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V SYSTEMS：区块链数据库及应?用平台
英?文原?文由Sunny King、Kate Shan、Rob Zhang、Scott Nadal撰写
2018 年年 9 ?月 16 ?日
本中?文版由V SYSTEMS社区爱好者翻译，请在http://www.v.systems阅读英?文原版
背景
我们会时常记起，互联?网的诞?生 —— 可以说跟?工业?革命或信息时代到来同等重要的?一个
科技事件 —— 发?生在仅不不到 30 年年前。?走在中国城市的?大街?小巷中，似乎每个?人都要时
不不时地翻看?一下他们?手机。这就是互联?网?无孔不不?入的普及带给我们?生活的改变。近年年来，
?人?工智能已在我们社会中有了了?无数的实际应?用，?而它在围棋领域已经远胜于?人类冠军
[Silver 2016]。还有?人提到，作为量量?子时代即将到来的信使，“量量?子霸权”（Quantum
Supremacy）即将出现在不不远的未来。似乎互联?网的创造，就像电脑?一样，已经属于了了
?一个古?老老的过去。作为?一名技术?人员，有时候不不得不不赞叹?人类?文明的巧思以及它所能够
取得的惊?人的进步速度。
相对?而?言，中本聪所宣布的?比特币 [Nakamoto 2008] 所带来的影响并不不如之前提到的
那些技术突破来得?大。相反，它?一直受到很多的质疑。?而这也表明了了中本聪的思想远超过
了了他所在的时代。然?而，他的杰作所带来的影响已然?日益增加。到2017年年，随着?比特币
价格突破2万美元?大关，区块链技术也被?广泛接受为?一个主要的技术创新及颠覆者。即便便
如此，区块链技术所带来的影响可能仍然被低估了了。事实上，我们可以认为，区块链为我
们带来了了?一个具有强私有财产的世界，其对?人类未来可能有着极为深远的影响。简要回顾
?人类?文明史就不不难发现私有财产是其基础?支柱之?一。因此，可以认为区块链技术将会给世
界带来的影响会?比?工业?革命还要深远。基于这样的理理念，我们将这?一新经济时代称为虚拟
经济时代（Virtual Economy Era），并将我们平台的基础代币记为 VSYS为向中本聪
的?比特币致意，我们内部将2009 年年记为虚拟经济元年年（V.E.1）。

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但?人们应该对?比特币和区块链技术加以区分。拜占庭将军问题 [Lamport 1982] 是以
前计算机科学中的?一个困难的分布式共识问题，?而?比特币是其第?一个实际可?行行的解决办
法。区块链技术派?生于中本聪发明的?支撑?比特币?网络运?行行的底层算法。如今，被?广泛接
受的看法是区块链技术包含了了所有相似的?网络，不不论公有的还是私有的，只要在其共识模
型中有?一定程度的去中?心化现象。
?比特币被设计成虚拟货币。 ?比特币区块链存储的是它的账本，?用以确定每个?比特币的所
有权。 2011 年年，Namecoin 的出现标志着在区块链中存储其他类型信息的第?一次尝
试。其后有很多将?比特币区块链作为数据存储?用于各种应?用?目的的尝试。但是，?比特币
通常不不?鼓励这种?用于存储的做法，因为?比特币不不是为此?而设计的，它会使得这种做法困难
且昂贵。
不不过，区块链技术?一般来说应该被看作是?一个分布式的数据库系统。这意味着，世界上很
?大?一部分数据可能存储在这样的系统中，就像传统的关系数据库和最近的云数据库?一样。
在本?文中，我们将探索区块链技术的这?一?方?面，并证明区块链可以成为未来数据库?非常有
竞争?力力的选择。
引?言
由于?比特币不不是为?一般的数据使?用?而设计的，所以试图将?比特币区块链作为?一个数据存储
仓库已被证明是困难和昂贵的。为了了让其区块链不不被?用作数据存储，?比特币协议将合法
的数据使?用限制在每笔交易易100 字节的范围内（这个限制改变了了?几次，但数量量级本质上
是相同的）。虽然也存在通过将数据拆分成较?小?片段来存储数据的?方式，但是其不不可避免
地引?入了了过多复杂性与开销，从?而?非常困难和昂贵。 ?比特币有意引?入这个限制是因为适
应数据使?用是与系统性能相冲突的。提?高?比特币区块的最?大容量量限制是?一场漫?长的?斗争与
戏剧性博弈，也反映了了该技术固有的可扩展性限制。为了了促进数据的使?用，它会导致有
限的存储资源被更更多地消耗，同时还将降低系统的最?大吞吐量量。
可扩展性问题源于以下事实：与以前的分布式数据库不不同，?比特币是?一个极其冗余的系
统。 ?比特币?网络的每个完整节点都有?比特币区块链的?一个完整的数据集，也必须完全地
验证整个区块链。这样的极端冗余带来的成本是我们可以看到的其对可扩展性的影响。

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?比特币最初通过?一个称为轻量量级验证的系统来处理理冗余，通过巧妙地将交易易组织到
Merkle树数据结构中，使?用户仍然可以按去中?心化的?方式仅使?用轻节点来达到区块链共
识。这个技术显著降低了了?比特币?网络的冗余度。 ?目前，?比特币?网络中轻节点数量量远远超
过全节点的数量量。
后来，Blockstream建议可以将应?用程序移动到侧链上[Back 2014]。为了了维持?一个以
?比特币为中?心的世界，他们在这?一?方案中提出了了?一个?比特币的锚定系统。
以太坊则建议通过分?片处理理冗余。分?片是分布式的数据库技术将?大型数据库分成更更?小的
“碎?片”，这些碎?片存储在不不同的节点。这个系统引?入了了分?片可?用性降低的?风险。为了了应
对这种?风险，以太坊可能需要多个存储了了整个区块链的?高度可?用的全节点。
Plasma [Poon 2017] 最近的?一篇论?文提出了了另?一种可扩展性的解决?方案。
V SYSTEMS 平台：重构区块链技术
据估计，现在已出现了了数以万计的区块链项?目，甚?至还会更更多。对于许多想要进?入区块
链?行行业的个?人和团队来说，开发和维护区块链系统的成本已经成为?一个巨?大的挑战。现
在是时候将区块链技术作为?一个整体来重新加以审视了了。如果我们能够在提?高可扩展性
的同时?大幅降低区块链技术的成本，这将会为区块链技术带来更更多创新?用途并加速其被?广
泛地接受。
区块链作为数据库
区块链技术所带来的主要模式转变是去中?心化。我们应该从这个新视?来看?一下区块链
数据库。
?一般来说，传统的?用户账户在区块链中可以?用公钥和私钥地址代替。通常，传统数据库
有很严格的访问控制， ?几乎所有的数据都只限于经过认证的帐户。在传统的数据库中，
帐户创建是中?心化的。也就是说，数据库管理理员授予?用户?一个访问帐户。通过区块链，
任何?人都可以?自由?生成密钥对，?而?无需中?心化管理理。除了了以加密形式存储的数据之外，区

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块链中的?大部分数据都是公开的。即使是在组织内部局域?网搭建的私有区块链，其未加
密的数据仍然应该被视为公开的，因为?非法?入侵局域?网总是不不可避免的。所以隐私的保
护依赖于虚拟?份的匿匿名性。有趣的是，与中?心化模式相?比，这可能实际上是?一个更更强的
隐私保护策略略。在中?心化模式下，我们经常会听到有关因?黑客攻击?而丢失客户数据的情
况。
如果?一个应?用程序需要某种形式的集中管理理呢？这可以通过客户端/节点软件内的业务逻
辑来加以实现。被称为管理理员的特权密钥对可以被内置到客户端软件中。然后，管理理员
可以选择标记那些违反服务协议的密钥对为违规者。管理理员也可以标记特定的数据以作
审查。违规者的数据或不不适当的或?非法的数据将被节点软件视为?无效。
值得注意的是，由于违规者数据仍然允许进?入区块链，只是不不被官?方节点软件所承认?而
已，所以这类中央审查是?一种弱形式的审查。
如果有应?用程序需要客户身份识别功能呢？通常这种应?用程序在账户激活使?用前需要?用
户按开户条件通过?份认证。也可以通过引?入通过?份认证的公钥的?白名单在客户端/节
点软件内实现这?一功能。只有来?自该公钥列列表的数据才能被该软件识别。
考虑到上述概念，现存的?一?大部分数据库都可能适合于迁移到区块链数据库中。
V SYSTEMS 平台将数据库中的元素视为对象（objects）。
如下是?一些基本对象的例例?子：
? 公钥：?用户所产?生密钥对的公开部分
? 地址：公钥的?一种缩简形式
? 虚拟?份/化?：与供临时使?用的公钥相?比，为?长期使?用?份
? 组织：每个?份与多个虚拟?份/化?相关联，并由多个虚拟?份/化?所管理理
? 可替代物：可替代属性的虚拟资产/代币，如货币、股份等
? 账号：?份所拥有可替代物的容器?，类似于银?行行账户。注意其与传统数据库?用户账
户的区别。

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如下是?一些基本关系的例例?子：
? 所有权：?份与对象之间的关系
? 创建关系：对象与创建对象的?份之间的关系
? 发?行行关系：代币发?行行者与可替代物之间的关系
如下是?一些基本的?用户数据库操作：
? 创建数据库
? 插?入对象
? 更更新对象
? 删除对象
? 创建索引
? 按索引键值查询
JSON 格式的对象是?非常强?大的表现结构化数据的数据结构。键值对（key-value
pair）可以认为是对象的?一个简单例例?子。需要注意的是，键值对中的键（key）与虚拟?
份的公钥（public key）不不是同?一事物。因?而，有时为了了避免混淆会将“键值对”称作“名
值对”（namevalue pair）。数据库的键空间或名字空间既可以是?用户本地的，也可以
是全局的。
在所有权类型的数据模型中，数据对象可以认为是由插?入该对象的?份所“拥有”，即对象
仅可以被其所有者修改或删除。对于全局命名空间?而?言，存在着命名空间解析问题。它也
可以理理解成全局惟?一性约束问题。当?一个?用户试图插?入?一个键值对时，另?一?用户可以在?广
播中看到相应的键（或名），因?而可以插?入使?用相同键（或名）的?一个竞争键（名）值
对。该竞争键值对有可能抢在原键值对之前被区块链确认。Namecoin 引?入了了?一个解决
该问题的协议，其基本思路路如下：
? ?用户发送?一个预插?入（pre-insertion）预订交易易，该交易易中键（或名）通过哈希隐
藏。协议规定预订交易易将为插?入给定的键保留留?一定操作时间。

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? 等待预订交易易确认。
? 预订交易易确认后，将实际插?入交易易?广播到?网络中去。插?入交易易应当包括有?一个指向
预订交易易的链接/引?用以便便协议验证其与预订交易易相互吻合。
由于别的?用户在预订交易易被?广播时?无法得知相应的键（或名），他也就不不能抢在该键实际
所有者之前完成该键的插?入，除?非在插?入交易易被?广播后发?生了了区块链重整
（reorganization）现象。
然?而，这仍然不不能阻?止恶意?用户猜测其他?用户所要插?入的键并抢先插?入，如同域名系统所
遭遇的?一样。
所有权可以进?行行转让。对象的所有者随着转让交易易?而发?生改变。
在默认情况下，只有对象所有者可以对其进?行行修改或删除。但也要考虑其他?一些允许更更多
灵活性的模型。例例如，?一份?文件或 Wiki 应?用或许并不不需要为每?一个数据记录标明所有
权。
?一旦对象被插?入，所有?人都可以?自由地对其进?行行修改或删除。另?一个可能模型为使?用?份
?白名单，只有对象的?白名单成员可以对其进?行行修改。
?高级数据库功能
V SYSTEMS 平台还计划引?入?高级数据库查询功能。类似于 MongoDB 的对象-关系型
查询语?言?比传统关系型查询模型（即 SQL）更更加灵活。?谷歌 MapReduce 也给出了了?一种
新的数据处理理形式。
数据库迁移
作为?一个数据库，迁移功能通常被认为是重要的。随着数据库的扩展，应?用数据可以迁移
到应?用?自有的独?立区块链上去，区块链?手续费可以针对性降低，这将使应?用更更加节省费
?用。V SYSTEMS 平台将会提供迁移?工具供数据库在区块链间迁移使?用。

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模块化?目标
模块化是降低系统复杂性及减少未来开发维护费?用的?一个重要的设计?目标。这?一设计不不仅
仅是为了了 V SYSTEMS 平台本?，也是为了了在 V SYSTEMS ?生态中运?行行应?用的其他区块
链。
协议分层：
? 共识管理理层
? 区块树（Block tree）管理理层
? 链间（Interchain）处理理层
? 交易易处理理层
? 数据格式层
? 对等?网络层
? 互联?网协议层
系统组件：
? 可插拔式共识模型
? 可插拔式业务逻辑容器?
? 数据库管理理组件
? 数据库操作组件
? 数据库查询组件
? 共享对等?网络服务
? 进?行行区块链处理理的全节点
? 智能?手机端轻节点冷钱包
? 智能?手机端轻节点热钱包
? 浏览器?端钱包
共识系统

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最初的?比特币?工作量量证明共识机制现在被称为中本聪共识。中本聪共识是?一个标志性突
破，是?一切的开始。 8 年年多的运?行行，?比特币系统?无疑证明了了它的可靠性。
协议分层
共识管理理层
区块树管理理层
链间处理理层
交易易处理理层
数据格式层
对等?网络层
互联?网协议层
质数币 [King 2013] 介绍了了基于质数的?工作量量证明共识机制，我们称之为质数币共
识。质数币共识是第?一个也是唯?一?一个能在挖矿同时得到有趣副产物的共识系统，达成
?网络共识的同时具有可预测的安全级别。质数币已经可靠地运?行行了了4 年年多时间。
股权共识（Proof-of-Stake）?首先由点点币引?入[King 2012]。与中本聪共识或质数币
共识中基于消耗的计算资源来分配权重相?比，股权共识的主要区别是通过参与共识的代币
持有量量来分配权重，因此也被称为区块铸币（block minting）。这种算法将共识安全
级别与能源消耗级别从系统中分离出来，消除了了达到共识所需要的能源消耗，从?而解决中
本聪共识中的能源消耗问题，同时降低整个系统的运营成本。
股权共识是?一个重?大突破，因为它显着降低了了区块链技术成本和进?入壁垒，从?而让?大量量的
多元化区块链?生态系统得以实现。我们相信在未来的某个时候，世界上运?行行的区块链的
数量量可能超过世界?人?又的总数。股权共识正是区块链技术能达到如此巨?大规模应?用的使
能技术。
有?几个主要的区块链?网络已经运?行行了了数年年的股权共识系统，相互之间有?一些区别。股权
证明共识已经很好地证明了了?自?己。V SYSTEMS 平台计划?至少实现以上三种已被证明过
的创新性共识机制。

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当然还有其他共识机制。随着项?目推进，V SYSTEMS 平台也将评估其他共识机制的可
靠性。
具有创新性与可靠性的共识算法都将是 V SYSTEMS 平台可能实现的候选者。
主链-侧链模型
V SYSTEMS 平台引?入了了独特的主链与侧链模型。
区块链 S 被称为另?一区块链 M 的?一条侧链，如果 S 满?足：
? 感知性（Awareness）：S 的全节点同时也是 M 的全节点，并对 M 的所有交易易进?行行
处理理
? 同步性（Synchronization）：S 遵守与 M 的抽象时钟同步
相应地，M 被称为 S 的主链。
抽象时钟同步处理理两个区块链之间的区块排序问题。设想区块链为?一个抽象的时钟，其每
?一个区块为?一个时钟滴答。称其为抽象时钟，是因为它与写进区块的本地时间戳并?无关
系。时间戳是局域数值，不不能全局地决定事件的正确顺序。?而区块链中的区块?高度可以决
定?一个全局时间序列列。观测者可以放?心地认为前?一个区块中的事件总是在后?一个区块事件
之前发?生，不不论两个区块的时间戳如何。
当?一个侧链区块产?生时，它将链接到主链上最新的区块，以其作为主链?父区块
（mainchain parent）。允许多个相继产?生的侧链区块共享同?一主链?父区块。这种主链
-侧链间的?父?子关系必须也是保序的（oder-preserving）。
主链-侧链模型使得我们可以在两个区块链之间开发?一种专?用通信?方式。与
Blockstream 的?方案不不同，我们的模型不不需要侧链锚定，从?而给侧链项?目更更多可以创新
的?自由空间。
云特征

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V SYSTEMS 平台计划提供为应?用建?立区块链所需的?工具包。区块链模板制备
（template preparation）允许?用户从不不同协议参数及可插拔组件（如共识模型）中进
?行行选择。
?一旦定下模板及选项，V SYSTEMS 平台提供的?工具包甚?至可能在应?用所需具体业务逻
辑尚未完全开发之前即为应?用部署好?一个全新的区块链。
智能合约
智能合约 [Szabo 1996] 允许各?方在没有可信第三?方的情况下创建具有约束?力力的协议。
?比特币在验证交易易时使?用了了简单的脚本系统。但是由于担?心潜在的问题，这个脚本系统
有很强的限制性，只能进?行行标准化交易易。后来，以太坊 [Buterin 2014] 重新设计了了?一
个智能合约系统，拥有称为 Solidity 的图灵完备的编程语?言。这是区块链技术的?一个重
?大进步，使得在许多应?用场景中可实现可?自动执?行行与去中?心化的智能合约。
EOS 最近提出使?用 WebAssembly 来实现另?一个被称为 Wasm 的智能合约系统。
Wasm 是浏览器?内部客户端低级脚本语?言的新兴 Web 标准。 Wasm 通常通过 C 或
C++ 开发后编译得到。
V SYSTEMS 平台计划以兼容?方式同时?支持以太坊和 EOS 类型的智能合约。虚拟机将
以模块化?方式实现，以便便应?用程序可以选择启?用其偏好的智能合约类型。 V SYSTEMS
平台也将评估和考虑越来越多被开发出来的竞争智能合约系统。
可扩展性
许多团队针对单个区块链上的可扩展性限制花费了了?大量量的精?力力。虽然其中?一些可能是值
得注意的，但我们相信可扩展性的最终解决在于?无限数量量的区块链?生态系统。如前所
述，我们的愿景是?一个可能同时运?行行着数?十亿块区块链的世界。V SYSTEMS 平台允许

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不不同的应?用程序必要时可以在不不同的区块链中运?行行，从?而实现与同?一?生态系统中其他应?用
系统的完全可扩展性隔离（scalability isolation）。
可?用性
可?用性?一直是限制加密货币被?广泛接受的?一个瓶颈。V SYSTEMS 平台计划开发基于浏
览器?的钱包以及智能?手机上具有现代?用户体验和?高安全性的移动轻节点钱包。冷钱包会
做到让每个?人都可以轻松使?用，让?用户安?心?无忧地管理理?自?己的虚拟资产，免除来?自?网络?黑
暗?落的威胁。
结论
V SYSTEMS 平台旨在?大幅度降低区块链技术的成本，增加区块链作为数据库平台相对
传统数据库系统的竞争?力力。我们的愿景是，区块链的未来不不仅在于某些数?十亿美元区块
链，更更应在于数?十亿块区块链之中，?而这将为全球带来?一个新的经济时代。
参考?文献
[Back 2014] Enabling Blockchain Innovations with Pegged Sidechains,
https://blockstream.com/sidechains.pdf
[Buterin 2014] Ethereum: A Next-Generation Smart Contract and
Decentralized application
Platform,
http://www.the-blockchain.com/docs/Ethereumwhitepapera_
Nextgenerationsmartcontractanddecentralizedapplication_platform-vitalik-
buterin.pdf
[King 2012] PPCoin: Peer-to-Peer Crypto-Currency with Proof-of-Stake,
https://peercoin.net/assets/paper/peercoin-paper.pdf
[King 2013] Primecoin: Cryptocurrency with Prime Number Proof-of-Work,
http://primecoin.io/bin/primecoin-paper.pdf

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[Lamport 1982] The Byzantine Generals Problem,
http://lamport.azurewebsites.net/pubs/byz.pdf
[Nakamoto 2008] Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System,
https://bitcoin.org/bitcoin.pdf
[Poon 2017] Plasma: Scalable Autonomous Smart Contracts,
https://plasma.io/plasma.pdf
[Silver 2016] Mastering the game of Go with deep neural networks and tree
search,
https://storage.googleapis.com/deepmind-media/alphago/
AlphaGoNaturePaper.pdf
[Szabo 1996] Smart Contracts: Building Blocks for Digital Markets,
http://www.fon.hum.uva.nl/rob/Courses/InformationInSpeech/CDROM/
Literature/LOTwint
ersc hool2006/szabo.best.vwh.net/smartcontracts2.html

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