力。POW的驗證與區塊的傳播非同步，可能存在分叉，狀態以UTXO為主，傳播模式。

在這個體系結構中，比特幣有一個交易池，通過實際打包，從交易池中間來選取部分交易，跟其他的進行POW的競爭，成功之後產生新的區塊，然後給其他的節點。在完成POW之前，收到等於或者是大於正在操作的區塊的時候，會放棄目前的POW競爭，並接受新的區塊，在這個基礎上進行新的POW。

上圖是以太坊的體系結構圖。以太坊的節點分為了內部節點和合約節點。與比特幣不同的是，以太坊有叔塊的概念。（如果一個塊不是最長鏈的一部分，那麼它被稱為是「孤塊」，在以太坊就叫做叔塊。）一個孤立的塊是一個塊，它也是合法的，許多進出主鏈當中，在進行POW的時候，同時要進行叔塊結合的信息，同時以太坊也包括私人合約，能夠進行有限的操作。

以fabric為代表的單鏈許可鏈，CA作為所有節點加入系統的認證，普通用戶通過部署鏈碼發起交易，然後通過背書策略申請節點的背書籤名，ORDER節點驗證客戶端節點的交易和背書消息，專發給ChainCode。

除了前面提到的典型的區塊鏈系統之外，現在還出現了新型的以IOTA為代表的有向無環圖（DAG）的區塊鏈。它沒有傳統區塊的概念，交易產生的同時對已有交易進行驗證，消息產生後直接進入TANGLE系統，存在中心化嚴重的問題。

上圖是IOTA的形式化表示，在這個圖中除了基本的區塊鏈中的元素之外，還包括了對兩個負交節點的引用。它直接對消息單元進行驗證，在IOTA上沒有同步的操作。

在IOTA中間，系統中節點進行簡單的POW，主要是為了防止交易泛濫，然後包括已經發生的兩筆交易，然後產生新的交易，交易直接進行IOTA的管控。

擬態群體異構結構暢想

前面也說到，傳統信息系統的特點包括靜態性、相似性、中心化，而當前的區塊鏈系統一般也具有靜態型性、多中心、分散式、冗餘、高度同構等特點。而理想的區塊鏈有六個特點：動態性、多中心、分散式、適度冗餘、異構性地、群體性。

那麼如何構建理想區塊鏈呢？我們從自然界得到了啟示，自然界是我們最好的老師。

第一，我們從擬態現象得到了啟示。擬態是一種生物在形態、行為等特徵上模擬另一種生物或環境、從而使一方或雙方受益的生態。比如變色龍，以及最厲害的擬態章魚。

章魚它除了可以變顏色之外，比如模擬沙子，它還可以變化成15種以上的海洋生物，變它們的動作，變它們的外觀，比如紅魚、海蛇等。當它變海蛇的時候，章魚把6隻腳藏在地下，伸出2隻爪子，再加上顏色又和海蛇一樣，所以看起來很像海蛇。章魚是非哺乳類動物最聰明的一個。章魚以不確定的色彩、紋理、形狀的變化給攻擊者造成了認知困境。

第二個啟示來自於動物的群飛和群游現象。群飛又叫聚集式飛行，鳥群能夠在快速飛行的過程中整齊劃一的專向，其目的是能夠免遭老鷹等捕捉。群飛很多情況是在非常密集的環境中飛行，但是鳥和鳥之間絕對不會相撞，而且非常可以快速地變化隊形。魚群的群游也是類似，目的一方面是為了避免大型的捕食，海洋生物的襲擊，還能提高捕食的效率。

從上述生物學中的擬態群飛、群游現象，我們提出了一種擬態群體異構體系結構，簡稱MCH體系結構。區塊鏈系統中的部件可以根據應用場景動態調整變化，不同的部件有不同實現方式，但完成統一的目的，系統的部件異構構建最適合應用的區塊鏈系統。

MCH的目標就是，針對特定的應用場景，選擇合適的異構部件，構建最優的系統結構，達到理想應用目標。

這是我們說MCH體系結構的圖。主要包括節點環境、網路組織結構，智能合約，密碼演算法、共識演算法等。

具體是怎麼運作的呢？所有運行在系統中的應用，DAPP1、DAPP2，通過參數的提煉，比如DPPR提煉出一組參數——C1到CK，代入決策，形成異構候選集，然後這些候選集就構成了下方不同的節點。我們希望這些節點之間從軟硬體來說它是異構，或者說是部分異構。異構的節點最後就產生了不同的區塊鏈。

我們這裡要注意的是，現在的區塊鏈，鏈就一條，根據這樣一個MCH系統鏈就多條。從數字貨幣交易來說，比特幣和以太坊還是適用的，但是在真正應用時，很多體系結構並不適合。所以我們認為，應該根據不同的應用場景，有不同的體系結構，體系結構應該是可以動態變化的。這樣一來，對於性能要求高的場景，我們可以用高性能的部件；要求安全性的場合，就用安全性好的部件。

特別是我們要注意的是，我們現在正處於量子計算很可能大規模、商業化的時代，現在區塊鏈系統使用的一些密碼演算法，等量子計算大規模的機器出來以後，都將會是不安全的。如果有些系統需要運行三十年、五十年，在這個狀況下，我們怎麼做到平滑過渡呢？

我認為，如果部件是動態變化的，兼容前面，又可以為後面的調整留下空間，對系統來說會是非常有用的。

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