在 Bitcoin 和 Ethereum 取得巨大成功之後，人們開始對公鏈的設計進行大量的探索，新的架構和設計層出不窮，比如 DAG、DPOS、Algorand、Ouroboros 、Conflux、2-hop Blockchain、Thunderella 等等。
對於 DAG、Conflux，之前的文章已經給出過相關的分析和論述。
近期閱讀分析了 Nervos 項目的技術白皮書，感覺這個項目對於公鏈設計給出了一些有趣的創新點、有啓發性的新思路，其白皮書下載地址爲：
https://github.com/NervosFoundation/binary/blob/master/whitepaper/nervos-ckb.pdf
https://github.com/NervosFoundation/binary/blob/master/whitepaper/nervos-ckb-zh.pdf
由於其技術白皮書對設計細節的論述不夠詳盡，因此本文嘗試着對其核心設計做簡要解讀，如有誤解，以 Nervos 的具體代碼實現爲準。
Nervos 的核心設計思想
1）區塊鏈的技術體系應該分層
比如 Bitcoin 和 Ethereum 屬於 Layer1，而閃電網絡和 Plasma 則屬於 Layer2。除了閃電網絡、Truebit、Plasma 等典型的 Layer2 技術之外，Layer2 可以有多種多樣的表現形式，Nervos 需儘可能實現一些通用的、不可或缺的 Layer1 核心功能，致力於爲應用鏈（APP-Chain）的設計和運行提供底層支撐。
因此 Nervos 設計了一個 Layer1 的核心繫統 Nervos-CKB （Common Knowledge Base），其綜合了 Bitcoin 和 Ethereum 的一些優點，並試圖避免 Bitcoin 和 Ethereum 做得不夠好的某些地方。
2） Layer2 系統的參與者（包括節點、用戶等等）在進行交互之前，必然要具備一些共同知識或共識，這些共識最終會以數據的形式表達出來，並存儲在 Nervos-CKB 的各個參與節點上，這也是共同知識庫（Common Knowledge Base）的命名由來。
這就類似於兩個人能夠流暢的溝通交流區塊鏈技術，那麼兩人必然要儲備同一門自然語言（比如漢語、英語）的語法及語義知識，同時兩人還必須儲備一些共同的非對稱密碼學、P2P 通信等知識。
Nervos 對「Bitcoin-UTXO」的改進
從 Nervos 的設計觀點來看 Bitcoin 的 UTXO，其實是對某一賬戶地址所擁有的價值總額的分批存儲，UTXO 是共同知識的一個特例，正是因爲其存儲的餘額是一種共同知識，其代表的價值才能被整個 Bitcoin 網絡所認可，賬戶擁有者才能執行轉賬交易花掉這筆錢。
如果把 UTXO 的功能推廣，不僅僅用於存儲餘額及鎖定腳本，而可用於存儲任何數據和代碼，這樣就更加通用化了。Nervos 稱一個通用化的 UTXO 爲 Cell，其爲共同知識的基礎存儲單元。
一個 Cell 包含了 5 個基本面：
1） Type： Cell 中存儲的數據是有類型和結構的，有些類似於用 DTD 來定義 XML 文檔的結構；
2） Capacity： Cell 的存儲容量，可以存儲的最大字節個數；
3） Data： Cell 中實際存儲的數據；
4） Owner_Lock： 定義 Cell 的擁有者，和 UTXO 類似，通過一段腳本程序對擁有者進行描述和驗證；
5） Data_Lock： 定義 Data 的擁有者，同樣是通過一段腳本程序對擁有者進行描述和驗證。
Nervos 通過 Owner_Lock 和 Data_Lock 分離了 Cell 的擁有權和使用權。Cell 的擁有者可以轉讓 Cell，而 Data 的擁有者纔可以更改 Cell 裏存儲的數據。
Bitcoin 解決了雙花問題，UTXO 被花掉以後，就不能再被第二次花費了。類似的，Cell 被更新之後，就不能被更新了，除非對更新後的 Cell 做更新。所有可以被更新的 Cell 中存儲的數據及其關聯的驗證程序，就是最新版本的共同知識，類似於 Bitcoin 的 UTXO 集。
對於 Bitcoin，利用 UTXO 和多重簽名等機制，可以實現跨鏈原子交易和鏈外的支付通道，對於 Nervos，利用 Cell 中存儲的共同知識數據，可以爲 Layer2 系統、跨鏈交互、以及 App-Chain 的實現提供一定的便利。
Nervos 對「Ethereum-狀態變更」的改進
在 Ethereum 平臺上，可以部署合約，在合約中可以分配數據存儲空間，並通過交易事件觸發運行合約函數對這些數據存儲狀態進行更新。
Nervos 認爲對數據狀態的更新，可以運行在用戶端（比如手機裏安裝的錢包 APP），用戶發送的交易會包含更新後的數據狀態值和 Cell 中的數據使用權證明，Nervos-CKB 鏈上只需要部署狀態更新的驗證程序就可以了，而無需運行狀態更新程序。對比交易事件驅動狀態改變的模型，Nervos 的設計方式可以帶來很多好處，比如：
1） Nervos 全節點可以非常自然地並行處理多個交易，而 Ethereum 全節點對於同一區塊中的目標地址爲同一個合約地址的多筆交易，只能做串行處理；
2）對於很多計算任務，計算過程和驗證過程是不一樣的，執行量也是有很大差異的。比如 Bitcoin 的工作量證明，給出一個合法的區塊頭部，是極其困難的，而驗證一個區塊頭是否合法，則非常簡單。
在輸入數據源相同的情況下，對於一個計算程序，一定存在比其計算複雜度小的驗證程序。否則就沒必要驗證了，重新運行一次計算程序，並覈對結果是否相同，就是最精確的驗證手段。
因此將計算程序分配給用戶端執行，而區塊鏈系統只執行驗證程序，可以很大程度上減輕區塊鏈系統全節點的運行負擔。
Nervos 稱驗證程序爲 Validator，計算程序爲 Generator， 類似於 Hadoop 的設計者並不知道用戶會用 Hadoop 平臺做什麼類型的計算，但是 Hadoop 只需設計出並實現通用的 Map-Reduce 計算框架，用戶自然會針對具體的計算問題給出具體的 Map 程序和 Reduce 程序。
例如：利用 Generator 和 Validator 互相分離的特性，可以設計一款象棋或圍棋程序，記錄 AI 系統（比如 Alpha-Go）和人類專業棋手進行的著名對戰（普通人之間的對戰就沒必要上鍊了，區塊鏈遊戲還是太貴，最好放在 Layer2 執行），Cell 負責存儲棋盤狀態及變更歷史，Validtor 負責驗證每一步棋子挪動是否符合規範（車走直、馬走日、炮打隔子等等），Generator 負責遊戲界面交互、移動棋子、判決遊戲輸贏等等。
3） Ethereum 用戶向某個合約地址發送一筆交易，用戶可能無法預測這筆交易會給合約裏的數據帶來怎樣的更改，因爲在同一時間段，可能還有其他用戶也向該合約地址發送了交易。除此之外，礦工還可能監控某些合約（比如 Fomo3D），通過立即打包、不打包、延後打包某些交易、調整交易在區塊中的排練順序等手段，爲自己謀求利益。而 Nervos 用戶在發交易之前，自己執行了 Generator 程序，並得出了 Cell 的結果狀態，只要其交易能通過 Validator 程序的驗證，用戶是能夠事先清楚地知道狀態變更結果的。
4） Ethereum 用戶必須擁有足夠的 ETH 才能讓交易上鍊並觸發合約執行，這會給普通用戶帶來一定的麻煩，比如某項目方創建了 ERC20-Token 合約，但是該 Token 的用戶必須同時擁有 ETH 才能正常執行 Token 的轉賬。Nervos 考慮到了這一點，可以讓 Cell 的擁有者給 Cell 的使用者付費，但 Nervos 白皮書並未詳細解釋具體是如何做到的這一點的。不過 Ethereum 也在不斷髮展，未來也可以通過升級實現這一點，比如在合約中實現某些特殊的指令，允許合約的擁有者預先存入一定量的 ETH 爲普通用戶付費，並註冊驗證程序，能夠通過驗證的交易，就能觸發運行合約，不能通過驗證的交易，就會被礦工丟棄，這樣可以防止惡意的交易並防止 DDOS 攻擊，對於普通轉賬交易，也可以引入賬戶屬性設置等更加人性化的功能，並實現收款方支付不超過收款額的手續費，這些在理論上都是可以做到的。
作者： Karl 嘉楠區塊鏈研究院高級研究員
嘉楠區塊鏈研究院： 嘉楠耘智（Canaan Inc.）旗下區塊鏈板塊。
備註：此文爲技術探討交流，不構成投資建議。
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