安全、可擴展和可升級的 Web3 基礎設施_TOS:APT

隨著全新的互聯網基礎設施區塊鏈的崛起，開發者正以飛快的速度部署著數以萬計的去中心化應用程序。遺憾的是，由于穩定性差、成本高、低吞吐量及一些安全問題，區塊鏈尚未被廣泛應用。為了能夠在Web3時代被廣泛使用，區塊鏈基礎設施應該效仿云基礎設施的特點，即為眾多的去中心化應用提供可信、可擴展、經濟高效且持續優化的平臺。

為應對這些挑戰，我們以可擴展、安全、可靠和可升級為核心設計原則推出Aptos區塊鏈。Aptos區塊鏈在過去三年中由全球350多名開發人員共同開發。它在共識、智能合約設計、系統安全、性能和去中心化方面提供了新的創新。這些技術的結合將為把Web3帶向更廣泛的人群提供一個堅實的基礎：

1、Aptos區塊鏈原生集成并使用Move語言來實現快速安全的交易執行。Moveprover，一個用Move語言開發的智能合約形式化驗證工具，為合約常量和運行提供額外保障。這種注重安全的做法，可以讓開發人員能夠更好地保護軟件，以免受惡意實體的攻擊。

2、Aptos數據模型允許靈活的密鑰管理和混合托管選項。這與簽名前的交易透明性和實用的輕客戶端協議一起，共同提供了更安全、更值得信賴的用戶體驗。

3、為了實現高吞吐量和低延遲，Aptos區塊鏈在交易處理的關鍵階段使用了流水線和模塊化方法。具體而言，事務分發、區塊元數據排序、并行事務執行、批量存儲和賬本認證等操作會同時運行。這種做法充分利用了所有可用的硬件資源，提升了硬件效率，并實現了高度并行處理。

4、與需要讀寫前獲取被讀寫數據而破壞交易原子性的并行執行引擎不同，Aptos區塊鏈沒有對開發者設置這種限制。它通過保證復雜的交易的原子性，為應用程序提供更高的吞吐量和更低的延遲，并簡化了開發。

網絡安全、物聯網及區塊鏈公司WISeKey任命兩名新高管:網絡安全、物聯網及區塊鏈公司WISeKey今天宣布任命Ben Stump為美國業務發展、品牌保護和客戶參與副總裁，同時還任命Gweltas Radenac為物聯網/連接對象業務線總監。（GlobeNewswire）[2020/4/14]

5、Aptos模塊化架構保證了客戶端的靈活性，并針對頻繁的升級進行優化。此外，為了迅速部署新的技術創新和支持新的Web3使用案例，Aptos區塊鏈提供了嵌入式的鏈上變化管理協議。

6、Aptos區塊鏈正在試驗未來超越單個驗證器性能的舉措：其模塊化設計和并行執行引擎支持驗證者的內部分片，而同質狀態分片提供了水平吞吐量可擴展的潛力，而不會給節點運營商帶來額外的復雜性。

1.序言

在Web2時代，諸如通訊、社交媒體、金融、游戲、購物以及音視頻流媒體等服務，是由掌握了用戶數據權限的中心化公司來提供。針對目標用例，這些公司利用具備特定應用的軟件，來優化開發基礎設施，并利用云端基礎設施向用戶部署這些應用程序。云端基礎設施可提供虛擬或物理基礎設施服務的訪問，例如虛擬機租用和在世界各地數據中心內運行的裸機硬件。因此，建立能夠擴大到數十億用戶的Web2互聯網服務從來沒有像今天這樣容易。然而，Web2要求用戶明確信任中心化實體，這一要求愈發引起社會的擔憂。

為了消除這種擔憂，新的互聯網時代已經開始：Web3。在Web3版本的互聯網中，出現了區塊鏈來提供去中心化、不可篡改的賬本，讓用戶能夠安全可靠地相互交流，而不需要信任控制中間人或中心化實體。與Web2互聯網服務和應用程序依賴云基礎設施類似，去中心化的應用程序可以使用區塊鏈作為去中心化的基礎設施層，從而觸達全世界數十億用戶。

劉昌用：應用分布式共識構建更加安全、高效和自由的數字經濟:北京大學經濟學博士、知密大學創始人劉昌用在“區塊鏈媒體群”中表示，持續擴大的過度金融化是法幣體系的痼疾。去中心化密碼貨幣的根本任務和相對優勢之一，就是根除法幣體系的這一痼疾。但是，密碼貨幣過早引起傳統金融的關注和追捧，導致去中心化密碼貨幣自身染上了過度金融化的病，各種中心化的密碼貨幣更是喧賓奪主。這些會隨著法幣體系矛盾的爆發而遭遇打擊。當前，應該回歸密碼共識的本來面目，回到用非對稱密碼和分布式共識構建更加安全、高效和自由的數字經濟的正道上去。[2020/3/23]

然而，盡管現已存在許多條區塊鏈，但是Web3尚未得到廣泛采納。雖然技術不斷地推動著行業發展，但現有的區塊鏈仍是不可靠的。昂貴的交易費用，低吞吐量，因安全問題資產經常遭受損失，并且無法支持實時響應。與云端基礎設施賦能Web2服務，成功觸達數十億人群相比，區塊鏈還并沒有使得Web3應用達到同樣的高度。

2.Aptos愿景

Aptos的愿景是提供一個能夠為Web3帶來主流應用的區塊鏈，并授權一個去中心化應用的生態系統來解決現實世界的用戶痛點。我們的使命是通過提供靈活和模塊化的區塊鏈架構，推動區塊鏈可靠性、安全性和性能方面的新高度。該架構應支持頻繁升級，快速采用最新的技術，并能對新興的用例提供一流支持。

我們設想建立社區管理運營的去中心化、安全和可擴展的網絡。當世界各地對基礎設施的需求增長時，區塊鏈的計算資源就會橫向和縱向擴展以滿足這些需求。隨著新的用例和技術進步的出現，網絡應該在不干擾用戶的情況下頻繁地、無縫地升級。讓用戶不再關注基礎設施相關問題。開發人員和用戶將可以訪問許多不同的密鑰恢復、數據建模、智能合約標準、資源使用權衡、隱私和可組合性選項。用戶確信他們的資產是安全，可用，并且幾乎可以成本費訪問。任何人都能夠安全、容易地與全世界不受信任的各方進行不可篡改的交易。區塊鏈將像云基礎設施一樣無所不在。

聲音 | 常山北明將區塊鏈技術用于向社會提供安全、權威、客觀、公正的司法區塊鏈應用服務:據證券日報消息，中國國際數字經濟博覽會在石家莊（正定）國際會展中心開幕。A股上市公司、石家莊常山北明展示了一些“黑科技”，包括將大數據智能化用于城市管理；將流程機器人（RPA）用于法制營商環境建設和社會風險防控；將區塊鏈技術用于向社會提供安全、權威、客觀、公正的司法區塊鏈應用服務；將人工智能技術注入工業生產，提升智能生產水平；將創新數字技術與傳統制造業深度融合，為制造企業提供“工業大腦”；將大數據風控技術用于金融監管和智慧市場監管。[2019/10/14]

為了實現這一愿景，必須在技術方面取得重大進展。過去三年里，我們開發，升級和部署Diem區塊鏈的經驗已經證明，網絡可以在不中斷客戶端的情況下持續升級協議。2020年初，Diem主網被部署到擁有多個錢包供應商的十幾個節點上。在之后一年，我們團隊進行了共識協議和核心框架兩次重大的升級。兩次升級都在用戶不停機的情況下順利完成。在Aptos區塊鏈中，我們對技術棧進行了一系列徹底的改進，同時還受Diem區塊鏈啟發將安全、透明、以及可頻繁的升級作為核心功能。我們特別強調新的交易處理方法以及去中心化和網絡治理的新方法。

隨著Aptos區塊鏈的不斷改善和發展，,我們將不斷更新協議和設計，屆時發布最新版的白皮書。在下文中，我們描述了Aptos區塊鏈的現狀以及今后的計劃。

3.概述

如圖1所示，Aptos區塊鏈由1組驗證者組成，他們使用拜占庭容錯，權益證明的共識機制來接收與處理用戶的交易。代幣持有人在他們選定的驗證者中鎖定或者質押他們手上的代幣。每個驗證者的共識投票權重與所質押代幣量成正比。一個驗證者可以是活躍的狀態，并參與到共識決策中。同樣，一個驗證節點如果沒有足夠的質押代幣，或被從驗證者集中輪換出來，亦或在同步區塊鏈狀態時離線，再或共識協議因歷史表現不佳而拒絕其參與共識，那么該驗證節點也可能處于不活躍的狀態。

聲音 | 美聯儲主席：將從安全、穩健和監管的角度對Libra抱有很高期望:據CNBC報道，美聯儲主席杰鮑威爾周三表示，Facebook已與美聯儲討論過其加密貨幣Libra。鮑威爾表示，Libra有著潛在的優勢，也有潛在的風險，特別是作為可能獲得大量應用的貨幣所面臨的風險。 如果Facebook決定向前推進，美聯儲將從安全、穩健和監管的角度出發，抱有很高的期望。此外，鮑威爾指出，美聯儲對像Libra這樣的加密貨幣沒有“全權”。相反，美聯儲可能會“通過國際論壇”對加密貨幣的廣泛采用產生影響，因為美聯儲“對支付系統有重大投入”。[2019/6/20]

客戶端是系統中需要提交交易或查詢區塊鏈狀態和歷史的任何部分。客戶端可以選擇下載并驗證那些被驗證節點簽署驗證過的數據。*全節點*是從驗證節點或網絡中其他全節點復制交易和區塊鏈狀態的客戶端。他們可能會根據需要裁剪掉一些交易歷史和區塊鏈狀態記錄，以重新獲得充足的存儲空間。輕客戶端只維護當前驗證節點的集，并且可以從全節點中安全地查詢部分區塊鏈狀態。錢包是輕客戶端的常見例子。

為了滿足安全、快速、可靠和可升級的Web3基礎設施的需求，以便被廣泛采用，Aptos區塊鏈基于下列核心設計原則建立。

4.Move編程語言

Move是一種注重安全和靈活性的新型智能合約編程語言。Aptos區塊鏈使用Move的對象模型來表示其賬本狀態，并使用Move代碼來編碼狀態轉換的規則。用戶提交的交易中，可以包括發布新模塊、升級現有的模塊、執行模塊內定義的接口功能，以及可以直接與模塊的公共接口互動的腳本。

Move生態系統包含一個編譯器、一個虛擬機和許多其他的開發工具。Move受到Rust編程語言的啟發，該語言通過線性類型等概念來明確數據的所有權Move強調了資源的稀缺性、保存和訪問控制。Move模塊定義了每個資源的生命周期、存儲和訪問模式。這確保了像Coin這樣的資源不會在沒有適當憑證的情況下產生，且不能被重復消費，也不會消失。

美國眾議院區塊鏈聽證會：IBM和沃爾瑪發言人就私鑰安全、區塊鏈應用問題發言:在美國眾議院舉辦的區塊鏈聽證會證詞發言環節中，IBM和沃爾瑪的兩位發言代表分別就區塊鏈技術在供應鏈和數據管理領域的具體應用做出匯報，引起聽證會在座代表的強烈興趣，圍繞著私鑰管理等賬戶安全問題、區塊鏈技術在政府部門和私營企業中的具體應用問題向出席聽證會的證人們要求舉例說明，特別地，還著重探討了區塊鏈技術對于網絡安全問題的改善上能夠起到的作用，體現了美國政府在監管以外、對于區塊鏈技術發展應用的意愿。[2018/2/15]

即使存在不受信的代碼，Move仍然可以利用字節碼驗證工具來保證類型和內存安全。為有助于編寫更可信的代碼，Move包括了一個類型驗證器，MoveProver，能夠根據給定的規范，驗證Move程序的功能正確性，該類型驗證功能已經集成到了Move語言中。

除了用戶帳戶和相應的帳戶內容，分布式賬本的狀態還包含Aptos區塊鏈的鏈上配置。這個網絡配置包括當前活躍狀態的驗證節點的集中，質押的屬性，以及Aptos區塊鏈內各種服務的配置。Move對模塊可升級性和全面可編程性的支持實現了無縫的配置變化，并支持對Aptos區塊鏈本身的升級。

Aptos團隊已經進一步增加了Move的特性，支持更廣泛的Web3用例。如下文第5.5節所述，Aptos區塊鏈實現了細粒度的資源控制。這個特性不僅有效支持了并行執行，而且幾乎固定了訪問與更改數據的成本。此外，Aptos區塊鏈提供了建立在細粒度存儲之上的表支持，這使得大規模的數據集可以在一個賬戶中實現。同時，Aptos支持完全在鏈上體現的共享或自動化賬戶。這使得復雜的去中心化自治組織能夠共享賬戶，以及將這些賬戶作為異質資源集中的容器。

5.邏輯模型

Aptos區塊鏈的賬本狀態代表了鏈上所有帳戶的狀態。賬本狀態使用一個無符號的64位整數進行版本劃分，對應與當前系統所執行的交易數量。任何人都可以向Aptos區塊鏈提交交易以修改賬本狀態。交易執行后，會生成一個交易輸出。一個交易的輸出包含零個或多個操作來操縱賬本狀態

6.安全的用戶體驗

為了覆蓋數十億互聯網用戶，Web3的用戶體驗必須是安全便捷的。在該章節中，將描述Aptos區塊鏈為實現這一目標的幾項創新。

7.流水化、批量、并行的交易處理

為了最大限度提高吞吐量，增加并發性，并且降低工程復雜性，Aptos區塊鏈的交易處理過程被劃分為不同的階段。每個階段都是完全的并且可以各自并行，類似于現代的超標量處理器架構。這不僅提供了顯著的性能優勢，而且讓Aptos區塊鏈能夠提供新的驗證者-客戶端交互模式。例如：

當指定交易被包含在一批留存交易中，客戶端會被通知。已留存且有效的交易一般會被立即提交。

當一批已留存交易被排序時，客戶端會被通知。因此，為了減少確定要執行的交易結果的延遲，客戶端可以在本地執行交易，而不是等待遠程驗證節點的完成執行。

客戶端可以選擇等待驗證者執行已認證的交易，然后同步已執行完成的交易狀態。

Aptos模塊設計有助于提高開發速度以及更短的發布周期，開發者可以對單個模塊而不是整個系統進行優化。類似地，模塊設計提供了一條擴展驗證器的結構化路徑，可以讓驗證器利用多臺機器的計算、網絡和存儲資源。圖4顯示了交易處理生命周期的各個處理階段。

8.狀態同步

Aptos區塊鏈旨在為生態中的所有參與者提供一個高吞吐量，低延遲的系統。因此，區塊鏈必須提供一個高效的狀態同步協議，來傳播、校驗并持久化區塊鏈數據到輕客戶端、全節點和驗證節點。此外，考慮到用戶不同的硬件資源，同步協議還必須兼容網絡內存在的資源限制和差異性。例如，它必須允許存檔的全節點來驗證和存儲著整個區塊鏈狀態及歷史，同時也允許輕客戶端高效地只獲取一小部分區塊鏈狀態。

為實現這一特點，Aptos區塊鏈會利用由驗證節點、全節點和其他同步器提供的已認證的賬本歷史和狀態證明，來實現一個靈活可配置的同步協議。具體而言，網絡參與者可以選擇不同的同步策略，來優化自己的用例和需求。

例如，Aptos為全節點提供了多種同步策略，包括全量同步策略；和忽略歷史記錄，利用錨點只同步最新的區塊鏈狀態的策略。Aptos為輕客戶端提供了多種同步策略，包括可以同步特定賬戶或數據的部分同步策略；和可以獲取已驗證賬戶余額的獲取已驗證數據策略。在所有情況下，Aptos允許參與者通過配置配置獲取、處理和存儲特定數量和版本的數據。

通過這種靈活可配置的狀態同步協議，Aptos可以滿足各種客戶的需求，并在未來可以提供更先進高效的同步策略。

9.社區治理

Aptos區塊鏈將由一個廣泛而多樣化的社區擁有、運營和管理。原生Aptos代幣將用于交易和網絡費用、協議升級和鏈上/鏈下流程的治理投票，以及通過權益證明模型保護區塊鏈。關于Aptos代幣的具體經濟模型將在之后發布。

隨著時間的推移，鏈上治理可以部署在整個升級管理過程中。例如：

1、代幣持有者在鏈上投票決定過渡到新的抗量子計算簽名方案

2、開發者實施并驗證新的簽名計劃并創建一個新的軟件版本。

3、驗證者升級他們的軟件到新的版本。

4、代幣持有人在鏈上就啟用一個新的簽名方案進行投票，鏈上配置被更新，更改已生效。

作為一個開源項目，Aptos區塊鏈的管理方式主要依賴于強大的社區反饋以及鏈上治理。在某些情況下，可能仍需要啟用鏈外升級，但這種情況會隨著時間的推移將盡量最小化。

10.性能表現

如第7節所述，Aptos區塊鏈能夠通過其并行、批量優化和模塊化的交易處理管道實現最佳吞吐量和硬件效率。額外的性能舉措，如共識升級、延遲寫入、交易提示和關鍵路徑緩存，將繼續增加吞吐量，并隨著時間的推移提高效率。

如今，區塊鏈的吞吐量通常以每秒交易量來衡量。然而，鑒于交易和基礎設施成本和復雜程度各異，這是一種不精確的系統比較方法。交易延遲也同樣有缺陷，因為在不同的實驗中，提交至最終性的起點和終點是不一樣的。

此外，一些系統要求事先了解交易的輸入和輸出，并迫使邏輯交易被拆分成較小的、不太復雜的交易。拆分交易會導致用戶體驗差，并人為地影響延遲和吞吐量，忽視了開發者想要實現的目標。相比之下，Aptos的方法讓開發者能夠不受限制地自主構建，并根據真實世界的使用案例而不是合成交易來衡量吞吐量和延遲情況。

Aptos區塊鏈將繼續優化單個驗證器的性能，以及試驗將更多驗證器添加到網絡的擴展技術。這兩個方向都有明顯的取舍。任何具有并行執行能力的區塊鏈都可以通過要求更強大的硬件或甚至將每個驗證器構造為一個單獨的機器集群，來支持更大的并發。然而，全局驗證器的數量是有實際限制的，它與驗證器操作者的成本和復雜性是相對應的。云服務中無服務器數據庫的興起和流行，說明很少有實體能夠有效地部署和維護這些類型的復雜分布式系統。

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