作者 | 刘春明
DAG（有向无环图）是一种非线性数据结构，可以替代区块链，用于分布式账本的存储。这种结构在并发的场景下有更好的性能表现，但在实际应用中会面临更多的技术挑战。
其中，最大的挑战在于，基于DAG结构实现智能合约，要比基于区块链结构困难得多。
本文将讨论DAG和区块链这两种账本结构，在加密货币和智能合约两个场景下的不同，以及如何基于DAG来实现智能合约。
在谈什么是DAG之前，让我们先从最简单的场景出发——加密货币。**加密货币是一个分布式数据库，存储了每个账户的余额信息。**在加密货币网络上运行着很多台计算机，这些计算机称为节点（Node）。每一个节点都会存储一份关于账户余额的数据，这份数据通常被称为「状态」（State）。
与传统的中心化银行系统不同，这种分布式账本要求所有节点对状态达成某种共识。或者说，对任意一个账户来说，要求这个网络上每台计算机所存储的余额都是一致的。
由于状态的数据量比较大，在网络上传输全部数据非常困难，因此，在这种系统中，往往只传输那些能够引起状态变化的事件，也就是「交易」（Transaction）。
想想看，你的钱不会无缘无故的增加或减少，只有在别人向你付款，或者你向别人付款的时候，账户余额才会发生变化。因此，只要知道一个账户所有历史转账（Transfer）记录，就可以很容易计算出当前的余额。
在加密货币系统中，所有发生过的转账交易，都记录在一个被称为「账本」（Ledger）的数据结构中。这种账本通过密码学的方式进行了某种加密，使得每一个节点都可以验证自己获取的账本数据是不是被篡改过。
区块链和DAG
说完了加密货币，那么它跟DAG有什么关系呢？
首先，要知道区块链是一种经典的账本结构，广泛应用于比特币、以太坊等去中心化系统。它将一组交易打包成区块(Block)，通过哈希引用将区块组织成一个链式结构。
而DAG是在区块链的基础上扩展出来的另外一种账本结构。 在DAG账本中，一个区块通常只包含一个交易，它们彼此之间通过哈希引用，构成一种有向图结构，并且保证图中不存在环路。
DAG账本有很多不同的变体。 例如，任意一个交易均引用两个其他交易作为其前驱节点，所构成的DAG被称为「Tangle」，应用于IOTA等项目；在另外一种DAG结构中，交易被组织成若干条链，并通过一些成对的交易彼此链接，这种DAG被称为「Block Lattice」，应用于Nano、Vite等项目。
然而，大部分人没有意识到，事实上，区块链结构也是DAG的一个特例。
基于不同数据结构来组织账本
基于区块链的加密货币
那么问题来了，假如每个节点拿到的账本是完全一样的，那么根据这个账本计算出来的状态是否也完全一样呢？
首先来看区块链这种结构。在这种结构中，所有的交易都是有序的，改变任何两个交易的顺序，都会破坏区块链的哈希引用关系，从而破坏账本的有效性。
因此，无论在哪个节点上进行计算，从同一个初始状态出发，经历同样的转账交易序列，总会产生相同的结果。看起来非常完美，不是吗？
无论是比特币还是以太坊，节点之间不需要传输和比较庞大的状态数据，只需要就账本数据达成共识就行了。账本中所包含的信息，就足够一个节点计算出正确的状态了。
基于DAG的加密货币
我们再来看看DAG账本，是不是还具有这样的特性。好运气还在，在DAG账本中，虽然一些交易之间的顺序从账本中已经获取不到了，但这些顺序并不影响节点计算状态。
因为加密货币中的状态计算，都是对余额的加减运算，这些运算是满足交换律的，只要保证任何账户的余额不小于0，交易的先后是无所谓的。
因此，无论如何遍历DAG账本，最终计算的账户余额数据都一样，也就是说，任何节点都可以通过DAG账本来恢复正确的状态。
基于DAG账本的加密货币
基于DAG的智能合约
完了加密货币，我们再来看看智能合约。
在现实世界中，很多应用场景不像加密货币那样只记录一个余额就足够了。例如飞机票预订应用，在状态中需要记录一个航班上每一个座位的归属。这个时候，交易也不再仅仅表示转账了，可能包含任何对智能合约的请求数据，例如一张机票的预订请求。
这个时候，改变两个交易的先后顺序，就有可能产生不同的状态。想想看，如果Alice和Bob都尝试去预订同一班飞机上的同一个座位，那么这个座位将归属于先预订的那个人。
在智能合约的场景下，好运气终结了，交易之间不再完全满足交换律了。这就迫使我们不得不去认真对待账本中每个交易之间的顺序。
基于DAG账本(Tangle)的智能合约
那么，到底哪些交易是必须进行排序的，而哪些交易不用关注顺序呢？ 最理想的情况是，写一个函数，可以根据系统中部署的智能合约逻辑，判断任何两个交易顺序是否会影响最终状态。
假如有这样的函数存在，我们就可以在构造DAG账本时，知道哪些交易之间必须建立一个哈希引用。或者通俗的说，在表示DAG账本的图中，明确的知道哪些圆圈之间必须加一个箭头连接起来。
不过遗憾的是，这个的函数的计算量非常大，无法用于现实的系统。所以我们只能放弃这种“完美”的方案，采用另一种更为简单粗暴的方法。
构造对智能合约友好的DAG
为了给出一个简单的交易排序规则，我们需要对系统做一些限制。
首先，我们将系统的状态，或者称“世界状态”，看作是由每个账户的状态组合而成的。 其中任何两个账户的状态都是独立的，不会互相影响。一个用户的余额不会根据另一个用户余额的变动而发生改变，一个合约的数据也不会受另一个合约影响。
然后，我们限制每一个交易只能影响一个账户的状态。 比如转账交易，在我们的方案中，一个交易要么使某一个账户余额减少，要么使某一个账户余额增加，而不能同时改变两个账户的余额。也就是说，转账交易被拆分成“出账交易”和“入账交易”。同样的，智能合约调用的交易也被拆分成“请求交易”和“响应交易”。
有了上面两条限制，排序规则就变得简单了：那些影响同一个账户状态的交易之间必须进行排序；另外，一对「请求交易」和「响应交易」也必须满足请求交易在响应交易之前。
按照这种规则进行排序的DAG账本，每个账户都有一组有序的交易，或者说每个账户都拥有一条自己的区块链，称之为「账户链」。另外，不同的账户链之间也会通过一对请求-响应交易之间的顺序建立起联系。这种结构的DAG就是前文提到的「Block Lattice」。
基于DAG账本(Block Lattice)的智能合约
基于这样的账本结构，你会发现，世界又恢复了秩序。无论以什么样的顺序遍历DAG账本，只要遵循账本中记录的交易顺序，总可以计算出同样的世界状态。
这也是Vite等项目选择这种结构作为账本的原因。而采用Tangle结构实现智能合约，就必须引入另外一套排序规则。这在逻辑上相当于在原来DAG结构之外，针对同一组交易，另外建立一个不同的DAG结构，专门服务于智能合约，增加了工程实现上的难度。
结束语
本文简要描述了去中心化系统中的不同账本结构，以及基于DAG结构实现加密货币和智能合约的区别。
最后总结出一种在工程上易于实现智能合约的DAG结构。读者如果希望探寻更多的细节，可以阅读Vite白皮书：
https://vite.org
关于作者
刘春明，毕业于中国科技大学及中科院软件所。资深技术专家，区块链领域专家。曾任京东高级架构师，美团点评技术总监。现任Vite Labs创始人，中国区块链应用研究协会常务理事。
