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DAG（有向無環(huán)圖）是一種非線性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以替代區(qū)塊鏈，用于分布式賬本的存儲。這種結(jié)構(gòu)在并發(fā)的場景下有更好的性能表現(xiàn)，但在實際應(yīng)用中會面臨更多的技術(shù)挑戰(zhàn)。

其中，最大的挑戰(zhàn)在于，基于DAG結(jié)構(gòu)實現(xiàn)智能合約，要比基于區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)困難得多。

本文將討論DAG和區(qū)塊鏈這兩種賬本結(jié)構(gòu)，在加密貨幣和智能合約兩個場景下的不同，以及如何基于DAG來實現(xiàn)智能合約。

在談什么是DAG之前，讓我們先從最簡單的場景出發(fā)——加密貨幣。加密貨幣是一個分布式數(shù)據(jù)庫，存儲了每個賬戶的余額信息。在加密貨幣網(wǎng)絡(luò)上運行著很多臺計算機，這些計算機稱為節(jié)點（Node）。每一個節(jié)點都會存儲一份關(guān)于賬戶余額的數(shù)據(jù)，這份數(shù)據(jù)通常被稱為「狀態(tài)」（State）。

與傳統(tǒng)的中心化銀行系統(tǒng)不同，這種分布式賬本要求所有節(jié)點對狀態(tài)達成某種共識。或者說，對任意一個賬戶來說，要求這個網(wǎng)絡(luò)上每臺計算機所存儲的余額都是一致的。

由于狀態(tài)的數(shù)據(jù)量比較大，在網(wǎng)絡(luò)上傳輸全部數(shù)據(jù)非常困難，因此，在這種系統(tǒng)中，往往只傳輸那些能夠引起狀態(tài)變化的事件，也就是「交易」（Transaction）。

想想看，你的錢不會無緣無故的增加或減少，只有在別人向你付款，或者你向別人付款的時候，賬戶余額才會發(fā)生變化。因此，只要知道一個賬戶所有歷史轉(zhuǎn)賬（Transfer）記錄，就可以很容易計算出當(dāng)前的余額。

在加密貨幣系統(tǒng)中，所有發(fā)生過的轉(zhuǎn)賬交易，都記錄在一個被稱為「賬本」（Ledger）的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。這種賬本通過密碼學(xué)的方式進行了某種加密，使得每一個節(jié)點都可以驗證自己獲取的賬本數(shù)據(jù)是不是被篡改過。

區(qū)塊鏈和DAG

說完了加密貨幣，那么它跟DAG有什么關(guān)系呢？

首先，要知道區(qū)塊鏈是一種經(jīng)典的賬本結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于比特幣、以太坊等去中心化系統(tǒng)。它將一組交易打包成區(qū)塊(Block)，通過哈希引用將區(qū)塊組織成一個鏈式結(jié)構(gòu)。

而DAG是在區(qū)塊鏈的基礎(chǔ)上擴展出來的另外一種賬本結(jié)構(gòu)。在DAG賬本中，一個區(qū)塊通常只包含一個交易，它們彼此之間通過哈希引用，構(gòu)成一種有向圖結(jié)構(gòu)，并且保證圖中不存在環(huán)路。

DAG賬本有很多不同的變體。例如，任意一個交易均引用兩個其他交易作為其前驅(qū)節(jié)點，所構(gòu)成的DAG被稱為「Tangle」，應(yīng)用于IOTA等項目；在另外一種DAG結(jié)構(gòu)中，交易被組織成若干條鏈，并通過一些成對的交易彼此鏈接，這種DAG被稱為「Block Lattice」，應(yīng)用于Nano、Vite等項目。

然而，大部分人沒有意識到，事實上，區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)也是DAG的一個特例。

基于不同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來組織賬本

基于區(qū)塊鏈的加密貨幣

那么問題來了，假如每個節(jié)點拿到的賬本是完全一樣的，那么根據(jù)這個賬本計算出來的狀態(tài)是否也完全一樣呢？

首先來看區(qū)塊鏈這種結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，所有的交易都是有序的，改變?nèi)魏蝺蓚€交易的順序，都會破壞區(qū)塊鏈的哈希引用關(guān)系，從而破壞賬本的有效性。

因此，無論在哪個節(jié)點上進行計算，從同一個初始狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)歷同樣的轉(zhuǎn)賬交易序列，總會產(chǎn)生相同的結(jié)果。看起來非常完美，不是嗎？

無論是比特幣還是以太坊，節(jié)點之間不需要傳輸和比較龐大的狀態(tài)數(shù)據(jù)，只需要就賬本數(shù)據(jù)達成共識就行了。賬本中所包含的信息，就足夠一個節(jié)點計算出正確的狀態(tài)了。

基于區(qū)塊鏈賬本的加密貨幣

?基于DAG的加密貨幣

我們再來看看DAG賬本，是不是還具有這樣的特性。好運氣還在，在DAG賬本中，雖然一些交易之間的順序從賬本中已經(jīng)獲取不到了，但這些順序并不影響節(jié)點計算狀態(tài)。

因為加密貨幣中的狀態(tài)計算，都是對余額的加減運算，這些運算是滿足交換律的，只要保證任何賬戶的余額不小于0，交易的先后是無所謂的。

因此，無論如何遍歷DAG賬本，最終計算的賬戶余額數(shù)據(jù)都一樣，也就是說，任何節(jié)點都可以通過DAG賬本來恢復(fù)正確的狀態(tài)。

?基于DAG賬本的加密貨幣

基于DAG的智能合約

看完了加密貨幣，我們再來看看智能合約。

在現(xiàn)實世界中，很多應(yīng)用場景不像加密貨幣那樣只記錄一個余額就足夠了。例如飛機票預(yù)訂應(yīng)用，在狀態(tài)中需要記錄一個航班上每一個座位的歸屬。這個時候，交易也不再僅僅表示轉(zhuǎn)賬了，可能包含任何對智能合約的請求數(shù)據(jù)，例如一張機票的預(yù)訂請求。

這個時候，改變兩個交易的先后順序，就有可能產(chǎn)生不同的狀態(tài)。想想看，如果Alice和Bob都嘗試去預(yù)訂同一班飛機上的同一個座位，那么這個座位將歸屬于先預(yù)訂的那個人。

在智能合約的場景下，好運氣終結(jié)了，交易之間不再完全滿足交換律了。這就迫使我們不得不去認真對待賬本中每個交易之間的順序。

基于DAG賬本(Tangle)的智能合約

?那么，到底哪些交易是必須進行排序的，而哪些交易不用關(guān)注順序呢？最理想的情況是，寫一個函數(shù)，可以根據(jù)系統(tǒng)中部署的智能合約邏輯，判斷任何兩個交易順序是否會影響最終狀態(tài)。

假如有這樣的函數(shù)存在，我們就可以在構(gòu)造DAG賬本時，知道哪些交易之間必須建立一個哈希引用。或者通俗的說，在表示DAG賬本的圖中，明確的知道哪些圓圈之間必須加一個箭頭連接起來。

不過遺憾的是，這個的函數(shù)的計算量非常大，無法用于現(xiàn)實的系統(tǒng)。所以我們只能放棄這種“完美”的方案，采用另一種更為簡單粗暴的方法。

構(gòu)造對智能合約友好的DAG

為了給出一個簡單的交易排序規(guī)則，我們需要對系統(tǒng)做一些限制。

首先，我們將系統(tǒng)的狀態(tài)，或者稱“世界狀態(tài)”，看作是由每個賬戶的狀態(tài)組合而成的。其中任何兩個賬戶的狀態(tài)都是獨立的，不會互相影響。一個用戶的余額不會根據(jù)另一個用戶余額的變動而發(fā)生改變，一個合約的數(shù)據(jù)也不會受另一個合約影響。

然后，我們限制每一個交易只能影響一個賬戶的狀態(tài)。比如轉(zhuǎn)賬交易，在我們的方案中，一個交易要么使某一個賬戶余額減少，要么使某一個賬戶余額增加，而不能同時改變兩個賬戶的余額。也就是說，轉(zhuǎn)賬交易被拆分成“出賬交易”和“入賬交易”。同樣的，智能合約調(diào)用的交易也被拆分成“請求交易”和“響應(yīng)交易”。

有了上面兩條限制，排序規(guī)則就變得簡單了：那些影響同一個賬戶狀態(tài)的交易之間必須進行排序；另外，一對「請求交易」和「響應(yīng)交易」也必須滿足請求交易在響應(yīng)交易之前。

按照這種規(guī)則進行排序的DAG賬本，每個賬戶都有一組有序的交易，或者說每個賬戶都擁有一條自己的區(qū)塊鏈，稱之為「賬戶鏈」。另外，不同的賬戶鏈之間也會通過一對請求-響應(yīng)交易之間的順序建立起聯(lián)系。這種結(jié)構(gòu)的DAG就是前文提到的「Block Lattice」。

基于DAG賬本(Block Lattice)的智能合約?

基于這樣的賬本結(jié)構(gòu)，你會發(fā)現(xiàn)，世界又恢復(fù)了秩序。無論以什么樣的順序遍歷DAG賬本，只要遵循賬本中記錄的交易順序，總可以計算出同樣的世界狀態(tài)。

這也是Vite等項目選擇這種結(jié)構(gòu)作為賬本的原因。而采用Tangle結(jié)構(gòu)實現(xiàn)智能合約，就必須引入另外一套排序規(guī)則。這在邏輯上相當(dāng)于在原來DAG結(jié)構(gòu)之外，針對同一組交易，另外建立一個不同的DAG結(jié)構(gòu)，專門服務(wù)于智能合約，增加了工程實現(xiàn)上的難度。