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明星公链核心概念以及背后的技术支撑。

时间:2020-07-03 05:00来源:未知 作者:admin 点击:
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了解 NEAR、Cosmos、Polkadot、Filecoin、Tezos 五个 Layer 1 明星公链核心概念以及背后的技术支撑。

原文标题:《五大公链研究报告》

尽管新冠疫情阻止了大家面对面的聚会,但是消灭不了五大公链的交流热情。NEAR、Cosmos、Polkadot、Filecoin、Tezos 决定在 2020 年 5 月 4-6 日,举办一次名为

Ready Layer One

的线上峰会。在峰会之前,我们需要提前知道哪些关于五大公链的知识?本文主要普及了五大公链核心概念以及这些概念背后的技术支撑,希望通过直白的表述让读者们对五大公链有个基本的了解。

如果你交易过数字货币,那么你大概率就接触了公链。而这些数字货币的交易组成了全球绝大部分的分布式账本。公链全称是「公有链」,是指全世界任何人都可读取、发送交易且交易能获得有效确认的、也可以参与其中共识过程的区块链。因此通常情况下,公有链被认为是「完全去中心化的」,如比特币、以太坊、EOS、Near Protocol、Cosmos 等。完全去中心化的公链通过共识机制和代币奖励机制来鼓励参与者 (节点) 竞争记账,共同维护链上数据的安全性。

公链是完全去中心化的,链上数据都是公开透明的,不可更改,任何人都可以通过交易或挖矿读取和写入数据。其典型代表就是比特币区块链,在比特币区块链上,任何人都可以在其链上进行交易,并且查看链上的所有交易信息。

联盟链是部分去中心化的,其开放程度和去中心化程度是有所限制的。其参与者是被提前筛选出来或者直接指定的,数据库的读取权限可能是公开的,也可能像写入权限一样只限于系统的参与者。如在疫情期间易居地产推出的「公盘链」项目,允许与其合作的房屋中介机构在该区块链上发布和查询楼宇信息。

私链跟联盟链类似,其开放程度和去中心化程度是有所限制的,其读写权,记账权由组织决定。与联盟链最大的不同在于,联盟链是为一个联盟,比如一个行业服务的;而私链则是为一个组织,比如一家公司内部服务。如大型集团企业内部各公司之间搭建的部分去中心化区块链,成员是指定进入的,不同管理者对数据库的读取和修改权限也由联盟链的搭建者决定。

图 1 对公链、私链和联盟链的区别做了总结。

图 1. 公链、私链、联盟链的区别

如引言中提到,本次峰会即将首次合作的是五大 Layer 1 公链,那什么是 Layer 1 公链,是否存在 Layer 2 呢?

Layer 1 公链是指区块链底层的基础设施。而 Layer 2 是建立在 Layer 1 基础上的,用于解决 Layer 1 公链在 Scalability (可扩展性)、Security (安全性)、Decentralization (去中心化)三大功能中的某一弱项而设立的基础设施。举个例子,比特币是一种 Layer 1 公链,在去中心化和安全性方面做到了极致,但是在可扩展性上非常薄弱(从历史数据来看,比特币每秒只能处理 7 个交易对,7TPS,而 VISA 的 TPS 是 24000,比特币的交易处理速度很慢,且矿工处理交易的顺序是根据每笔交易愿意支付的手续费高低来定的,所以对于小额高频的交易来说极不经济)。

为解决其可扩展性问题的闪电网络应运而生。简而言之,闪电网络是建立在比特币 Layer 1 的基础上的 Layer 2 区块链,在该区块链上,任意两个用户可以建立支付渠道,在这个支付渠道里,他们可以发生很多笔交易,认证方式为交易双方使用各自的私钥进行认证,所以速度更快。但只有他们关闭交易渠道的时候,最终的交易结果才会在 Layer 1 记录一次,且在闪电网络中发生的交易手续费很低甚至没有手续费。如图 2,A 与 B 初始状态各有 2BTC,在闪电网络中发生 3 次转账,却只在 Layer 1 中显示最终结果一次。

图 2. 交易在 Layer 2 闪电网络中发生多次,却只在 Layer 1 中显示一次

Near 是一种状态分片、开发者友好的基于权益共识机制(Proof of Stake, PoS)的公链。其发明的分片机制被称为「夜影协议」(Nightshade)。

分片技术是数据库分区的一种形式,也称为水平分区,即将一个大的数据库切分成很多小的、可处理的部分,从而提高性能,缩短响应时间。早在 90 年代,分片技术就出现在了传统的中心化数据库管理中。近年来,由于数字货币不断普及,人们对数字货币的交易速度有了更高的要求;另外以以太坊为例,由于以太坊公链上的 DApp 的数量不断增多,公链的吞吐量跟不上节奏;所以分片技术应运而生。

由信标链构成的分片模型虽然非常强大但是十分复杂,因为每个分片受到双重连接约束,如图 3 左边的信标链中,横向上多个分片之间连成不同链,纵向上多个分片都打包在不同的区块中。而 Near 采用的是叫做夜影协议(Nightshade)的分片模型,如图 3 右边,在这个模型中,每个区块都被切分成很多分片,且包含所有分片的所有交易,并改变所有分片的整个状态。理论上每个分片里包含一个段(Chunk),但是由于网络延迟的原因,有些段会丢失,所以一个分片里实际上包含了零个或者一个段。

图 3. 左边代表信标链模型,右边代表夜影协议分片模型(来源:Near 白皮书)

夜影协议的每个分片中只包含一个段,而每个段最多只包含一个交易。这种方法允许协议的容量以完全去中心化的方式几乎线性地扩展到数百万个节点和数十亿个交易。矿工可以使用低端设备作为节点参与网络,不再需要预先购买高端计算硬件,从而降低了挖掘门槛,使更多参与者可以方便地加入网络,进一步提高了去中心化程度。在硬件设备上的这种开发和使用的低门槛,或许会为 Near 上的 DApp 向手机端普及打下良好的硬件基础。

除了分片的划分方法和其他的分片技术不同之外,在信息维护上 Nightshade 的分片技术和一般的分片技术也不太一样。一般的分片技术是维护所有的分片链,而 Nightshade 是通过维护一个主链,在每个区块上包含每个不同的分片信息,从而使得每个节点可以观察到他们所需要观察的分片信息。

在 Nightshade 中,并不是所有的节点都包含所有分片的状态,那么既然有些节点没有有些分片的状态,如何保证数据的可用性?Near 使用了纠删码(Erasure Code)来解决这个问题。纠删码机制是让每一个节点把他们制造出的区块分成很多份,并把他们发送给不同的验证者,使得只需要依靠其中某些部分就可以重组这个该节点所制造的这个区块,从而保证数据的可用性。另外,验证者会把这些带有纠删码的分片单向反馈给区块生产者,这种单向信息传递机制也保证了不可篡改性,从而进一步保证数据的可用性。

图 4. Near 保证数据可用性的机制(来源:Near 白皮书)

分片越多,每个分片上的信息越少,单个分片的安全性就越低。那 Near 如何保证分片的安全性?除了普通的区块制造者和验证者之外,Near 还增加了很多隐藏验证者。通过可验证随机函数来保证节点只知道这些验证者的存在,而不知道每个验证者具体对应的是哪个分片。这或许就是「夜」「影」这个名字的来源把。Near 通过这这种技术,使得只需有一个对应某个分片的验证者是诚实的,那么这个分片上的无效信息就会就会被察觉。

很多 90 后及 90 后之前的朋友们有过计算机只能打单机游戏以及在网吧连局域网打 CS 游戏的经历,互联网正是在短短十几年时间经历了单机到局域网到广域网到万维网的过程。目前区块链还处于单链各自发展的孤岛模式中,而 Cosmos 就是一种打破这种模式的存在,通过搭建链与链之间的桥梁,建立区块链世界去中心化的互联网,让区块链世界变成互联互通的有机宇宙(Cosmos 中文意思就是宇宙)。

在 Cosmos 生态系统里,各种区块链可以有自己的自主权,更快地处理交易并且可以做到跨链的沟通。

Cosmos 通过一套开源的工具,比如 Tendermint (一种拜占庭容错协议的 PoS 共识引擎)、Cosmos SDK (目前最先进的构建可定制化特定应用区块链的框架)以及 IBC (Inter-Blockchain-Communication),从而允许开发者们更方便地搭建自定义的、安全的、可扩展的交互式区块链应用程序。

直到现在,开发一个新的区块链系统依然要从基础网络(Networking)到共识机制(Consensus)到应用程序(Application)全流程的开发。以太坊虽然允许去中心化应用程序的开发者在虚拟机上自由编写智能合约,但这并没有简化区块链本身的开发过程。于是,Jae Kwon 在 2014 年发明了 Tendermint,在 Tendermint 上,程序猿可以自由开发应用程序,也可以建立公链或者私链,且每秒钟处理的交易数量可以达到数千个。

为什么 Tendermint 到底是个啥玩意儿?Tendermint 就是一个把基础网络层和共识机制层打包在一起的通用引擎。在这个基础上,应用程序开发者就不用考虑应用程序与基础网络和共识机制两方面的适配问题,而是直接在这个通用引擎层面上操作,从而可以节省大量的时间。

为什么 Tendermint BFT 通用引擎可以允许应用程序直接在这个打包的基础网络和共识机制层直接开发?Cosmos 团队使用了一种叫做 ABCI (Application Blockchain Interface)的技术,这种协议可以揉和到任何一种程序语言中,从而程序猿们可以选择任何一种自己喜欢的语言去编程。

图 5. Tendermint 把 Networking 和 Consensus 打包,ABCI 解决程序语言的兼容性问题(来源:Cosmos 官网)

endermint 解决了开发者友好性的问题,大大缩短了开发时间,但是如何保证程序的安全性?接下来我们来介绍下 Cosmos SDK。

Cosmos SDK 是一种简化在 Tendermint BFT 上开发安全的应用程序的广义框架,Cosmos SDK 主要建立在两大原则基础之上:

图 6. Cosmos SDK 通过 ABCI 搭载在 Tendermint BFT 上模块化编程

(来源:Cosmos 官网)

Cosmos SDK 的一个很好的应用实例就是 Ethermint,Ethermint 就是完全复制以太坊的功能到 Cosmos SDK 中并且同时享受 Tendermint BFT 的各项功能。

前面我们介绍了如何简便地在 Tendermint BFT 上建立安全的区块链,接下来我们就要介绍跨区块链的沟通桥梁 IBC (Inter-Blockchain-Communication protocol)。

IBC 通过在 Tendermint 共识中搭建的桥梁来实现混合链之间价值和信息的传输。在介绍 IBC 的工作机制之前,我们先来解释下什么是混合链。混合链主要包括以下两大特征:

IBC 允许混合链之间相互传递 Token 和数据,这就要求两条链即使拥有不同的验证者和不同的应用程序也要拥有交互性。举个例子,在 IBC 中公链和私链之间也可以交互,而目前没有哪一个区块链框架可以做到这个层级的交互性。

介绍完混合链,终于可以来讲述 IBC 的工作机制了,我们先来看图:

图 7. ATOM 在混合连中的传输过程(来源:Cosmos 官网)

ATOM 是 Cosmos 的 Token,图 7 展示了 ATOM 从 A 链传输到 B 链的流通过程,在 IBC 交易发起时,ATOM 在 A 链中锁定;随后一张代表着在 A 链中锁定了相应数量 ATOM 的证明开始从 A 链传输到 B 链;之后这个证明会在 B 链中进行验证,如果验证通过,相应数量的 ATOM 会在 B 链中生成。但是我们注意到,A 链中锁定的相应数量的 ATOM 并没有消失,因为在 B 链中生成的 ATOM 并不是真正的 ATOM,而是一种象征。总而言之,相当于这些 ATOM 在 A 链中锁定,代表 A 链对 B 链的负债。当新的交易比如需要从 B 链转移相应数量的 ATOM 到 A 链时,这些之前在 A 链中锁定的 ATOM 经过验证后会自动解锁。

IBC 允许两个混合链之间进行价值和信息的传输,那如何才能搭建起区块链的互联网?有一种想法是将每个链都相互链接起来。但是这种方法需要搭建的桥梁太多了,这其实是一个 C_n^2 的问题,如果有 100 个链的话,我们需要搭建 4950 个桥梁,显然这是非常冗杂的。

为了解决这个冗杂性的问题,Cosmos 提出了两种模型:Hubs 和 Zones。Zones 是一种常规的混合链,而 Hubs 就是把这些 Zones 连接到一起的区块链。当一个 Zone 和 Hub 之间生成了一个 IBC 链接,这个 Zone 就可以连接到其他所有 Zones 上,如图 8 所示。通过这种方法,各个 Zone 只需要和特定的几个 Hubs 相连就可以了,而且 Hubs 会防止同一个 Zone 在一个 Hub 上多次连接的问题。这样当一个 Zone 从 Hub 上收到了一个 Token,这个 Zone 只需要信任这个 Token 的原始 Zone 和 Hub 就可以了。

图 8. Zone 通过 Hub 互联互通(来源:Cosmos 官网)

目前为止,我们一直在介绍基于 Tendermint 机制下的区块链是如何交互的,但是 Cosmos 并不是只做 Tendermint 机制下的区块链交互,而是要把所有的区块链都联通到一起。那对于不是基于 Tendermint 机制的区块链之间怎么完成交互呢?我们拿 Probabilistic-Finality 性质的,也就是工作量证明机制下的区块链来举个例子。

对于工作量证明机制的区块链,Cosmos 使用了一种特殊的「代理链」(Peg-Zone)。Peg-Zone 是一种跟踪其他区块链状态的区块链,它本身是具备 Fast-Finality 性质的,所以通过它自身的属性和跟踪了其他链的状态在其他链和 IBC 中间架起了一道兼容性的桥梁。图 9 展示了比特币和以太坊通过 Peg Zone 相连。

图 9. 比特币和以太坊通过 Peg Zone 相连(来源:Cosmos 官网)

通过上文我们知道 Cosmos 是可以建立链链互联的,但是这些链连在一起之后的可扩展性怎么得到提升呢?Cosmos 通过垂直扩展(Vertical-Scalability)和水平扩展(Horizontal Scalability)两种方式来解决这个问题。

以上我们基本介绍完了 Cosmos 是怎么连接不同的区块链并对区块链的可扩展性进行延申的。最后我们简单总结以下三点:

总而言之,Cosmos 不是一种产品,而是一种建造模块化、适应性强的、可交互的区块链产品的生态系统,如图 10。

图 10. Cosmos 生态系统(来源:Cosmos 官网)

尽管 Cosmos 在链链互联问题上提出了很好的解决机制,但是我们注意到,所有的链都是连接在 Hubs 上的,那 Hubs 如何保证去中心化从而维护区块链的核心价值呢?这个问题 Cosmos 并没有给我们一个很好的解释。

Polkadot 放在 Near 和 Cosmos 之后进行介绍最合适不过,因为 Polkadot 是打造跨链交互概念的分片区块链。Polkadot 志在可扩展性、互操作性和安全性方面取得突破。

在一个具有状态切换功能(State Transition Function,STF)的网络里,Polkadot 使用了一种叫做 Parachains 的技术(平行链,是一种由中继链验证的特定应用数据结构,平行链通过中继链复制其他平行链的名称和概念。由于其可并行的特性,平行链可以并行处理交易从而提高 Polkadot 的可扩展性。平行链可以通过 XCMP,Cross-Chain-Message-Passing,跨链信息交互,共享 Polkadot 网络里其他平行链的安全性)。只要一个区块链可以编译 Wasm,它就可以作为平行链连接到 Polkadot 中。

Polkadot 有一个起主链作用的中继链,在中继链上,平行链建造和传输区块给验证者,经过严格的可获取性和有效性验证后,这些区块才会被添加到终链中。由于中继链已经做了很好的安全性保证,所以区块打包者不用再重新验证区块的安全性,因而也不需要强大的激励体系。

图 11. 平行链将中继链验证过的区块分散发送给整理者(来源:Polkadot 官网)

为了在交互过程中使其他链保持它们原有的确定性处理机制(如比特币),在 Polkadot 中,桥梁平行链(Bridge Parachain)提供了双向兼容通道。

Polkadot 中的桥梁主要分为三种:桥梁合约(Bridge Contract,在 Polkadot 和外部链中间通过智能合约连接),跨平行链沟通机制(Cross-Parachain Communication,无需合约),以及内置桥接模组(In-Built Bridging Modules,通过特定模组将 Polkadot 和外部链相连接)。

桥梁合约(Bridge Contract):两条交互的 A 链和 B 链各有一个桥梁合约,当 A 链需要向 B 链转账时,A 链中相应数额的 Token 被锁定,并在 B 链中形成等数额的象征性符号,当 B 链确认后,在 A 链中锁定的 Token 被释放并成功转移至 B 链。

跨平行链沟通机制(Cross-Parachain Communication):如前文提到的 XCMP,在 Polkadot 内部本身就可以通过 XCMP 实现链与链之间信息和价值的传输。

内置桥接模组(In-Built Bridging Modules):在非平行链和平行链的沟通过程中,Polkadot 其实是希望非平行连自身植入桥接模组,然后整理者将非平行连的交易和状态变换视为虚拟平行链在中继链中进行处理。

图 12. Polkadot 架构模型

总而言之,Polkadot 是通过中继链来保证安全性,通过平行链来扩展吞吐量,通过桥接技术来实现 polkadot 体系内和体系外的区块链交互。

与上文介绍的三大公链为了解决可扩展性和跨链的互操作性不同,Tezos 打造的核心概念是强大的完全自治和自我更新的能力。Tezos 是为资产和应用程序提供可以自我迭代更新的开源平台。权益持有者可以控制包括修正案本身在内的核心协议的更新。

自我修正案

自我修正案让 Tezos 可以避免产生硬分叉的情况下进行自我升级。这种避免硬分叉进行自我升级的能力非常重要,因为硬分叉会将社区分开,改变激励机制、扰乱长时间积累起来的社区氛围。这种方案还可以降低自我升级的运营成本并且可以将升级过渡地更加平滑。

链上管理

类似于居委会,居民可以投票决定所有小区内部公共事务。在 Tezos 中,所有的权益持有者都可以参与管理协议。选举周期为权益持有者们提供了一个常态化的、系统的程序来商议新的提议。通过自我修正案和链上管理机制的结合,Tezos 可以探索比初始协议更好的管理机制。

去中心化创新

权益持有者们接受的新的修正机制可以改变对个体和团队的激励机制,从而吸引更多的参与者让网络的运营更加去中心化。培育这种活跃的、开放的、多元的开发者系统反过来也会促进 Tezos 的进一步发展。

智能合约和正式验证机制

在 Tezos 上创建的智能合约和开发的 DApp 可以不受第三方的审查和约束。另外 Tezos 促进正式验证,这种技术可以提高安全性,从而降低损失很大的 Bug 的发生。

权益证明机制(PoS)

与其他的 PoS 机制不同,所有权益持有者都会被要求去创建区块和依据持币比例随机接受收益,这意味着即使你拥有非常少的币也有机会去创建区块从而获益。

委托机制

在 Tezos 的 PoS 中,矿工被要求存入一笔安全保证金才可以参与共识过程,当然了,这笔保证金也可以稀释通货膨胀率。Tezos 的共识机制会奖励诚实的参与者也会惩罚作假的矿工,如果参与者不诚实,Tezos 便会扣除他们的保证金。如果权益持有者不想直接参与挖矿,他们也可以授权其他用户代表他们参与。

在正式介绍 Filecoin 之前,我们先说说 Protocol Labs,他其实是指协议实验室这个团队。协议实验室旗下做得最火的两个项目便是 IPFS 和 Filecoin。由于篇幅原因,我们主要介绍 IPFS 和 Filecoin 各是什么以及两者密不可分的联系。

IPFS 英文全称 Inter-Planetary File System,即星际文件系统,是一个旨在创建持久且分布式存储和共享文件的网络传输协议。该技术是一种内容可寻址的对等超媒体分发协议。在 IPFS 网络中的节点将构成一个分布式文件系统。它是一个开放源代码项目,自 2014 年开始由 Protocol Labs 在开源社区的帮助下发展。

我们目前使用的比较传统的数据存储方式主要是本地存储和云存储,本地存储主要是电脑硬盘和移动硬盘等硬件设备,云存储主要是通过一些商业化的云存储公司,比如百度网盘、Google Drive、OneDrive 等,其实本地存储和云存储没有本质区别,只是我们将文件放在了这些商业公司搭建的存储器上,随着存储量的不断扩大,这些商业公司也需要扩大存储器的容量。然而不管是本地存储还是云存储,都会面临同样的问题,比如由于硬盘丢失或者服务器故障或被攻击,我们的文件就存在丢失和隐私泄露的风险。同时,我们的硬盘空间通常情况下并非 100% 被使用的,长期空余的空间势必造成浪费。

IPFS 就是旨在解决文件存储安全性和提高全球存储设备的利用率的问题。IPFS 被认为是下一代的网络传输协议,将有机会取代 HTTP 协议,是目前最优的去中心化存储协议。在 IPFS 协议下,上传的文件将被转换成专门的数据格式进行存储,每一台接入系统的电脑都是提供数据的 CDN (Content Delivery Network)。

然而,IPFS 如何保证用户愿意分享自己的空余存储空间、如何保证去中心化、如何维护系统的日常运行?为了解决这个问题,Filecoin 应运而生。根据 Filecoin 白皮书介绍,Filecoin 是一种协议令牌,其区块链运行在一种叫「时空证明」的新型证明机制上,其区块被存储数据的矿工所挖。Filecoin 协议通过不依赖于单个协调员的独立存储提供商组成的网络提供数据存储服务和数据检索服务。它实际上是激励用户使用 IPFS 协议的公链激励机制。

由于 Filecoin 提供了数据存储服务和数据检索服务,那么相对应的对这两种服务的激励分别有存储矿工和检索矿工,如图 13 所示。

图 13. Filecoin 中存储市场和检索市场的工作机制

在图 13 展示了矿工交互的大致过程,图的上半部分是存储市场,下半部分是检索市场,从左到右分别展示了从报价到成交到执行的过程。

Filecoin 的应用将带来如下三点改变:

Layer 1 公链是区块链世界里的底层建筑,为更多区块链应用的发展搭建着坚实的基础设施。但是在可扩展性、安全性和去中心化方面目前还很难做到三者兼容。

Near 希望通过夜影协议在可扩展性方面取得突破,Cosmos 则希望搭建起区块链世界的互联网,Polkadot 则融合了 Near 和 Cosmos 的核心概念,Tezos 让我们看到民主意识在区块链社会里的应用,Filecoin 志在实现世界上没有任何一块闲置的硬盘。

五大公链各有所长,核心概念也各有区别,那么半个月后的首次峰会能否让他们各自取长补短,我们一起拭目以待。

作者 : MXC抹茶资讯

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