与时俱进的全新设计：Cell 模型

本文是对前几期秘猿区块链课堂中关于 Cell 模型的总结。底层公链 CKB 的 Cell 模型是一个高度抽象的模型，事实上，你不仅可以在 Cell 上实现 First-class Asset，也可以在 Cell 上模拟 Account。通过本文的介绍我们可以看出，Cell 模型是一个不同于 UTXO 模型和 Account 模型的新设计。除了状态模型的不同，CKB 还将计算（也就是状态生成）转移到了链外，在链上只需要对状态进行验证的逻辑。独特的状态模型和计算验证分离这两点决定了 CKB 的编程模型上必然会出现新的 DApp 范式和设计模式。

秘猿科技区块链小课堂第 19 期

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喜欢函数式编程的工程师应该很熟悉一个名词：First-class Function，翻译成中文应该叫「头等函数」或者「一等函数」。First-class Function 指的是一类编程语言，在这些语言中函数是一个完全独立的概念：函数可以被当作值赋给一个变量，可以被当作参数传递给其他函数，也可以被当作返回值从其它函数传出来。在这样的语言中我们可以像操纵数据一样操纵函数，所以在这些语言中函数和数据一样是「一等公民」（First-class Citizen）。First-class Function 是函数式语言的一个关键特性，很多函数式编程的强大能力来源于此。

Nervos CKB 使用 Cell 模型来构建整个共同知识库的状态。Cell 模型是一个非常简单但是与现有区块链设计非常不同的状态模型，我们在设计 Cell 模型的时候已经意识到，基于 Cell 模型的 DApp 将拥有一些非常不同的性质，就像函数式编程和面向对象编程会产生风格迥异的设计模式和程序特性一样。在这篇文章中，我想阐述 Cell 模型可以支持的一种非常有趣的 DApp 设计模式，我们把它叫做 First-class Asset，因为通过它我们可以将用户自定义的加密资产变成区块链中的「一等公民」。

状态模型的快速入门

在 Cell 模型之前，各种区块链使用的状态模型基本上就是两种：UTXO 模型和 Account 模型。

使用 UTXO 模型的代表是比特币。UTXO 是未被花费的交易输出（Unspent Transaction Output）的缩写，一个 UTXO 可以简单的理解为是一个比特币，然而和一般的硬币不同，每一个 UTXO 的面值都是不一样的。每个 UTXO 中都通过一段锁脚本（Lock Script）记录了这枚硬币的所有者是谁，同时保证只有所有者能够花费这枚硬币。每一个比特币全节点都会维护当前所有 UTXO 的集合，这个集合我们就称为比特币账本的当前状态（即当前的账本）。每一次比特币转账都是一个从 UTXO 集合中删除几个硬币（属于付款方）然后又增加几个新硬币（属于收款方和 / 或付款方）的过程。由于整个账本状态是基于 UTXO 这个最小单元构建的，我们把它叫做 UTXO 模型。

使用 Account 模型的代表是以太坊。Account 就是账户，和银行账户类似，代表了资产的所有者，账户里面最重要的数据是余额（Balance），记录这个账户持有的以太币的数量。账户是资产所有者的代表，所有者可以是人（对应外部账户）或者智能合约（对应合约账户），外部账户通过私钥签名来验证资产所有权，合约账户的所有权通过合约代码来确定，合约代码和状态都保存合约账户内部。外部账户要转账的时候，用户在交易中指明转账数量，账本中的付款方账户余额和收款方账户余额就会做相应的减少和增加。由于整个账本状态是基于账户（Account）这个最小单元构建的，我们把它叫做 Account 模型。

First-class Coin

UTXO 模型和 Account 模型代表了构建账本状态的两种思路。账本是所有者与资产之间关系的集合。UTXO 模型以资产为基础建模，先构建出「硬币」的概念，再给硬币赋予所有者的属性；Account 模型以所有者为基础建模，先构建出「账户」的概念，再给账户赋予余额的属性。以哪种方式作为基础模型决定了系统中的操作的基本对象是资产还是账户（所有者）。

所以我们说，硬币（Coin）是 UTXO 模型中的 First-class Citizen，每一个 UTXO 都是一个具有独立标识符的对象（Transaction ID + Output Index），Coin 是用户直接操作的对象（用户在构造的交易中包含 UTXO），账户是基于 Coin 建立的上层概念（只存在于钱包中）。因此 UTXO 是 First-class Coin。

在 Account 模型中，账户是 First-class Citizen，聚合在账户余额中的硬币没有独立的标识符。账户是用户直接操作的对象，资产的转移是由账户作为用户的代理实现的，这一点在接受方是合约账户时体现的最为明显。在这样的模型下，用户定义加密资产（例如 ERC 20）更像是通过第三方记账的方式，而非点对点的方式转移，这个差异会将第三方（这里的第三方指的是托管加密资产的智能合约）引入资产转移流程，增加智能合约的设计复杂度（我们可以把智能合约看作在资产转移时会自动执行的逻辑）。为了降低这种复杂度，Account 模型中的交易需要加入特殊的逻辑（Value 字段），但是这样的特殊逻辑只有助于原生资产，同时造成对原生资产和用户自定义资产的不同代码路径。

对于这些问题，Kelvin Fitcher 写过一篇 Looking at ownership in the EVM 进行了很好的分析，在此不再赘述。

有了这些背景，我们应该更容易理解 CKB 的这一设计理念了：

有了 Cell 模型，我们能够简化设计，并在 Nervos CKB 上实现作为「一等公民」的用户定义资产（User Defined Assets），简称 First-class Assets.

First-class Assets 与 UTXO 一样，具有独立标识符，可以被用户及脚本直接引用和操作。

First-class State

如何实现 First-class Assets 呢？

无论用何种方式，我们都需要记录所有者和资产之间的关系。这些关系记录，本质上是经过共识的状态。要有 First-class Assets, 必须先有First-class State，而这正是 Cell 模型的出发点。

Nervos CKB 的名字来自于 Common Knowledge Base（共同知识库）的缩写。我们之所以把 Nervos 网络中的区块链称为「共同知识库」，是因为它的责任是持续不断的对网络的共同状态形成全球共识，换句话说，CKB 是一个由全球共识维护的状态库。一个状态库的基本模型，很自然的是将整个状态划分为更小的状态单元组织起来。这些更小的状态单元，就是 Cell。

由于 Cell 是一种状态单元，有独立的标识符（Transaction ID + Cell Output Index），可以被直接引用，作为参数传递给脚本，它是 CKB 中的「一等公民」，也就是说状态是 CKB 中的「一等公民」。Cell 不仅仅是一种 First-class State，而且是最简单的一种 First-class State：一个 Cell 中只有 Capacity，Data，Lock 以及 Contract（可选，Contract 可以是一段代码或者指向一个 Code Cell 的 Reference）四个字段。

如下图所示，Cell 的所有者可以直接更新 Cell 中保存的状态，不需要经过任何中间方，而在 Account 模型中用户只能通过合约代码（账户中的 Code）来操作账户内的状态，状态实际上是托管在合约手中的。

值得指出的是，有了 Cell，CKB 实际上就获得了一种有状态的编程模型。一种普遍的观点是，以太坊编程模型的表达能力来自图灵完备的虚拟机，实际上通过账户使得智能合约能够保存计算状态是一个大过 EVM的优点（图灵不完备的语言也有很强大的表达能力）。

CKB 通过 Cell 和 CKB-VM（Simple Yet Powerful! 这得另外写一篇文章了）的组合实现了一种新的有状态的智能合约编程模型。这个编程模型更加适合 Layer 2，因为通过分析 Layer 2 协议的共同模式我们可以看到，协议层之间的交互对象应该是状态对象（State Transaction）而不是事件对象（Event Transaction），Layer 1 应该是一个状态层而不是计算层。

CKB 编程模型的另一个特点是，不区分数据（状态）和代码。这句话的意思是，与 Account 模型不同，合约的状态和代码都可以储存在 Cell 的 Data 字段中，保存代码的 Cell 可以被其它 Cell 引用（因为它们是First-class State!），合约的状态和代码不需要绑定在一起，存放在一个地方。开发者可以通过一条简单的指令把代码 Cell 或者数据 Cell 的内容载入运行时内存，然后根据需要自行将其解释为代码执行或者数据来读写。

有了这些底层支持，我们就可以将一个合约的代码和状态分开保存在不同的地方：Code Cell 的 Code（Data）字段存放代码，而 State Cell 的 State（Data）的字段则保存状态；在 State Cell 中通过 Contract ref 引用 Code Cell 来建立对自身保存的 State 的业务逻辑约束，通过 Lock ref 引用另外一个 Code Cell 来表达 State Cell 的所有权。每一个 State Cell 可以属于不同的用户，因此在 Cell 模型下独立的用户状态是非常容易实现的模式（在 Account 模型下，合约状态往往由多个用户状态混合构成，例如在一个 ERC 20 合约中，Alice 和 Bob 的 Token 余额都记录在同一个合约的内部状态里面）。

如果想对 CKB-VM 上的合约编写有更多了解，请看这两篇文章「An Introduction to Nervos CKB-VM」「Hello：CKB」：有了这样一种编程模型，我们就能构造 First-class Asset 了。

First-class Asset

CKB 中的用户定义资产（User Defined Asset）可以这样来构造：

1. 设计资产定义合约（Asset Definition），规定资产的主要约束（例如总数量，发行者，交易前后数量不变等）；
2. 保存合约代码到 Asset Definition Cell 中；
3. 在满足发行权限的情况下，发行者发行资产，并将资产状态保存在另外的 State Cell中。State Cell 的 Contract
   字段引用保存了资产定义的 Code Cell，保证 State Cell 的变化受到资产定义的约束；
4. Asset Cell 的持有者可以通过更新 Lock 来改变 Asset Cell 的所有者。

可以看到，在这样的设计中，用户定义的资产是作为独立对象存在于系统中的，每一份资产都是一个 Cell，每一份资产都拥有自己的标识符。我们完全可以认为 Asset Cell 是 UTXO 的通用化版本。这样的 First-class Asset 有如下优点：

• Asset Cell 可以被引用，可以直接作为其它合约的参数传入。只要引用 Asset Cell 的 Input
  有正确的用户授权，合约就可以正常的使用用户的 Asset Cell；
• 资产定义与资产状态分离。Asset Definition Cell 的所有者是资产的发行者，而 Asset Cell 是属于每个用户的。Asset Cell 的授权逻辑和业务逻辑分离，所有权完全由自己的 Lock 决定，与 Asset Definition 的逻辑无关，这意味着 First-class Asset 不是托管在资产发行者、开发者或是资产定义合约的手中，而是真正完全属于用户的；
• 用户的资产相互隔离，用户资产状态独立。CKB 的经济模型关注状态存储激励问题：用户在区块链上保存状态不仅需要支付写入费用，而且应该承担与存储时间成正比的存储成本。如果用户的资产状态混合在一个地方保存（例如 ERC 20），这些状态的存储成本有谁来支付将是一个问题。
• 只要 Asset Definition Cell 的 Lock 逻辑允许，资产定义可以独立更新。

上面的示意图只是在 CKB 上实现 First-class Asset 的一种方式。除了上面讨论的方面，还有一些有趣的细节，例如，Asset Definition Cell 是不是可以有属于自己的状态？Asset Definition Cell 以及 Asset Cell 的 Capacity 应该由谁来提供？对于这些问题，我们已经有了一些非常漂亮的想法。这些细节的设计、讨论和实现是我们现在正在进行的工作。

Summary

Cell 模型是一个高度抽象的模型，事实上，你不仅可以在 Cell 上实现First-class Asset，也可以在 Cell 上模拟 Account。通过这篇文章的介绍我们可以看出，Cell 模型是一个不同于 UTXO 模型和 Account 模型的新设计。除了状态模型的不同，CKB 还将计算（也就是状态生成）转移到了链外，在链上只需要对状态进行验证的逻辑。独特的状态模型和计算验证分离这两点决定了 CKB 的编程模型上必然会出现新的 DApp 范式和设计模式。

了解更多

从CKB白皮书完成到现在将近一年的时间中，我们看到越来越多的人开始关注和讨论First-class State和First-class Asset这两种新的思路（虽然大家用的名词各自都不一样），这些进展让我们非常兴奋。如果你有兴趣对First-class State和First-class Asset进行更多的探讨，或是在CKB的编程模型上有什么有趣的想法，欢迎联系我们讨论～

CKB的代码已经完全开源，这篇文章介绍的内容在代码中都已经实现。欢迎给我们的代码提出各种意见：

https://github.com/nervosnetw... 9 (ckb上用ruby脚本编程的示例，理解ckb上编程模型的最佳入口）
https://github.com/nervosnetw... 1
https://github.com/nervosnetw... 2
感谢Ian Yang, Xuejie Xiao，Kevin Wang在CKB和Cell模型设计中提供的帮助～