1、前言

本文是小蟻的兩位創(chuàng)始人過去兩年中在設(shè)計(jì)小蟻智能合約時(shí)所做的深度思考和技術(shù)探索的結(jié)果。《重構(gòu)智能合約》系列文章將分為上、中、下三篇，分別從確定性和資源控制、擴(kuò)展性和耦合度、通用性和生態(tài)兼容三個(gè)方面來剖析現(xiàn)有智能合約系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，并提出新的智能合約體系的設(shè)計(jì)思路。

在上一篇《重構(gòu)智能合約（上）：非確定性的幽靈》中我們分析了智能合約對(duì)確定性、資源控制和隔離的需求，得出了虛擬機(jī)作為智能合約的執(zhí)行環(huán)境在上述三點(diǎn)都相對(duì)與容器技術(shù)具備相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)。本篇中，我們將從擴(kuò)展性的角度繼續(xù)比較幾種智能合約系統(tǒng)的優(yōu)劣，并提出改進(jìn)的思路。

2、執(zhí)行環(huán)境的性能

智能合約的執(zhí)行環(huán)境會(huì)對(duì)合約的性能起到非常重要的作用。目前主流的區(qū)塊鏈架構(gòu)對(duì)智能合約執(zhí)行環(huán)境的設(shè)計(jì)主要分為兩種：虛擬機(jī)和容器（Docker）。無論是虛擬機(jī)還是容器，它們的作用都是在一個(gè)沙盒中執(zhí)行合約代碼，并對(duì)合約所使用的資源進(jìn)行隔離和限制。

1) 虛擬機(jī)

虛擬機(jī)通常是指能夠像真實(shí)機(jī)器一樣執(zhí)行程序的計(jì)算機(jī)的軟件實(shí)現(xiàn)。有些虛擬機(jī)會(huì)模擬出一個(gè)完整的物理計(jì)算機(jī)，比如VMware、Hyper-V等，可以在這些虛擬機(jī)上安裝操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序；另一些虛擬機(jī)則只提供了硬件的抽象層，而與具體的底層硬件無關(guān)，例如Java虛擬機(jī)。

區(qū)塊鏈智能合約系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，很少會(huì)采用模擬完整物理計(jì)算機(jī)的模式，因?yàn)檫@種方式會(huì)消耗大量的資源并嚴(yán)重影響性能，且很難兼容不同的硬件架構(gòu)。所以絕大多數(shù)的區(qū)塊鏈會(huì)采用更加輕量級(jí)的虛擬機(jī)架構(gòu)，例如以太坊開發(fā)了EVM，R3 Corda則直接采用了JVM，還有一些區(qū)塊鏈采用了V8引擎——Google的JavaScript引擎（虛擬機(jī)）。

當(dāng)我們分析執(zhí)行環(huán)境的性能時(shí)，有兩個(gè)指標(biāo)是非常關(guān)鍵的：（1）指令的執(zhí)行速度（2）執(zhí)行環(huán)境本身的啟動(dòng)速度。對(duì)于智能合約而言，執(zhí)行環(huán)境的啟動(dòng)速度往往要比指令的執(zhí)行速度更為重要。智能合約中較多是一些甚少涉及IO操作的邏輯判斷指令，這些指令的執(zhí)行速度很容易得到優(yōu)化。上一篇《重構(gòu)智能合約（上）：非確定性的幽靈》中，我們提到了出于安全性考慮，智能合約必須在相互隔離的沙盒執(zhí)行環(huán)境中運(yùn)行。每個(gè)智能合約每次被調(diào)用，都必須啟動(dòng)一個(gè)新的虛擬機(jī)/容器。因此執(zhí)行環(huán)境本身的啟動(dòng)速度（啟動(dòng)一個(gè)虛擬機(jī)/容器）對(duì)智能合約系統(tǒng)的性能影響更大。

上述的EVM、JVM、V8引擎這些輕量級(jí)的虛擬機(jī)架構(gòu)對(duì)智能合約的性能提升有顯著的優(yōu)勢(shì)。它們的啟動(dòng)速度非常快，占用資源也很小，適合像智能合約這樣短小的程序。缺點(diǎn)是，這類虛擬機(jī)的執(zhí)行效率會(huì)相對(duì)略低，好在智能合約一般都比較短小，會(huì)更加注重環(huán)境加載的速度而非代碼執(zhí)行的速度。另外，通過JIT（即時(shí)編譯器）技術(shù)對(duì)熱點(diǎn)智能合約進(jìn)行靜態(tài)編譯和緩存可以顯著提升虛擬機(jī)的執(zhí)行效率。

2) 容器（Docker）

與其它主流區(qū)塊鏈設(shè)計(jì)不同的是，超級(jí)帳本中的子項(xiàng)目Fabric獨(dú)樹一幟地采用Docker作為其智能合約的執(zhí)行環(huán)境。與虛擬機(jī)的作用一樣，Docker也進(jìn)行了資源的隔離，但不如虛擬機(jī)那么隔離充分。Docker本身沒有采用虛擬化技術(shù)，而是讓程序直接運(yùn)行在底層操作系統(tǒng)上，因此代碼執(zhí)行的效率很高。但由于其相對(duì)于輕量級(jí)虛擬機(jī)而言過于龐大的體型，部署和啟動(dòng)Docker本身需要消耗大量的時(shí)間和資源。當(dāng)使用在智能合約系統(tǒng)時(shí)，Docker的啟動(dòng)時(shí)間成為了制約整體效率的瓶頸。Fabric在性能測(cè)試時(shí)，即便用上了IBM的大型機(jī)LinuxONE這樣的強(qiáng)悍硬件，性能依然不高。

執(zhí)行環(huán)境的代碼執(zhí)行速度就好比汽車的最高時(shí)速，而執(zhí)行環(huán)境的啟動(dòng)速度則好比汽車的0-100km/h加速度。和一般程序相比，智能合約短小精悍，總是處在“啟動(dòng)—停止—啟動(dòng)—停止”的狀態(tài)，很少能夠跑到極速。執(zhí)行環(huán)境的啟動(dòng)速度才是影響智能合約性能的關(guān)鍵因素。

3、并發(fā)、分片與無限擴(kuò)展

當(dāng)談及一個(gè)系統(tǒng)的擴(kuò)展性時(shí)，總會(huì)涉及到兩個(gè)詞Scale Up（垂直擴(kuò)展）和Scale Out（水平擴(kuò)展）。最典型的垂直擴(kuò)展案例是單核時(shí)代的CPU——主要靠提高主頻達(dá)到性能的提升。垂直擴(kuò)展很容易就碰上天花板，當(dāng)CPU制程工藝的提升越來越困難后，通過多核實(shí)現(xiàn)水平擴(kuò)展，對(duì)指令進(jìn)行并行處理，成為了提升CPU性能的重要手段。

正因?yàn)榇怪睌U(kuò)展會(huì)很快觸及造價(jià)、技術(shù)的極限，一個(gè)不可拆分業(yè)務(wù)的串行系統(tǒng)的擴(kuò)展性（或曰性能提升能力）就會(huì)很弱——它取決于單臺(tái)設(shè)備的最大處理能力。當(dāng)我們需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展時(shí)，如果有辦法將串行系統(tǒng)改造成并行系統(tǒng)，那么理論上我們將可以獲得近乎無限的擴(kuò)展性。我們?cè)诳紤]對(duì)區(qū)塊鏈系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展時(shí)，是否有無限擴(kuò)展的可能？換言之，區(qū)塊鏈能否并行地對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行處理？

區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€(gè)分布式的大賬本，里面記錄了各式各樣的狀態(tài)數(shù)據(jù)，同時(shí)也記錄了這些狀態(tài)如何變化的規(guī)則，智能合約正是用來記錄這些規(guī)則的載體。區(qū)塊鏈能否并行地對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行處理，就取決于多個(gè)智能合約能否并發(fā)執(zhí)行——即合約的執(zhí)行是否是順序無關(guān)的。

舉個(gè)例子，某賬戶中有10元的余額，現(xiàn)有兩個(gè)合約對(duì)該賬戶進(jìn)行修改，第一個(gè)合約在賬戶中增加5元，第二個(gè)合約在賬戶中扣除11元。如果先執(zhí)行前者，則最終賬戶的余額為4元；如果先執(zhí)行后者，由于余額不足，第二個(gè)合約將會(huì)執(zhí)行失敗，而第一筆合約會(huì)執(zhí)行成功，最終賬戶余額為15元。像這樣的兩個(gè)合約由于執(zhí)行的順序不同而導(dǎo)致不同的結(jié)果，那么它們是不可以并發(fā)執(zhí)行的，只能串行處理。

反過來，如果兩個(gè)合約分別對(duì)兩個(gè)不同的賬戶進(jìn)行修改，那么它們無論哪一個(gè)先執(zhí)行，結(jié)果都不會(huì)不同，所以它們是可以并發(fā)執(zhí)行的。

從上面的例子可以看出，兩個(gè)合約是否可以并行處理，取決于這兩個(gè)合約是否是順序無關(guān)的；而是否順序無關(guān)，則取決于他們是否能夠?qū)ν粭l狀態(tài)記錄進(jìn)行修改。

基于上面的分析，我們可以很容易設(shè)計(jì)出一個(gè)具備“無限擴(kuò)展”能力的智能合約系統(tǒng)。只需要簡(jiǎn)單地規(guī)定：（1）一個(gè)智能合約只能修改屬于該合約自己的狀態(tài)記錄；（2）同一個(gè)事務(wù)批次（區(qū)塊）中，一個(gè)合約只能被運(yùn)行一次。這樣一來，所有的智能合約之間都是順序無關(guān)可以平行處理了。干的漂亮！

但是，等等……如果“一個(gè)智能合約只能修改屬于該合約自己的狀態(tài)記錄”，就意味著合約間無法相互調(diào)用，每個(gè)合約都是一個(gè)孤島；如果“一個(gè)區(qū)塊中，一個(gè)合約只能被運(yùn)行一次”，就意味著用智能合約發(fā)行的某種數(shù)字資產(chǎn)在一個(gè)區(qū)塊里只能處理一筆交易。這顯然和“智能”二字的設(shè)計(jì)初衷大相徑庭。畢竟合約間的相互調(diào)用，同一區(qū)塊中多次調(diào)用同一個(gè)合約，都是我們想要的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

這樣一來情況就變得復(fù)雜多了，特別是像以太坊這種支持動(dòng)態(tài)調(diào)用（通過CALL指令）的智能合約系統(tǒng)，不可能在運(yùn)行前就判斷出合約的行為和調(diào)用路徑，也就無法判斷合約會(huì)修改哪些狀態(tài)記錄。因此，以太坊的擴(kuò)展性一直是其設(shè)計(jì)上的一大弊病，其目前的架構(gòu)設(shè)計(jì)難以支撐以太坊成為“全球計(jì)算平臺(tái)”的遠(yuǎn)大愿景。為了解決擴(kuò)展性問題，以太坊提出了分片（Sharding）方案：

打個(gè)比方，分片就類似于戶籍制度。計(jì)算一個(gè)合約的散列值再對(duì)256取模，就可以把合約分配到256個(gè)片區(qū)中去，這相當(dāng)于給每個(gè)合約分配了一個(gè)該片區(qū)的“戶口”。江蘇戶口的合約只能調(diào)用江蘇的合約，上海戶口的合約就只能調(diào)用上海的，不能直接彼此調(diào)用。

這樣一來，江蘇、上海等256個(gè)片區(qū)的合約就可以按片區(qū)進(jìn)行并行處理了，看起來執(zhí)行效率可以得到256倍的提升。但是在這種設(shè)計(jì)下，想要跨片區(qū)調(diào)用，就必須向一個(gè)全局賬本（區(qū)塊鏈）寫入調(diào)用請(qǐng)求，另一片區(qū)的合約收到請(qǐng)求后再執(zhí)行操作，并再次寫入全局賬本來返回調(diào)用結(jié)果。這導(dǎo)致了跨片區(qū)調(diào)用無法在同一個(gè)業(yè)務(wù)批次（區(qū)塊）中完成，效率顯著降低。在真實(shí)的應(yīng)用場(chǎng)景中，分片的結(jié)果很可能是大家都擠到一個(gè)“繁華片區(qū)”中去，因?yàn)檫@樣才能最高效的進(jìn)行相互調(diào)用，避免跨區(qū)操作。在城市郊區(qū)修建再多的干道，也無法解決市中心的擁堵問題。

另外，智能合約代碼的加載方式也會(huì)影響到擴(kuò)展性。目前主流的區(qū)塊鏈智能合約系統(tǒng)都會(huì)要求將智能合約代碼發(fā)布到鏈上，然后再?gòu)逆溕霞虞d代碼執(zhí)行。有些合約代碼可能只被使用一次就廢棄了，但在區(qū)塊鏈中永久性地存在，占用節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)資源，久而久之這些廢棄代碼會(huì)成為區(qū)塊鏈的巨大負(fù)擔(dān)，影響擴(kuò)展性。

另一種方案，是將智能合約的散列值記錄在鏈上，用IPFS等以散列值為索引的新型分布式存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)來存儲(chǔ)完整合約代碼。在執(zhí)行合約的時(shí)候，再?gòu)逆溚饧虞d代碼。由于合約的散列值已經(jīng)在鏈上記錄，即使從鏈外加載代碼也不用擔(dān)心合約的內(nèi)容被篡改，這樣可以為節(jié)點(diǎn)節(jié)省大量的存儲(chǔ)空間。同時(shí)也能對(duì)智能合約的內(nèi)容進(jìn)行一定程度的隱私保護(hù)。

4、耦合度

耦合是指兩個(gè)或兩個(gè)以上的實(shí)體相互依賴于對(duì)方的一個(gè)量度。在區(qū)塊鏈與智能合約系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，對(duì)于耦合度的控制有兩個(gè)非常極端的例子：

1) 以太坊

以太坊在智能合約系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中是高耦合的典型，區(qū)塊鏈與EVM之間到處充斥著相互依賴的關(guān)系，例如：

• 費(fèi)用的計(jì)算混雜在虛擬機(jī)的實(shí)現(xiàn)邏輯中；

• 虛擬機(jī)指令集中包含大量用于訪問賬本數(shù)據(jù)的指令；

• 虛擬機(jī)直接提供以區(qū)塊鏈賬本作為載體的持久化存儲(chǔ)指令。

將區(qū)塊鏈的業(yè)務(wù)邏輯與虛擬機(jī)混在一起，并不是一個(gè)良好的設(shè)計(jì)。這會(huì)造成一系列的問題，一旦區(qū)塊鏈的功能需要改進(jìn)或者升級(jí)，勢(shì)必就要對(duì)EVM也進(jìn)行相應(yīng)的修改，這種修改多數(shù)情況都會(huì)體現(xiàn)在增加新的指令上；而EVM幾乎沒有辦法移植到其它區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，除非另一個(gè)鏈的底層架構(gòu)與以太坊高度一致，或者專門針對(duì)EVM開發(fā)一個(gè)對(duì)接層。這種模式會(huì)對(duì)以太坊的生態(tài)應(yīng)用造成很大的局限性，關(guān)于這一點(diǎn)我們將會(huì)在《重構(gòu)智能合約（下）：兼容性與生態(tài)》中詳述。

2) Fabric

與以太坊的設(shè)計(jì)模式相反，Fabric的智能合約系統(tǒng)采用了低耦合的設(shè)計(jì)，區(qū)塊鏈賬本與Docker之間幾乎沒有任何依賴關(guān)系，因?yàn)镈ocker本身就被廣泛應(yīng)用于區(qū)塊鏈以外的大量場(chǎng)景之中。在Docker中運(yùn)行的智能合約程序只能通過gRPC協(xié)議與節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，協(xié)議中包含了訪問賬本和持久化存儲(chǔ)的功能。當(dāng)區(qū)塊鏈的功能需要改進(jìn)或者升級(jí)時(shí)，只需要對(duì)gRPC協(xié)議進(jìn)行改動(dòng)即可。這種超低耦合度的設(shè)計(jì)模式值得其它區(qū)塊鏈的開發(fā)者學(xué)習(xí)參考。

高內(nèi)聚、低耦合是設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)時(shí)所常常追求的目標(biāo)。Fabric的設(shè)計(jì)目標(biāo)是打造通用的許可型區(qū)塊鏈的技術(shù)框架，因此一開始就采用了高度模塊化的設(shè)計(jì)思想；而以太坊最初的設(shè)計(jì)目標(biāo)是一個(gè)具體的公有鏈實(shí)例，而非技術(shù)框架。因此以太坊中存在著系統(tǒng)耦合度過高的問題。這將會(huì)妨礙以太坊作為一種通用技術(shù)被使用在聯(lián)盟鏈、私有鏈上。

5、小結(jié)

在本篇中，我們分析了智能合約系統(tǒng)理想的執(zhí)行環(huán)境性能、并發(fā)處理能力、耦合度和代碼加載方式，發(fā)現(xiàn)了以太坊的一些高度抽象，無灰度的設(shè)計(jì)帶來的擴(kuò)展性問題，提出了可以做到理論上“無限擴(kuò)展”的高度并行化智能合約系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路。我們認(rèn)為一個(gè)可以良好進(jìn)行并發(fā)執(zhí)行的智能合約系統(tǒng)，應(yīng)該具有以下特征：

• 輕量級(jí)的執(zhí)行環(huán)境：快速的啟動(dòng)時(shí)間和較高的執(zhí)行效率。

• 可插拔的執(zhí)行環(huán)境架構(gòu)：默認(rèn)的執(zhí)行環(huán)境應(yīng)該不提供持久化存儲(chǔ)，從而讓合約默認(rèn)是一種類似于微服務(wù)的無狀態(tài)函數(shù)，從而可以直接并發(fā)處理。僅在需要存儲(chǔ)狀態(tài)時(shí)，才提供可插拔的持久化存儲(chǔ)模塊。這樣的虛擬機(jī)默認(rèn)只有一個(gè)CPU和棧，僅在需要時(shí)才提供“硬盤”和其他IO設(shè)備。

• 明示化的調(diào)用關(guān)系：即只提供靜態(tài)調(diào)用的功能，從而使得程序的調(diào)用關(guān)系可以在運(yùn)行它之前就整理清楚。一旦調(diào)用路徑明確了，那么合約可能會(huì)修改到的狀態(tài)數(shù)據(jù)也就明確了，依據(jù)這些明示的調(diào)用路徑就可以進(jìn)行即時(shí)的動(dòng)態(tài)分片提高合約執(zhí)行的并行能力。

• 可鏈外存儲(chǔ)的合約代碼：通過鏈上存儲(chǔ)散列值，鏈外存儲(chǔ)合約代碼實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)空間的擴(kuò)展性。

• 低耦合度的設(shè)計(jì)：合約語言、執(zhí)行環(huán)境、區(qū)塊鏈之間的低耦合度，提高智能合約系統(tǒng)的通用性。

在本系列最后一篇《重構(gòu)智能合約（下）：兼容性與生態(tài)》中，我們將會(huì)分析現(xiàn)有智能合約系統(tǒng)對(duì)編程語言的選擇，并提出一種讓非區(qū)塊鏈開發(fā)者也能立即編寫智能合約的新模式。

參考閱讀：《重構(gòu)智能合約（上）：非確定性的幽靈》

https://36kr.com/p/5067556.html

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的重构智能合约（中）：平行宇宙与无限扩展的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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