区块链和分布式账本技术（第 1 部分）

区块链是一种分布式账本技术，但并不完全等同于分布式账本技术。 有什么不同？ 本文作者 Brent Xu 通过对比以太坊、Hyperledger Fabric 和 R3 Corda 来阐明这个问题，有助于我们理解区块链和分布式账本技术。

与 Hyperledger Fabric 或 R3 Corda 等分布式账本技术相比，以太坊区块链既有相似之处，也有不同之处。 在对区块链和分布式账本技术平台及其为企业带来的价值进行合理评估时，需要系统梳理其核心功能和特点。 由于区块链源于密码学和数据配置的原理，某些功能在协同数据库系统中得到了很好的应用，而另一些功能则只能在真正的区块链技术中才能实现。

在本文中，我们将评估面向企业的平台的底层业务能力，包括 Ethereum、Hyperledger Fabric 和 R3 Corda，包括软件如何捕获其影响以及整个系统如何进行整体优化，无论是通过传统的分布式系统或通过区块链系统。

特别是，我们将关注三个关键特征：

区块链的主要目标：企业希望通过这项技术实现什么？

像以太坊这样的区块链与其他分布式账本技术相似，有着相似的目标。 但是，很难知道企业希望通过区块链技术实现什么，就像1990年代互联网刚刚诞生时，企业并不知道如何使用这个强大的工具。 与目前的情况类似，我们都知道区块链技术可以实现很多功能，但是如何将这些功能融入到商业业务逻辑中，需要对其底层功能有进一步的了解和评估。

评估主要包括三个方面：数据的处理和核对、可信和不可变的记录以及资产的数字化。

这三个维度足以涵盖区块链的主要用途，同时让这些功能进一步外推到其他商业业务场景。 通过这三个方面的探讨，可以揭示实体企业使用这项技术背后的逻辑。

信息的有效处理和协调

如果唯一的目的是改进分布式系统设计或数据库协调，区块链不一定是必要的。 在传统宣传中，区块链是基于技术推动平台内的数据传输，实现更好的数据协同和分布式共识机制。

虽然有用，但这些所需功能的重要部分也可以通过更好地协调中央数据库或分布式系统设计来优化。 在评估期间，有必要确定平台和协议尝试优化现有数据协调功能和实现新的区块链功能的程度。 区块链不仅仅用于更高级的数据协调。

产品和交易的不可变/可信记录

关于我们为什么需要区块链的原始论文围绕着“数字信任”的概念展开。 正如 ConsenSys 的 Andrew Keys 所说，“互联网导致信息数字化，区块链导致信任和协议数字化。”

这一论点体现了区块链希望实现的精神，同时为我们的社会和商业提供了另一种方式。 另一个变量是价值的数字化。 当信任价值锚定在系统上时，一定的联盟结构和激励机制将影响和激励系统内的正确行为，从而形成一个强大的平台。

在设计系统时以太坊是多账本还是单账本，不变性（immutability）常被用作信任的同义词，即由于系统是不可变的，人们相信系统的不变性机制，以确保做坏事不会受到惩罚。 在我们对平台协议的评估中，重要的是评估可信系统实施背后的机制，以确保商业模型机制（通过密码经济学进一步探索）将使平台用户受益。

资产数字化

商品和资产的数字化被视为大多数区块链或分布式账本技术的主要目标。 如果企业要进行资产数字化，分布式账本的数据库协同可以提供一些功能，但更多的是要考虑这些数字产品的可用性。

由于数据库协调本质上是通过传统软件模型集中运行或分布在一个或多个贸易集团之间，因此数字化水平可能会受到数字平台提供的自由度的限制。

虽然数字化商品的概念听起来像是一个简单的过程，但经济激励动态的不同方面以及围绕房地产、甚至人类注意力和电力等商品如何数字化的经济推理要求我们重新考虑哪个平台负责数字化以及哪个供应商平台在什么情况下有“供应商锁定”，以及对哪个管理平台的依赖。

记录和登记（如权证系统和供应链）也可以通过分布式账本系统实现，但如果依赖封闭的专有系统以太坊是多账本还是单账本，数字资产与经济激励层的交互水平相当有限，扩散到数字生态系统。 否则市场将受到严重阻碍。 利用开放市场提供的自由市场体系有助于促进不断发展的数字生态系统。

评估数据协调功能数据库协调：功能

当深入分析这些平台的功能特性时，例如不变性、安全性、可扩展性、可管理性和性能，但通过了解构建体系结构的基础知识可以学到更多。

分布式系统中已经有很多用于数据协调的工具。 这方面的重要示例是 Hadoop 及其生态系统集成工具，例如 Spark、Hive 和 Zookeeper。 对这些产品的依赖显示了分布式系统工具和协议的大量集成。

进一步的相似之处可以在 Tendermint 等协议中体现出来，Tendermint 是一种 BPFT 共识引擎，其功能类似于 Apache Zookeeper 等工具。 在内部，也有沿着事件排名数据库的方向进行研究，这些数据库可以复制协调数据共享系统所需的多种功能。

通过评估 Apache Kafka 和数据流服务如何在企业环境中实现高水平的吞吐量，我们可以根据对这些数据库的不同依赖程度来区分区块链和分布式账本之间的功能差异，以进行协调和优化。

包括 Plasma 在内的以太坊实施正在利用 MapReduce 等工具在 UTXO 和基于账户的模型之上增强某些映射功能，同时还减少了 Merkle 证明的组件，尽管协议的基础层仍然依赖于以太坊区块链。 了解这些细节可以进一步深入了解如何最好地评估这些软件平台的技术特性。

数据协调：平台比较

(1) IBM 结构

通过对 Fabric 架构的深刻理解，该平台创建了一个复杂的开发环境，专注于软件架构的详细配置，以在分布式节点环境中实现出色的吞吐量以实现最佳性能。 在封闭系统中，链码在客户端和背书分布式网络之间的移动，以及满足背书策略的交易机制和收据传输都是高效的。

而在专用通道内传播事务的 Gossip 协议允许协调大型数据集。 虽然基础设施稳健且功能强大，但在考虑如何设计架构以允许多边协调结构时，请考虑可能最终导致无法管理的网络所涉及的因素。

图 2：Hyperledger Fabric 架构

该图显示了 Fabric 的一些架构配置，以及如何将组件组织到为高级信息处理和最大事务吞吐量而设计的系统中。

主要思想是渠道提供了在平台内移动交易的机会。 从架构上看，OSN（ordering service nodes）的功能是用来记录Apache Kafka事务排序的功能。 在数据流生态系统中，Kafka 是一个强大的工具，能够将各种事务顺序附加到单独的 Kafka 集群并最终对它们进行分区。

在这个设置中，数据可以分布在一个集群中，形成一个分布式存储平台，可以记录数据结构，映射到块上，或者有时记录在称为“块”的“状态”结构定义或 Blob 数据结构中，值存储配置。 这个软件框架承认的是，生态系统中的所有参与者和数据结构都是本地的，因为它们主要与软件生态系统中的其他用户一起工作。

图 3：Apache Kafka

虽然应该认识到散列的配置不遵循与比特币或以太坊区块链系统相关的原始架构设计，但实际上 Fabric 使用分布式账本的子结构来部署某些散列链接数据存储。

虽然数据 blob 被分批处理并经历交付事件以最终创建到交易的哈希链接，但必须理解的是，此过程不一定会将数据转换为系统状态的修改。 相反，块的配置方式是将信息存储在具有不同哈希实例的数据库类型结构中。

在Fabric生态系统中，交付事件被称为区块，chaincode通过部署事件最终保护排序服务结构链接部分的数据。 系统的数据结构和模块的配置能够让分布式数据库架构达到预期的交易吞吐量，尽管应该承认资产代码协调仍然是一个尚未完全解决的挑战，而Fabric生态作为资产而价值不一定有潜力在账本中进行对账的数字表达。

(2) R3 科尔达

R3 Corda 声称不建立在区块链环境之上，而是建立在使用各种形式的结构重新配置的分布式数据库之上，该系统主要由银行和其他机构用于其流程。 该平台大量借鉴了比特币交易中使用的 UTXO 模型，其中状态由一系列输入和输出定义，输入的不同重新配置可以确定输出的状态。

R3 Corda 架构框架依赖于称为公证人的子模块的节点结构，这有助于维护其他平台中验证器结构的网络有效性，从而抽象出共识功能。 节点由附加在允许使用 SQL 查询的数据结构中的关系数据库组成。 事务通信受子协议约束。

这些流程类似于 IBM Fabric 中的通道架构，其中信息仅供交易中的参与方访问。 类被转换为称为纤程或协程的状态机。 该架构与子流程通信，并与具有平台范围预定义功能的流程库交互。 此外，Corda 中有一个独立的身份层，允许在整个网络中进行不同程度的访问控制。

R3 Corda曾公开表示不打算做区块链，因为将分布式数据库的概念重新配置成分布式数据库，确实严重依赖传统数据库系统。 虽然该系统是围绕新颖的数据结构和分布式系统组织方式的不同组件构建的，但该平台确实具有数据分布的特点，并找到了各种方法来优化数据分布系统的功能。

需要记住的是，由于系统仅限于特定架构范围内的数据协调，因此牺牲了与实际区块链系统的集成，因为在原始设计中没有实现模块化和互操作性。

图 4：R3 Corda 工作流程

(3) 以太坊

以太坊生态系统由私有链和公有链生态系统组成。 公共区块链不具备数据协调上下文中描述的吞吐量和数据处理能力，因此不应根据这些能力进行评估。 在评估以太坊的这方面时，综合以太坊私有链网络拓扑的不同细微差别是最有意义的。

以太坊黄皮书公布了以太坊规范和代码库的技术细节。 由于严格遵守这个协议，以太坊的分叉和联盟实现确实与原来的技术基础相似。 事实上，无论是工作量证明（PoW）、权威证明（Proof of Authority）还是权益证明（PoS）的实现，同一个规范是连续的，因为协议被认为是同一个以太坊的后裔虚拟机 (EVM) 规范。

改进后的架构仍然指定与原始 EVM 对齐。 Quorum 等平台的主要变化包括更改共识机制、修改全局根状态以适应私人和公共状态、Patricia Merkle 尝试以及处理私人交易的附加模块。

该架构允许软件维护原始以太坊配置的系统和数据结构，同时进行改进以实现更高的交易吞吐量。 除了 Quorum 提供的改进的数据交易优化之外，通过 Plasma、Truebit 和 Cosmos 等工具协调和集成公共以太坊环境的能力为协议提供了额外的可扩展性。

MapReduce 和 Abstract Rewrite Systems 等数据库管理工具将通过对 Casper 中的 Plasma 和共识等工具的技术评估在以太坊中实现。 在 Plasma body 系统中，MapReduce 是位图-UTXO 承诺结构的组成部分，它汇集了基于帐户的系统的协调和多种设置。

通过结合防欺诈机制设计（Fraud-proof mechanism designs）和股权激励结构（Fidelitybond incentive structures），利用根链、Plasma链和子链之间的交互，精心规划的交易处理范式有助于满足区块-预扣和大规模取款表面之间的动态。

它还允许使用来自 Casper 或 Truebit 等系统的机制来填充更多的加密经济结构，以根据空间中普遍存在的数据可用性问题反映纠删码中使用的概念。 对于多连接架构，以太坊将能够结合分布式数据库系统的数据库协调和吞吐能力与实际区块链的公链兼容能力。

数据库协调：结论

关于数据库编排能力的一个可行的结论是，由于对传统数据库和分布式系统软件架构的依赖，IBM 基于整体单一设计和大量资源密集型流程构建了 Fabric。 IBM 拥有卓越的数据库管理工具集。

R3 Corda 仍在进一步定义其功能，同时为银行和金融机构提供多种协调服务，私下重新配置比特币协议中的细微差别。 以太坊虽然是为公链兼容而设计的，但不具备IBM Fabric原有的数据库处理能力，但与Fabric相比，在企业案例中具有良好的可用性和可扩展性。

遵循基于 Unix 哲学的模块化设计，以太坊和互补客户端的私有实例可以用作构建更大系统的构建块。 以太坊相关的代码库旨在与 Fabric 等数据库平台的交易吞吐量能力相抗衡，同时允许 Corda 和 Fabric 中不存在的功能，但也可以探索跨平台的互补关系。 主要的区分因素可以从后续因素的评估中进一步阐明。

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