By：付少慶，SatoshiLab，Bihelix，萬物島 BTC 工作室

引入

從狀態機的角度理解，不僅容易理解區塊鏈上的狀態和狀態處理，我們會更容易理解在分布式系統中狀態，狀態通道，狀態轉換，同時結合分布式系統的結構，會容易理解路由的問題，理解狀態轉換的有向無環圖要求。狀態機是基於圖論的底層抽象計算原理，基於這些 原理與具體的實現結構(區塊鏈、分布式、中心化)，會理解需要解決的具體問題與解決方案的思路。

狀態機 —— 理解區塊鏈系統的开始

在這裏我們重點介紹一下狀態機，因為這種角度可以很好的理解區塊鏈系統與分布式系統。並且可以理解數據(或狀態)在區塊鏈系統中處理過程與在分布式系統中處理的差異。 從狀態的角度看，區塊鏈是一個基於交易的狀態機。一個交易是觸發條件，使得一個原始狀態σt，在交易的作用下，轉變到下一個狀態σt+1。

一組交易打包到一個區塊鏈中，是一個數據包，使得與這組數據相關聯的狀態都發生變化。

於是從這個角度看，區塊鏈是一個狀態鏈(在分布式系統中，是一個個狀態通道)。從狀態的角度，區塊鏈系統可以看做是一個基於狀態的自動機。 從狀態的角度，我們觀察區塊鏈+分布式系統，會更容易理解狀態在兩個系統中的傳遞與變化規則——兩個系統其實都是基於狀態的自動機。

當把區塊鏈看成基於狀態的自動機時，計算機領域圖論中關於狀態機的理論和算法就可以作用於區塊鏈。同樣，如果實現的技術結構不是區塊鏈結構，而是一種分布式結構，我們也可以用狀態機的理論。像 RGB 協議原理有限無環圖 DAG(避免產生雙花)，狀態通道，一次性密封都是在分布式系統中處理狀態需要使用的技術。

比特幣二層結構——處理狀態的狀態機

狀態與狀態機，在三種二層建設中都存在，只是名稱上有些不同，使得多數人不關注這 個觀察角度。 如果我們從狀態與狀態機的角度看，三種二層結構都是處理狀態的狀態機，只是原理稍有不同。這三種系統組合使用的時候，需要保證“狀態”概念在三個系統中一致，並且每個系統的狀態機能夠處理狀態變化，但不能破壞狀態的一致性。

圖論中狀態與狀態機的基礎知識

在圖論中，狀態與狀態機的基礎知識包括以下內容:

• 狀態(State):狀態是指圖論中的節點或頂點。在有向圖中，狀態可以表示為一個節點;在無向圖中，狀態可以表示為一個頂點。

• 狀態轉移(State Transition):狀態轉移是指從一個狀態到另一個狀態的過程。在有向圖中，狀態轉移可以表示為一條有向邊;在無向圖中，狀態轉移可以表示為一條無向邊。

• 狀態機(State Machine):狀態機是一個抽象的計算模型，用於描述一系列狀態和狀態之間的轉移規則。狀態機由狀態集合、初始狀態、轉移函數和終止狀態組成。

• 有向無環圖(DAG):有向無環圖是一個有向圖，其中不存在從某個頂點出發經過若幹條邊後能回到該頂點的環。

• 最短路徑(Shortest Path):最短路徑是指在圖中找到連接兩個頂點的路徑中，邊的權重之和最小的路徑。

• 最小生成樹(Minimum Spanning Tree):最小生成樹是指在連通圖中，找到一個包含所有頂點的樹，使得樹的邊的權重之和最小。

雖然看起來這些知識有些抽象和枯燥，如果我們把這些知識轉換成經常遇到的一些區塊鏈概念就很容易理解。例如，一些場景要求是有向無環圖就是避免雙花的問題，一次性封裝就是將區塊鏈中的狀態轉變成分布式系統中的狀態，路由算法是在分布式系統中尋找最短路徑的計算，閃電網絡中支付成本最小的路由就是最小生成樹問題; 客戶端驗證也可以看成一種形式的狀態機。

狀態機在比特幣生態的應用架構的體現

比特幣生態或的應用架構，我們從狀態機的角度看，就是借助這幾種系統組合， 完成狀態變換的處理，從而完成業務邏輯的處理。 用狀態機的這種思想，我們再看比特幣的二層網絡建設，可以看到架構的每一層有適合其特點的分工。

閃電網絡

閃電網絡是基於狀態通道技術的比特幣二層解決方案，閃電網絡中的支付通道是一種雙向的狀態通道，參與者可以在通道內進行多次交易，並通過更新通道狀態來實現快速、低成本的支付。 閃電網絡中的交易(即狀態)是通過基於 Hash 時間鎖定合約(HTLC)來實現的，參與者可以通過這種合約來鎖定資金(實現狀態在比特幣與閃電網絡兩個系統中傳遞)，並在通道內進行安全的交易(簡單的狀態處理)。

為了實現跨通道的支付，閃電網絡使用了一個名為路由的機制，參與者可以通過找到一條可信的路徑來進行支付。中繼節點是指那些能夠轉發支付請求的節點，他們可以幫助實現跨通道的支付。

在支付過程中，閃電網絡允許參與者在支付通道中進行雙向支付，即不僅可以向對方支付，還可以接受對方的支付。 由於閃電網絡的交易是在通道內進行的，不需要將所有交易都寫入區塊鏈，因此可以提高支付的隱私性。

但盡管如此，閃電網絡還存在一些限制，大部分是由於狀態與狀態機實現技術的限制：如通道的存活性、資金鎖定時間等，需要綜合考慮這些限制來設計合適的支付通道。

RGB 協議

RGB 基於 LNP 和 BP 協議。有關於 RGB 是二層還是三層的討論，如果是基於 BP 直接進行 RGB 的運算，則是直接擴展了比特幣的圖靈完備功能，屬於第二層，這種方式對性能的擴展有限。如果是基於 LNP 進行 RGB 運算，則屬於第三層(因為 LNP 是比特幣的第二層)， 這種方式既能擴展性能又能擴展圖靈完備的計算能力，只是技術實現上有一定的復雜度。通常用組合的方式，既能擴展計算能力，又能擴展性能，還能降低實現的復雜度。 RGB 基於比特幣或閃電網絡中的狀態通道技術。RGB 中的狀態通道是指建立在 LNP 和 BP 之上的雙方或多方之間的通信通道，可以在通道內進行多次交易和狀態更新，減少了區塊鏈上的交易數量和費用。 RGB 中的狀態通道使用了基於比特幣的多籤名腳本來鎖定資金，並使用了特殊的交易類型來更新通道的狀態，可以應用於各種場景，如支付渠道、去中心化交易所、資產發行等，提高了交易效率和用戶體驗。狀態通道通過更新通道狀態來實現支付和資產轉移，通道內的交易不需要被寫入區塊鏈，只有最終的狀態會被寫入區塊鏈。狀態通道還可以實現更復雜的功能，如原子交換、支付路由等，通過智能合約和多籤名腳本來實現。

Nostr 協議

Nostr 中有兩個主要組件，客戶端和中繼。每個用戶運行一個客戶端，通過中繼和其他人聯系。每個用戶都由公鑰來標識。用戶發布的每個帖子都有籤名。 每個客戶端都會驗證這些籤名。客戶端從他們選擇的中繼獲取數據並將數據發布到他們選擇的中繼。中繼之間不相互通信，僅直接與用戶通信。

在 Nostr 中因為傳遞的是信息，還沒有體現狀態(可信數據，數字貨幣)和狀態機的概念。但相信 Nostr 這種分布式結構稍加改造，增加對狀態的處理，會形成像閃電網絡相似的系統，這樣的系統既可以傳遞信息，又可以專遞價值。

比特幣二層——Web3.0 時代大規模應用的系統架構

狀態機雖然有很強的處理能力，但上限是區塊鏈結構的這個天花板。 對於基於 UTXO 模型和基於账號模型(類 EVM)的區塊鏈互聯組合應用時，狀態與狀態機的實現方式有較大的不同。基於 UTXO 模型的區塊鏈比較容易與分布式系統結合，是因為兩種系統中的狀態都是基於 UTXO，不存在轉換或僅需要簡單轉換，比較容易實現。基於账號模型的鏈，因為其狀態與外面分布式系統之間的狀態需要進一步的封裝與轉換，實現有復雜度，這也是以太坊上雷電網絡發展不順利的部分原因。

在沒有區塊鏈的時代，應用是建立在中心化系統和分布式系統之上的。例如，建立在中心化系統上的商城、IM、視頻等應用，建立在分布式系統上的迅雷下載。

有了區塊鏈系統後，我們進入 Web3.0 時代，這個時期的應用是建立在區塊鏈系統、分布式系統、中心化系統之上的一個復雜架構。其中區塊鏈系統與其二層擴展完成價值的傳遞與處理，分布式系統和中心化系統完成信息的傳遞與處理。

Web3.0 時代大規模應用的系統架構

比特幣主網與二層建設是所有價值的中心，大部分的價值都建立在這個網絡之上。 比特幣二層建設中，基於鏈的二層完成價值的性能擴展與處理，處理的都是全量账本數據。 比特幣二層建設中，基於分布式系統的二層建設完成性能的擴展，處理的都是局部相關數據，使用相關者共識，但最終計算結果需要落地到區塊鏈系統。

比特幣二層建設中，基於中心化系統的二層建設，直接為上層應用提供服務。 類 RGB 系統還會需要一些臨時鏈或中間鏈，完成账本的結算功能，如圖中的藍线所示。 除了比特幣生態，還有其他區塊鏈系統的生態，完成不同業務場景的需求。如我們在二層基礎架構的文章中所描述，基於鏈的二層會存在衆多項目，對於非比特幣生態的鏈也同樣適用。其他區塊鏈系統和二層同樣可以進入閃電網絡與 RGB，隨着技術成熟度上升這種情況就會逐漸出現。 在實際應用中，上圖內部的連线會加復雜，有些不需要使用二層，而直接對一層網絡操作，如 RGB 在使用 BP 協議時。其他區塊鏈也可能會使用分布式系統，如以太坊上的雷電網雖然不成熟，如果有需求場景，通過改造一些基礎特性也會有使用場景。

比特幣生態建設展望

比特幣生態第一階段是基於銘文和基於鏈的二層建設的前期，這個階段相對容易。如 brc20， src20，arc20，銘文等，多數是金融應用，且有改造與模仿以太坊二層的經驗加持， 這一階段主要是完成功能可行性的各種驗證。他們幫忙繁榮了生態， 引來了流量和資金，測試了跨鏈連接技術，測試了穩定幣，測試了各種可能性。

第二階段是基於鏈的二層建設的中後期與基於分布式系統的二層建設，在這個階段，基於鏈的二層建設也參與其中，第二階段重點是測試和完善多種分布式的二層建設。這一階段主要是完成功能和性能可行性的各種驗證，閃電網絡會更加成熟，RGB 功能和穩定性得到較大的改善，應用場景會更豐富。類 RGB 的競爭者也會逐漸出現與成熟，如 BitVM。同時像 Nostr 協議這樣的分布式系統也會融入價值功能。

最後一個階段是成熟階段，也是基於比特幣生態的大規模建設。這個階段 Web3.0 开始大量建設，並逐漸成熟。這個時間也許會不那么長久，也許遇到一個拐點事件，例如像BiHelix這樣作為基於 RGB 賽道的重要基礎設施的節點搭建完成，能夠推動大批的 Web2.0 應用者進入。

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