11月24日–25日，由中国计算机学会主办的首届中国区块链技术大会（China Computer Federation ChinaBC 2018）在杭州未来科技城举行。复旦大学教授、中国计算机学会区块链专委会主任斯雪明在25日上午发表了题为“区块链—形式化表示与体系结构演进”的演讲。

以下为现场演讲速记，由整理发布：

尊敬的各位嘉宾，大家上午好。我今天的演讲主题是“区块链—形式化表示与体系结构演进”。分为四个部分：

第一部分是传播信息系统的数学模型与特点
第二部分是区块链系统的形式化表示
第三部分是典型区块链体系结构
第四部分是区块链体系结构可能的演进方向

一、传播信息系统的数学模型与特点

我们首先要讲一下什么是信息系统，信息系统是一个人造系统，它由人、硬件、软件和数据 资源组成，目的是及时、正确的收集、加工存储、传递 和提供信息，实现组织中各项活动的管理、调节和控制。

下图是一个信息系统形式化的表示。信息系统由信息系统的不同模块组成，我们称之为“论域”。

通过这样的形式化表示，最终得到论域到U的状态转换函数，这个函数随着时间的变化而变化。我们考虑到传统的信息系统的某一论域时，属性取值在时间轴上是稳定不变的。所以传统的信息系统具有静态性的特点。

另外，当两个信息系统S和S’进行比较的时候，S’越小表示两个系统越相似，对于传统的计算机系统，这两个系统往往会更小。

最后，传统信息系统具有中心化的特点，中心(特权用户) 独自可以进行数据的增、删、改、存等操作，也可以执 行服务的发布与撤回等。而普通用户与特权用户的权限有 很大的差别。中心化导致系统的机密性、完整性、可用 性容易受到内部人或外部黑客的破坏。

总而言之，传统的信息系统具有静态性、相似性、中心化等特点。传统信息系统各维度通常是静态的，数据通常无冗余或少冗余（可能有2-3个备份），各信息系统之间通常是相似的，具有中心化的特点，操作权限和数据的增删改权限总是集中的。

二、区块链系统的形式化表示

目前典型的区块链系统包括了四个环节：发起交易、传播交易、验证交易、添加区块。（这里的“交易”是广义的交易）

发起交易：可能涉及Token，智能合约，记录或其他信息；
传播交易：在节点的帮助下，该交易被广播到P2P网络中；
验证交易：借助已知的算法，网络中节点验证交易的合法性和用户状态；
添加区块：交易一旦完成，新的区块被添加到区块链上，从此永久不可篡改。

下图是我们对区块链系统的一般的形式化表示，其中包括消息单元、共识（包括打包和同步）和存储（包括数据存储和状态存储）的过程。

消息单元主要包括消息的数据格式、处理方式，打包过程主要包括消息的验证，验证通过加入区块，同时提出证明（证明自己打包的权限），同时将形成的区块的证明打包CON。同步操作主要是对区块证明的打包CON进行验证，验证通过就开始下一步的共识或继续进行打包操作。

目前来看，比特币是最具有代表性的单链未许可链。

消息单元以普通转账交易为主(交易双方地址、输入输出金额)，消息打包前，需要工作量证明(PoW)取得记账权，算力决定了进行PoW的能力，PoW的验证与区块的传播异步，可能存在分叉，状态以UTXO为主，传递模式。

除了比特币之外，以太坊也是单链未许可链的一个典型代表，主要涉及智能合约和世界状态概念。

下图为比特币系统的形式化表示。以（上述）区块链一般的形式化表示为前提，给出了比特币的具体情况。主要包括PoW打包和UTXO状态存储过程。

以fabric为代表的单链许可链，CA(Certification Authority)作为所有节点加入系统的认证，普通客户端通过部署链码(chaincode)、调用链码发起交易，通过背书策略申请peer节点(Endorse node)的背书签名，Order节点验证客户端节点的交易和背书消息，转发给peer节点(Commit node)，通过Kafka(Zookeeper)对交易进行排序Commit node通过CouchDB(或者LevelDB)存储区块信息和实时状态以及世界状态。

下图为 fabric的形式化表示，这里就不再专门介绍了。

除了前面提到的典型的区块链系统之外，现在还出现了新型的以IOTA为代表的DAG结构的区块链。DAG（Directed Acyclic Graph，有向无环图）中没有传统的区块的概念，交易并发进入系统，交易产生的同时对已有交易进行验证（这使得DAG结构的吞吐率远远大于单链结构），消息产生后直接进入Tangle系统。存在安全性差和中心化倾向等问题。

下图为IOTA的形式化表示。图中，消息单元除了基本的区块链元素之外，还包括了对两个父交节点的引用。由于IOTA没有区块的概念，所以打包过程是直接对消息单元进行验证，没有同步的操作。

三、典型区块链体系结构

我们对比特币、以太坊、、fabric、IOTA体系结构及其特点进行了深入研究，今天讲的绝大部分内容都是第一次讲，所以有不当之处还请大家批评指正。

下图是我们提炼的比特币的体系结构。在这个体系结构中，比特币的节点发起的交易进入了交易池，节点通过散落的最低区块从交易池中来选取部分交易，不停地变更区块头的随机数进行PoW竞争。竞争成功后产生新的区块，加入到区块链中，并广播到整个网络。

下图为比特币流程示意图。因为在做的各位对比特币系统比较熟悉，所以在这里也不再多讲。

下图为以太坊的体系结构图。在以太坊中，节点分为内部节点和智能合约节点。与比特币不同的是，以太坊有叔块的概念。由于以太坊的出块间隔只有十几秒的时间，因此以太坊中临时分叉与孤块会大量产生，整个网络的安全性都会下降，以太坊鼓励人们引用叔块就可以提高网络安全性。

下图为以太坊的流程示意图，由于时间关系，这个示意图在这里就不细讲了。

下图为EOS的体系结构图，EOS是更加去中心化的，但是这样的操作系统也会存在一些安全隐患。

下图为EOS的流程示意图。

下图为fabric1.2的体系结构图。在fabric1.2中，客户端节点发生交易，通过链码（ChainCode）的背书策略，背书（Endorser）节点收到交易提案（Proposal）后，验证签名并确定提交者是否有权执行操作，同时根据背书策略模拟执行智能合约，并将结果还给客户端。

客户端收到背书（Endorser）节点返回的信息后，判断提案结果是否一致，以及是否参照指定的背书策略执行，如果没有足够的背书，则中止处理；否则，应用程序客户端把数据打包到一起组成一个交易并签名，发送给Orderers。Orderers对接收到的交易进行共识排序，然后按照区块生成策略，将一批交易打包到一起，生成新的区块，发送给提交（Committer）节点；提交（Committer）节点收到区块后，会对区块中的每笔交易进行校验，检查交易依赖的输入输出是否符合当前区块链的状态，完成后将区块追加到本地的区块链，并修改世界状态。

下图为fabric1.2的流程示意图。

下图为IOTA的体系结构图。IOTA设计POW这一步是为了防止有人恶意发很多transaction从而阻塞整个网络，或者更进一步通过更改整个DAG的形状而达成一些攻击。

下图为IOTA的流程示意图。

最后，我们来谈一下区块链系统的特点。我们认为，区块链系统具有静态性、多中心、分布式、冗余、高度同构等特点。

目前的区块链信息系统通常也是静态的，具有多中心的特点，数据分布式存储和共享，在许可链中，各节点数据存在一定的冗余，在非许可链中，高度冗余，各节点运行的系统高度同构。

四、区块链体系结构可能的演进方向

我不敢说区块链体系结构一定会往这个方向演进，但是它是一种可能。

传统的信息系统具有静态性、相似性和中心化等特点；
典型的区块链系统具有静态性、多中心、分布式、冗余和高度同构等特点；
理想的区块链系统应该具有动态性、多中心，分布式、适度冗余、异构性和群体性等特点。

那么，如何构建理想的区块链体系结构呢？我们可以从自然界中得到启示。

自然界的启示一：拟态现象

拟态现象是一个生物学概念，指一种生物在形态、行为等特征上模拟另一种生物，从而使一方或双方受益的生态适应现象。比如：拟态章鱼。

拟态章鱼通常生活在15米以内的浅水沙地，通常在河口水域，在这种水域里，有很多贝壳、虾蟹等拟态章鱼喜欢的食物。拟态章鱼是自然界中顶级伪装高手，会模仿各种还有生物，包括海蛇、狮子鱼、扁鱼、蛙鱼、海星、大蟹、贝类、鳐鱼等15种动物的外观和运动。

它的身体有数万个色袋，叫作“色包”，它靠一个复杂的肌肉网络控制。色包含色素，并靠色素 (颜色) 来表现多种色度。通过放松或收缩色袋，拟态章鱼仅用不到1秒就能让自身与任何背景颜色及图案相一致。

自然界的启示二：群飞和群游现象

群飞又叫聚集式飞行，鸟群能够在快速飞行的过程中整齐划一地转向， 其目的是能够免遭老鹰等捕食者的袭击。典型代表是椋（liáng）鸟。

椋鸟在飞行中形成球状紧凑队形，并在接下来扩大和收缩，不断变换形状。一大群椋鸟在称为“辊式觅食”(roller-feeding)的做法中一起觅食：鸟群后面的椋鸟不断飞到前面去寻找食物。这种有组织的觅食方法意味着每只鸟都可以变成头鸟，同时能密切注意捕食者来袭。

群游是一种鱼群的集体行为，鱼群能够通过对周围环境变化做出迅速 感知和统一变向，不仅可以有效抵御捕食者，还能够提高捕食效率和
游动速度。

根据上述生物学中的拟态现象和群飞、群游现象，我们提出了拟态群体异构体系结构，简称MCH体系结构。

• 区块链系统中的部件可以根据应用场景动态调整变化
• 不同部件的不同实现方式，完成统一的目的
• 系统的部件异构，构建最适合应用的区块链系统

针对特定的应用场景，选择合适的异构部件，构建最优的体系结构， 达到理想的应用目标。

下图为拟态群体异构体系结构。

下图为拟态群体异构体系结构主要组成。

我们下面来看它怎么来变化出来的，在拟态群体异构体系结构中，DAPP1、DAPP2、DAPP3是不同的应用，比如DAPP2，从C1到CK，然后到拟态决策，变成异构候选集。然后就构成了不同的节点，这些节点之间我们希望能从软硬件来说它是异构或部分异构。这样的异构节点最后就产生了不同的区块链。

值得注意的是，现在很多区块链的体系结构，并不适合真实的应用场景。所以我们认为，体系结构应该是动态可变的，根据不同的应用场景有不同的体系结构。

最后，我要讲的是，长期以来，信息系统在不断地演进，体系结构创新是信息系统发展的永恒之路。我们从信息系统的角度来考察区块链的体系结构演进，首先对传统信息系统进行了数学建模，指出了传统信息系统的特点；然后对经典区块链系统进行了研究，给出了区块链系统的形式化表示和体系结构模型，提炼了经典区块链系统的特点；最后，我们根据理想区块链系统的特点，从自然界的拟态、群飞、群游现象中得到启发，提出了拟态群体异构体系结构。

我的报告就到这里，谢谢大家。