0  引言

區(qū)塊鏈提供了一種去除中心化的系統(tǒng)思想理念，這種思想最根本原理就是通過公眾共識的方式，創(chuàng)建一個相對客觀的抗抵賴數(shù)字環(huán)境。區(qū)塊鏈以分布式數(shù)據(jù)技術為基礎，加密技術為手段，對數(shù)據(jù)副本的分布存儲和抗抵賴驗證。目前的區(qū)塊鏈平臺，都是基于分布式技術、密碼學、點對點網絡及各種共識算法搭建的。這些區(qū)塊鏈平臺，無論是理論上或實際應用中，以及是否支持具體現(xiàn)實中的應用落地，均存在問題，并且各個平臺相互隔離，導致數(shù)據(jù)和應用的碎片化及孤島現(xiàn)象。其主要原因是：這些平臺雖然采用了區(qū)塊鏈思想，但從具體的技術架構設計環(huán)節(jié)，并沒有從系統(tǒng)化的角度側重考慮對于應用的部署和支撐。 

本文定義發(fā)布了區(qū)塊鏈標準應用模型及應用部署的方法，提出了應用系統(tǒng)獨立部署到區(qū)塊鏈的完整系統(tǒng)級解決方法。該方法通過標準化及支持自由擴展的數(shù)據(jù)接口，標準結構化及格式化的表達式用以描述任何智能合約，以及從數(shù)據(jù)區(qū)塊層至跨域層(數(shù)據(jù)區(qū)塊層、網絡層、平臺框架層、應用層、跨域層，由低至高共計五層)的系統(tǒng)模型，提供一個可以容納并支撐任何應用的區(qū)塊鏈環(huán)境。它支持任何開發(fā)者快速地將自己開發(fā)的任何應用部署到該區(qū)塊鏈平臺；自由地定義并創(chuàng)建智能合約，并按照合約的定義，自動執(zhí)行鏈上或鏈下任何應用系統(tǒng)或程序；支持將其已有的任何應用業(yè)務系統(tǒng)無縫地與主鏈對接；模型中的平行鏈和混鏈模式，可以雙向兼容任何區(qū)塊鏈主鏈或行業(yè)鏈。 

模型既保證了抗抵賴性、開放性和完全的去中心化，同時保證了數(shù)據(jù)的私密性。在防篡改性、開放性、完全的去中心化及數(shù)據(jù)私密性之間，達到了完全兼顧。解決當前區(qū)塊鏈技術本身存在的缺陷，為各行業(yè)提供了在區(qū)塊鏈環(huán)境中的應用落地方法和基礎設施。

1  Web3.0與區(qū)塊鏈標準網絡應用模型

1.1 目前Web3.0架構的缺陷

當前對于Web 3.0的描述中具代表性的是TUALS的描述，該描述對Web3.0做了抽象概括，但在具體應用實施中有不足之處：將數(shù)據(jù)層跨接在網絡層之上，但是二者的關系應該是相反的，至多是平行的關系。同時，當前這些碎片化、孤島化的區(qū)塊鏈網絡、數(shù)據(jù)及DApps的融合缺乏有效的手段。 

1.2 定義發(fā)布區(qū)塊鏈標準網絡應用Web3.0模型(Chain NetWork Web3.0，CNWW3模型) 

相對于現(xiàn)有的中心化互聯(lián)網及應用，基于去中心化思想而構建的互聯(lián)網框架及應用，與最終在這些應用之上的跨域聚合，融合現(xiàn)有的中心化互聯(lián)網和應用，組成的完整的去中心化，部分領域完全自治的生態(tài)環(huán)境，是區(qū)塊鏈Web3.0標準網絡框架的完整描述。

去中心化應用層與跨域層，是CNWW3模型針對應用部署的定義，其目標是支持任何鏈下應用系統(tǒng)無縫接入或直接部署到鏈上；任何應用系統(tǒng)可采用熱插拔的方式上鏈或下鏈；支持任何鏈上的系統(tǒng)實現(xiàn)跨域交互。 

CNWW3模型結構，如圖1所示。

圖 1   區(qū)塊鏈標準網絡應用Web3.0模型(CNWW3模型)

各個層級的描述和定義可以參考圖1。實現(xiàn)跨域層的基礎是提供可支持跨鏈的合約和共識系統(tǒng)。 

1.3 針對CNWW3模型的定義和描述

第1層，數(shù)據(jù)區(qū)塊層(Data Block Layer)。定義：基本物理數(shù)據(jù)塊的順序集合，是主鏈的基本組成單元，還有相應的數(shù)字憑證和文件。描述：提供全網的分布式數(shù)據(jù)存儲，通過諸如IPFS、加密、訪問控制等技術來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的去中心化式存儲、加解密和使用。工作方式：通過提供全局一致性的數(shù)據(jù)接口進行數(shù)據(jù)的存儲、加密和訪問能力。 

第2層，網絡交換層(Network Layer)。定義：集合多種通信協(xié)議，是各個節(jié)點相互通信和節(jié)點發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)和信息交換的基礎網絡設施。描述：系統(tǒng)的分布式節(jié)點通過網絡交換層完成組網、數(shù)據(jù)的交換和同步、共識協(xié)商、交易廣播等功能。工作方式：通過分層的P2P網絡，實現(xiàn)節(jié)點的自動登記和發(fā)現(xiàn)，并完成最終的數(shù)據(jù)和信息的交換。

第3層，平臺框架層(Framework Layer)。定義：不同鏈能力集合，鏈與鏈間的相互功能注冊、發(fā)現(xiàn)、集成平臺，跨鏈間交互的基礎。描述：基于數(shù)據(jù)和網絡，框架層提供對應的基礎區(qū)塊鏈功能和架構。其中最重要的能力就是跨鏈，通過跨鏈功能將各個區(qū)塊鏈能有機的進行組合，從而提供更多的能力。作用：提供去中心化應用開發(fā)基礎平臺和框架支持。工作方式：通過聚合不同的區(qū)塊鏈平臺，并提供有效的跨鏈解決方案，從而能集中使用各個區(qū)塊鏈平臺提供的能力，構建基于全網的去中心化應用。 

第4層，去中心化應用層(Decentralized Application Layer)。定義：鏈上和鏈下應用的一體化創(chuàng)建、部署、對接和使用。描述：大部分應用場景在這一層進行實現(xiàn)和滿足。基于框架層的支持，開發(fā)者、組織或結構都可以構建自己的去中心化應用，實現(xiàn)自己的需求。工作方式：和傳統(tǒng)的應用開發(fā)類似，應用開發(fā)者通過框架層提供的各類API或接口，定義、創(chuàng)建、發(fā)布和使用去中心化的應用。

第5層，跨域層(Cross Domain Layer)：定義：跨鏈，跨去中心化應用的聚合連接，構建完整的去中心化生態(tài)。描述：去中心化的互聯(lián)網平臺最重要的就是數(shù)據(jù)、網絡和平臺的分布式和共享，所以在應用層，也需要提供一個完整統(tǒng)一的方式，跨域層就需要完成這項工作。通過對不同應用的打通和連接，最終提供整體的去中心化網絡。工作方式：通過用戶授權和驗證，從數(shù)據(jù)層到應用層，將所有去中心化應用通過有序的方式組合，提供統(tǒng)一的入口和完整的用戶服務和體驗。

2  CNWW3模型的說明

2.1 建立公鏈

實施CNWW3模型示意圖如圖2所示。

圖 2   實施CNWW3模型示意圖 

建立基礎公鏈平臺，規(guī)范定義數(shù)據(jù)接口和結構，支持其他區(qū)塊鏈對接，是支持跨鏈基礎。跨鏈的共識通過統(tǒng)一的公鏈平臺進行提供。 

(1)公鏈用于跨鏈中繼，完成交易驗證，數(shù)據(jù)證明，智能合約執(zhí)行； 

(2)統(tǒng)一接口和規(guī)范，快速接入公鏈并支持跨鏈； 

(3)提供基礎區(qū)塊鏈平臺，完成區(qū)塊鏈方案快速部署和驗證； 

(4)提供公共開發(fā)平臺，一次性完成多個平行鏈智能合約協(xié)同開發(fā)和部署。 

公鏈內容：公鏈數(shù)據(jù)+平行鏈信息摘要(交易摘要或散列值)。通過格式化的表達式描述交易，使用壓縮算法有效地提高區(qū)塊存儲能力，記錄更多平行鏈的信息。公鏈的區(qū)塊數(shù)據(jù)必須包含如下內容： 

(1)標識：序號、時間戳、區(qū)塊hash值、前區(qū)塊hash值；

(2)歸屬：區(qū)塊生成者； 

(3)其他信息：隨機值、難度值、附加信息等； 

(4)權重：大小； 

(5)信息摘要：交易樹、狀態(tài)樹、收據(jù)樹、數(shù)據(jù)樹。 

行業(yè)鏈或聯(lián)盟鏈或私有鏈，都可以通過公鏈平臺快速建立。CNWW3支持調用創(chuàng)建鏈的封裝快速建鏈。

2.2 中繼模式支持跨鏈

跨鏈解決現(xiàn)有區(qū)塊鏈網絡相互隔離的問題，真正打通不同網絡/應用之間的隔閡。

(1)在不改變現(xiàn)有區(qū)塊鏈的基礎上，通過提供獨立平行鏈，完成平行鏈與公鏈的對接；

(2)提供標準的接口規(guī)范。新區(qū)塊鏈基于對接規(guī)范適配開發(fā)即完成跨鏈。其中非常重要的一點是，如果新鏈是基于公鏈創(chuàng)建的，就可以認其為公鏈的側鏈，天然具有支持跨鏈的功能。

2.3 共識機制 

CNWW3模型采用一種混合的共識機制(Proof of Mixture，POM)，基于POW(Proof of Work)的工作量證明與有效性權重(Proof of Validity Weight)方式。周期內隨機選定符合條件的節(jié)點，在分層的基礎上，通過打包進入區(qū)塊的驗證信息(多個維度)的權重來決定區(qū)塊的有效性，并完成全網區(qū)塊同步。相關維度包括：

(1)來源。不同平行鏈有不同優(yōu)先級。 

(2)價值。基于一個時間段的平均值。 

(3)等待時長。等待時間越長，權重越高。 

(4)類型。不同類型有不同權重。 

(5)其他維度。合約的層級或特殊權重地址等。 

2.4 擴展性和兼容性 

并非所有交易合約都需全網驗證，最終區(qū)塊全網一致即可；采用隨機算法，各類BFT和零知識證明等算法，通過部分節(jié)點快速確認和驗證交易和合約，并最終在全網達成共識；網絡結構分層和節(jié)點分類，使數(shù)據(jù)、交易、合約和共識相互分離，避免相互制約和耦合，滿足獨立和可擴展性。 

通過CNWW3模型中交易鎖定方式，在CNWW3模型定義的公鏈發(fā)起有鎖定條件的交易，平行鏈監(jiān)聽其他區(qū)塊鏈的交易結果并同步至公鏈，完成跨鏈交易。對于支持智能合約的區(qū)塊鏈網絡，調用公鏈智能合約，通過平行鏈的智能合約橋接，執(zhí)行主鏈部署的智能合約進行交易。平行鏈監(jiān)聽主鏈交易和狀態(tài)并同步至公鏈，完成跨鏈交易。 

2.5 分層機制

CNWW3模型在協(xié)議分層： 

(1)數(shù)據(jù)層、交易層、共識層、合約層、應用層，按照對應邏輯進行清晰劃分；

(2)軟件結構層面，定義接口的方式，進行獨立和解耦。通過標準的UBCI（Universal Block Communication Interface)接口協(xié)議，各層使用不同的方式(如不同的語言，環(huán)境等)實現(xiàn)對應的功能和接口；

(3)不同層級采用不同共識的方式，相互間非阻塞異步處理； 

(4)信息哈希處理，區(qū)塊同步時能有效調整已經被驗證過的區(qū)塊順序。 

2.6 分片機制

CNWW3模型中，數(shù)據(jù)同步、共識處理和合約執(zhí)行，通過強隨機分片方式進行高速分離處理。即：數(shù)據(jù)無需全網同步，共識無需全網處理，合約無需全網執(zhí)行。通過交易參與方靈活指定，達成交易快速處理。最后通過公鏈分層共識機制，完成最終的全網同步。

2.7 支持超過十萬TPS級別的交易和合約執(zhí)行能力 

通過對于交易和合約執(zhí)行的共識分區(qū)隔離，通過算法確定全網的一致，能支持高交易量。在CNWW3模型中，通過交易個數(shù)動態(tài)調整區(qū)塊大小，并在區(qū)塊中將交易和合約本身的內容進行分離，主塊中只存儲交易和合約的摘要值或散列值，同時提供異步調用合約機制，提高同一個區(qū)塊處理的交易和合約的個數(shù)。

2.8 關于交易

CNWW3模型中，交易是具有狀態(tài)的：

(1)創(chuàng)建：基于本地新建交易，除常規(guī)內容，支持指定其他規(guī)則，如時間、區(qū)塊號、驗證人數(shù)、鎖定時長/區(qū)塊、簽名規(guī)則、通知信息等；

(2)發(fā)布：發(fā)布交易至區(qū)塊鏈，等待驗證確認； 

(3)待驗證：已經收到交易，并等待驗證； 

(4)驗證：開始驗證交易； 

(5)鎖定：如指定鎖定規(guī)則，則按照規(guī)則鎖定； 

(6)解鎖：按規(guī)則解鎖交易； 

(7)成功：驗證成功/解鎖成功并成功進入區(qū)塊； 

(8)失敗：無法進入區(qū)塊的其他情況。 

對應的狀態(tài)變遷如圖3所示。

圖 3   交易狀態(tài)變遷示意圖

2.9 智能合約 

CNWW3模型中公鏈提供完備的智能合約機制，便于應用開發(fā)者進行相應的智能合約開發(fā)，公鏈網絡自身部分工作也是內置的智能合約完成的，如：節(jié)點角色分配和申報、投票和表決、平行鏈維護、分片機制、有效性驗證調用、監(jiān)察維護及非法舉報、跨鏈合約鎖定。編寫智能合約沒有嚴格的限定，通過多編程語言的API接口，準許使用者任意選擇語言對合約開發(fā)和部署。提供智能合約升級功能，可最大限度保障安全和可靠性。在公鏈中，智能合約的狀態(tài)有如下幾種： 

(1)創(chuàng)建：新建一個智能合約； 

(2)更新：更新一個智能合約，某些特定合約支持更新功能； 

(3)調用：執(zhí)行智能合約； 

(4)暫停：暫停智能合約執(zhí)行； 

(5)恢復：恢復智能合約執(zhí)行； 

(6)停止：停止智能合約執(zhí)行。 

CNWW3模型中智能合約調用執(zhí)行方式如下：交易驅動型、消息驅動型及Oracle驅動型。通過分層共識，分片調配，支持異步合約，為合約提供更大自由度。合約代碼和數(shù)據(jù)的存儲位置可在不同的節(jié)點。

 對應的狀態(tài)變遷如圖4所示。

圖 4   智能合約狀態(tài)變遷圖

2.10 角色描述 

CNWW3模型中，不同角色分別維護公鏈和平行鏈。為了在平行鏈和公鏈上以最簡方式存儲必要的數(shù)據(jù)，也提供分布存儲能力，用于存儲其他類型的基礎數(shù)據(jù)。 

(1)權益所有者(O)。具有系統(tǒng)Token的用戶。 

(2)公鏈維護者(M)。任意節(jié)點都是維護者。 

(3)平行鏈維護者(P)。任意節(jié)點可申請成為平行鏈維護者。 

(4)所有的節(jié)點都自動具有監(jiān)督者/候選者(C)的角色。在指定周期內未被選中承擔M或者P角色的節(jié)點，可以自動作為C的角色進行監(jiān)督和監(jiān)察的工作。也可能被選中作為M或P的角色，在不同階段承擔不同角色。 

(5)公鏈服務提供者(S)。提供公鏈服務的節(jié)點。 

(6)數(shù)據(jù)存儲者(D)。分布式數(shù)據(jù)存儲的節(jié)點。 

角色示意圖如圖5所示。

圖 5   角色示意圖

2.11 網絡平臺

CNWW3模型對于網絡層是可自動伸縮的自適應網絡，分層如圖6所示。

圖 6   網絡層級示意圖

(1)公鏈平臺、平行鏈平臺和基礎數(shù)據(jù)存儲平臺，在點對點網絡層分為公鏈層、平行鏈層和數(shù)據(jù)存儲層； 

(2)公鏈層網絡承擔最高并發(fā)和同步要求的網絡層，處于最高優(yōu)先級。當節(jié)點身兼多職，對應公鏈的網絡信息將是第一優(yōu)先級； 

(3)平行鏈網絡的能動態(tài)調整和伸縮； 

(4)數(shù)據(jù)存儲網絡支持數(shù)據(jù)的安全性校驗。 

3  CNWW3模型的應用場景 

幾種常見場景的描述如下，便于更進一步理解方案內容。 

3.1 平行鏈維護

CNWW3模型提供支持以太坊及其他區(qū)塊鏈的平行鏈。開發(fā)者可按照CNWW3模型的定義進行實施，完成第三方區(qū)塊鏈平行鏈接入。同步母鏈區(qū)塊鏈信息到平行鏈，并觸發(fā)公鏈智能合約執(zhí)行；同步公鏈交易/智能合約到平行鏈，并觸發(fā)母鏈智能合約進行交易/合約執(zhí)行。

這兩項工作，均涉及平行鏈的數(shù)據(jù)和狀態(tài)的維護，下面是涉及的相應操作步驟： 

(1)周期內平行鏈選擇維護節(jié)點Pn； 

(2)同步上一個周期內的Pn-1節(jié)點的數(shù)據(jù)到Pn；

(3)觸發(fā)平行鏈的交易和合約； 

(4)平行鏈觸發(fā)母鏈的交易和合約； 

(5)Pn節(jié)點查詢母鏈的執(zhí)行結果； 

(6)觸發(fā)公鏈的交易和合約； 

(7)Pn節(jié)點查詢公鏈的執(zhí)行結果； 

(8)Pn節(jié)點提交母鏈結果至公鏈； 

(9)Pn節(jié)點提交公鏈結果至母鏈； 

(10)Pn節(jié)點打包平行鏈區(qū)塊并廣播；

(11)Pn節(jié)點提交平行鏈區(qū)塊結果至公鏈； 

(12)公鏈完成最終驗證并打包區(qū)塊。 

3.2 跨鏈交易/智能合約執(zhí)行

首先需要考慮的是交易部分，其中涉及兩種類型的母鏈，一種是支持智能合約的，如以太坊；另外一種是完全不支持智能合約的，需要分別進行考慮。

3.2.1 無智能合約能力的母鏈跨鏈交易——不支持鎖定

該場景下，通過公鏈的交易狀態(tài)屬性，能完成對應的跨鏈交易。

整個過程簡要描述如下：

(1)PB……>PA(x)(鎖定交易)；

(2)OA——>OB(y)(起始鏈交易)； 

(3)PB——>PA(x)(鎖定交易確認)； 

(4)PA……>PB(x)(再次鎖定交易)； 

(5)DB——>DA(z)(目標鏈交易)； 

(6)PA——>PB(x)(再次鎖定交易確認) 

3.2.2 無智能合約能力的母鏈跨鏈交易——支持鎖定 

母鏈支持鎖定狀態(tài)的話，一種可能的跨鏈交易方式如下： 

(1)OA……>OB(y)(起始鏈鎖定交易)； 

(2)DB——>DA(z)(目標鏈交易)； 

(3)OA——>OB(y)(起始鏈鎖定交易確認)

3.2.3 有智能合約能力的母鏈跨鏈交易 

這種場景下的跨鏈交易，通過智能合約的支持，將大大降低對應的難度，與無智能合約能力支持鎖定的母鏈跨交易類型相比，在OB和DB上均可以通過智能合約，完成對應的鎖定和釋放工作，同時，交易的結果可以直接通過消息告知，不用通過OP和DP進行輪詢查找。

3.2.4 跨鏈智能合約執(zhí)行  

智能合約的執(zhí)行，母鏈一定是支持智能合約的。這種方案和具有智能合約的母鏈跨鏈交易原理是一致的，這里不再贅述，可以通過公鏈的智能合約能非常便捷地完成對應的跨鏈合約。

4  結論

本方案通過對現(xiàn)有區(qū)塊鏈平臺的分析并結合實際的行業(yè)需求，在多個維度對區(qū)塊鏈技術和應用快速落地進行了突破，提出相關的改進和解決方案，完成并發(fā)布CNWW3模型標準： 

(1)通過標準的接口和數(shù)據(jù)結構定義，任何應用均可以無縫接入區(qū)塊主鏈，解決傳統(tǒng)應用上鏈的問題； 

(2)通過標準、結構化和可擴展的描述表達式完成智能合約的描述，突破了當前沒有一套標準的智能合約表達描述，所有的系統(tǒng)只能自己定義自己的合約執(zhí)行系統(tǒng)，不能夠相互兼容的問題； 

(3)通過中繼方式，使用側鏈技術和平行鏈技術完成跨鏈的信息和價值交換，解決了當前區(qū)塊鏈主鏈相互不兼容的難點； 

(4)將分布式網絡進行分層處理，提供不同的優(yōu)先級，保障最重要的信息和數(shù)據(jù)進行交換和同步； 

(5)通過交易和合約完整狀態(tài)定義，提供交易驗證的后置技術方案，解決交易和驗證的高并發(fā)問題。 

通過CNWW3標準模型，現(xiàn)有的區(qū)塊鏈網絡可以快速進行跨鏈的價值和信息交換，新的應用也能基于公鏈進行快速開發(fā)、部署和驗證，最終構建完整的基于去中心化網絡的應用生態(tài)體系。

(收稿日期：2018-07-06)

作者簡介：

白杰(1980-)，男，本科，系統(tǒng)分析師，高級技術職稱(國家副高職)，主要研究方向：信息安全、數(shù)字加密與身份識別、數(shù)據(jù)基因技術、數(shù)字基因工程、超大規(guī)模數(shù)據(jù)傳輸與處理、基于“云”網絡的大規(guī)模數(shù)據(jù)集中并發(fā)運算處理技術、基于“云”網絡的大規(guī)模數(shù)據(jù)分布式協(xié)同運算處理技術。

李東云(1981-)，男，本科，主要研究方向：電子信息科學與技術、智能設備、網絡系統(tǒng)安全和互聯(lián)網技術。 

吳先鋒(1978-)，男，碩士，主要研究方向：計算機軟件、算法和軟件及系統(tǒng)結構、軟件中間件服務器。