以數(shù)據(jù)庫思維理解區(qū)塊鏈，快來看看

　　作為一個數(shù)據(jù)庫行業(yè)的老兵，我看到在區(qū)塊鏈技術(shù)的熱潮下，傳統(tǒng)的IT技術(shù)同學(xué)們保持了十分理性，甚至是排斥的態(tài)度。其實(shí)不管是熱捧還是排斥，兩極觀點(diǎn)之下，我認(rèn)為我們應(yīng)該從IT人比較能夠理解的角度探討一下區(qū)塊鏈技術(shù)。因?yàn)閰^(qū)塊鏈這個東西的本質(zhì)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)非常相像，很多機(jī)制使用數(shù)據(jù)庫的理念去理解會非常直觀準(zhǔn)確。

　　對于區(qū)塊鏈和傳統(tǒng)數(shù)據(jù)技術(shù)，我認(rèn)為區(qū)塊鏈技術(shù)的未來發(fā)展，主題是“融合”。我們就從數(shù)據(jù)庫這個角度來解讀區(qū)塊鏈技術(shù)體系中各個技術(shù)點(diǎn)，以及通過“去中心化數(shù)據(jù)庫”這個概念，把區(qū)塊鏈與數(shù)據(jù)庫技術(shù)做一個比較好的整合。

　　一、區(qū)塊鏈技術(shù)現(xiàn)狀

　　當(dāng)前的區(qū)塊鏈?zhǔn)澜缬腥颂柗Q1.0、2.0、甚至已經(jīng)到了3.0時(shí)代，但是從一個產(chǎn)品或技術(shù)打磨的角度來看，我認(rèn)為當(dāng)前的區(qū)塊鏈也就相當(dāng)于數(shù)據(jù)庫的80年代，處于百花爭鳴各種思想層出不窮的時(shí)代。

　　對技術(shù)人來說，這是最好的時(shí)代，各種新鮮的想法和思路大量爆發(fā)，在沉悶的技術(shù)領(lǐng)域帶來新鮮的突破;同時(shí)這也是最壞的時(shí)代，沒有任何產(chǎn)品或方向肯定是未來的主流，任何新鮮的思路也許在幾個月以后就被證明不可行。

　　所以，我們要正確認(rèn)知當(dāng)前區(qū)塊鏈技術(shù)的變革和發(fā)展，那我們來對比當(dāng)年數(shù)據(jù)庫所走過的道路，看看未來區(qū)塊鏈?zhǔn)澜鐣鯓影l(fā)展。

　　1、技術(shù)演進(jìn)路程

　　首先我認(rèn)為，區(qū)塊鏈一定會從當(dāng)前的專有化向通用化演進(jìn)?，F(xiàn)在基本所有做公鏈的產(chǎn)品都是針對某一個特定的場景來實(shí)現(xiàn)與優(yōu)化，但是我認(rèn)為未來一定不會是一個應(yīng)用一條鏈，而是有一種通用的開發(fā)范式。就好像傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫一樣，不管大家開發(fā)什么樣的應(yīng)用程序，都可以使用這么若干有限的幾個通用性產(chǎn)品就能夠滿足大部分業(yè)務(wù)場景了。

　　第二，向標(biāo)準(zhǔn)化演進(jìn)。對于區(qū)塊鏈技術(shù)，現(xiàn)在每個鏈基本都有自己的開發(fā)范式，甚至很多公鏈還模仿以太坊嘗試自己做一個編程語言出來，這實(shí)際上是一種行業(yè)處于原始時(shí)期的標(biāo)志。怎樣判斷一個行業(yè)開始走向成熟?就是業(yè)務(wù)模式基本固定、開發(fā)方式基本固定，這樣就能夠?qū)Υ罅康某绦蛉藛T進(jìn)行推廣了。

　　第三，產(chǎn)品化和模塊化不斷加強(qiáng)。當(dāng)前不管是以太坊、比特幣還是很多其它新的公鏈，大部分的體系結(jié)構(gòu)都是非常緊耦合的。對比起我們在大數(shù)據(jù)領(lǐng)域的Hadoop，基本每個模塊都可以作為獨(dú)立插件進(jìn)行可配置可定制的插拔。所以我認(rèn)為，隨著區(qū)塊鏈技術(shù)的不斷成熟和穩(wěn)定，未來一定會出現(xiàn)一款成熟產(chǎn)品，能夠通過可插拔配置與插件的方式滿足多種共識算法、安全機(jī)制等。

　　最后，性能與可擴(kuò)展性的提升。實(shí)際上這也是數(shù)據(jù)庫所走過的路，當(dāng)前區(qū)塊鏈?zhǔn)澜缦朐诙潭痰臅r(shí)間之內(nèi)通過側(cè)鏈、分片等機(jī)制跨過當(dāng)年數(shù)據(jù)庫幾十年來的變革。

　　接下來我會介紹，從數(shù)據(jù)庫的角度看待區(qū)塊鏈其最大的性能與擴(kuò)展能力制約瓶頸在什么地方，以及應(yīng)當(dāng)如何優(yōu)化。

　　2、發(fā)展現(xiàn)狀

　　那我們回過頭看看當(dāng)前區(qū)塊鏈行業(yè)的現(xiàn)狀。

　　拋開區(qū)塊鏈上層的一些應(yīng)用與金融領(lǐng)域的創(chuàng)新，單獨(dú)從技術(shù)角度來看，我一直認(rèn)為其最大的革新在于對等數(shù)據(jù)存儲機(jī)制的建立。

　　在數(shù)據(jù)庫這個行業(yè)里，大家一直遵從著主-從架構(gòu)，而完全“多活”的系統(tǒng)從幾十年前的提出一直以來都是傳說中的事情，從來沒有任何產(chǎn)品真正做到多活。

　　而當(dāng)我們以創(chuàng)新的多活數(shù)據(jù)庫來看待當(dāng)前區(qū)塊鏈技術(shù)時(shí)，就會發(fā)現(xiàn)三個急需改進(jìn)的問題：

　　首先，區(qū)塊鏈的體系結(jié)構(gòu)現(xiàn)在非?；靵y，大家還沒有向傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫一樣將其分類為事務(wù)、存儲過程、鑒權(quán)、主從同步等模塊，大部分人對區(qū)塊鏈的認(rèn)知還是停留在神秘的黑盒子階段。

　　第二，區(qū)塊鏈的開發(fā)語言完全不成體系。數(shù)據(jù)庫在經(jīng)過開始的“戰(zhàn)國時(shí)代”后，漸漸使用SQL做到了業(yè)界的大一統(tǒng)。而區(qū)塊鏈當(dāng)前明顯還處于“戰(zhàn)國時(shí)代”，還沒有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)和使用標(biāo)準(zhǔn)。

　　第三，需求的多種多樣，有些需求或白皮書的業(yè)務(wù)介紹是靠譜的，有些則是完全異想天開不知所云。實(shí)際上這個和區(qū)塊鏈所帶來全新的業(yè)務(wù)模式相關(guān)，很多人還在探索新的業(yè)務(wù)模型，從而導(dǎo)致需求沒有形成標(biāo)準(zhǔn)范式。

　　二、區(qū)塊鏈vs數(shù)據(jù)庫技術(shù)：相同點(diǎn)

　　從數(shù)據(jù)庫的角度對比，區(qū)塊鏈技術(shù)即去中心化多活數(shù)據(jù)庫技術(shù)，兩者之間沒有本質(zhì)區(qū)別。

　　這里我列舉了一些區(qū)塊鏈里面比較重要的技術(shù)點(diǎn)，以及這些技術(shù)點(diǎn)在數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域中是以什么形式存在的。這些概念和數(shù)據(jù)庫中的技術(shù)概念一一對應(yīng)關(guān)系如下：

　　共識機(jī)制

　　一致性控制——共識機(jī)制

　　分布式數(shù)據(jù)庫中叫做一致性控制，包括傳統(tǒng)的主從復(fù)制、新一代的Raft、Paxos等算法。在區(qū)塊鏈中為了解決額外的拜占庭問題，將算法改進(jìn)為PBFT、PoW、PoS等協(xié)議。

　　存儲機(jī)制

　　數(shù)據(jù)庫日志——賬本

　　區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)基本等價(jià)于數(shù)據(jù)庫的事務(wù)日志，其主要新增的內(nèi)容包括Merkle Tree結(jié)構(gòu)用于快速驗(yàn)證數(shù)據(jù)的正確性，但是其本質(zhì)與數(shù)據(jù)庫的交易日志等價(jià)。同時(shí)數(shù)據(jù)庫在日志中更會包括事務(wù)控制等企業(yè)級能力，是區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)所不具備的。

　　智能合約

　　智能合約——存儲過程

　　智能合約與數(shù)據(jù)庫存儲過程一樣，都是一段托管代碼。本質(zhì)上智能合約與數(shù)據(jù)庫存儲過程沒有什么區(qū)別，都是通過外部調(diào)用或虛擬機(jī)執(zhí)行一段代碼，并可以將托管代碼共享給其他用戶進(jìn)行調(diào)用。

　　分片

　　數(shù)據(jù)庫分片機(jī)制早在MPP數(shù)據(jù)庫時(shí)代就已經(jīng)存在。通過將大量數(shù)據(jù)切分在不同分片中，達(dá)到限制每個分片數(shù)據(jù)總量，并提升總吞吐量和存儲空間的目的。

　　應(yīng)用開發(fā)接口

　　當(dāng)前區(qū)塊鏈還處于類似數(shù)據(jù)庫當(dāng)時(shí)的早期時(shí)代，接口沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化。根據(jù)區(qū)塊鏈項(xiàng)目不同，其接口可以按照數(shù)據(jù)庫、對象存儲、API調(diào)用、甚至PaaS平臺標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行定義。

　　安全

　　區(qū)塊鏈的安全機(jī)制與數(shù)據(jù)庫安全機(jī)制具有相似之處。數(shù)據(jù)庫安全一般分為鑒權(quán)與授權(quán)兩個模塊，分別代表用戶登錄以及訪問權(quán)限。而區(qū)塊鏈當(dāng)前僅支持記錄級寫授權(quán)，但是對于讀操作時(shí)完全共享的。因此，從安全策略上數(shù)據(jù)庫比當(dāng)前的區(qū)塊鏈完善很多。

　　三、區(qū)塊鏈vs數(shù)據(jù)庫技術(shù)：不同點(diǎn)

　　數(shù)據(jù)庫與區(qū)塊鏈功能架構(gòu)圖

　　1、功能架構(gòu)

　　黃色部分是區(qū)塊鏈和數(shù)據(jù)庫架構(gòu)都擁有的功能。白色的部分是目前數(shù)據(jù)庫獨(dú)有的功能。

　　我們在上文也有提及數(shù)據(jù)庫的SQL能力是實(shí)現(xiàn)其通用性的重要部分，SQL對于之后區(qū)塊鏈的開發(fā)模式固定下來很重要。

　　索引管理這塊，在數(shù)據(jù)庫中主要是提升數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)查詢的性能效率的，當(dāng)具體的應(yīng)用場景出現(xiàn)，性能將成為下一階段需要提升的重要部分。因此，存儲的數(shù)據(jù)的索引就成為很重要的組成了。

　　2、機(jī)制

　　在機(jī)制上，區(qū)塊鏈和數(shù)據(jù)庫的主要區(qū)別有如以下幾點(diǎn)：

　　一致性

　　區(qū)塊鏈的設(shè)計(jì)思想，與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)思想最大的不同就在于多活，也就是去中心化這個體系下所帶來的一致性模型的區(qū)別。

　　傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫遵循ACID強(qiáng)一致模型，寫入的記錄立刻可以讀到。而一些新型分布式數(shù)據(jù)庫采用最終一致性，也就是BASE模型，寫入的數(shù)據(jù)暫時(shí)不一定讀到，但是最終一定會存在。

　　但是，區(qū)塊鏈或者說去中心化數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)思路就存在明顯區(qū)別，也就是說任何操作不存在“永久確認(rèn)”這個概念。即使類似比特幣，從核心原理上來看6個塊之前的內(nèi)容也只是“基本不會被回退”。

　　舉個極端的例子，如果中美之間廣域網(wǎng)出于什么原因突然斷了三天，之后恢復(fù)的話比特幣一定會出現(xiàn)大規(guī)模分叉，這個期間如果有賬號同時(shí)在中美進(jìn)行大額消費(fèi)的話，想要恢復(fù)一個主鏈則一定需要犧牲很大一部分人的交易才能實(shí)現(xiàn)回退。

　　那么，既然在對等架構(gòu)中沒有辦法保障強(qiáng)一致，那么區(qū)塊鏈體系中的一致性則和傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫存在本質(zhì)上的區(qū)別，從而引發(fā)后續(xù)一系列設(shè)計(jì)上的不同。

　　歸根結(jié)底，在任何傳統(tǒng)主從架構(gòu)的數(shù)據(jù)庫模型中，人們會想盡一切方法防止集群內(nèi)出現(xiàn)“腦裂”，也就是同一個集群里面兩個節(jié)點(diǎn)都認(rèn)為自己是主節(jié)點(diǎn)。

　　但是這個問題在對等數(shù)據(jù)庫體系下時(shí)時(shí)刻刻都可能發(fā)生，而這種現(xiàn)象在區(qū)塊鏈里面叫做分叉，這是和我們傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫一致性模型非常不同的地方。

　　鎖機(jī)制

　　其中，鎖機(jī)制可以說是區(qū)塊鏈與數(shù)據(jù)庫在保障數(shù)據(jù)一致性方面最大的區(qū)別。

　　所有研究過數(shù)據(jù)庫的同學(xué)不可能沒聽說過鎖。當(dāng)我們做一個事務(wù)的時(shí)候，提交之前所有該會話變更的記錄都要被鎖住，不能被其他會話所修改。

　　而去中心化數(shù)據(jù)庫，由于每個賬本節(jié)點(diǎn)操作本地?cái)?shù)據(jù)，變更信息會異步地傳輸出去，因此根本不存在一個全局鎖能夠在記錄變更的時(shí)候通知其他人。因此，在無鎖的前提下，去中心化數(shù)據(jù)庫，也就是區(qū)塊鏈該怎樣保障數(shù)據(jù)一致呢?

　　比特幣使用的是UTXO結(jié)構(gòu)，有點(diǎn)類似于數(shù)據(jù)庫的“樂觀鎖”的思路，也就是操作的時(shí)候不進(jìn)行鎖定，只有在最后提交的過程中判斷記錄有沒有變化。

　　比特幣則是通過coin是否被花費(fèi)的狀態(tài)來判斷是否存在交易沖突。而以太坊則是使用nonce作為每條記錄的遞增計(jì)數(shù)器來判斷是否存在針對某一賬戶的重復(fù)交易，實(shí)際上也是一種變相實(shí)現(xiàn)的行級鎖的機(jī)制。

　　安全機(jī)制

　　另一個區(qū)塊鏈業(yè)界大家談?wù)摫容^多的就是安全機(jī)制。

　　首先，我不是加密算法專家，因此我在這里不去討論具體使用的加密算法，而是從整個存儲體系的安全模型設(shè)計(jì)上，來討論一下區(qū)塊鏈技術(shù)中如何在全對等架構(gòu)的體系下保障數(shù)據(jù)安全。

　　在我看來，區(qū)塊鏈的安全體系分為三個級別，記錄級、區(qū)塊級以及鏈級。

　　記錄級安全主要是判斷某一條操作記錄是否合法，在一些實(shí)現(xiàn)中還包括是否對不同用戶有讀可見和寫可見。

　　而區(qū)塊級則是當(dāng)節(jié)點(diǎn)接收到另一個節(jié)點(diǎn)發(fā)送的區(qū)塊時(shí)，如何判斷這個區(qū)塊本身沒有被篡改過，那么通過默克爾樹、挖礦的結(jié)果等機(jī)制都可以做到。

　　最后，怎樣保證鏈的完整呢?比如每個數(shù)據(jù)塊需要包含鏈中上一個數(shù)據(jù)塊的校驗(yàn)，以及當(dāng)分叉發(fā)生時(shí)如何進(jìn)行回退等，都是保障整個鏈條結(jié)構(gòu)的完整。

　　四、去中心化數(shù)據(jù)庫架構(gòu)

　　區(qū)塊鏈技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)的融合會形成怎么樣的結(jié)果呢?

　　我們是否能夠?qū)F(xiàn)有的區(qū)塊鏈以數(shù)據(jù)庫的架構(gòu)進(jìn)行組織，分為內(nèi)核、運(yùn)行庫、插件，以及SQL解析優(yōu)化等不同模塊呢?

　　既然數(shù)據(jù)庫的核心本質(zhì)依然是不可變更的事務(wù)日志，這一部分等同于區(qū)塊鏈的鏈結(jié)構(gòu)，那么如果我們通過將SQL引擎架設(shè)在state store，甚至讓SQL引擎直接對鏈內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問，是不是意味著我們就擁有了一個通用的編程和訪問接口?

　　又例如：對于安全組件，我們是否可以做到列級行級表級以及節(jié)點(diǎn)級別的安全認(rèn)證，同時(shí)可以通過配置指定哪些表需要進(jìn)行數(shù)字簽名，哪些表的一些字段是共享的，但其他字段是需要經(jīng)過多重簽名做加密的等。

　　另外，對于一致性來說，我們是否可以指定某些表是全局共享表，某些表則是本地表，這樣就可以取代現(xiàn)在區(qū)塊鏈與數(shù)據(jù)庫混用的部署方式。

　　我認(rèn)為，未來會出現(xiàn)兩者融合而成的 “去中心化數(shù)據(jù)庫”。

　　去中心化數(shù)據(jù)庫基本功能

　　去中心化數(shù)據(jù)庫的基本特性：

　　去中心化：架構(gòu)是完全的去中心化的，不存在中心的控制節(jié)點(diǎn)，每個節(jié)點(diǎn)都具備讀寫的功能，每個節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)都是一致的;

　　無全局鎖：由于采用廣域網(wǎng)上的對等架構(gòu)，去中心化數(shù)據(jù)庫不可能實(shí)現(xiàn)全局鎖，因此系統(tǒng)只能使用在某種程度上弱化鎖與一致性，來滿足高可用的需求;

　　非固定節(jié)點(diǎn)生成日志：非固定節(jié)點(diǎn)生成日志，日志是整個數(shù)據(jù)庫的日志，在去中心化的體系結(jié)構(gòu)中任何節(jié)點(diǎn)都有權(quán)記錄日志，這樣就形成了去中心化沒有主節(jié)點(diǎn)的架構(gòu)，任何節(jié)點(diǎn)都有機(jī)會臨時(shí)成為記賬節(jié)點(diǎn)出塊;

　　異步事務(wù)確認(rèn)：由于不存在全局鎖，與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫相比一些事務(wù)機(jī)制必須得到調(diào)整。將事務(wù)的提交回滾做到異步可能是一種比較可行的思路;

　　一致性策略調(diào)整：在多活的區(qū)塊鏈狀態(tài)下，數(shù)據(jù)的一致性策略會與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫一致性機(jī)制有所不同;

　　行級別安全性和觸發(fā)器：對于數(shù)據(jù)安全，去中心化數(shù)據(jù)庫將會保證到行級甚至列級的數(shù)據(jù)安全性。

　　五、區(qū)塊鏈和數(shù)據(jù)庫技術(shù)融合：中心化數(shù)據(jù)庫

　　對于區(qū)塊鏈和傳統(tǒng)數(shù)據(jù)技術(shù)，我認(rèn)為區(qū)塊鏈技術(shù)的未來發(fā)展，主題是“融合”!

　　現(xiàn)在區(qū)塊鏈的業(yè)務(wù)理念飛速發(fā)展，但是從技術(shù)本身來看，我認(rèn)為當(dāng)前區(qū)塊鏈的技術(shù)仍然和上世紀(jì)“80年代”的數(shù)據(jù)庫技術(shù)階段類似，在技術(shù)的成長期。如我們上文所提到，區(qū)塊鏈技術(shù)在通用性、標(biāo)準(zhǔn)化上還有很長的路要走。

　　而基于技術(shù)路線和架構(gòu)設(shè)計(jì)的類似，數(shù)據(jù)庫技術(shù)與區(qū)塊鏈技術(shù)的融合其實(shí)是大勢所趨。 而通過區(qū)塊鏈技術(shù)和機(jī)制的引入，去中心化數(shù)據(jù)庫，將可能是未來技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。