区块链技术精华:五种智能合约支持平台

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大家已经看到,区块链正在改变我们的世界。

区块链解决了人类一直面对的一个重大问题,信任问题。区块链可为任何需信任的事物创建一种不可更改的追溯印迹,由此解决信任的问题。

当然,该技术的强大还不止于此。

它在上述特性上继续扩展,用以创建一经制定就必须准守的规则,其中的每个行为都会产生相应的反应。其实,就是智能合约。

本文列出了十种支持或是用于开发智能合约的平台或项目,它们均在不断的演进中。如果读者发现本文存在任何遗漏或错误,希望能在评论中提出。

附: 本文对智能合约平台 / 项目的评估,主要考虑的是影响智能合约功能的一些因素,而不是整体功能评估。

1. 以太坊(Ethereum)

优点:

图灵完备。拥有可能是规模最大的开发人员社区。最支持智能合约的平台。

不足:

它使用 Solidity 语言。与 C++、C#、Python 等现代开发语言相比,Solidity 并不具有优势。如果智能合约编写的效率不高,那么实现代价巨大。

智能合约语言:Solidity

现状: 活跃。

说明:

以太坊是首批在区块链中引入智能合约概念的平台之一,并得到了开发者社区的最大支持。它宣称实现了图灵完备的智能合约平台。合同代码由每位以太坊网络中的矿工在 EVM(以太坊虚拟机)上执行。它是最广为使用的区块链项目平台。

尽管以太坊平台可安全使用,但是其因用户实现代价问题而备受批评。此外,以太坊平台缺乏可扩展性,会导致交易速度不高,不适合当前的现实世界应用。

平台使用Solidity语言。Solodity 可以很好地实现图灵完备,但是缺乏现代语言的灵活性,存在的问题包括:

输入和返回参数不支持多维数组(例如,字符串数组)。对此问题存在替代解决方案。智能合约函数支持的参数数量有限(不能多于十六个)。否则会给出“stack too deep”错误。

上述问题表明,为适应现代语言的灵活性,该智能合约语言依然需要进一步发展。

有资料列出了Solidity 存在的 62 个问题。

学习资源: CryptoZombies 主页,Solidity 官方文档,OpenZeppelin,以太坊的 Medium 博客。

2. Quorum

优点:

图灵完备。通过使用constellation,添加了支持网络中两个以上参与者间发送私有交易的特性,因此更适用于企业用户。将瓦斯(GAS)价格降至零,但依然保持瓦斯限制。这样 Quorum 在利用瓦斯限制所提供的安全特性的同时,将交易代价(即瓦斯价格 * 瓦斯限制)降至零。

不足:

开发人员社区相对不大。因为也使用 Solidity 作为合约语言,因此具有和以太坊同样的不足之处。

智能合约语言: Solidity

现状: 活跃

说明:

简而言之,Quorum 是以太坊智能合约平台的一种版本,它提供免费的交易,并且还能够使用constellation完成各参与方间的私有交易。

Quorum 维护了两个账本,即公开的和私有的。公开账本被公开交易修改,私有账本只针对私有交易所涉及的各方,被私有交易修改。

Quorum 与以太坊联系密切,它们使用同一核心平台和语言。因此 Quorum 也同样继承了以太坊智能平台的优缺点。

学习资源: Quorum 文档,CryptoZombies,Solidity 文档,OpenZeppelin。

3. Wanchain

优点:

在正常以太坊智能合约平台特性之外,添加了用户隐私特性。适用于跨链交易。

不足:和以太坊一样。

智能合约语言: Solidity

现状: 活跃

说明:

Wanchain 是以太坊的一个分支,因此它继承了以太坊的许多属性。此外,它还提供了用户隐私特性。Wanchain 侧重于通过区块链实现当前金融模型的数字化。

Wanchain 的隐私特性是通过使用环签名(ring signature)实现的,环签名可实现交易签名者完全匿名,并为接收者提供了验证发件者签名的能力。此外,Wanchain 还提供一次性地址(OTA,One Time Addresses)选项,实现了进一步的匿名功能。

Wanchain 的分布式账本建立在以太坊的功能之上,因此任何以太坊 DApp 都可以在 Wanchain 上运行,而无需更改任何代码。为了增强这些应用程序,Wanchain 提供了许多拥有扩展跨链功能和改善隐私保护的 API,扩展了 DApp 的功能。

学习资源: Wanchain 上实现智能合约的文档,Wanchain 代币,CryptoZombies、Solidity 文档,OpenZeppelin,Oliver Birch 的 Medium 博客。

4. ?ternity

优点:

引入了新的智能合约语言和 VM,实现代码的快速安全执行。使用状态通道和高效的方式执行合约,维持低代价交易。通过提供一种版本的 EVM,简化了将 EVM 合约迁移到?ternity。

智能合约语言: Sophia,Solidity,Varna

现状: 活跃

说明:

?ternity 智能合约的既定功能目标是支持在链上执行代码。也就是说,代码执行由矿工验证,并且可以改变链状态。

?ternity 智能合约的设计和实施还具有下述非功能性目标,按重要性顺序列出为:

合约的执行应该是安全的。合约的执行应该是高效的、可扩展的。合约的执行应该是低代价的。具有从以太坊智能合约迁移的简单方式。

目标一:合约执行应该是安全的

安全合约指的是用户可以指定并自动地验证合约的属性。

为了实现安全合约,?ternity 设计了一种新的功能语言 Sophia,以及一种新的安全虚拟机 FTWVM。

目标二:合约执行应该是高效和可扩展的

为实现可扩展的解决方案,?ternity 提供了状态通道(State Channel)和一种新的共识算法。

为实现高效的合约执行,?ternity 提供了一种非常高层的语言,支持快速、直接地执行简单的合约。对于更高级的合约,可使用 Sophia 语言。Sophia 将会编译为一个专用于执行 Sophia 合约的虚拟机。该虚拟机也是一种高层虚拟机,其中具有操作区块链和 Sophia 数据结构的指令,无需显式管理堆栈和内存。

?ternity 也使用一种称为“Varna”的高层智能合约语言。该语言类似于比特币的脚本语言,但是不提供循环和固定的瓦斯价格。Varna 使用自身的虚拟机 HLM(High Level Machine),代码直接被节点软件执行。Varna 设计实现高速的日常合约。

目标三:合约执行应该低代价

合约执行的代价最终取决于矿工和用户,但是通过提供状态通道,实现了一种高效的合约执行方式,由此维持了简单高层合约语言的低执行代价。

目标四:具有迁移以太坊智能合约的简单方式

?ternity 通过提供一个版本的 EVM,简化了从 EVM 合约迁移到?ternity。

学习资源: 智能合约文档,Sophia 文档,Sophia 简介,?ternity 的 Medium 博客

5. Zen

优点:

完备性(参见下面给出详细解释)。鉴于智能合约语言是“独立设计”的,因此更难以出错,并且语言的表达力完全可以用于“形式化验证”(参见下面给出的详细解释)。

智能合约语言: F*

现状: 活跃

说明:

与其它智能合约项目相比,Zen 协议提供了一种完全不同的智能合约实现方式。

下面从智能合约的定义开始解释。从最抽象的意义上看,智能合约是一种设计运行于去中心化环境中的计算机程序。也就是说,智能合约的运行是用于确认区块链的共识。在比特币中,智能合约实现为Bitcoin Scripts形式,用于验证交易正确与否。在以太坊中,智能合约实现为 EVM 字节码形式,用于更改 EVM 的状态。

Bitcoin Script 的局限性在于它并非“图灵完备”的,也就是说,它不能表达所有计算机程序。如果我们想要在智能合约中表达任意逻辑,那么合约语言必须可执行任意逻辑,这样才能确认共识。图灵完备语言具备表达任何“不停止”程序的能力,即永远不会停止执行的程序。通常,我们并不知道一个程序是否会完成并终止,或是程序需要多长时间才会终止,执行程序需要多少计算资源。正是因为我们不知道执行程序所需的资源,因此不能使用非图灵完备语言确定共识。一个程序可能不会停止,这意味着也无法确定共识。

以太坊的 EVM 相比 Bitcoin Script 更具表达力。EVM 为每个 EVM 字节码指令关联了一个“瓦斯价格”(GAS Cost)。用户支付一定量的“瓦斯”,EVM 就开始执行智能合约指令。EVM 首先计算一条指令的瓦斯价格,如果瓦斯量足够继续执行,那么 EVM 将从用户支付的瓦斯量中扣除所需瓦斯价格,执行指令并继续。如果在指令执行完成前瓦斯量用尽,那么执行指令将会失败。使用这种方式,EVM 可以表达几乎所有的计算。以太坊智能合约的唯一局限性在于合约必须最终终止,因为用户不会为无限循环计算的执行而无限量地支付瓦斯。在实际运行中,我们很少关注那些不会终止的程序,因此这一局限性制基本不构成问题。

EVM 解释字节码指令和追踪瓦斯消耗的过程是非常低效的。对于每条指令,EVM 必须查看该指令的瓦斯价格,检查剩余瓦斯量是否充足,并从剩余瓦斯量中扣除所需瓦斯价格。使用这种执行模型,很难以优化改进运行时间。

以太坊中所有智能合约必须终止的限制是有意义的。实现所有程序必须终止的语言,事实上并非图灵完备的,只是“完备”而已。Zen 在表达智能合约中使用了一种完备的语言,而不是依赖于某种通过追踪瓦斯价格确保完备性的执行模型。完备语言并非绝对适用于表达包括循环和递归在内的所有逻辑,Zen 协议的问题也正在于此。

Zen 的智能合约语言是一种“依赖类型的语言”(Dependently Typed)。也就是说,每个表达式必须具有一个类型,并且类型依赖于表达式和类型。依赖性类型系统的表达力足以用于实现“形式化验证”。这些类型可表达一个表达式中的任意属性。例如,尽管在一些基本类型语言中,我们可以定义数字 3 的类型为“Integer”。但是在一些独立类型语言中,数字 3 也可以定义为“Prime Integer”类型,或是定义为“小于 10 的整数”类型。

如果类型不正确,那么类型化语言会在编译时报错。而非类型化语言则不会这样。如果程序表达了错误的资源消耗或是错误的断言,那么编译将会失败。

Zen 协议的智能合约方式使用了这一方式。它用独立类型化源代码表达资源的消耗情况。如果代码编译通过,那么它确保了资源消耗是正确的。鉴于我们使用了完备语言,因此我们知道程序终将结束。而我们从代码本身可了解资源的消耗情况,因此我们就预先知道了代价,进而无需在运行代码前解释字节码指令并计算瓦斯消耗量。这体现了编译代码相对与解释代码的高效性。Zen 当前使用了 F# 语言,并将 F# 编译为 CLI 字节码,然后执行。Zen 协议也可以使用其他实现方式,例如使用 OCaml 和 C 等。

编译过程只需做一次。代码一旦通过编译,就可以多次执行,这极大地提高了效率。

下面进一步详细阐述整个过程。在交易中,用户提交自己的智能合约源代码,节点将编译代码,从中提取程序及表达程序资源消耗的表达式。之后节点执行合约,这要比执行解释型代码更加高效。代码本身就是合约的组成部分,而编译后的二进制代码则不属于合约,并且只存在于节点的本地。在合约提交到“激活”之间存在延迟,使得节点可以在接收到合约后开展并行的合约编译,进而使得合约在数个区块后得以使用。合约的编译并不影响交易通量。

Zen 智能合约不仅运行速度快,而且在大部分时间中也可以并行执行。

Zen 协议在运行智能合约所需的时间上具有较少的局限性,可以更快地处理包含智能合约的交易。Zen 智能合约不仅运行速度快,而且在大部分时间中也可以并行执行。

不同于 EVM,Zen 协议不将完整的虚拟机作为共识的一部分进行维护。不同于 EVM 的单线程执行方式,Zen 合约之间是相互独立的,因此支持并行执行合约。这极大地提高了执行效率,因为现代硬件适合于高度并发。鉴于 Zen 合约是无状态的,只实现功能,因此合约中不存在竞争条件,或存在其它妨碍并发执行的问题。包含同一智能合约的多个交易可能并不易于并行执行,必须要串行执行。但是,这种方式运行的是高效、编译后的代码,因此性能相比起在 EVM 上执行同等计算还是要快一些。

智能合约是以数字形式定义的承诺,控制数字资产并涵盖合约参与者约定的权利和义务。它由计算机系统自动执行。在基于区块链的智能合约中,数据管理、事务验证和状态处理都是在区块链上完成的,区块链提供完备的状态机接受和处理各种智能合约程序。

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