一文讀懂區塊鏈中的“鏈上”和“鏈下”_區塊鏈:比特幣

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。

數據：灰度GBTC負溢價率當前為27.43%:金色財經報道，據Coinglass數據顯示，當前灰度總持倉價值約為275.13億美元，其中灰度比特幣信托基金（GBTC）的負溢價率為27.43%；ETH信托負溢價率為39.08%。此外，ETC信托負溢價為53.10%，LTC信托負溢價為31.75%。[2023/7/28 16:04:20]

*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...”

PancakeSwap關于CAKE代幣經濟學V2.5版的投票將于4月26日開啟:4月25日消息，去中心化交易平臺 PancakeSwap 關于 CAKE 代幣經濟學 V2.5 版的提議投票將于 4 月 26 日 18:00 開啟，4 月 28 日 18:00 結束投票。該提案建議降低通貨膨脹率和推動協議收入共享。[2023/4/25 14:26:06]

*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。

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。

Sappy Seal啟動比特幣鏈上NFT銘文鑄造:金色財經報道，NFT項目Sappy Seal在社交媒體宣布已啟動比特幣鏈上NFT銘文鑄造，并將向公眾和Sappy Seals持有人開放，據悉本次總供應量為101個NFT且不需要比特幣錢包，其中大部分供應將分配給Sappy Seals持有者。Sappy Seals創始人wab.eth此前表示將以游戲化Free Mint的形式發行比特幣NFT系列，同時他還聲稱已經準備好了相關技術使這個系列能夠在以太坊上進行交易。另據Dune Analytics數據顯示，當前Ordinals協議在比特幣區塊鏈上的NFT鑄造數量已超過13.8萬枚。[2023/2/18 12:14:56]

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。

富國銀行給予Silvergate Capital股票“增持”評級，目標價120美元:金色財經消息，富國銀行（Wells Fargo）周一在一份報告中表示，機構對加密貨幣的持續采用和產品創新應該有助于維持Silvergate Capital（SI）的增長勢頭。報告給予該公司的評級為“增持”，目標價為每股120美元。

富國銀行表示，市場正處于加密貨幣和區塊鏈采用的早期階段，Silvergate為希望獲得加密生態系統的法幣出入口的投資者提供了一個受監管和有FDIC保險的平臺。

目前，Silvergate Capital股價下跌逾14%，現報63.59美元，約為富國銀行給出目標股價的一半。（CoinDesk）[2022/6/13 4:23:36]

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。

Celer跨鏈消息（Celer IM）框架已在主網啟動:5月27日消息，Celer跨鏈消息（Celer IM）框架已在主網上啟動，開發人員可以使用Celer跨鏈消息SDK構建跨鏈dApp，具有高效的流動性利用、連貫的應用程序邏輯和跨多個區塊鏈的共享狀態。[2022/5/27 3:46:11]

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。

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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