共识机制的范式转移,Avalanche 的野望

本文来自 Odaily 星球日报,公众号 Odaily (ID:o-daily),经作者授权转载

在原本以太坊的框架下,我们看到了以加密猫为代表的 NFT、以 MakerDAO 为代表的 DeFi 生态,而在全新的框架下,会涌现出全然不同的生态。

关于范式转移 (Paradigm Shift),指的是某一科学领域中出现新的成果,打破了原有的假设或者法则,从而迫使人们对本学科的很多基本理论和假设做出根本性的修正。这一概念也被引申成了一个更为普世的道理,当历史的车轮滚滚向前,我们能通过许多例子了解到范式转移的意义所在。

最令人扼腕叹息的例子,莫过于 2012 年 1 月柯达公司宣布破产。有人曾说直到柯达破产那天,他们仍生产着世界上质量最好的胶卷。巨头倒下的原因无关于他们的产品质量,而是由于数码相机的普及,即市场对产品形态的需求发生了转变。一个新的范式形成了,对于旧的范式,破坏性是摧枯拉朽的。而类似的的例子还有智能手机之于诺基亚和 mp3 之于索尼 walkman。而更有意思的是,如今大部分人已经用手机替代了数码相机和 mp3,范式的转移并非是迭代或进化,而是一种断裂性转换和颠覆的哲学。

在区块链的世界中,其实大部分项目还是在“经典共识”和“中本聪共识”的框架下做各种技术参数的调整,一些项目所谓的“突破”“创新”,也不过是修修补补:本质并没有改变,瓶颈和限制依然存在。而今天文中会重点介绍的「雪」系列协议 Avalanche 采用了全新设计思路,打破了过往项目节点间的通信方式,以不断随机抽样直至判定结果收敛的方式实现全网节点达成共识。

1988 年,分布式系统领域关键的里程碑论文 Viewstamped Replication:A General Primary Copy 发表,给出了分布式系统复制的理论和工程实现的详细分析和设计。随后,该论文作者 Liskov 教授进一步研究分布式系统,于 1999 年发布了 Practical Byzantine Fault Tolerance,也就是我们所熟悉的 PBFT 共识算法。随后,对共识机制有过无数的探讨,但都没有离开最基本的框架:那就是所有节点都需要参与投票。

这一类共识机制,我们称为”经典共识机制“。它基本延续了人类达成共识的思路,如同议会一样,一项提案被发起,每一个议会成员投票表示赞同或者反对。在经典共识协议中,每一个验证者投票选择接受或者拒绝某一个区块或者交易。伴随着一系列复杂的信息交换,验证者会获取达成共识所有需要的的投票信息。一般情况下,这些计算机之间需要发送复杂度至少为 O(n^2) 条信息(在这里 n 是验证者数量),所有的验证者都需要互相沟通。

在经典共识协议中交易确认速度非常快,往往数秒内就能完成交易确认。但类似人类会议,参与者不可能是无名之辈,必须要所有参与者知道其他参与者的信息,所以在联盟链的场景中这样的共识机制完全适用:每个联盟的参与方 IP 地址、节点信息都非常明确。而对于区块链项目来说,为了实现去中心化、无需许可、匿名等特性,必然会需要其他的方式来确保网络的安全性(随便一个黑客匿名攻击该怎么办?)。

这就引入了攻击的成本。不论是结合权益证明、权威证明的各类共识机制,还是新兴的历史证明、燃烧证明等等,都是用手中稀缺的资源作为衡量投票权的标准,但是本质上,最底层都还是经典共识协议。一旦需要扩展到数千、甚至上万个节点的时候就无能为力,Tendermint 也承认在节点数量增加的同时会牺牲掉性能,原因就是在于共识过程中需要所有节点互相通信,节点越多,信息越复杂,共识难度越大。

2008 年比特币的诞生,对于分布式系统领域来说一个跨时代意义的事物就是比特币的中本聪共识机制,其中结合工作量证明、最长链规则、点对点网络技术。相比于经典共识协议,中本聪共识能够在开放网络运行,节点能够自由加入或者退出网络,不论节点的多少都不会影响共识速度,比特币十年的稳定运行就是最好的证明。

然而同样,中本聪共识作为首个实现开放网络的共识协议,是以牺牲性能为代价的:数笔每秒的吞吐量,性能的瓶颈是在带宽。而去中心化的愿景实现地不尽如人意:专业矿机的出现,比特币网络 9 个矿池占据了 99% 的哈希算力,让比特币算力集中化。

范式转移

在共识机制的领域,经典共识和中本聪共识 在各方面的技术参数基本增长缓慢,一些项目站出来说所谓的“创新”,也不过是修修补补:本质并没有改变,瓶颈和限制依然存在。

性能低、确认慢、可扩展性受限制…为去中心化的区块链平台做底层支撑的共识技术,必须要去中心化、性能、安全性三者兼容,而对于传统的经典共识机制和中本聪共识,各自都有各自的瓶颈,并且是完全没有办法突破。一些考虑结合 VRF 等技术,另一些项目考虑采用二层扩容方案,但问题都不本质。是时候从另一个维度去思考答案了。

在某一项技术在各方面的技术参数基本不会增长,或者增长极为缓慢,慢到可以忽略的时候,往往是新技术突破的机会。

而新技术要么是开拓了全新的、老技术所没有的维度,要么在某一维度上全面超越了原有的技术,突破了原本所固有的瓶颈。新技术和老技术底层逻辑完全变了,它对领域的重构,改变了该领域内最基本的理论概括,以及架构下的方法和应用,这样的改变,我们称为「范式转移」。

「雪」系列协议 Avalanche

时间到了 2018 年,一个匿名团队 Team Rocket 联合一批研究者发布了一篇论文,介绍了称为「雪」系列协议的全新的共识协议设计思路:不同于经典共识机制需要所有节点相互通信的方式,在「雪」系列协议中,参与者无需参与全局投票,而是随机选择一组参与者作为样本询问当前状态(如一笔交易是否有效)。若发现样本中多数人的选择和自己不一样,那么就修改自己的状态和大多数人保持一致。之后重新抽样不断重复这个过程。所有节点都不断重复取样、修改自己的状态,直到所有节点达成一致,或者说“收敛”。

我们用一个动图就能够明白这个过程中发生了什么:

共识机制的范式转移,Avalanche 的野望

假设现在网络中一个用户发了两笔矛盾的双花交易,其中一部分节点收到了 A 交易,这些节点为黄色节点;另一部分节点收到 B 交易,为蓝色。A 和 B 是矛盾的,为了系统正确运行,只能有一个交易被通过。随后,每个节点随机选择一组其他节点询问,若样本中大多数和自己颜色不同,则修改自己的颜色和大多数保持一致。不断随机选择、修改自己的颜色……在经过数十轮的取样之后,整个网络神奇地都变成了蓝色。

即使在最极端的情况下,在 AVA 的论文中,大约 17 次重复就能够达到一致。而一般情况下,不会出现如此苛刻的条件,因此交易能够在数轮,也就是说 1-2 两秒内达成确认。并且,在不需要所有节点互相通信的情况下,可扩展性瓶颈也不再存在:网络甚至能够扩展到数百万个节点,而对性能和安全性没有任何影响。

从技术的角度来说,「雪」系列共识的思路和原本类似人类会议投票的经典共识设计思路完全不同,原本用来衡量共识机制的安全模型,都不再适用;而从应用的角度来说,在完全去中心化的情况下能够实现高效率、快速确认,原本由于用户体验问题无法实现的支付、交易都再次成为可能;而对于生态来说,「雪」系列协议计算量小、带宽要求小,甚至手机上都能够运行一个完整验证网络的轻节点,成为节点的门槛大幅度降低,结合 PoS 机制,理论上真能实现”人人都是节点“的愿景。

此外,在安全性上,在 AVA Labs 的论文中对协议进行了详细的证明,不仅仅包括性能,还有安全性上的保障。比特币只能保证 51% 的安全性,传统经典共识只能保证 33.33% 的安全性。「雪」系列共识通过参数的调整能保证 51% 以上的安全性。

最终,「雪」系列协议能够综合经典共识协议和中本聪共识协议二者的优势:既能有足够强的性能,吞吐量达到数千的同时做到秒级确认,又足够去中心化,允许成千上万的节点加入网络,这让「雪」协议成为了开放、无需许可环境下共识协议的最佳选择。

成功的商业模式依靠的是演化,是自下而上的。区块链项目天生就是开源的,底层改变之后,衍生出全新的事物。在原本以太坊的框架下,我们看到了以加密猫为代表的 NFT、以 MakerDAO 为代表的 DeFi 生态,而在全新的框架下,会涌现出全然不同的生态。

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