Harmony 也是在追逐这方面机会的公链,它提出了一种在共识机制、状态分片以及点对点网络方面进行创新,实现一种安全高效区块链的方案。

原文标题:《TokenGazer 深度研究 | Harmony:技术层面有一定创新 生态发展仍需时间验证》
作者:TokenGazer

前 言

9 月 12 日,TokenGazer 官网发布了 Harmony 深度研究报告。读者想要第一时间掌握市场动态以及查看 TokenGazer 往期项目评级报告、深度研究报告、加密货币月报、策略分析、交易所数据等,请登录官方网站:tokengazer.com。

1 项目背景

区块链技术被视为重构生产关系的重大技术,能够在很多领域提升效率。随着其发展,越来越多地人关注该领域,带来了大量资本的流入,但是目前发展比较成熟的公链并没有被大规模的应用。区块链技术始终在大规模采用方面努力取得进展,它面临的主要障碍之一就是性能。

许多公链都在进行提升性能的尝试:EOS 用牺牲部分去中心化的形式来获取性能的提升;以太坊 2.0 和一些新的公链采用分片的形式;Cosmos、Polkadot 采用跨链的形式去提升其可扩展性等。Harmony 也是在追逐这方面机会的公链,它提出了一种在共识机制、状态分片以及点对点网络方面进行创新,实现一种安全高效区块链的方案。

2 技术

Harmony 的整体架构和以太坊 2.0 类似,由信标链和分片链组成。经过研究,我们认为 Harmony 在共识、分片和网络上都有一定的技术创新:

  • 共识:使用 BLS 多重签名对 PBFT 进行改进,实现可扩展的 FBFT 共识。
  • 分片:通过 VRF 和 VDF 融合的分布式随机生成,以及自适应的 PoS 提高分片的安全性。
  • 网络:利用纠删码和 Kademlia 路由提升网络性能。

我们将重点对 Harmony 的创新部分进行介绍和评估,并在后续章节将 Harmony 和其他项目进行对比。

2.1 共识

Harmony 采用 PoS+FBFT 的共识机制,即先通过 PoS 选出参与区块签名的节点,再通过 FBFT 达成共识。其中,FBFT 是 Harmony 在 PBFT 基础上的创新。

PBFT 是一种共识算法,允许预定义的节点就某些结果达成一致,只要其中超过 2/3 的人遵循该算法,无论剩下小于 1/3 的节点有什么样的恶意行为,PBFT 都能保证让所有诚实的节点对相同的结果达成一致的意见,并在有限的时间内完成。

PBFT 通过选举其中一名节点为领导者并让领导者协调共识来工作,与此同时,其他节点被选为验证者。在一般情况下,PBFT 每个共识轮次都有两个阶段——准备和提交。在每个阶段中,领导节点向所有验证器节点广播提议,并且验证器节点本身将其投票广播到每个其他节点。所有验证人的投票需要由其他验证人计算。这种情况下所有节点都进行 O(n^2) 复杂度的网络通信,其中 N 是节点的总数。

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O(n^2) 复杂度意味着,随着节点的增多,PBFT 网络通信复杂度呈平方的形式上升,因此 PBFT 不具备扩展性,网络只能由较少的节点参与共识。针对 PBFT 的扩展性问题,Harmony 进行了优化,如前所述称之为 FBFT。FBFT 实现了 O(n) 的通讯复杂度,能够线性扩展。

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和 PBFT 一样,在 FBFT 算法中也有领导者和验证者的角色,并不要求所有验证者广播他们的投票,领导者运行一个多重签名的签名过程来收集验证者的投票。如上图所示,FBFT 采用 BLS (Boneh-Lynn-Shacham)多签方案,该方案是 Schnorr 签名方案的改进,在实现多重签名大小恒定(在复杂度为 O(1))的基础上,还实现了只要求一次往返来传递消息(复杂度为 O(n))。在这种情况下,FBFT 的验证者只需接收一个多重签名,通信的复杂度从 O(N²) 下降到 O(N)。

除了以上改进,Harmony 还采用 RaptorQ 喷泉码来加速区块广播过程。相比于 PBFT,Harmony 的 FBFT 更具扩展性,支持更多的节点参与共识。

2.2 分片

分片作为一种区块链的拓展方案,首先在 Zilliqa 上实现。但是 Zilliqa 仅实现了网络分片和交易分片。Zilliqa 将其网络分成多个分片,每个分片有数百个节点(网络分片)。这允许不同的交易由不同的分片同时处理(交易分片)。但是,为了能够处理交易,分片中的每个节点都必须存储整个区块链状态信息。这使得网络对节点得要求较高,阻止了硬件资源一般得节点加入网络,不利于网络的去中心化。

Harmony 更进一步实现了状态分片,并将其分片技术命名为深度分片 (Deep Sharding),其中 Harmony 不仅对交易层面进行分片,还会对共识发生的层面进行分片,这提高了并行处理的水平,从而提高了网络吞吐量。此外,由于所有节点都不需要存储整个区块链状态,因此一般的个人计算机也可以作为节点加入网络,从而使网络更去中心化。

2.2.1 分布式随机生成
在将节点分配给分片时,分片系统通常采用基于随机性的方法,以降低攻击的风险。在所有方法中,基于随机性的分片已被认为是最安全的解决方案。在这种情况下,网络需要使用随机数生成方案来将节点随机分配给分片。此随机数应具有以下属性:

  • 不可预测:没有人能够在生成之前预测随机数。
  • 无偏见:生成随机数的过程不应该偏向任何一个参与者。
  • 可验证:所生成的随机数的有效性可由任何观察者验证。
  • 可扩展:随机生成算法应具备大量参与者可以参与的扩展性。

目前有以下方案实现分布式随机 (DRG) 的生成:

  • Omniledger 使用 RandHound 协议,这是一个领导者驱动的分布式随机生成过程,涉及 PVSS (公开可验证的秘密共享)和拜占庭协议。RandHound 是一种复杂度为 O(n*c^2) 协议,它将参与者节点划分为多个大小为 c 的组。它实现了上面的前三个属性,但是在可扩展性方面不太合适。
  • RapidChain 采用一种更简单的方法,让每个参与者执行 VSS (可验证秘密共享)并使用组合的秘密共享作为结果随机性。但是,这个协议并不安全,因为恶意节点可以向不同的节点发送不一致的共享。此外,RapidChain 没有描述节点如何在重建随机性的多个可能版本上达成共识。
  • Algorand 依靠基于 VRF (可验证随机函数)的加密分类来选择一组共识验证者。
  • 以太坊 2.0 设计提出使用 VDF (可验证延迟函数)来延迟实际随机数的揭示,以防止最后暴露者的攻击。VDF 是一种新发明的原生加密方式;它需要一个可调节的最小时间来计算,并且可以立即验证结果。

Harmony 融合了 Algorand 的 VRF 和以太坊 2.0 的 VDF,提出一种新的分布式随机生成协议,其过程如下图所示。

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由于有 VDF,领导者在 pRnd 提交到区块链之前,无法知道实际的最终随机数。由于使用 VDF 来计算 Rnd,pRnd 已经在前一个区块中提交,所以领导者就无法操纵它。如果领导者不提交 pRnd 停止协议,FBFT 有一个超时机制可以切换领导者并重新启动协议。该分布式随机生成协议的复杂度是 O(n),会比 RandHound 快一个数量级。

2.2.2 自适应阈值 PoS

如前所述,Harmony 先通过 PoS 选出参与区块签名的节点,再通过 FBFT 达成共识。成为 Harmony 的验证者需要首先质押一定的 ONE 通证,抵押的通证数量代表着验证者的投票份额,每个投票份额对应 FBFT 共识的一票。

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为了防止单个分片中出现单个 / 多个节点投票份额过大,影响分片安全的局面,Harmony 采用了自适应阀值 PoS。如上图所示,Harmony 根据分布式随机生成把节点的投票份额随机分配到不同的分片当中,而非直接单个验证者连同其所有选票随机分配到一个分片。假如一个恶意节点持有大量的选票份额,在 Harmony 中它也无法影响单个分片的选票结果。

Harmony 在每个周期(Epochs)的开始,会由分布式随机生成协议产生随机数,基于随机数来确定分片结构。周期是预定的时间间隔,在此期间分片结构是固定的,每个分片持续地与同一组验证者运行共识。

为了防止分片保持结构固定可能会出现的静态循环攻击、慢适应攻击或完全适应攻击等,Harmony 还采用基于 Cuckoo 规则的重新分片机制对分片的选票进行重新洗牌。

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同时,Harmony 还有使验证者快速进行状态同步和验证的机制。简单而言,如上图所示,每个周期的首个区块都包含上一个周期首个区块的哈希链接。当验证者新加入一个分片时,它们需要检索状态,并确保状态有效。新加入的验证者下载当前状态即可获得从当前状态到创始区块的路径;新验证者可以依赖灰色区块来快速验证当前的状态。

2.3 网络

在基于 P2P 网络的任何区块链系统中,广播都是频繁的网络动作。特别是在共识协议中,有三种情况需要广播:

  1. 领导者需要向所有验证者广播新提议的区块。
  2. 需要将新生成的主链区块广播到整个网络。
  3. 跨分片通信需要在分片之间广播消息。

在普通的 P2P 广播中,原始发送者需要将消息的副本发送给其每个邻居。这将导致发送方的 O(d*M) 的网络负载,其中 d 是发送方的平均邻居数,M 是消息大小。Harmony 对此进行了优化,如下图所示,发送者先使用纠删码对消息进行编码,然后再将编码消息的块发送给每个邻居。这将发送者的负载减少到 O(M+e),其中 e 是擦除代码的大小,并且它通常小于原始消息 M 的大小。因此,Harmony 的网络广播机制显着降低了广播发送者的网络负载。

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对于任何基于分片的区块链系统,跨分片通信的协议都非常重要,它可能直接影响区块链的性能。Harmony 受 RapidChain 启发,使用 Kademlia 作为跨分片小小的路由机制。Harmony 网络中的每个节点都维护一个包含来自不同分片的节点的路由表。分片之间的距离定义为分片 ID 的 XOR 距离。当需要将来自分片 A 的消息发送到分片 B 时,分片 A 中的节点将查看路由表并将消息发送到具有最接近分片 ID 的节点。使用基于 Kademlia 的路由,消息仅在到达目标分片之前穿过 O(log(n)) 节点。与需要 O(n) 网络复杂度的普通八卦广播相比,Kademlia 路由机制可以将通信复杂度降低到 O(log(n)),显着减少分片区块链中的整体网络负载。

2.4 信标链

和以太坊 2.0 一样,Harmony 的分片架构由信标链和分片链组成。每个分片链处理总事务的子集。信标链是一个特殊的分片链,有两个额外的职责——为 DRG 生成随机数,并接受验证者的抵押。信标链还增加了整个生态系统的安全性。在将每个新块添加到分片链之后,将块头发送到信标链(通过 Kademlia 路由)。信标链检查块头是否有效,并将其广播到整个网络。每个分片都维护一个有效的块头列表,用于检查其他分片的事务是否有效。

由于信标链的存在,恶意攻击者必须攻击分片和信标链。此外,由于信标链本身广播所有有效的块头,因此通信复杂度再次仅为 O(n)。如果每个分片必须分别将有效块头的列表广播到所有其他分片,那么复杂性将是 O(n^2)。在安全性和可扩展性方面,信标链在 Harmony 的生态系统中是一个非常重要的实体。

2.5 路线图

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从 Harmony 官网公布的路线图来看,Harmony 主网本计划在第二季度上线,但至今尚未上线;在其他渠道我们看到更新后的路线图显示主网在第三季度上线,现在来看也有一定的延期可能。

3 通证

Harmony 的原生通证 ONE 目前是在 Binance Chain 上发行的 BEP2 标准的通证,总量为 126 亿。

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其初始分配方案如上图所示:
* 种子轮的通证销售占总供应量的 22.4%;
* Binance Launchpad 通证销售占总供应量的 12.5%;
* 团队通证占总供应量的 16.9%;
* 用于协议开发的通证占总供应量的 26.4%;
* 生态系统发展通证占总供应量的 21.8%。

Harmony 在种子轮销售和 Launchpad 分别募集约 1830 万和 500 万美元。Harmony 种子轮销售、团队、协议开发和生态系统发展部分的通证将按照一定的锁仓 / 释放计划进入市场流通,ONE 整体的释放曲线如下:

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3.1 通证经济模型

Harmoy 的 ONE 通证有以下作用:

  • 抵押 (Staking):节点通过抵押 ONE 参与 PoS 共识并获取奖励和交易费用;
  • 费用支付:Harmony 网络中的交易费用、燃料费、存储费用等需要用 ONE 支付;
  • 投票:ONE 对协议的链上治理由投票功能。

为了保障网络的运转以及网络的安全,Harmony 将协议定义数量的新发行通证奖励给按抵押份额成比例地分配给签名区块的所有验证者(交易费用同样奖励给验证人)。根据 Harmony 现阶段的经济模型,对验证者的奖励如下:

  • 当新区块确认时,所有验证者将共享区块奖励(约为 30%,年度通货膨胀率为 6%)和交易费用。
  • 提出区块的领导者将获得额外 5% 的区块奖励。
  • 当区块的签名更多时,区块奖励将会增加,以激励领导者收集更多选票。
  • 当抵押通证与流通通证的比率较低时,通货膨胀率(或区块奖励)将增加。
  • VRF 提交奖励:在第一个区块提交 VRF 随机性的节点将在其成为领导者时获得 5%的额外区块奖励。
  • VDF 提交奖励:对于能够在预定时间范围内提交正确 VDF 的节点,可获得 10% 得额外区块奖励。

对于网络检测到的任何不当行为,协议将削减验证者一定数量的抵押通证:

  • 当领导者 / 验证者双签区块时;
  • 当领导者离线时(不进行区块提案);
  • 当验证者在最近 4096 个块(约 6 个小时)内未能在 90% 的块上签名时;
  • 当领导者未能提交 VRF 结果时;
  • 当领导者未能在预定的时间范围内包含 VDF 结果时。

以上通证经济模型尚不是最终版本,可能在 Harmony 主网上线签 / 后仍会改变。

4 市场

目前公链赛道上有诸多项目在相互竞争,我们将 Harmony 和其他在提升性能上有代表性的项目进行了对比。

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我们看到,在性能、安全性、可扩展性等方面,Harmony 相对于其他项目有一定的优势,但目前其主网尚未上线,生态内的开发者较少将是其劣势。

5 社区

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以上是 Harmony 在开发者社区和社交媒体上的关注情况。我们看到,Harmony 作为一个创立时间并不长的项目,在开发者社区的关注度相对较高。Harmony 在社交媒体上的关注度也较高,其 Twitter 关注度超过了我们数据库中 94.19% 的二级市场项目:

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Harmony 的 Telegram 人数超过了我们数据库中 82.99% 的二级市场项目:

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6 核心团队和顾问

6.1 团队成员

Stephen Tse 创始人 &CEO;
Stephen Tse 谢镇滔之前是 Microsoft Research 的研究员,Google 的高级基础架构工程师,以及 Apple 的搜索排名首席工程师。他创立了移动搜索 Spotsetter, Apple 后来收购了该创业公司。Stephen 在宾夕法尼亚大学获得安全协议和编译器验证博士学位。

Nicolas Burtey 联合创始人 &COO;
Nicolas Burtey 在 2012 年创立了一家 VR 视频创业公司 Orah,发展到 40 人,募集 1000 万美元。Nicolas 拥有数学和计算机科学学士学位,以及计算摄影硕士学位。

Alok Kothari 联合创始人
Alok Kothari 之前在 Apple 的 Siri 从事深度学习模型和自然语言理解的工作。他在自然语言处理,信息检索机器学习方面进行了研究,并在 SIGIR,ICWSM 和 EMNLP 等顶级会议上发表。他的研究论文在 ICWSM 2013 上获得了最佳数据集奖。Alok 在卡内基梅隆大学获得人工智能和语言科技硕士学位。

Rongjian Lan 联合创始人 &CTO;
Rongjian Lan 曾是 Google Play 商店的搜索基础架构工程师。他发表了 10 篇关于时空查询和基于地图的可视化的学术论文。Rongjian 自 2017 年初开始研究去中心化协议。Rongjian 是 ABC Blockchain Foundation 的联合主席,有来自 Google,Facebook,LinkedIn 的 100 多名工程师。他是马里兰大学帕克分校的计算机科学博士生,并获得了北京科技大学的学士学位。

Minh Doan 联合创始人
Minh Doan 曾在 Google Assistent,Google Play 和 Google Plus 工作了 5 年,拥有 Google 的“Publisher Click-Ring Fraud Detector”专利。Minh 是加州大学欧文分校算法和分布式系统的博士生。他拥有莫斯科国立大学计算机科学和应用数学硕士学位。

Nick White 联合创始人
Nick White,拥有斯坦福大学的电子工程学士和硕士学位,专注于信号处理,优化和控制。作为斯坦福大学的研究生助教,他与 Bernard Widrow 教授一起研究人工智能和应用数学。Nick 曾担任香港人工智能孵化器 Zeroth.AI 的 AI 专家,并指导了来自五大洲的 20 多个团队,涉及金融,农业和区块链等各个行业。

Sahil Dewan 联合创始人
Sahil Dewan 毕业于哈佛商学院,在哈佛商学院他担任区块链和加密货币俱乐部的主席。他曾在 Draper Dragon Fund 工作并为几个区块链项目提供建议。Sahil 创立了一家电子科技创业公司,为印度 100 多所教育机构的校友参与和筹款开创了移动平台。他还被选为 AIESEC India 的主席,AIESEC India 是一个遍布 125 个国家的青年领袖组织。

6.2 顾问

Hakwan Lau,加州大学洛杉矶分校的教授。他擅长神经科学和机器学习。Hakwan 在牛津大学就着名的罗德奖学金学习,曾担任哥伦比亚大学副教授,并发表了 90 多篇同行评审论文。

Ka-yuet Liu,加州大学洛杉矶分校的终身副教授。她擅长医学数据,网络分析和其他系统科学方法。她拥有博士学位。在牛津大学获得社会学,并在哥伦比亚大学获得博士学位。她的论文“社会影响力和自闭症流行病”获得了着名的艾略特·弗里森奖。

Zi Wang,2006 年至 2015 年在 Google Chrome,Google X,Android 和 Nexus 工作。他是谷歌的第一个硬件部门全球创意总监,并共同创立了一个预算为 2000 万美元的谷歌研究实验室。Zi Wang 创立了 Quantum Bakery,这是一家与谷歌,康宁和丰田合作的初创公司,致力于开发具有环境智能的消费产品。

黄海旻,曾在微软担任了 7 年的首席工程师,在阿里巴巴云和 Credit Ease 担任董事。后来担任中国 P2P 贷款公司麻袋理财的首 CEO。

7 总结

Harmony 核心团队成员多来自谷歌、亚马逊、苹果等大型高科技公司的技术团队,涉及到较多的领域,他们在 Harmony 的共识机制、状态分片和网络通信(快速块传播、跨分片路由)中,有较大创新。在提升性能的同时,Harmony 同时对网络的安全性、去中心化程度都有着一定程度的提升,可以说在一定程度上较好地解决了“不可能三角”难题。不过,在白皮书中 Harmony 没有论述在领导者作恶情况下 FBFT 活动机制和安全性,对此较难作出审查。

Harmony 代码自年初以来即已开源,在行业内也受到一定好评。通过与其他公链对比,我们能够看到它在性能、安全性等方面的优势,但 Harmony 主网的延期上线也显示出开发的难度。公链的发展和生态息息相关,相比于以太坊和 EOS 等上线较久的公链,在生态方面有着较大的差距。

通证经济方面,Harmony 初始通证分配较为合理,通过 Binance Lauchpad 进行了较广泛的分配,同时为协议的继续开发和生态运营留下了一定的储备资金,该部分资金的线性解锁方案也相对合理。Harmony 对验证节点的通证激励方案没有明显的问题,需要在实践中进一步验证和改善。

8 参考资料

Harmony 白皮书:https://harmony.one/pdf/whitepaper.pdf

Harmony Protocol Review:https://medium.com/@itsnear/harmony-protocol-review-1a74d37e0d90

Harmony — A High-Throughput, Low-Latency Public Blockchain Platform for Decentralized Economies:https://hackernoon.com/harmony-a-high-throughput-low-latency-public-blockchain-platform-for-decentralized-economies-676de78a5654

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来源链接:mp.weixin.qq.com