2. 在区块链上管理数字资产
我们将首先在抽象层面简要解释区块链，以帮助读者理解像 Move 这样的“区块链编程语言”所扮演的角色。 此讨论有意省略了区块链系统的许多重要细节，以便专注于从语言角度来看相关的功能。
2.1. 区块链 概要
区块链是一个复制的状态机 [4][5]。 系统中的复制器称为验证节点。 系统用户将交易发送给验证者。 每个验证节点都了解如何执行交易以将其内部状态机从当前状态转换为新状态。
验证节点利用他们对交易执行的共同理解来遵循共识协议来共同定义和维护复制状态。
- 验证节点从相同的初始状态开始。
- 验证节点选择执行相同的交易顺序。
- 执行交易产生确定性的状态转换。
验证阶节点执行以上步骤后，会就下一个状态达成一致。 重复应用此方案允许验证节点在继续就当前状态达成一致的同时处理交易。
请注意，共识协议和状态转换组件对彼此的实现细节不敏感。 只要共识协议确保交易之间的总顺序并且状态转换方案是确定性的，组件就可以和谐地交互。
2.2. 在一个开放的系统中进行数字资产编码
像 Move 这样的区块链编程语言的作用是决定如何表示转换和状态。为了支持丰富的金融基础设施，Libra 区块链的状态必须能够在给定的时间点对数字资产的所有者进行编码。此外，状态转换应该允许资产转移。
区块链编程语言的设计还必须考虑另一个考虑因素。与其他公有链一样，Libra 区块链是一个开放系统。 任何人都可以查看当前的区块链状态或向验证节点提交交易（即提议状态转换）。传统web2行业，用于管理数字资产的软件（例如银行软件）在具有特殊管理控制的封闭系统中运行。 在公有链中，所有参与者都是平等的。 参与者可以提出她喜欢的任何状态转换，但系统并不应该允许所有状态转换。 例如，Alice 可以自由提议转移 Bob 拥有的资产的状态转换。 状态转换函数必须能够识别这个状态转换是无效的并且拒绝它。
在开放软件系统中选择编码数字资产所有权的转换和状态表示具有挑战性。 特别是，实物资产有两个属性难以在数字资产中编码：
- 稀缺性：控制系统中的资产供应， 禁止复制现有资产，创建新资产为特权操作。
- 访问控制：系统中的参与者应该能够通过访问控制策略保护她的资产。
为了直观表现，我们将在一系列关于状态转换表示的 strawman 提案 实例中看到这些问题是如何出现的。我们将假设一个区块链跟踪称为 StrawCoin 的单一数字资产。区块链状态 G 被构造为一个键值存储，它将用户身份（用加密公钥表示）映射到对每个用户持有的 StrawCoin 进行编码的自然数值。提案由一个交易脚本组成，该脚本将使用给定的评估规则进行评估，生成一个更新以应用于全局状态。我们将写 G[𝐾] := 𝑛 来表示用值 𝑛 更新存储在全局区块链状态中键 𝐾 处的自然数。
每个提案的目标是设计一个系统，该系统具有足够的表达能力，允许 Alice 将 StrawCoin 发送给 Bob，但又受到足够的约束，以防止任何用户违反稀缺性或访问控制属性。 这些提案并没有试图解决重放攻击等安全问题 [6]，这些问题很重要，但与我们关于稀缺性和访问控制的讨论无关。
Scarcity. 最简单的提案是直接在交易脚本中对状态的更新进行编码：
| 交易脚本格式 | 评估规则 |
|---|---|
| <K,n> | G[K] := n |
这种表示可以编码从 Alice 向 Bob 发送 StrawCoin。 但它有几个严重的问题。 一方面，这个提议并没有强制StrawCoin的Scarcity。 通过发送交易⟨Alice, 100⟩，Alice 可以“凭空”给自己尽可能多的 StrawCoin。 因此，Alice 发送给Bob的StrawCoin实际上毫无价值，因为Bob可以很容易地为自己创造这些代币。
稀缺性是有价值的实物资产的重要属性。 像黄金这样的稀有金属自然是稀缺的，但数字资产并不存在固有的实物稀缺性。 编码为某些字节序列（例如 G[Alice] → 10）的数字资产在物理上并不比另一个字节序列（例如 G[Alice] → 100）更难生成或复制。相反，评估规则必须以编程方式强制执行稀缺性。
让我们考虑考虑稀缺性的第二个提案：
| 交易脚本格式 | 评估规则 |
|---|---|
| <Ka, n, Kb> | if G[Ka] >= n then G[Ka] := G[Ka] - n; G[Kb] := G[Kb] + n; |
在此方案下，交易脚本指定发送者 Alice 的公钥 𝐾𝑎 和接收者 Bob 的公钥 𝐾𝑏。 评估规则现在在执行任何更新之前检查存储在𝐾𝑎下的StrawCoin数量是否至少为𝑛。 如果检查成功，则评估规则从存储在发送者密钥下的StrawCoin中减去𝑛，并将𝑛 添加到存储在接收者密钥下的StrawCoin中。 在这种方案下，执行有效的交易脚本通过保存系统中的StrawCoin数量来强制稀缺性。 Alice 不能再凭空创造 StrawCoin——她只能从她的账户中扣除给予 Bob StrawCoin。
访问控制. 尽管第二个提案解决了稀缺性问题，但它仍然存在一个问题：Bob 可以发送花费属于 Alice 的 StrawCoin 的交易。 例如，评估规则中的任何内容都不会阻止 Bob 发送交易⟨Alice, 100, Bob⟩。 我们可以通过添加基于数字签名的访问控制机制来解决这个问题：
| 交易所脚本格式 | 评估规则 |
|---|---|
| SKa(<Ka, n, Kb>) | if verify_sig(SKa(<Ka, n, Kb>)) && G[Ka] >= n then G[Ka] := G[Ka] - n ; G[Kb] := G[Kb] + n |
该方案要求 Alice 用她的私钥签署交易脚本。 我们写 𝑆𝐾(𝑚) 用于使用与公钥 𝐾 配对的私钥对消息 𝑚 进行签名。 评估规则使用 verify_sig 函数来检查与 Alice 的公钥 𝐾𝑎 的签名。 如果签名未验证，则不执行更新。 这条新规则通过使用数字签名的不可伪造性来防止 Alice 从她自己的账户以外的任何账户中借记 StrawCoin，从而解决了之前提案的问题。
顺便说一句，请注意在第一个strawman 提案中实际上不需要评估规则——提案的状态更新直接应用于键值存储。 但随着我们对提案的推进，执行更新的先决条件与更新本身之间出现了明显的分离。 评估规则通过评估脚本来决定是否执行更新以及执行什么更新。 这种分离是基本的，因为执行访问控制和稀缺策略不可避免地需要某种形式的评估——用户提出状态更改，并且必须执行计算以确定状态更改是否符合策略。 在一个开放的系统中，参与者不能被信任来执行链下策略并直接向状态提交更新（如在第一个提案中）。 相反，访问控制策略必须由评估规则在链上执行。
2.3. 已存在的区块链语言
StrawCoin 是一种玩具语言，但它试图捕捉比特币脚本 [7][8] 和以太坊虚拟机字节码 [9] 语言（尤其是后者）的精髓。 尽管这些语言比 StrawCoin 更复杂，但它们面临着许多相同的问题：
- 资产的间接代表。 资产使用整数编码，但整数值与资产不同。 事实上，没有代表比特币/以太币/稻草币的类型或值！ 这使得编写使用资产的程序变得笨拙且容易出错。 诸如将资产传入/传出过程或将资产存储在数据结构中等模式需要特殊的语言支持。
- 稀缺性不可扩展。 语言只代表一种稀缺资产。 此外，稀缺性保护直接硬编码在语言语义中。 希望创建自定义资产的程序员必须在没有语言支持的情况下小心地重新实现稀缺性。
- 访问控制不灵活。 该模型实施的唯一访问控制策略是基于公钥的签名方案。 与稀缺性保护一样，访问控制策略深深嵌入语言语义中。 如何扩展语言以允许程序员定义自定义访问控制策略并不明显。
比特币脚本。 Bitcoin Script 有一个简单而优雅的设计，专注于表达用于花费比特币的自定义访问控制策略。 全局状态由一组未使用的交易输出 (UTXO) 组成。 比特币脚本程序提供满足其使用的旧 UTXO 的访问控制策略的输入（例如，数字签名），并为它创建的新 UTXO 指定自定义访问控制策略。 由于比特币脚本包含用于数字签名检查的强大指令（包括多重签名 [10] 支持），因此程序员可以对各种访问控制策略进行编码。
然而，Bitcoin Script 的表达能力从根本上是有限的。 程序员不能定义自定义数据类型（因此，自定义资产）或过程，并且语言不是图灵完备的。 合作方可以通过复杂的多交易协议 [11] 执行一些更丰富的计算，或者通过“彩色硬币”[12][13] 非正式地定义自定义资产。 然而，这些方案通过将复杂性推到语言之外来工作，因此不能实现真正的可扩展性。
以太坊虚拟机字节码 以太坊是一个开创性的系统，它展示了如何将区块链系统用于支付以外的用途。 以太坊虚拟机 (EVM) 字节码程序员可以发布智能合约 [14]，与以太币等资产交互并使用图灵完备语言定义新资产。 EVM 支持比特币脚本不支持的许多特性，例如用户定义的过程、虚拟调用、循环和数据结构。
然而，EVM 的表现力为代价高昂的编程错误打开了大门。 与 StrawCoin 一样，以太币在语言中具有特殊地位，并且以强制稀缺性的方式实施。 但是自定义资产的实现者（例如，通过 ERC20 [15] 标准）不会继承这些保护（如 (2) 中所述）——他们必须小心不要引入允许复制、重用或资产丢失的错误。 由于 (1) 中描述的间接表示问题和 EVM 的高度动态行为相结合，这是具有挑战性的。 特别是，将 以太转移到智能合约涉及动态调度，这导致了一类新的错误，称为重入漏洞 [16]。 备受瞩目的漏洞利用，例如 DAO 攻击 [17] 和 Parity Wallet 黑客攻击 [18]，使攻击者能够窃取价值数百万美元甚至更多的加密货币。