Libra技術原理淺析（一）：基本設計

panpan研報社 2019-08-11

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Facebook在2019年揭示了其在加密貨幣層面點野心。19年6月，F(xiàn)acebook突然宣布了自己的發(fā)幣計劃，Libra。其目的是想要打造一個屬于“the internet of money”的時代。Facebook希望借助Libra去服務全球萬千用戶，讓所有人享受電子支付帶來的便利。關于Libra的爭議和各種政策層面分析層出不窮，但是從技術層面該如何理解Libra，似乎并沒有非常多的討論。媒體和分析師更喜歡用奪人眼球的角度去看待Libra，得出了很多“怪異”的預測和結(jié)論。拋開這些繁雜的概念和爭議，本文希望從技術角度去理解Libra所構(gòu)建的區(qū)塊鏈世界。全部資料來源于Libra項目白皮書，另外目前Libra還在開發(fā)過程中，討論僅限于白皮書中已經(jīng)披露的技術細節(jié)。

Libra Blockchain 初窺

Libra要構(gòu)建一個“全新的”加密貨幣系統(tǒng)，其目標是要做到：

實現(xiàn)一個能夠承載數(shù)十億的賬戶的區(qū)塊鏈系統(tǒng)，這個系統(tǒng)需要由高吞吐量，低延遲的交易能力以及一個高效的大容量存儲系統(tǒng)；
極高的安全性，足以保障資金和金融數(shù)據(jù)的安全；
足夠的靈活性以便支撐Libra生態(tài)的管理和金融創(chuàng)新。

在設計上，Libra借鑒了當前市場上已有的區(qū)塊鏈系統(tǒng)，選擇了三個重要的技術方向：

設計了一套新的智能合約編程語言，Move；
選擇Byzantine Fault Tolerant作為共識算法；
遵循已有的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)存儲模型。

Libra Reserve

有新意的地方是Libra Reserve的發(fā)幣機制。

在傳統(tǒng)的數(shù)字加密貨幣系統(tǒng)中，如比特幣，數(shù)字貨幣往往是被“憑空”挖掘出來的。這種加密貨幣的“發(fā)行”行為是一種純粹的“體內(nèi)循環(huán)”的激勵機制，其發(fā)幣的動機是為了維持該加密貨幣系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)（激勵礦工為用戶的交易做驗證、打包和執(zhí)行等工作）。

這些加密貨幣的背后并沒有和實體資產(chǎn)有任何的錨定關系，也沒有組織和機構(gòu)宣布過對這些加密貨幣的剛性對付。而Libra Reserve則描繪了一個不一樣“發(fā)幣”機制：首先，Libra的投資者和用戶需要使用法幣從Libra協(xié)會手中“購買”Libra代幣，當有1塊錢的法幣被Libra協(xié)會“收儲”之后，才會有等價1塊錢的Libra代幣被“發(fā)行”出來（原諒我使用“收儲”這個詞，實在沒有想到更好的動詞去描述這個動作）。

Libra協(xié)會會去集中管理這些“收儲”的法幣，并使用這些法幣去做高安全、低收益的投資，例如投資各種主權(quán)基金。這些投資的收益大部分會用來支持Libra生態(tài)的運轉(zhuǎn)?？雌饋磉@似乎更像是一個“世界銀行”，用戶可以把各種法幣“儲蓄”到Libra上，然后在Libra的的支付網(wǎng)絡上使用Libra代幣去做交易，或者通過Libra授權(quán)經(jīng)銷商把代幣兌換成法幣。個人認為這種發(fā)幣機制更多的是金融層面的概念，本文不再做更多討論，其帶來的影響和利弊還是留給專業(yè)人士去探討。而從技術角度去看，這里實在沒有什么好解釋的，既沒有比特幣“挖礦”過程的艱辛，也不涉及復雜的執(zhí)行過程。

Libra 的設計

Libra在設計上把自己的主要結(jié)構(gòu)定義成一個“可信”數(shù)據(jù)庫（a cryptographically authenticated database，不知道該如何翻譯），然后通過Libra協(xié)議在這個數(shù)據(jù)庫上維護了一個全局狀態(tài)統(tǒng)一的總賬本。Cryptographically Authenticated的意思是說這個數(shù)據(jù)庫中保存的數(shù)據(jù)都是經(jīng)過密碼學驗證過的，可以保證數(shù)據(jù)的真實可靠。而在網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)上，Libra有兩類節(jié)點：用戶節(jié)點（Client）和驗證節(jié)點（Validator）。如下圖，client可以提交或查詢交易，Validator則負責根據(jù)Libra協(xié)議去處理這些交易并維護賬本的更新。

Transactions and States

State（狀態(tài)）指賬本中某個數(shù)據(jù)的狀態(tài)（值），在不同的時間節(jié)點上，數(shù)據(jù)可能有不同的狀態(tài)。Trasaction（交易）指一個去改變某些數(shù)據(jù)狀態(tài)的指令。比如：

Alice當前賬戶余額是100，這是一個狀態(tài)；Alice要買一個包，向商戶作出了一個付款的行為，這個付款指令是一個交易；付款之后，Alice的賬戶余額變成了50，這是一個新的狀態(tài)。

另外，Libra網(wǎng)絡還維護了一個Ledger State，這里面存儲了賬戶地址和賬戶數(shù)據(jù)之間的映射。

Transaction 模型

一個Transaction由下列內(nèi)容組成：

Sender Address，交易發(fā)起者的地址（不是物理意義的地址，可以理解成發(fā)起者的“銀行賬號”）；
Sender's publick key，交易發(fā)起者的公鑰；
Program，交易指令；
Gas Price，Gas價格。Gas是衡量計算量一個度量，每執(zhí)行一定的交易代碼就會產(chǎn)生一定Gas，客戶要為這些Gas買單；
Maximum gas amount，客戶愿意支付的Gas上限；
Sequence number，序列號；
Expiration time，失效時間（如果一個交易在失效時間內(nèi)沒有被執(zhí)行，則交易作廢）；
Signature，數(shù)字簽名。

乍一看和很多傳統(tǒng)區(qū)塊鏈系統(tǒng)（以太坊）的Transaction模型類似，比較獨特的地方有兩處：Program和Sequence number。

Program部分包含三個部分：

Move語言字節(jié)碼組成的交易腳本
（可選項）交易腳本的輸入內(nèi)容，在轉(zhuǎn)賬交易中，腳本的輸入是轉(zhuǎn)賬的金額和接收方地址。
（可選項）Move語言字節(jié)碼模塊，可以理解成一個智能合約的合約內(nèi)容。

Sequence number是當前賬戶所發(fā)起的交易序列號，每個賬戶的交易序列號從0開始，每完成一筆交易則序列號自增1。

Account 模型

Libra中的賬戶模型和以太坊類似，從邏輯上看，賬戶是一個擁有兩類資源的一個集合：Move Mouldes（程序代碼）和Move Resources（數(shù)據(jù)）。Mouldes存儲的是Move語言字節(jié)碼，即智能合約的代碼，這些代碼可以去訪問或更新Resouces中的數(shù)據(jù)。Resouces存儲是是數(shù)據(jù)部分，賬戶擁有的Libra Coin也是存儲在Resource中。賬戶的地址Address是一個256bit的值。前面提到，Libra網(wǎng)絡通過一個 k-v map的形式在Ledger State中維護了Address到Account（Mouldes和Resoucrces）的映射。要創(chuàng)建一個Libra賬戶，首先要構(gòu)造一對公私鑰 (vk,sk)，該賬戶的地址等于公鑰 vk的 hash值， address=hash(vk)。注意，這個時候賬戶并沒有在Ledger State中出現(xiàn)，只有當一個已經(jīng)存在的賬戶向該地址發(fā)起一筆交易的時候，Libra網(wǎng)絡才會在Ledger State中創(chuàng)建有關該賬戶的映射結(jié)構(gòu)。一個用戶可以有無數(shù)個賬戶，一個賬戶下面可以有無數(shù)的Mouldes和Resource。

Versioned Database

在討論這個部分之前，先說一點題外話。雖然Libra把自己稱之為Libra Blockchian，然而Libra似乎并沒有引入?yún)^(qū)塊的鏈式（Block chain）結(jié)構(gòu)，僅在共識協(xié)議的實現(xiàn)上引入了“區(qū)塊”的概念作為共識算法的“優(yōu)化”手段。這并不奇怪，實際上業(yè)界已經(jīng)意識到Blockchian這個詞并不能代表這一類系統(tǒng)的核心特性，很多學者和分析師更愿意用分布式賬本技術（Distributed Ledger Technology，DLT ）來稱呼這一類技術。這類系統(tǒng)的核心是在對等的分布式環(huán)境下維護一個全網(wǎng)狀態(tài)統(tǒng)一的賬本，至于是不是基于區(qū)塊鏈機制實現(xiàn)的，并不重要。回到Versioned Database，Libra定義了一個基于version的三元組存儲在這個數(shù)據(jù)庫中：對于每一個Version i，數(shù)據(jù)庫中存儲了這樣的一個三元組 <Ti,Oi,Si>，分別指交易 Ti，交易 Ti執(zhí)行時產(chǎn)生的輸出 Oi，交易 Ti執(zhí)行之后的賬本狀態(tài) Si（交易 Ti是在狀態(tài) S_(i-1)的基礎上執(zhí)行的）。簡單講，Libra這個數(shù)據(jù)庫在邏輯上是一個線性的結(jié)構(gòu)，交易記錄在數(shù)據(jù)庫中只能單向增長，像一部定格電影，在每個時間點上都有一個對應的世界狀態(tài)的快照。

一筆交易的執(zhí)行過程

當一筆交易請求提交到Validator上之后，會觸發(fā)一系列的處理過程。本文以“Alice向Bob轉(zhuǎn)賬10Libra”為例來詳解這個過程。

構(gòu)造交易

首先，Alice需要在本地構(gòu)造這個交易，就像填一張“支票”一樣，如下圖。

Validator 的工作

Libra在Validator上劃分出了多個邏輯組件，不同的組件負責不同的操作，這些組件包括：

Admission control（AC）
Virtual Machine（VM）
Mempool
Consensus
Execution
Storage

后面會結(jié)合下圖去解釋一個交易的執(zhí)行過程

接受交易

Validator通過AC獲取交易。
AC通過VM執(zhí)行交易檢查，包括：使用交易中的公鑰（地址）驗證交易簽名（基于密碼學的數(shù)字簽名原理：有且只有通過Alice的公鑰解開Alice的簽名可以獲得和原文內(nèi)容一致的文本；由此可以確認交易的發(fā)起者一定是Alice本人，且交易的內(nèi)容真實可信），檢查Alice余額是否足夠，交易序列號是否正常等。
當交易通過檢查，AC會把這個交易放到Mempool中。

在 Validator 之間共享交易信息

Mempool中可能已經(jīng)有很多筆交易了。
Mempool會通過shared-mempool協(xié)議和其他Validator節(jié)點共享各自所有的已接受的交易信息。

打包提議

假設當前Validator是共識過程中的proposer/leader（不在此詳細討論Libra共識算法的具體過程），該節(jié)點會從Mempool中拿出一部分交易，打成一個區(qū)塊（Block）。Consensus模塊負責同步這個塊到其他Validator節(jié)點上。
Consensus模塊接下來負責協(xié)調(diào)各個Validator對該區(qū)塊內(nèi)當交易內(nèi)容達成共識，包括交易記錄的順序。

執(zhí)行區(qū)塊中的交易

當Validator們達成共識之后，這個區(qū)塊（一個排序好的交易集合）會被送到Execution模塊。
Execution模塊通過VM去按序執(zhí)行區(qū)塊中的交易。對于Alice的交易來說，執(zhí)行過程在邏輯上需要把Alice的賬戶余額減少，把Bob的賬戶余額增加；物理上需要對Resource部分的數(shù)據(jù)進行修改。
執(zhí)行完成后，Execution會把這些交易按序添加到一個臨時的Merkel樹結(jié)構(gòu)中。
Leader節(jié)點的共識模塊再次協(xié)調(diào)所有Validator節(jié)點對執(zhí)行結(jié)果進行確認并達成共識。

Commit 區(qū)塊

當一個區(qū)塊當執(zhí)行結(jié)果被絕大多數(shù)當Validator認可之后，Execution模塊就會從剛剛的cache中讀取之前的執(zhí)行結(jié)果，然后把所有當交易提交到存儲模塊做持久化保存。
至此，Alice的轉(zhuǎn)賬交易完成，Alice的賬戶余額減少了 (10 gas) Libra，Bob的賬戶增加 10，Alice的 sequence number從 5變成 6。