区块链第一性原理：深入解析底层逻辑与核心机制

什么是第一性原理 第一性原理（First principle thinking）指的是，回归事物最基本的条件，将其拆分成各要素进行解构分析，从而找到实现目标最优路径的方法。该原理源于古希腊哲学家亚里士多德，因埃隆・马斯克的推崇而被大众所了解。该原理也与东方哲学中的”道“有相通之处。 2014 年，埃隆・马斯克在南加州大学商学院的毕业演讲上，说到了他的第一性原理决策方式： “也许你听我说过，要从物理学的角度思考问题，这是第一性原理。即不要进行类比推理。你把事情细分到你可以想象的最基本元素，然后你从那里开始推理，这是确定某件事是否有意义的好方法。这种思考不容易，你可能无法对每件事都这么思考，因为这很花精力。但是如果你想创新知识，那么这是最好的思考方法。这个框架是由物理学家提出并发展的，他们因此找出了反直觉的事情，比如量子力学。所以这是非常有效、非常强大的方法。无论如何，一定尽可能这样去做。” 马斯克以真空胶囊高铁为例，如果用比较思维或者经验思维设计新型火车产品，多数人的想法是在现有的功能上做提升，让动力更强劲，流体力学更好。但是如果用第一性原理分析产品需求，就要回到运输工具的本质目的：将较多的货物从 A 点运输到 B 点，这才是最初制造火车等运输工具的目的，并非一定要用牵引力才能实现升级。在第一性原理的支撑下，马斯克提出采用磁悬浮加低真空的模式，打造真空胶囊高铁。 区块链中的第一性原理 那么区块链的第一性原理是什么呢？ 肖风博士在 2024 香港 Web3 嘉年华的闭幕仪式上演讲里表示：区块链的第一性原理是新的记账方法。 “2009 年出来的区块链，作为分布式账本（DLT），它记录的是数字价值和网络价值，并且不再是在私人账本上记账，而是在公开透明的全球公共账本上，大家在一块记账，所有的利益相关者在一个账本上记账。这就是区块链的第一性原理，透明、公开的「全球公共账本」，所有 Web3 的创新都是基于第一性原理做的。” 笔者赞同肖风博士的观点，并基于这个观点进一步阐述区块链的本质。 “区块链”三个字拆开来看就是区块 + 链，既然区块链的第一性原理是一种记账方式，那么区块和链真的是必要的吗？ 在回答这个问题前，我们首先来看比特币作为分布式账本，为什么需要区块和链。 在比特币中，区块是一个包含一组交易信息的数字记录，可以理解为是账本中的一页账，用哈希函数可以算出一个哈希值，这个哈希值的特点是只要区块的内容稍加变化，哈希值就变的不一样。每个区块都包含前一个区块的哈希值，可以理解为第 N+1 个区块的第一行要写入第 N 个区块算出的哈希，从而形成一个不可篡改的链式结构。 在比特币中，同步账本的机制即 PoW 共识机制。当比特币网络中发生交易时，这些交易会被放入内存池（mempool）中。然后，矿工从内存池中选择一组交易，尝试组成一个新的区块。要做到这一点，矿工需要找出随机数中的某个特定数值，并将这个特定数值与区块数据结合起来，生成一个满足网络难度目标的哈希值，这个过程被称为“挖矿”，谁先计算出符合条件的哈希值，谁就获得了记账权，也就是挖矿成功。难度目标是一个动态值，每 2016 个区块（大约每两周）调整一次，从而让比特币的平均出块时间维持在 10 分钟左右。 区块和链是比特币的基础结构，PoW 是比特币的共识机制，两者结合实现了比特币的去中心化记账功能。但从区块链的本质来说，只要能实现去中心化记账，记账可以是非区块的（例如单笔交易共识），账本也可以是非链式结构（例如 DAG）。因此区块和链并非必要，只是区块链这三个字深入人心，成为了以比特币、以太坊、Solana 为代表的去中心化账本的代称罢了。 比特币毕竟已经是 2009 年的产物了，随着区块链研究的不断发展，虽然大部分区块链还是遵循传统区块 + 链的结构，但也出现了一些以第一性原理设计的区块链，他们从最根本的去中心化记账问题出发，有着独特的数据结构和共识，本文以 Sui 和 Arweave AO 为例。 Sui：水之道 Sui 是基于第一原理重新设计和构建而成的 Layer1，主要团队来自 Facebook（后改名 Meta）已解散的 Diem 和 Novi 项目。Sui 的命名源于日语中的水，其品牌形象中也能看到水的影响。 Sui 使用 Sui Move 来编写其智能合约，采用了一种基于对象的数据模型，所有交易都以对象作为输入，并产生新的或修改过的对象作为输出，允许独立的对象并行处理交易。 在 Sui Move 中，每个智能合约都是一个模块，由函数和结构定义组成。结构在函数中实例化，可以通过函数调用传递给其他模块。运行时存储的结构实例作为对象，Sui 中存在三种不同类型的对象，分别是拥有者对象，共享对象和不可更改对象。 Sui 没有区块，对交易进行单独验证，并且一个交易是否经过 Sui 的排序和共识机制，取决于交易中的对象是共享的还是非共享的。 如果不涉及共享对象的交易，称为简单交易，Sui 采用拜占庭一致广播（Byzantine Consistent Broadcast）的轻量级算法，参考了 FastPay 的设计思想。由客户端广播交易给 Sui 的所有验证者，并收集验证者的基于权益加权的投票，生成一个证书，再将证书广播回给验证者，收到这个证书的验证者就可以直接执行这个交易。 如果涉及共享对象的交易，称为复杂交易，Sui 采用的是 Narwhal & Bullshark 共识机制。Narwhal 是一个 mempool 模块，负责保证交易的可用性。Narwhal 基于轮次进行运转的，每轮分为两个步骤，分别是交易的分发（同步交易给其他节点）和交易的验证（收集其他节点对交易的投票），多轮以后，交易会形成一个有向无环图（DAG）。Bullshark 是一个共识模块，负责对 Narwhal 中 DAG 的交易进行排序。 Sui 利用 DAG 进行交易传播和共识，降低了交易延迟并减少了通信过程中的网络开销。同时，为了维护历史信息的完整性和顺序，Sui 在一个单独的过程中将交易排序为检查点，检查点以线性方式相互链接，为存储和访问历史数据提供了类似于传统区块链的结构。 但实际上 Sui 的数据结构与传统区块链完全不同，Sui 分组到检查点中的交易已经最终确定，而传统区块链是将尚未最终确定的交易分组到区块中。 Arweave AO：空之道 水无常形，但毕竟有形。就像 Sui 还保留了传统区块链中的共识机制，并最终将交易数据组织成了传统区块链的区块 + 链结构。AO 则彻底颠覆了传统区块链的范式，无区块无链无共识，相比于水，AO 在象征意义上更接近于天空（日语为 Sora）。 AO 是一个基于 Arweave 的分布式、去中心化、面向 Actor（Actor Oriented）的计算系统。其基于的第一性原理并不是构建一个去中心化账本，而是构建一个去中心化的计算系统。大概类似于应用程序和操作系统的关系。 计算系统可以拆分成存储、计算和通信三个问题，在 Web2 中都有非常成熟的解决方案，难的是去中心化。一种思路是分别构建一个去中心化存储网络，一个去中心化计算网络，以及一个去中心化通信网络，这其实正是 2014 年以太坊联合创始人 Gavin Wood 提出的计算，存储和通信三位一体的去中心化技术架构的思路，分别是以太坊（智能合约）负责去中心化计算的部分，Swarm 负责去中心化存储的部分，Whisper 负责去中心化通信的部分。 AO 也由三个单元组成： 通信单元（Messenger Unit）：负责消息通信，将消息传递给计算单元并协调以计算输出结果； 调度单元（Scheduler Unit）：负责调度和消息排序，并将消息上传至 Arweave； 计算单元（Compute Unit）：负责处理计算，并将计算结果上传至 Arweave。 一个 AO 上的进程（Process）由一组单元构成，每个单元都可以作为可水平扩展的子网，同时执行大量交易，从而实现高性能计算，但每个单元并不是一个去中心化网络。实际上在整个 AO 的架构中，真正去中心化的只有作为底层的存储网络 Arweave。 AO 上的进程通过将其全息数据上传到 Arweave 上，使其拥有了可验证性的属性——因为任何人都可以通过全息数据恢复 AO 上的这个进程。这其实是一种存储共识范式（SCP），即只要存储是不可变的，上面的交易就都是可追溯的，那么无论在何处计算应用程序，都将得到相同的结果。 AO 没有共识机制，但通过 SCP，将计算层与存储层分离，使存储层永久去中心化，而计算层保持传统计算层的模式。因此在 AO 上的计算拓展性没有任何类型限制，不仅可以实现以 EVM、WASM 或 Move 虚拟机为核心的区块链账本服务，甚至可以把任何现有的 Web2 服务都放在 AO 上重新构建为去中心化版本。 总结 第一性原理是从物理学的角度去思考事物的本质，再从本质出发，一层层向上设计。虽然 Sui 和 Arweave AO 都是基于第一性原理设计出来的区块链，但由于他们的本质不一样，于是设计出了完全不同的架构。 Sui 的本质是去中心化账本服务，对标的是像 Solana 这样的高性能 Layer1，因此 Sui 围绕着“更快的账本服务”设计了面向对象的数据模型，双共识机制和基于状态访问实现的交易并行执行，提高了可扩展性，同时降低了延迟和费用。让开发者能够快速且低成本地开发基于 Sui Move 智能合约的应用。 Arweave AO 的本质是去中心化计算系统，或者说是去中心化云服务，是运行账本服务的基础设施，因此 AO 围绕着“可验证的分布式计算系统”提出了 SCP，即在链下进行计算，将存储放在链上，实现大规模并行计算机的互联和协作。用户体验与传统云服务几乎一致，但背后是去中心化的计算系统。