用可替代区块链的DAG实现智能合约

DAG（有向无环图）是一种非线性数据结构，可以替代区块链，用于分布式账本的存储。这种结构在并发的场景下有更好的性能表现，但在实际应用中会面临更多的技术挑战。其中，最大的挑战在于，基于 DAG 结构实现智能合约，要比基于区块链结构困难得多。本文将讨论 DAG 和区块链这两种账本结构，在加密货币和智能合约两个场景下的不同，以及如何基于 DAG 来实现智能合约。

首先，我们先从最简单的场景出发——加密货币。加密货币是一个分布式数据库，存储了每个账户的余额信息。在加密货币网络上运行着很多台计算机，这些计算机称为节点（Node）。每一个节点都会存储一份关于账户余额的数据，这份数据通常被称为“状态”(State)。

与传统的中心化银行系统不同，这种分布式账本要求所有节点对状态达成某种共识。或者说，对任意一个账户来说，要求这个网络上每台计算机所存储的余额都是一致的。由于状态的数据量比较大，在网络上传输全部数据非常困难，因此，在这种系统中，往往只传输那些能够引起状态变化的事件，也就是“交易”(Transaction)。想想看，你的钱不会无缘无故的增加或减少，只有在别人向你付款，或者你向别人付款的时候，账户余额才会发生变化。因此，只要知道一个账户所有历史转账（Transfer）记录，就可以很容易计算出当前的余额。

在加密货币系统中，所有发生过的转账交易，都记录在一个被称为账本（Ledger）的数据结构中。这种账本通过密码学的方式进行了某种加密，使得每一个节点都可以验证自己获取的账本数据是不是被篡改过。

区块链是一种经典的账本结构，广泛应用于比特币、以太坊等去中心化系统。它将一组交易打包成区块 (Block)，通过哈希引用将区块组织成一个链式结构。

而 DAG 是在区块链的基础上扩展出来的另外一种账本结构。在 DAG 账本中，一个区块通常只包含一个交易，它们彼此之间通过哈希引用，构成一种有向图结构，并且保证图中不存在环路。DAG 账本有很多不同的变体。例如，任意一个交易均引用两个其他交易作为其前驱节点，所构成的 DAG 被称为“Tangle”，应用于 IOTA 等项目；在另外一种 DAG 结构中，交易被组织成若干条链，并通过一些成对的交易彼此链接，这种 DAG 被称为“Block Lattice”，应用于 Nano、Vite 等项目。

大部分人没有意识到，事实上，区块链结构也是 DAG 的一个特例。

那么问题来了，假如每个节点拿到的账本是完全一样的，那么根据这个账本计算出来的状态是否也完全一样呢？首先来看区块链这种结构。在这种结构中，所有的交易都是有序的，改变任何两个交易的顺序，都会破坏区块链的哈希引用关系，从而破坏账本的有效性。因此，无论在哪个节点上进行计算，从同一个初始状态出发，经历同样的转账交易序列，总会产生相同的结果。非常完美，不是吗？无论是比特币还是以太坊，节点之间不需要传输和比较庞大的状态数据，只需要就账本数据达成共识就行了。账本中所包含的信息，就足够一个节点计算出正确的状态了。

我们在来看看 DAG 账本，是不是还具有这样的特性。好运气还在，在 DAG 账本中，虽然一些交易之间的顺序从账本中已经获取不到了，但这些顺序并不影响节点计算状态。因为加密货币中的状态计算，都是对余额的加减运算，这些运算是满足交换律的，只要保证任何账户的余额不小于 0，交易的先后是无所谓的。因此，无论如何遍历 DAG 账本，最终计算的账户余额数据都一样，也就是说，任何节点都可以通过 DAG 账本来恢复正确的状态。

谈完了加密货币，我们再来看看智能合约。在现实世界中，很多应用场景不像加密货币那样只记录一个余额就足够了。例如飞机票预订应用，在状态中需要记录一个航班上每一个座位的归属。这个时候，交易也不再仅仅表示转账了，可能包含任何对智能合约的请求数据，例如一张机票的预订请求。这个时候，改变两个交易的先后顺序，就有可能产生不同的状态。想想看，如果 Alice 和 Bob 都尝试去预订同一班飞机上的同一个座位，那么这个座位将归属于先预订的那个人。在智能合约的场景下，好运气终结了，交易之间不再完全满足交换律了。这就迫使我们不得不去认真对待账本中每个交易之间的顺序。

那么，到底哪些交易是必须进行排序的，而哪些交易不用关注顺序呢？最理想的情况是，写一个函数，可以根据系统中部署的智能合约逻辑，判断任何两个交易顺序是否会影响最终状态。假如有这样的函数存在，我们就可以在构造 DAG 账本时，知道哪些交易之间必须建立一个哈希引用。或者通俗的说，在表示 DAG 账本的图中，明确的知道哪些圆圈之间必须加一个箭头连接起来。遗憾的是，这个的函数的计算量非常大，无法用于现实的系统。所以我们只能放弃这种“完美”的方案，采用另一种更为简单粗暴的方法。

为了给出一个简单的交易排序规则，我们需要对系统做一些限制：

首先，我们将系统的状态，或者称“世界状态”，看作是由每个账户的状态组合而成的。其中任何两个账户的状态都是独立的，不会互相影响。一个用户的余额不会根据另一个用户余额的变动而发生改变，一个合约的数据也不会受另一个合约影响。

然后，我们限制每一个交易只能影响一个账户的状态。比如转账交易，在我们的方案中，一个交易要么使某一个账户余额减少，要么使某一个账户余额增加，而不能同时改变两个账户的余额。也就是说，转账交易被拆分成“出账交易”和“入账交易”。同样的，智能合约调用的交易也被拆分成“请求交易”和“响应交易”。

有了上面两条限制，排序规则就变得简单了：那些影响同一个账户状态的交易之间必须进行排序；另外，一对“请求交易”和“响应交易”也必须满足请求交易在响应交易之前。

按照这种规则进行排序的 DAG 账本，每个账户都有一组有序的交易，或者说每个账户都拥有一条自己的区块链，称之为“账户链”。另外，不同的账户链之间也会通过一对请求 - 响应交易之间的顺序建立起联系。这种结构的 DAG 就是前文提到的“Block Lattice”。

基于这样的账本结构，你会发现，世界又恢复了秩序。无论以什么样的顺序遍历 DAG 账本，只要遵循账本中记录的交易顺序，总可以计算出同样的世界状态。这也是 Vite 项目选择这种结构作为账本的原因。而采用 Tangle 结构实现智能合约，就必须引入另外一套排序规则。这在逻辑上相当于在原来 DAG 结构之外，针对同一组交易，另外建立一个不同的 DAG 结构，专门服务于智能合约，增加了工程实现上的难度。

本文简要描述了去中心化系统中的不同账本结构，以及基于 DAG 结构实现加密货币和智能合约的区别。最后总结出一种在工程上易于实现智能合约的 DAG 结构。读者如果希望探寻更多的细节，可以阅读 Vite 白皮书 (https://vite.org)。

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