自 2017 年以来,区块链技术获得了广泛的关注,但是其性能问题一直得不到很好的解决,到目前为止还未出现成熟的解决方案。由前亚马逊、谷歌、微软、华为的高级工程师开发的 Cypherium 项目提出了一种新的方案,旨在将区块链技术带入大规模商用时代。

Cypherium 的架构设计思想,是在保证系统去中心化、安全的条件下,提升区块链系统性能。在共识机制方面,Cypherium 设计了 PoW+PBFT 的混合共识机制。在架构上,Cypherium 搭建了选举链+交易链的架构,其智能合约平台采用了 JAVA 虚拟机,还支持 JAVA 语言,降低了智能合约的开发门槛。通过这种设计方案,Cypherium 有望解决区块链的可扩展问题。

撰文:Eric Wang

弥补传统共识机制的不足,Cypherium 推出 PoW+PBFT(BFTCosi) 混合共识机制

区块链的共识机制主要目的是让去中心化的网络能够达成共识、正常运转。传统共识机制总是在去中心化、安全、可扩展性这三个维度不断的权衡,由此诞生了区块链的不可能三角问题。

传统的共识机制主要有 PoW、PoS、PBFT 三种,为了让读者直观的了解它们各自的特征与不足,以下对三类共识作简要的对比:

一文读懂 Cypherium:双链架构搭档混合共识的商用平台

通过以上对比可以看出,传统的共识机制均存在优缺点,并不存在完美的共识机制。通常来讲,区块链共识分为两个过程,第一个过程:选举领导者;第二个过程:打包与验证区块。传统的共识机制中,这两个过程通常由同一种共识机制实现,而 Cypherium 提出的混合共识机制有望使它们发挥各自优势、弥补双方不足。

Cypherium 在共识的第一个过程中选用了 PoW 共识,相比于 PoS,PoW 的公平性和稳定性可以较好的抵御女巫攻击。但由于 PoW 共识效率很低,因此 Cypherium 仅将其用在第一个过程,用于选择领导者。对于第二个过程,Cypherium 则选用了效率较高的 BFTCosi 共识来打包和验证区块。

PBFT 共识分为三个过程,分别是预准备、准备、提交,其中后两个过程通信复杂度为 O(n^2),当节点数过多时,PBFT 的效率会急剧下降,因此,PBFT 通常应用在节点数较少的联盟链中。为了解决经典 PBFT 通信复杂度是 O(n^2),不适合用于节点较多应用场景的问题,Cypherium 引入了改进型的 PBFT 算法即 BFTCosi 算法,BFTCosi 将 PBFT 和非对称签名算法结合在一起,将通信复杂度降为 O(n),从而解决了在公链场景中需要更多节点参与共识的需求。

Cypherium 通过 BFTCosi 算法,在保留 PBFT 高效性的同时解决了通信复杂度的问题,将 PBFT 应用在了公链场景当中。具体来说,Cypherium 先通过 PoW 共识从全网节点中选择有限个节点组成委员会,然后在委员会当中再应用 BFTCosi 过程迅速完成交易打包与验证工作。由于 PoW 有很好的随机性,可以实现委员会的有序轮换,同时委员会成员组成无法提前预测,因此在安全性方面具有较好的保证。

Tendermint 是 PBFT 的一个变种,简化了一些 PBFT 复杂的流程,例如 view-change。Tendermint 的通讯复杂度同样为 O(n^2),因而只能支持少数的节点。此外,Tendermint 采用 PoS 作为选举机制,不支持节点动态加入与退出。

DPoS 共识实现了较高的性能,但是其方式通过减少节点数量,只通过较少的超级节点进行打包验证来实现,因此存在中心化的问题。

最终确定性也叫不可逆性,它是区块链系统中一个很重要的指标,是实现跨链、分片等离链操作的基础。PoW 与 PoS 从技术层面并不具有很好的最终确定性,它们只具有概率最终性,易发生分叉、回滚等事件。而去年较火的 DAG 被认为是区块链扩容的又一方向,但是 DAG 不支持交易实时最终性,交易时长不可控,因而无法支持智能合约,其应用范围有限。相比之下,Cypherium 采用的 BFTCosi 具有实时最终确定性,可在其基础上支持分片、跨链等技术升级。

解决不可能三角问题,Cypherium 采用双链架构搭档混合共识机制

针对以上混合共识机制的设计,Cypherium 相应地设计了选举链+交易链的双链架构。其中选举链运行 PoW 共识,用来选取验证委员会。在选举链中,运行 PoW 共识,因此节点数量没有任何限制,并不会提高公链的门槛,仍然允许任意节点的加入,当然也就不存在中心化的问题。因此,通过选举链,Cypherium 保留了 PoW 公链的特性。

每次运行 PoW 共识,选举链中会筛选由小到大的前 n 个 hash 运算结果对应的节点组成委员会,委员会内部再运行 BFTCosi 共识,从而提高效率。对于 Cypherium 来讲,全体节点均可以运行 PoW 共识,竞争成为委员会成员的机会。在这个过程中,并无任何门槛,与传统的 PoW 一致,并且在选举之前,任何人无法预测选举结果,因此使得 Cypherium 拥有与传统 PoW 公链同等的安全性。

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由于交易链中委员会的节点每一轮都不同,因此交易链的状态同步存在很大的挑战,若是一个节点被选为委员会成员之后,其状态并没有完成上一轮共识的同步,则会影响本轮的共识过程,从而威胁全网的安全。

针对这个问题,Cypherium 也给出了解决方案:在 Cypherium 中,将多个节点组成一个虚拟节点,从而来保整数据的安全性。这种多个节点组成的联合结构可以有效地减少负载并且可以平衡资源需求,并且这种结构与分片有一定类似,这也为 Cypherium 引入分片技术奠定了基础。

加速智能合约开发与普及,Cypherium 整合 JAVA 虚拟机设计出了新的图灵完备智能合约虚拟机

针对以太坊智能合约中存在的问题,Cypherium 整合 JAVA 虚拟机设计了图灵完备且基于 Dalvik VM 架构的智能合约系统。该智能合约在 Cypherium 虚拟机 (CVM) 中运行,允许用户能够创建复杂的 DApp,包括延期付款、高级访问管理、投票和自定义数字资产等应用场景。新的智能合约系统结合 Cypherium 双链架构组成的高性能应用平台,致力满足大规模的商业应用需求。

Cypherium 虚拟机 (CVM) 采用了 Dalvik VM 架构,该架构是基于寄存器的,它允许任意访问数据,同时仅需要更少的操作步骤。Dalvik 是一款最初由 Android 操作系统采用的轻量级 Java 虚拟机,因此,Cypherium 能够在移动设备上执行智能合约。CVM 支持 EVM 的所有可用操作,与 EVM 一样采用 Gas 来维持智能合约的执行。

由于整合了 JAVA 虚拟机,CVM 支持硬件原生的 32 位与 64 位数据类型,而 EVM 仅支持 256 位操作码,因此,CVM 的执行性能远高于 EVM。除了性能方面的优势,CVM 兼容整个 Java 生态,包括 Java Web 和 Android,因此,如果遇到类似华为的技术封锁事件,利用 Cypherium 平台的开源社区则可以突破技术封锁。Cypherium 的智能合约语言为 JAVA,相比于其它自创的智能合约语言,JAVA 的应用更为广泛,生态也更为完整强大,这显然有利于降低其实智能合约的开发门槛,从而吸引更多的 JAVA 开发者在 Cypherium 平台上进行 DApp 开发。

Cypherium 表示, 该高性能智能合约开发平台,可以广泛应用于金融、数字合同、供应链、物联网、人工智能等领域。

Cypherium 创始团队人才济济,为项目的发展提供保障

Cypherium 创始团队均来自世界互联网名企,接下来就对其主要成员进行介绍。Sky Guo 是 Cypherium 的 CEO,计算机的学科背景使得他对区块链共识、交易和加密算法有着深入的理解。Sky Guo 还拥有佩珀代因大学的理科学士学位和德雷珀大学的创业学位,同时他还担任财新中国最佳财经媒体专栏作家。

Solomon 是 Cypherium 的 CTO 。他拥有中国大学的计算机博士学位,他的研究涉及人工智能、大数据、状态机复制、网络安全和新型加密协议等领域。除了担任 Cypherium CTO 外,他还是马萨诸塞州阿默斯特大学的访问学者。

Javier 是 Cypherium 的 CMO ,目前负责 Cypherium 的品牌推广和市场战略。此前,他曾在 Verizon、PepsiCo 和 Microsoft 担任高级营销职位。

Luke 是 Cypherium 的首席开发者,目前在亚马逊 AWS 云计算部门担任高级工程师,负责开发新一代网络传输协议。他的研究以实时嵌入式系统为中心,如无人驾驶车辆,智能家居和大型储能系统,以实现高效使用和容错。

Sicong 是 Cypherium 的研究员,他拥有加泰罗尼亚理工大学的硕士学位,专注于高性能计算和计算机架构。 Sicong 目前正在在巴塞罗那超级计算中心攻读博士学位,他的研究兴趣包括并行数值算法和异构架构的深度学习。

James 是 Cypherium 的技术作家和编辑。他拥有耶鲁大学的学士学位与剑桥大学的哲学硕士学位。

Cypherium 的顾问包括康奈尔大学著名区块链学者 Emin Gün Sirer 教授,Augur、Distributed 杂志联合创始人 Jeremy Gardner,瑞士国家工程院院士 、区块链分片方案 OmniLedger 发明人 Bryan Ford 教授。Cypherium 的投资方包括 Pantera Capital、Blockfolio 等国际机构。

Cypherium 与多个世界顶级公司与组织保持合作,更进一步证实了其雄厚实力

Cypherium 通过其前沿的设计与优秀的团队与 IBM、 IC3、Amazon、US Faster Payments Council、bloXroute 等知名公司与组织达成了合作。

Cypherium 是 IBM 的全球合作伙伴。IBM 在其官网的「全球企业区块链解决方案」中认为,Cypherium 是一个企业区块链解决方案,可提供更高的可扩展性,并提供基础构建块,为区块链技术的未来奠定基础。

IC3 是由康奈尔大学、康奈尔科技大学、加州大学伯克利分校、UIUC、伦敦大学学院、以色列理工学院和其他院校的教师领导的一项计划,旨在推动区块链技术的发展。 IC3 于 2015 年启动,得到了美国国家科学基金会的资助。其企业合作伙伴包括微软,英特尔,IBM 和 J.P. 摩根等企业。

US Faster Payments Council (FPC)是由美联储成立的一个会员制组织,目标是使美国人可以安全地向任何人、在任何地点、在任何时间,近乎即时地支付费用。 FPC 是一项计划多年的计划,其会员包括 Visa、万事达卡、富国银行、高盛、摩根大通等公司以及全美自动票据交换所协会等支付行业的领袖。

bloXroute 旨在促进区块链和加密货币的实施。 bloXroute 通过提供第一个无信任、可证明中立的区块分发网络(BDN)来实现这一点,该网络可供任何区块链实施。

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区块链的扩展问题一直被业界重点关注,世面上也出现了很多种解决方案,但深究各种解决方案,为了提供扩展性,大多数项目均会在去中心化和安全方面有所妥协,Cypherium 则解决了这个问题。

比特币稳定运行 10 年已证实了 PoW 共识的可靠性,Hyperledger 的稳定运行也证实了 pBFT 的安全与高性能。Cypherium 创新地将两种共识机制巧妙结合,使两种共识实现了互补。Cypherium 除了对整体架构的全新设计外,在底层细节的协议方面也做了很多的改进,进一步提升了其性能。Cypherium 有望将区块链带入大规模商用时代!