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摘要：“通过分层架构，可以建立一个经济实惠且通用的基础架构，在我看来，这是区块链驱动世界唯一可行的未来。”
三大程式设计模型
——UTXO模型
首先，从比特币开始。
比特币又被称为点对点电子支付系统，其使用名为UTXO（关联比特币地址的比特币金额的集合，是一个包含资料和可执行程式码的资料结构）的程式设计模型。
最简单的方法是将UTXO看作一个盒子。该盒子包含一个表示货币价值的数字和一个锁。只有拿着相应钥匙的人才能开启盒子。当进行转账时，持有钥匙的所有者或个人使用钥匙解锁，找到另一个空盒子，将新面值放入新盒子中，并附加一个新所有者的锁。
整个交易可以概括为开启盒子，拿出里面的钱，摧毁原来的盒子，然后把它放在另一个盒子里。
总而言之，盒子表示储存资料的UTXO模型，锁表示所有权。
——Account模型
除了UTXO模型，还有Account模型。这个模型最著名的例子是以太坊。
除了资料，以太坊Account模型中还有计算逻辑。你可以将ERC20合约想象成一个盒子，盒子里没有钱而是一组复杂的逻辑和数字。
与UTXO不同，Account模型的盒子始终可以重复使用，并且在其生命周期内无法开启。
当Account模型的盒子被制作出来时，一套规则会被写进盒子里，而一些按钮也会被放置在盒子中，这样人们就可以和盒子互动了。例如，规则可能这样表示:如果一方想转账，那么她或他或它需要出示身份证明的一种形式，并输入密码。一旦完成前面的步骤，就需要以下资讯:转账金额、收件人和其他资讯。一旦进入，她或他或者它需要按下转移按钮才能完成转移。在收到资讯后，它会从您的金额中扣除并更改到另一方的账户，然后更新所有内部资料。
熟悉程式设计的人会很快发现Account模型类似于现实世界中的OOP（面向物件程式设计，一种计算机程式设计架构），按钮的概念类似于API（应用程序程式设计界面）。
如果我们扩充套件盒子隐喻，以太坊的功能更像ATM机。
在Account模型中，该盒子储存逻辑和资料。在将逻辑写入工厂设定的盒子后，永远不能更改它。您只能在需要修改资料时使用外部按钮。每个人的钱都记录在盒子里。要进行事务时，只需要输入事务资讯，该盒子便会根据规则处理的请求进行资料更新。
——Cell模型
在Cell模型中，我们也可以将Cell看作一个盒子，因为它与UTXO模型非常相似，可以包含任意锁定的任意物件。
你可以对该框执行并编写一组规则来指定该盒子可以储存什么。通过这种方式，单元内的资料可以表示货或加密猫之类的资产。此外，UTXO中的锁也是相同的。但是在单元格模型中，使用者可以自由地更改和使用定制的锁。(你可以将普通挂锁与指纹锁或数字锁做对比)
总的来说，Cell模型是一个广义的UTXO模型，具有以下两个意义：第一、锁是可定制的; 第二、盒子可以储存使用者定义的资料。
有些人可能会对Cell模型如何使用其程式设计模型感到好奇。
首先理解区块链系统的演变是很重要的。比特币是p2p（点对点）支付系统的衍生，后来又诞生了更广义的分散式应用平台——以太坊。区块链的进一步发展带来了各种各样的新专案，而且越来越多样化。
由于需要全网共识的交易和储存成本高昂，因此区块链不可避免地采用一种架构。该架构允许在一致同意的范围内实现灵活性，从而允许它们大规模地交付低成本交易。
两大主要障碍
——可扩充套件性问题
继续阻碍区块链发展的一个障碍是可扩充套件性问题。如果我们无法缓解这一问题，区块链能力将受到限制，我们将无法看到强大的高阶应用程序的开发，继而释放分散经济的真正潜力将面临挑战。
可扩充套件性是“区块链三难”的一部分，其中还包括安全性和分散性。而一个区块链系统最多可以具有三难困境中的2个。
——交易成本问题
第二个障碍是交易成本问题。一个社会整体交易成本的降低是衡量一项技术在规模上可行性的最有力指标之一。由于需要全网共识的交易和储存成本高昂，因此区块链不可避免地采用一种架构。该架构允许在一致同意的范围内实现灵活性，从而允许它们大规模地交付低成本交易。
解决方案：分层架构
计算机爱好者知道他们的装置包含一个复杂的分层架构。该分层架构中包括内存、硬盘、多级快取和各种暂存器。这种架构允许普通大众低成本使用，同时利用其可伸缩的能力以满足不断增长的计算挑战。
我们可以将相同的设计原则应用于区块链。通过分层的架构，可以建立经济实惠且通用基础设施。在我看来，这是区块链驱动的世界唯一可行的未来。随着Lightning、（闪电网络）、Plasma（以太坊扩容的四大方案之一）和支付通道的兴起，我们已经可以看到这种型别的架构正在兴起以及它所促进的用例。 在接近这种分层的区块链架构时，重要的是要检查构成区块链系统的三种不同资料模型之间的关系：UTXO模型，Account模型和Cell模型。
——验证与计算模型
Cell模型源自UTXO模型，因此是验证模型。相反，Account模型是计算模型。
在资产从第2层返回到第1层时，第2层解决方案会利用证明提交和验证机制（如闪电网络）。而由于第1层扮演的是验证角色，而不是计算角色，因此我们可以看到UTXO或Cell模型是这种结构的合适方法。
——解决规模扩增性问题
目前，以太坊和“下一代”区块链面临着规模不断增长的严峻挑战。虽然大规模采用已实现突破，但全节点的资料储存成本日渐增高，包括各种僵尸账户的扩增，也让情况变得更糟。
使用Account模型时，所有使用者的资产都储存在一个合约中。如果没有直接的方法来为每个使用者分割状态，则很难根据每个使用者占用状态的容量和持续时间向他们收费。
同时，这对支付通道收费的实施也提出了挑战。目前在以太坊，交易费用是一次性支付，授予永久性储存。但鉴于区块链是公共基础设施，这种模式是不可持续的。我们可以看到，持续支付仓储空间租金是一种更加合理的方式。
在Cell模型中，每个使用者的数字资产分别储存在各自的单元中。如果使用者不想继续持有资产，则可以释放单元中的资料，并且可以将储存容量出售或借给其他使用者。这种设计确保了第1层不会无限期地储存废弃的资产，并为状态储存开辟了新的可能性。
结论
总的来说，当考虑储存和验证要求时，Cell模型最适合分层区块链架构的需求。
附：UTXO与ACCOUNT优缺点对比
UTXO 模型
UTXO 模型中，交易只是代表了 UTXO 集合的变更。而账户和余额的概念是在 UTXO 集合上更高的抽象，账号和余额的概念只存在于钱包中。
优点：
计算是在链外的，交易本身既是结果也是证明。节点只做验证即可，不需要对交易进行额外的计算，也没有额外的状态储存。交易本身的输出 UTXO 的计算是在钱包完成的，这样交易的计算负担完全由钱包来承担，一定程度上减少了链的负担。
除 Coinbase 交易外，交易的 Input 始终是连结在某个 UTXO 后面。交易无法被重放，并且交易的先后顺序和依赖关系容易被验证，交易是否被消费也容易被举证。
UTXO 模型是无状态的，更容易并发处理。
对于 P2SH 型别的交易，具有更好的隐私性。交易中的 Input 是互不相关联的，可以使用 CoinJoin 这样的技术，来增加一定的隐私性。
缺点：
无法实现一些比较复杂的逻辑，可程式设计性差。对于复杂逻辑，或者需要状态储存的合约，实现难度大，且状态空间利用率比较低。
当 Input 较多时，见证指令码也会增多。而签名本身是比较消耗 CPU 和储存空间的。
ACCOUNT 模型
对于 Account 模型，Account 模型储存了世界状态，链的状态一般在区块中以 StateRoot 和 ReceiptRoot 等形式进行共识。交易只是事件本身，不包含结果，交易的共识和状态的共识本质上可以隔离的。
优点：
合约以程式码形式储存在 Account 中，并且 Account 拥有自身状态。这种模型具有更好的可程式设计性，容易开发人员理解，场景更广泛。
批量交易的成本较低。设想矿池向矿工支付手续费，UTXO 中因为每个 Input 和 Out 都需要单独 Witness script 或者 Locking script，交易本身会非常大，签名验证和交易储存都需要消耗链上宝贵的资源。而 Account 模型可以通过合约的方式极大的降低成本。
缺点：
Account 模型交易之间没有依赖性，需要解决重放问题。
对于实现闪电网络/雷电网络，Plasma 等，使用者举证需要更复杂的 Proof 证明机制，子链向主链进行状态迁移需要更复杂的协议。
UTXO VS ACCOUNT
对于以上几个优点和缺点，我们再做一些分析和对比。
第一，关于计算的问题。
UTXO 交易本身对于区块链并没有复杂的计算，这样简单的讲其实并不完全准确。主要原因是 Bitcoin 本身的交易多为 P2SH，且 Witness script 是非图灵完备的，不存在循环语句。而对于 Account 模型，例如 Ethereum，由于计算多在链上，且为图灵完备，一般计算较为复杂，同时合约安全性就容易成为一个比较大的问题。当然是否图灵完备对于是否是账户模型并没有直接关联。但是账户模型引入之后，合约可以作为一个不受任何人控制的独立实体存在，这一点意义重大。
第二，关于 UTXO 更易并发的问题。
在 UTXO 模型中，世界状态即为 UTXO 的集合，节点为了更快的验证交易，需要在内存中储存所有的 UTXO 的索引，因此 UTXO 是非常昂贵的。对于长期不消费的 UTXO，会一直占用节点的内存。所以对于此种模型，理论上应该鼓励使用者减少生产 UTXO，多消耗 UTXO。但是如果要使用 UTXO 进行并行交易则需要更多的 UTXO 作为输入，同时要产生更多的 UTXO 来保证并发性，这本质上是对网络进行了粉尘攻击。并且由于交易是在钱包内构造，所以需要钱包更复杂的设计。反观 Account 模型，每个账户可以看成是单独的互不影响的状态机，账户之间通过讯息进行通讯。所以理论上使用者发起多笔交易时，当这些交易之间不会互相呼叫同一 Account 时，交易是完全可以并发执行的。
第三，关于 Account 模型的交易重放问题。
Ethereum 使用了在 Account 中增加 nonce 的方式，每笔交易对应一个 nonce，nonce 每次递增。这种方式虽然意在解决重放的问题，但是同时引入了顺序性问题，同时使得交易无法并行。例如在 Ethereum中，使用者传送多笔交易，如果第一笔交易打包失败，将引起后续多笔交易都打包不成功。在 CITA 中我们使用了随机 nonce 的方案，这样使用者的交易之间没有顺序性依赖，不会引起串联性失败，同时使得交易有并行处理的可能。
第四，储存问题。
因为 UTXO 模型中，只能在交易中储存状态。而 Account 模型的状态是在节点储存，在 Ethereum 中使用MPT 的方式储存，Block 中只需要共识 StateRoot 等即可。这样对于链上资料，Account 模型实际更小，网络传输的量更小，同时状态在节点本地使用 MPT 方式储存，在空间使用上也更有效率。例如 A 向 B 转账，如果在 UTXO 中假设存在 2 个 Input 和2个 Output，则需要 2 个 Witness script 和 2 个Locking script；在 Account 模型中则只需要一个签名，交易内容只包含金额即可。在最新的隔离见证实现后，Bitcoin的交易资料量也大大减少，但是实际上对于验证节点和全节点仍然需要针对 Witness script 进行传输和验证。
第五，对于轻节点获取某一地址状态，UTXO 更复杂。
例如钱包中，需要向全节点请求所有关于某个地址的所有 UTXO，全节点可以传送部分 UTXO，钱包要验证该笔 UTXO 是否已经被消费，有一定的难度，而且钱包很难去证明 UTXO 是全集而不是部分集合。而对于 Account 模型则简单很多，根据地址找到 State 中对应状态，当前状态的 State Proof 则可以证明合约资料的真伪。当然对于 UTXO 也可以在每个区块中对 UTXO 的 root 进行验证，这一点与当前 Bitcoin 的实现有关，并非 UTXO 的特点。
编译：共享财经马明
