一文讀懂區塊鏈中的“鏈上”和“鏈下”_區塊鏈:CEL

原標題：一文讀懂“鏈上”和“鏈下”

什么是“上鏈”？什么數據和邏輯應該“上鏈”？文件能不能上鏈？鏈上能不能批量查數據？“鏈下”又是什么？

“鏈上”、“鏈下”諸多問題，一文說清。

什么是“鏈上”和“鏈下”

區塊“鏈”的鏈，包含“數據鏈”和“節點鏈”。數據鏈指用鏈式結構組織區塊數據，構成數據校驗和追溯的鏈條；“節點鏈”指多個節點通過網絡連接在一起，互相共享信息，其中的共識節點則聯合執行共識算法，產生并確認區塊。

交易“上鏈”的簡要過程如下：

1、記賬者們收錄交易，按鏈式數據結構打包成“區塊”。

2、共識算法驅動大家驗證新區塊里的交易，確保計算出一致的結果。

3、數據被廣播到所有節點，穩妥存儲下來，每個節點都會存儲一個完整的數據副本。

交易一旦“上鏈”，則意味著得到完整執行，達成了“分布式事務性”。簡單地說，就像一段話經過集體核準后在公告板上公示于眾，一字不錯不少，永久可見且無法涂改。

“上鏈”意味著“共識”和“存儲”，兩者缺一不可。交易不經過共識，則不能保證一致性和正確性，無法被鏈上所有參與者接受；共識后的數據不被多方存儲，意味著數據有可能丟失或被單方篡改，更談不上冗余可用。

除此之外，如果僅僅是調用接口查詢一下，沒有改變任何鏈上數據，也不需要進行共識確認，則不算“上鏈”。

或者，某個業務服務本身和區塊鏈并不直接相關，或其業務流程無需參與共識，所生成的數據也不寫入節點存儲，那么這個業務服務稱為“鏈下服務”，無論它是否和區塊鏈節點共同部署在一臺服務器，甚至和節點進程編譯在一起。

當這個業務服務調用區塊鏈的接口發送交易，且交易完成“共識”和“存儲”后，才稱為“上鏈”；如果這個交易沒有按預期被打包處理，那么可以叫“上鏈失敗”。

事實上，幾乎所有的區塊鏈系統，尤其是和實體經濟、現實世界結合的區塊鏈應用，都需要鏈上鏈下協同，用“混合架構“來實現，系統本身就包含豐富的技術生態。

有用戶因同首同尾的地址陷阱，將40.8萬枚DAI轉至釣魚地址:12月15日消息，慢霧創始人余弦轉推稱，有用戶因「前3位和后5位一模一樣」的同首同尾的地址陷阱，而不小心將40.8萬枚DAI轉到了釣魚地址。該用戶表示經常收到黑客調用他的錢包進行0幣轉賬，且轉賬到與其幣安充值地址「前3位和后5位一模一樣」的地址，導致其不小心當作充幣地址，復制后進行轉賬40.8萬枚DAI。[2022/12/15 21:46:45]

*注1：交易是區塊鏈里的通用術語，泛指發往區塊鏈，會改動鏈上數據和狀態的一段指令和數據

*注2：本節描述的是簡要的模型，在多層鏈、分片模型里，流程會更加復雜，事務劃分更細，但“共識”和“存儲”才叫上鏈的基本原則不變

交易之輕和“上鏈”之重

目前區塊鏈底層平臺逐步趨于成熟，性能和成本已經不是什么大問題，只是以下幾個開銷是因“分布式多方協作”而先天存在的：

共識開銷：主流共識算法里，PoW消耗電力；PoS要抵押資產獲得記賬權；PBFT記賬者要完成多次往返投票，流程步驟繁雜。

計算開銷：除了加解密、協議解析等計算之外，在支持智能合約的區塊鏈上，為了驗證合約的執行結果，所有節點都會無差別地執行合約代碼，牽一發而動全身。

網絡開銷：與節點數呈指數級比例，節點越多，網絡傳播次數越多，帶寬和流量開銷越大，如果數據包過大，就更雪上加霜。

存儲開銷：和節點數成正比，所有的鏈上數據，都會寫入所有節點的硬盤，在一個有100個節點的鏈上，就變成了100份副本，如果有1000個節點，那就是1000份。

也許有人會說：“這就是‘信任’的成本，值得的！”我同意。只是理想無法脫離現實，畢竟硬件資源總是有限的。

想象一下，如果每個交易都是一個復雜科學計算任務，那么每個節點CPU和內存會跑滿；如果每個交易都包含一個大大的圖片或視頻，那么全網的帶寬，以及各節點存儲很快被塞爆；如果大家都敞開來濫用“鏈上”資源，“公地悲劇”就不可避免。

調用API發個交易是很容易的，而鏈上的開銷就像房間里的大象，難以視而不見。作為開發者，需要正視“交易之輕和鏈上之重”，積極“上鏈”的同時減少不必要的開銷，找到平衡之道。

*注1：常規聯盟鏈節點參考配置：8核/16G內存/10m外網帶寬/4T硬盤，不考慮“礦機”和其他特種配置。土豪隨意，俗話說“錢能解決的問題都不是問題，問題是...”

消息人士：Celsius正在通知監管機構申請破產:7月14日消息，消息人士稱，Celsius律師通知美國各州監管機構稱Celsius計劃提交破產申請文件。德克薩斯州證券委員會執行主管Joseph Rotunda表示，Celsius申請破產在意料之中，但仍將繼續調查該公司并努力保護其客戶。目前美國已有包括德克薩斯州、佛蒙特州在內的六個州宣布對 Celsius 展開調查。（CNBC）[2022/7/14 2:12:17]

*注2：本節暫未討論“局部/分片共識”，也不探討“平行擴容”的情況，默認假定全網參與共識和存儲

讓“鏈上”歸鏈上，“鏈下”歸鏈下

開銷只是成本問題，而本質上，應該讓區塊鏈干自己最該干的事情。鏈上聚焦多方協作，盡快達成共識，營造或傳遞信任，將好鋼用到刀刃上；那些非全局性的、無需多方共識的、數據量大的、計算繁雜的...通通放到鏈下實現，一個好漢三個幫。

如何進行切割？在業務層面，識別多方協作事務和數據共享中“最大公約數”，抓住要點痛點，四兩撥千斤；在技術上，合理設計多層架構，揚長避短、因地制宜地運用多種技術，避免拿著錘子看什么都是釘子、一招打天下的思維。

為避免過于抽象，下面給出幾個例子。

*注：每個例子其實都有大量的細節，考慮篇幅，這里做概要介紹，聚焦鏈上鏈下的區別和有機結合

文件能不能上鏈？

這是個非常高頻的問題，經常被問到。這里的文件一般指圖像、視頻、PDF等，也可以泛指大體量的數據集，上鏈可信分享的目的，是使接受者可以驗證文件的完整性、正確性。

常見的場景里，文件共享一般是局部的、點對點的，而不是廣播給所有人，讓區塊鏈無差別地保存海量數據，會不堪重負。所以，合理的做法是計算文件的數字指紋，并與其他一些可選信息一起上鏈，如作者、持有人簽名、訪問地址等，單個上鏈信息并不多。

文件本身則保存在私有的文件服務器、云文件存儲、或者IPFS系統里，這些專業方案更適合維護海量文件和大尺寸文件，容量更高、成本更低。注意，如果文件的安全級別到了“一個字節都不能泄露給無關人等”的程度，那么應慎用IPFS這種分布式存儲的方案，優選私有存儲方式。

美國輕奢品牌蔻馳將在日本推出限量版NFT:6月20日消息，美國知名輕奢品牌蔻馳（COACH）和Web3工作室1BLOCK達成合作，將推出限量版NFT。據悉，1BLOCK推出的MetaSamuria項目由漫畫和武士宇宙啟發的8888個獨特NFT組成，每個NFT具有不同的屬性，例如眼睛顏色、面具和武器等。Coach將與其聯合推出10款限量版NFT，并在Coach日本官方網站上公布。（Ritzherald）[2022/6/20 4:40:11]

需要分享文件給指定的朋友時，可以走專用傳輸通道點對點的發送文件，或者授權朋友到指定的URL下載，可以和區塊鏈的P2P網絡隔離，不占用區塊鏈帶寬。朋友獲得文件后，計算文件的MD5、HASH，和鏈上對應的信息進行比對，驗證數字簽名，確保收到了正確且完整的文件。

這種方案，文件在鏈上“確權”、“錨定”和“尋址”，明文在鏈下傳輸并與鏈上互驗，無論是成本、效率、還是隱私安全都取得了平衡。

怎么批量查詢和分析數據？

對區塊鏈上的數據進行分析是自然的需求，比如“某個賬戶參與哪些業務流程、完成了多少筆交易、成功率如何”，“某個記賬節點在一段時間內參與了多少次區塊記賬、是否及時、有否作弊”，這些邏輯會牽涉到時間范圍、區塊高度、交易收發雙方、合約地址、事件日志、狀態數據等維度。

目前區塊鏈底層平臺一般是采用“Key-Value”的存儲結構，其優勢是讀寫效率極高，但難以支持復雜查詢。

其次，復雜查詢邏輯一般是在區塊生成后進行，時效性略低，且并不需要進行多方共識，有一定的“離線”性。

最后，數據一旦“上鏈”，就不會改變，且只增不減，數據本身有明顯特征可以檢驗數據的完整性和正確性，在鏈上還是鏈下處理并無區別，任何擁有完整數據的節點都能支持獨立的復雜查詢。

于是，我們可以將數據完整地從鏈上導出，包括從創世塊開始到最新的所有區塊、所有交易流水和回執、所有交易產生的事件、狀態數據等，通通寫入鏈外的關系型數據庫或大數據平臺，構建鏈上數據的“鏡像”，然后可以采用這些引擎強大的索引模型、關聯分析、建模訓練、并行任務能力，靈活全面地對數據進行查詢分析。

區塊鏈瀏覽器、運營管理平臺、監控平臺、監管審計等系統，都會采用這種策略，鏈上出塊，鏈下及時ETL入庫，進行本地化地分析處理后，如需要和鏈上進行交互，再通過接口發送交易上鏈即可。

數據：Alameda Research地址向FTX轉入8,000枚ETH:6月1日消息，據歐科云鏈鏈上天眼監測，鏈上標記為“Alameda Research”（0xc5ed2開頭的地址）的地址于北京時間6月1日06:22:09向鏈上標記為“FTX Deposit 2”（0xc098b2開頭的地址）轉入8,000枚ETH，約合1500萬美元。[2022/6/1 3:55:06]

復雜邏輯和計算

和復雜查詢略有不同，復雜邏輯指交易流程中關系復雜、流程繁雜的部分。

如上所述，鏈上的智能合約會在所有節點上運行，如果智能合約寫得過于復雜，或者包含其實不需要全網共識的多余邏輯，全網就會承擔不必要的開銷。極端的例子是，合約里寫了個超級大的數據遍歷邏輯，那么全網所有節點都會陷入這個遍歷中，吭哧吭哧跑半天，甚至被拖死。

除了用類似GAS機制來控制邏輯的長度外，在允許的GAS范圍內，我們推薦智能合約的設計盡量精簡，單個合約接口里包含的代碼在百行以上就算是比較復雜的了，可以考慮是否將一部分拆解出去。

拆解的邊界因不同業務而異，頗為考驗對業務的熟悉程度。開發者要對業務進行庖丁解牛式地分層分模塊解耦，僅將業務流程中牽涉多方協作、需要共識、共享和公示的部分放到鏈上，使得合約只包含“必須”“鐵定”要在鏈上運行的邏輯，合約邏輯“小而美”。

一般來說，多方見證的線上協同、公共賬本管理、一定要分享給全體的關鍵數據都是可以放到鏈上的，但相關的一些前置或后續的檢驗、核算、對賬等邏輯可以適當拆解到鏈下。

一些和密集計算有關的邏輯，宜盡量將其在鏈下實現，如復雜的加解密算法，可以設計成鏈下生成證明鏈上快速驗證的邏輯；如果業務流程中牽涉對各種數據的遍歷、排序和統計，則在鏈下建立索引，鏈上僅進行Key-Value的精準讀寫。

其實，現在但凡看到合約里有用到mapping或array，我都會強迫癥地想想能不能把這部分放鏈下服務去，個人比較欣賞“胖鏈下”和“瘦鏈上”的設計取向。

強調一下，精簡鏈上合約邏輯，并不全是因為合約引擎的效率問題，合約引擎已經越來越快了。核心原因還是在發揮區塊鏈最大功效的同時，避免“公地悲劇”。開發者拿出計算和存儲成本最小的合約，有著“如無必要勿增實體”的奧卡姆剃刀式美感，更是對鏈上所有參與者表達尊重和負責任的態度。

比特幣閃電網絡節點數量為17,446個:金色財經報道，1ML網站數據顯示，比特幣閃電網絡（LightningNetwork）的節點數量為17,446個，同比減少13.74%；通道數量為84,373個，同比減少2.2%；網絡容量為3,800.84BTC，同比增長5%。[2022/5/15 3:16:33]

即時消息：快速協商和響應

受隊列調度、共識算法、網絡廣播等因素約束，“上鏈”的過程多少都會有一點延時。采用工作量證明共識的鏈，時延在十幾秒到10分鐘，采用DPOS、PBFT的共識，時延可縮短到秒級，此外，如果遇到網絡波動、交易擁擠等特殊情況，時延表現會有抖動。

總的來說，對照毫秒或百毫秒級響應的瞬時交互，“上鏈”會顯得些許“遲鈍”。比如去超市買瓶水，支付后肯定不能站在那里等十幾秒到十分鐘，鏈出塊確認后才走吧。

對類似場景，宜結合鏈上預存和鏈外支付，在鏈下的點對點通道實現高頻、快速、低延時的交易，鏈下確保收妥和響應，最后將雙方的賬戶余額、交易憑據匯總到鏈上，在鏈上完成妥善記賬。著名的“閃電網絡”就類似這種模式。

另外，有些商業場景會先進行多輪的訂單撮合、競價拍賣或討價還價。一般來說，這些操作是發生在局部的交易對手方之間，未必需要全網共識，所以也可以通過鏈下通道完成，最后將雙方的訂單發送到鏈上，完成交易事務即可。

舉個下快棋的例子，棋手的每一步棋并不需要實時上鏈，雙方只管啪啪地下，裁判和觀眾只管圍觀，在棋局結束時，比如總共下了一百手，那么將這一百手的記錄匯總起來，連同輸贏結果上鏈，以便記錄戰績分配獎金。如果要復盤棋局詳情，可以參考上文提及的鏈下文件存儲模式，用專用的服務器或分布式存儲實現。

針對類似需求，在FISCOBCOS底層平臺中，提供了AMOP，利用已經搭建起來的區塊鏈網絡，在全網范圍實現點對點、實時、安全的通信。基于AMOP，可以支持即時消息、快速協商、事件通知、交換秘密、構建私有交易等，推薦。

*注：詳情可參考：https://fisco-bcos-documentation.readthedocs.io/zh_CN/latest/docs/manual/amop_protocol.html

鏈下信息如何可信上鏈？

先看一個典型問題：“智能合約運行中要使用鏈外信息，怎么辦？”

比如，鏈上有個世界杯決賽競猜游戲，但世界杯不可能在鏈上踢吧；或者需要參考今天的天氣，天氣顯然不是鏈上原生信息，應該從氣象局獲取；在跨境業務中，可能用到法定匯率，而匯率一定是來自權威機構的，不能在鏈上憑空生成。

這時候就要用到“預言機(Oracle)”，由一個或多個鏈下可信機構將球賽、天氣、匯率等信息寫到鏈上的公共合約，其他合約統一使用這份經過共識確認的可信信息，不會出現歧義。考慮到安全和效率，預言機會有多種具體做法，實現起來相當有趣。

更進一步的靈魂拷問是：“如何保證上鏈的數據是真實的？”坦率地說，區塊鏈并不能從根本上保證鏈下數據的可信性，只能保證信息一旦上鏈，就是全網一致且難以篡改的。而區塊鏈跟實體經濟結合時，勢必要面對“如何可信上鏈”這個問題。

如資產相關應用，除了進行人員管理之外，還要“四流合一”，即“信息流、商流、物流、資金流”互相匹配和交叉印證，會使業務流程更加可信。這些“流”常常發生在鏈下現實世界，要把控它們，可能會用到物聯網、人工智能（模式識別、聯邦學**數據分析、可信機構背書等多種技術和方式，這已經遠遠超出了區塊鏈的范圍。

所以，本節的命題其實是：區塊鏈如何和數字世界里的技術廣泛結合，更好地發揮自身多方協作、營造信任的作用。

隨著數字世界的發展、尤其“新基建”的強力推動，我們相信廣泛的數字化能在保護隱私的前提下，降低信息采集和校驗的成本，采集的數據會越來越豐富。

如在使用、轉移、回收實體物資時，及時采集監測，甚至是多方、多路、多維度立體化的采集監控，并上鏈進行共識、公示、錨定，鏈上鏈下交叉驗證，這樣就可以逐漸逼近“物理世界可信上鏈”的效果，邏輯會更嚴密，更具有公信力，數據和價值流通會更可靠，協作的摩擦更低。

?"鏈上"還是“鏈下"治理？

“治理”即制定行業聯盟和業務運作規則，確保規則的執行，處理異常事件，獎勵和懲戒參與者等。

以理想化的標準，似乎應該實現鏈上治理，通過代碼決策、制定和執行規則，出錯時系統具有“自修復”的“超能力"。實際上，完備的鏈上治理過于復雜，實現起來很有挑戰性，尤其在需要達成現實世界法律法規的執行力時，純鏈上的治理往往力不從心。

再多想一步：如完全依賴代碼，萬一代碼本身有BUG、或者要“改需求”呢？鏈下的決策者、開發者如何發現和介入？

所以，“CodeisLaw”還是個理想化的目標，鏈下治理不可或缺。

聯盟鏈參與者們組成管理委員會，在現實世界里進行民主集中制的討論和決策，共同制定規則，采用多簽、工作流的方式一起發起治理動作，調用區塊鏈接口上鏈。

在鏈上，包括區塊鏈底層平臺和智能合約在內，都會內置一系列的決策和控制點，如支持多方投票決策，具備從業務層穿透到底層的準入和權限控制能力，可修改業務和節點的參數，能應對異常情況的重置賬戶，對錯賬進行沖正調賬等等。

治理動作和結果經過共識確認，在鏈上全網生效，公開透明，接受廣泛監督，彰顯其合理性和公正性。必要時還可以引入監管方和司法仲裁。

反過來，聯盟鏈上的數據，具備身份可知、難以篡改、無法否認且可全程追溯等特點，可為鏈下治理決策提供完備的數據基礎，也便于為鏈下實際執行提供可信的憑據。所以，鏈上和鏈下有機結合，有助于設計完備、可控、可持續的治理機制。

如何做到“上”“下”自如

或許有人會說：“這鏈上鏈下什么的太復雜了，我就想用區塊鏈！”

我認為這個說法很對。說到底，用戶就想要一條趁手的“鏈”。作為開發者，我們要打造靈活的、插件化的系統架構，實現各種能力，什么數據導出、文件存儲和傳輸、密集計算、數據采集和異步上鏈、治理監管、一鍵部署......按需取舍后，打包起來開箱即用，實際上提供了“基于區塊鏈的一系列能力”。

最終呈現的“鏈”，除了節點之外，還有區塊鏈瀏覽器、管理臺、監控和審計系統、業務模板、APP/小程序等一系列交互入口，用戶只需動動鼠標，點點頁面，調調接口，一站式體驗到一個完整的區塊鏈應用。用戶會覺得：“這就是區塊鏈”，無需再分“鏈上”和“鏈下”，渾然一體。

說到這里，推薦一個我認為非常棒的設計：分布式身份標識。

DID是一套涵蓋了分布式身份管理、可信數據交換的規范。權威機構為用戶完成KYC，頒發憑據。用戶將身份標識的摘要公布到鏈上，而將自己隱私數據存在鏈下。

使用時，用戶采用“明確授權”和“選擇性披露”的策略，僅需出示少量的信息或加密證明，與鏈上數據進行對照校驗，即可證明用戶憑據和數據可信性，達成了“數據多跑路，用戶少跑腿”、保護了用戶隱私的可喜效果。

這種設計很好地將鏈上鏈下結合起來，邏輯閉環自洽，并不因為數據存在鏈下，就削弱了鏈上的功效，反而使得鏈的授信模型更為重要。

DID規范定義了語義清晰、層次分明的數據結構，以及通用的交互協議。開源項目WeIdentity完整地實現了DID協議，并提供豐富的周邊支撐工具和服務，值得參考。

*注：詳情可見：??https://fintech.webank.com/weidentity

結語

鏈漫漫其修遠兮，吾將“上下”而求索。在未來，“可信的”區塊鏈將越來越多地和人們日常生活、實體經濟聯動，步入尋常百姓家。作為從業者，保持開放的心態，積極而創新地將區塊鏈與更多技術結合，無論運作于鏈上還是鏈下，只要能解決問題、創造價值，就是一條好鏈。

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