发布区块链标准应用模型及应用部署技术研究

0 引言
区块链提供了一种去除中心化的系统思想理念，这种思想最根本原理就是通过公众共识的方式，创建一个相对客观的抗抵赖数字环境。区块链以分布式数据技术为基础，加密技术为手段，对数据副本的分布存储和抗抵赖验证。目前的区块链平台，都是基于分布式技术，密码学，点对点网络，及各种共识算法搭建的。这些区块链平台，无论是理论上或实际应用中，以及是否支持具体现实中的应用落地，均存在问题，并且各个平台相互隔离，导致数据和应用的碎片化及孤岛现象。其主要原因是：这些平台虽然采用了区块链思想，但从具体的技术架构设计环节，并没有从系统化的角度侧重考虑对于应用的部署和支撑。

本文定义发布了区块链标准应用模型及应用部署的方法，提出了应用系统独立部署到区块链的完整系统级解决方法。该方法通过标准化及支持自由扩展的数据接口，标准结构化及格式化的表达式用以描述任何智能合约，以及从数据区块层至跨域层（数据区块层，网络层，平台框架层，应用层，跨域层。由低至高共计五层）的系统模型，提供一个可以容纳并支撑任何应用的区块链环境。支持任何开发者快速的将自己开发的任何应用部署到该区块链平台；自由的定义并创建智能合约，并按照合约的定义，自动执行链上或链下任何应用系统或程序；支持将其已有的任何应用业务系统无缝的与主链对接；模型中的平行链和混链模式，可以双向兼容任何区块链主链或行业链。

模型既保证了抗抵赖性、开放性和完全的去中心化，同时保证了数据的私密性。我们在防篡改性、开放性、完全的去中心化，及数据私密性之间，达到了完全兼顾。解决当前区块链技术本身存在的缺陷，为各行业提供了在区块链环境中的应用落地方法和基础设施。

1 Web3.0 与区块链标准网络应用模型
1.1 目前Web3.0 架构的缺陷
当前对于Web 3.0 的描述中具代表性的是Stephan Tual 的描述，该描述对Web3.0 做了抽象概括，但在具体应用实施中有不足之处：将数据层跨接在网络层之上，但是二者的关系应该是相反的，至多是平行的关系。同时，当前这些碎片化、孤岛化的区块链网络、数据及DApps 的融合缺乏有效的手段。

1.2 定义发布区块链标准网络应用Web3.0 模型（ChainNetWork Web3.0，CNWW3 模型）相对于现有的中心化互联网及应用，基于去中心化思想而构建的互联网框架及应用，与最终在这些应用之上的跨域聚合，融合现有的中心化互联网和应用，组成的完整的去中心化，部分领域完全自治的生态环境，是区块链Web3.0 标准网络框架的完整描述。

去中心化应用层与跨域层，是CNWW3 模型针对应用部署的定义，目标：支持任何链下应用系统无缝接入或直接部署到链上；任何应用系统可采用热插拔的方式上链或下链；支持任何链上的系统实现跨域交互。

1.3 针对CNWW3 模型的定义和描述
第1 层，数据区块层（DataBlockLayer）。定义：基本物理数据块的顺序集合，是主链的基本组成单元，还有相应的数字凭证和文件。描述：提供全网的分布式数据存储，通过诸如IPFS，加密，访问控制等技术来实现数据的去中心化式存储，加解密和使用。工作方式：通过提供全局一致性的数据接口进行数据的存储，加密和访问能力。

第2 层，网络交换层（NetworkLayer）。定义：集合多种通信协议，是各个节点相互通信和节点发现，数据和信息交换的基础网络设施。描述：系统的分布式节点通过网络交换层完成组网，数据的交换和同步，共识协商，交易广播等功能。工作方式：通过分层的P2P 网络，实现节点的自动登记和发现，并完成最终的数据和信息的交换。

第3 层，平台框架层（FrameworkLayer）。定义：不同链能力集合，链与链间的相互功能注册、发现、集成平台，跨链间交互的基础。描述：基于数据和网络，框架层提供对应的基础区块链功能和架构。其中最重要的能力就是跨链，通过跨链功能将各个区块链能有机的进行组合，从而提供更多的能力。作用：提供去中心化应用开发基础平台和框架支持。工作方式：通过聚合不同的区块链平台，并提供有效的跨链解决方案，从而能集中使用各个区块链平台提供的能力，构建基于全网的去中心化应用。

第4 层， 去中心化应用层（ DecentralizedApplication Layer）。定义：链上和链下应用的一体化创建、部署、对接和使用。描述：大部分应用场景在这一层进行实现和满足。基于框架层的支持，开发者，组织或结构都可以构建自己的去中心化应用，实现自己的需求。工作方式：和传统的应用开发类似，应用开发者通过框架层提供的各类API 或接口，定义，创建，发布和使用去中心化的应用。

第5 层，跨域层（Cross Domain Layer）：定义：跨链，跨去中心化应用的聚合连接，构建完整的去中心化生态。描述：去中心化的互联网平台最重要的就是数据，网络和平台的分布式和共享，所以在应用层，也需要提供一个完整统一的方式，跨域层就需要完成这项工作。通过对不同应用的打通和连接，最终提供整体的去中心化网络。工作方式：通过用户授权和验证，从数据层到应用层，将所有去中心化应用通过有序的方式组合，提供统一的入口和完整的用户服务和体验。

2 CNWW3 模型的说明
2.1 建立公链

建立基础公链平台，规范定义数据接口和结构，支持其他区块链对接，是支持跨链基础。跨链的共识通过统一的公链平台进行提供。

(1) 公链用于跨链中继，完成交易验证，数据证明，智能合约执行；
(2) 统一接口和规范，快速接入公链并支持跨链；
(3) 提供基础区块链平台，完成区块链方案快速部署和验证；
(4) 提供公共开发平台，一次性完成多个平行链智能合约协同开发和部署。

公链内容：公链数据+平行链信息摘要（交易摘要或散列值）。通过格式化的表达式描述交易，使用压缩算法有效的提高区块存储能力，记录更多平行链的信息。公链的区块数据必须包含如下内容：
(1) 标识：序号，时间戳，区块hash 值，前区块hash 值；
(2) 归属：区块生成者；
(3) 其他信息：随机值，难度值，附加信息等等；
(4) 权重，大小；
(5) 信息摘要：交易树，状态树，收据树，数据树；
行业链或联盟链或私有链，都可以通过公链平台快速建立。CNWW3 支持调用创建链的封装快速建链。

2.2 中继模式支持跨链
跨链解决现有区块链网络相互隔离的问题，真正打通不同网络/应用之间的隔阂。
(1) 在不改变现有区块链的基础上，通过提供独立平行链，完成平行链与公链的对接；
(2) 提供标准的接口规范。新区块链基于对接规范适配开发即完成跨链。其中非常重要的一点是，如果新链是基于公链创建的，就可以认其为公链的侧链，天然具有支持跨链的功能。

2.3 共识机制
CNWW3 模型采用一种混合的共识机制（Proof ofMixture，POM），基于（Proof of Work）POW 的工作量证明与有效性权重（Proof of Validity Weight）方式。周期内由随机选定符合条件的节点，在分层的基础上，通过打包进入区块的验证信息（多个维度）的权重来决定区块的有效性，并完成全网区块同步。相关维度包括：
(1) 来源。不同平行链有不同优先级；
(2) 价值。基于一个时间段的平均值；
(3) 等待时长。等待时间越长，权重越高；
(4) 类型。不同类型有不同权重；
(5) 其他维度。合约的层级或特殊权重地址等。

2.4 扩展性和兼容性
并非所有交易合约都需全网验证，最终区块全网
一致即可；采用随机算法，各类BFT 和零知识证明等算法，通过部分节点快速确认和验证交易和合约，并最终在全网达成共识；网络结构分层和节点分类，使数据、交易、合约和共识相互分离，避免相互制约和耦合，满足独立和可扩展性。

通过CNWW3 模型中交易锁定方式，在CNWW3模型定义的公链发起有锁定条件的交易，平行链监听其他区块链的交易结果并同步至公链，完成跨链交易。对于支持智能合约的区块链网络，调用公链智能合约，通过平行链的智能合约桥接，执行主链部署的智能合约进行交易。平行链监听主链交易和状态并同步至公链，完成跨链交易。

2.5 分层机制
CNWW3 模型在协议分层：
(1) 数据层，交易层，共识层，合约层，应用层，按照对应逻辑进行清晰划分；
(2) 软件结构层面，定义接口的方式，进行独立和解耦。通过标准的Universal Block CommunicationInterface（UBCI）接口协议，各层使用不同的方式实
现（如不同的语言，环境等）对应的功能和接口；
(3) 不同层级采用不同共识的方式，相互间非阻塞异步处理；
(4) 信息哈希处理，区块同步时能有效调整已经被验证过的区块顺序。

2.6 分片机制
CNWW3 模型中，数据同步、共识处理和合约执行，通过强随机分片方式进行高速分离处理。即：数据无需全网同步，共识无需全网处理，合约无需全网执行。通过交易参与方灵活指定，达成交易快速处理。最后通过公链分层共识机制，完成最终的全网同步。

2.7 支持超过十万TPS 级别的交易和合约执行能力
通过对于交易和合约执行的共识分区隔离，通过算法确定全网的一致，能支持高交易量。在CNWW3模型中，通过交易个数动态调整区块大小，并在区块中将交易和合约本身的内容进行分离，主块中只存储交易和合约的摘要值或散列值，同时提供异步调用合约机制，提高同一个区块处理的交易和合约的个数。

2.8 关于交易
CNWW3 模型中，交易是具有状态的：
(1) 创建：基于本地新建交易，除常规内容，支持指定其他规则，如时间，区块号，验证人数，锁定时长/区块，签名规则，通知信息等；
(2) 发布：发布交易至区块链，等待验证确认；
(3) 待验证：已经收到交易，并等待验证；
(4) 验证：开始验证交易；
(5) 锁定：如指定锁定规则，则按照规则锁定；
(6) 解锁：按规则解锁交易；
(7) 成功：验证成功/解锁成功并成功进入区块；
(8) 失败：无法进入区块的其他情况。

对应的状态变迁如下：

2.9 智能合约
CNWW3 模型中公链提供完备的智能合约机制，便于应用开发者进行相应的智能合约开发，公链网络自身部分工作也是内置的智能合约完成的，如：节点角色分配和申报、投票和表决、平行链维护、分片机制、有效性验证调用、监察维护及非法举报、跨链合约锁定。编写智能合约没有严格的限定，通过多编程语言的API 接口，准许使用者任意选择语言对合约开发和部署。提供智能合约升级功能，可最大限度保障安全和可靠性。在公链中，智能合约的状态有如下几种：
(1) 创建：新建一个智能合约；
(2) 更新：更新一个智能合约，某些特定合约支持更新功能；
(3) 调用：执行智能合约；
(4) 暂停：暂停智能合约执行；
(5) 恢复：恢复智能合约执行；
(6) 停止：停止智能合约执行。
CNWW3 模型中智能合约调用执行方式如下：交易驱动型、消息驱动型及Oracle 驱动型。通过分层共识，分片调配，支持异步合约，为合约提供更大自由度。合约代码和数据的存储位置可在不同的节点。
对应的状态变迁如下：

2.10 角色描述
CNWW3 模型中，不同角色分别维护公链和平行链。为了在平行链和公链上以最简方式存储必要的数据，也提供分布存储能力，用于存储其他类型的基础数据。
(1) 权益所有者（O）。具有系统Token 的用户。
(2) 公链维护者（M）。任意节点都是维护者。
(3) 平行链维护者（P）。任意节点可申请成为平行链维护者。
(4) 所有的节点都自动具有监督者/候选者（C）的角色。在指定周期内未被选中承担M 或者P 角色的节点，可以自动作为C 的角色进行监督和监察的工作。也可能被选中作为M 或P 的角色，在不同阶段承担不同角色。
(5) 公链服务提供者（S）。提供公链服务的节点。
(6) 数据存储者（D）。分布式数据存储的节点。

2.11 网络平台
CNWW3 模型对于网络层是可自动伸缩的自适应网络，分层如下图：

(1) 公链平台，平行链平台和基础数据存储平台，在点对点网络层分为公链层、平行链层和数据存储层；
(2) 公链层网络承担最高并发和同步要求的网络层，处于最高优先级。当节点身兼多职，对应公链的网络信息将是第一优先级；
(3) 平行链网络的能动态调整和伸缩；
(4) 数据存储网络支持数据的安全性校验。

3 CNWW3 模型的应用场景
几种常见场景的描述如下，便于更进一步理解方案内容。

3.1 平行链维护
CNWW3 模型提供支持以太坊及其他区块链的平行链。开发者可按照CNWW3 模型的定义进行实施，完成第三方区块链平行链接入。同步母链区块链信息到平行链，并触发公链智能合约执行；同步公链交易/智能合约到平行链，并触发母链智能合约进行交易/合约执行。
这两项工作，均涉及到平行链的数据和状态的维护，下面是涉及到的相应操作步骤：

(1) 周期内平行链选择维护节点Pn；
(2) 同步上一个周期内的Pn-1 节点的数据到Pn；
(3) 触发平行链的交易和合约；
(4) 平行链触发母链的交易和合约；
(5) Pn 节点查询母链的执行结果；
(6) 触发公链的交易和合约；
(7) Pn 节点查询公链的执行结果；
(8) Pn 节点提交母链结果至公链；
(9) Pn 节点提交公链结果至母链；
(10) Pn 节点打包平行链区块并广播；
(11) Pn 节点提交平行链区块结果至公链；
(12) 公链完成最终验证并打包区块。

3.2 跨链交易/智能合约执行
首先需要考虑的是交易部分，其中涉及到两种类型的母链，一种是支持智能合约的，如以太坊，另外一类是完全不支持智能合约的，需要分别进行考虑。
3.2.1 无智能合约能力的母链跨链交易——不支持锁定
该场景下，通过公链的交易状态属性，能完成对应的跨链交易。
整个过程简要描述如下：
(1) PB……>PA（x）（锁定交易）；
(2) OA——>OB（y）（起始链交易）；
(3) PB——>PA（x）（锁定交易确认）；
(4) PA……>PB（x）（再次锁定交易）；
(5) DB——>DA（z）（目标链交易）；
(6) PA——>PB（x）（再次锁定交易确认）

3.2.2 无智能合约能力的母链跨链交易——支持锁定
母链支持锁定状态的话，一种可能的跨链交易方式如下：
(1) OA……>OB（y）（起始链锁定交易）；
(2) DB——>DA（z）（目标链交易）；
(3) OA——>OB（y）（起始链锁定交易确认）
3.2.3 有智能合约能力的母链跨链交易
这种场景下的跨链交易，通过智能合约的支持，将大大降低对应的难度，与类型3.2.2 相比，在OB和DB 上均可以通过智能合约，完成对应的锁定和释放工作，同时，交易的结果可以直接通过消息告知，不用通过OP 和DP 进行轮询查找。

3.2.4 跨链智能合约执行
智能合约的执行，母链一定是支持智能合约的。这种方案和具有智能合约的母链跨链交易原理是一致的，就不做描述，可以通过公链的智能合约能非常便捷地完成对应的跨链合约。

结论
本方案通过对现有区块链平台的分析并结合实际的行业需求，在多个维度对区块链技术和应用快速落地进行了突破，提出相关的改进和解决方案，完成并发布CNWW3 模型标准：
(1) 通过标准的接口和数据结构定义，任何应用均可以无缝接入区块主链。解决传统应用上链的问题；
(2) 通过标准，结构化和可扩展的描述表达式完成智能合约的描述。突破了当前没有一套标准的智能合约表达描述，所有的系统只能自己定义自己的合约执行系统，不能够相互兼容的问题；
(3) 通过中继方式，使用侧链技术和平行链技术完成跨链的信息和价值交换。解决了当前区块链主链相互不兼容的难点；
(4) 将分布式网络进行分层处理，提供不同的优先级，保障最重要的信息和数据进行交换和同步。
(5) 通过交易和合约完整状态定义，提供交易验证的后置技术方案。解决交易和验证的高并发问题。通过CNWW3 标准模型，现有的区块链网络可以快速进行跨链的价值和信息交换，新的应用也能基于公链进行快速开发，部署和验证，最终构建完整的基于去中心化网络的应用生态体系。

参考文献
（收稿日期：2018-**-**）

作者简介
白杰，男，1980 年6 月出生；系统分析师，高级技术职称（国家副高职）；主要研究方向：信息安全，数字加密与身份识别，数据基因技术，数字基因工程，超大规模数据传输与处理，基于“云”网络的大规模数据集中并发运算处理技术，基于“云”网络的大规模数据分布式协同运算处理技术。
李东云，男，1981 年10 月出生；2004 年毕业于北京大学电子信息科学与技术专业，长期从事智能设备，网络系统安全和互联网技术的研究和开发工作。
吴先锋，男，1978 年11 月出生；2009 年毕业于法国国立土伦大学计算机软件专业，硕士；从事算法和软件及系统结构研究、软件中间件服务器研发。

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