共識機制的範式轉移,Avalanche 的野望

本文來自 Odaily 星球日報,公衆號 Odaily (ID:o-daily),經作者授權轉載

在原本以太坊的框架下,我們看到了以加密貓爲代表的 NFT、以 MakerDAO 爲代表的 DeFi 生態,而在全新的框架下,會涌現出全然不同的生態。

關於範式轉移 (Paradigm Shift),指的是某一科學領域中出現新的成果,打破了原有的假設或者法則,從而迫使人們對本學科的很多基本理論和假設做出根本性的修正。這一概念也被引申成了一個更爲普世的道理,當歷史的車輪滾滾向前,我們能通過許多例子瞭解到範式轉移的意義所在。

最令人扼腕嘆息的例子,莫過於 2012 年 1 月柯達公司宣佈破產。有人曾說直到柯達破產那天,他們仍生產着世界上質量最好的膠捲。巨頭倒下的原因無關於他們的產品質量,而是由於數碼相機的普及,即市場對產品形態的需求發生了轉變。一個新的範式形成了,對於舊的範式,破壞性是摧枯拉朽的。而類似的的例子還有智能手機之於諾基亞和 mp3 之於索尼 walkman。而更有意思的是,如今大部分人已經用手機替代了數碼相機和 mp3,範式的轉移並非是迭代或進化,而是一種斷裂性轉換和顛覆的哲學。

在區塊鏈的世界中,其實大部分項目還是在“經典共識”和“中本聰共識”的框架下做各種技術參數的調整,一些項目所謂的“突破”“創新”,也不過是修修補補:本質並沒有改變,瓶頸和限制依然存在。而今天文中會重點介紹的「雪」系列協議 Avalanche 採用了全新設計思路,打破了過往項目節點間的通信方式,以不斷隨機抽樣直至判定結果收斂的方式實現全網節點達成共識。

1988 年,分佈式系統領域關鍵的里程碑論文 Viewstamped Replication:A General Primary Copy 發表,給出了分佈式系統複製的理論和工程實現的詳細分析和設計。隨後,該論文作者 Liskov 教授進一步研究分佈式系統,於 1999 年發佈了 Practical Byzantine Fault Tolerance,也就是我們所熟悉的 PBFT 共識算法。隨後,對共識機制有過無數的探討,但都沒有離開最基本的框架:那就是所有節點都需要參與投票。

這一類共識機制,我們稱爲”經典共識機制“。它基本延續了人類達成共識的思路,如同議會一樣,一項提案被髮起,每一個議會成員投票表示贊同或者反對。在經典共識協議中,每一個驗證者投票選擇接受或者拒絕某一個區塊或者交易。伴隨着一系列複雜的信息交換,驗證者會獲取達成共識所有需要的的投票信息。一般情況下,這些計算機之間需要發送複雜度至少爲 O(n^2) 條信息(在這裏 n 是驗證者數量),所有的驗證者都需要互相溝通。

在經典共識協議中交易確認速度非常快,往往數秒內就能完成交易確認。但類似人類會議,參與者不可能是無名之輩,必須要所有參與者知道其他參與者的信息,所以在聯盟鏈的場景中這樣的共識機制完全適用:每個聯盟的參與方 IP 地址、節點信息都非常明確。而對於區塊鏈項目來說,爲了實現去中心化、無需許可、匿名等特性,必然會需要其他的方式來確保網絡的安全性(隨便一個黑客匿名攻擊該怎麼辦?)。

這就引入了攻擊的成本。不論是結合權益證明、權威證明的各類共識機制,還是新興的歷史證明、燃燒證明等等,都是用手中稀缺的資源作爲衡量投票權的標準,但是本質上,最底層都還是經典共識協議。一旦需要擴展到數千、甚至上萬個節點的時候就無能爲力,Tendermint 也承認在節點數量增加的同時會犧牲掉性能,原因就是在於共識過程中需要所有節點互相通信,節點越多,信息越複雜,共識難度越大。

2008 年比特幣的誕生,對於分佈式系統領域來說一個跨時代意義的事物就是比特幣的中本聰共識機制,其中結合工作量證明、最長鏈規則、點對點網絡技術。相比於經典共識協議,中本聰共識能夠在開放網絡運行,節點能夠自由加入或者退出網絡,不論節點的多少都不會影響共識速度,比特幣十年的穩定運行就是最好的證明。

然而同樣,中本聰共識作爲首個實現開放網絡的共識協議,是以犧牲性能爲代價的:數筆每秒的吞吐量,性能的瓶頸是在帶寬。而去中心化的願景實現地不盡如人意:專業礦機的出現,比特幣網絡 9 個礦池佔據了 99% 的哈希算力,讓比特幣算力集中化。

範式轉移

在共識機制的領域,經典共識和中本聰共識 在各方面的技術參數基本增長緩慢,一些項目站出來說所謂的“創新”,也不過是修修補補:本質並沒有改變,瓶頸和限制依然存在。

性能低、確認慢、可擴展性受限制…爲去中心化的區塊鏈平臺做底層支撐的共識技術,必須要去中心化、性能、安全性三者兼容,而對於傳統的經典共識機制和中本聰共識,各自都有各自的瓶頸,並且是完全沒有辦法突破。一些考慮結合 VRF 等技術,另一些項目考慮採用二層擴容方案,但問題都不本質。是時候從另一個維度去思考答案了。

在某一項技術在各方面的技術參數基本不會增長,或者增長極爲緩慢,慢到可以忽略的時候,往往是新技術突破的機會。

而新技術要麼是開拓了全新的、老技術所沒有的維度,要麼在某一維度上全面超越了原有的技術,突破了原本所固有的瓶頸。新技術和老技術底層邏輯完全變了,它對領域的重構,改變了該領域內最基本的理論概括,以及架構下的方法和應用,這樣的改變,我們稱爲「範式轉移」。

「雪」系列協議 Avalanche

時間到了 2018 年,一個匿名團隊 Team Rocket 聯合一批研究者發佈了一篇論文,介紹了稱爲「雪」系列協議的全新的共識協議設計思路:不同於經典共識機制需要所有節點相互通信的方式,在「雪」系列協議中,參與者無需參與全局投票,而是隨機選擇一組參與者作爲樣本詢問當前狀態(如一筆交易是否有效)。若發現樣本中多數人的選擇和自己不一樣,那麼就修改自己的狀態和大多數人保持一致。之後重新抽樣不斷重複這個過程。所有節點都不斷重複取樣、修改自己的狀態,直到所有節點達成一致,或者說“收斂”。

我們用一個動圖就能夠明白這個過程中發生了什麼:

共識機制的範式轉移,Avalanche 的野望

假設現在網絡中一個用戶發了兩筆矛盾的雙花交易,其中一部分節點收到了 A 交易,這些節點爲黃色節點;另一部分節點收到 B 交易,爲藍色。A 和 B 是矛盾的,爲了系統正確運行,只能有一個交易被通過。隨後,每個節點隨機選擇一組其他節點詢問,若樣本中大多數和自己顏色不同,則修改自己的顏色和大多數保持一致。不斷隨機選擇、修改自己的顏色……在經過數十輪的取樣之後,整個網絡神奇地都變成了藍色。

即使在最極端的情況下,在 AVA 的論文中,大約 17 次重複就能夠達到一致。而一般情況下,不會出現如此苛刻的條件,因此交易能夠在數輪,也就是說 1-2 兩秒內達成確認。並且,在不需要所有節點互相通信的情況下,可擴展性瓶頸也不再存在:網絡甚至能夠擴展到數百萬個節點,而對性能和安全性沒有任何影響。

從技術的角度來說,「雪」系列共識的思路和原本類似人類會議投票的經典共識設計思路完全不同,原本用來衡量共識機制的安全模型,都不再適用;而從應用的角度來說,在完全去中心化的情況下能夠實現高效率、快速確認,原本由於用戶體驗問題無法實現的支付、交易都再次成爲可能;而對於生態來說,「雪」系列協議計算量小、帶寬要求小,甚至手機上都能夠運行一個完整驗證網絡的輕節點,成爲節點的門檻大幅度降低,結合 PoS 機制,理論上真能實現”人人都是節點“的願景。

此外,在安全性上,在 AVA Labs 的論文中對協議進行了詳細的證明,不僅僅包括性能,還有安全性上的保障。比特幣只能保證 51% 的安全性,傳統經典共識只能保證 33.33% 的安全性。「雪」系列共識通過參數的調整能保證 51% 以上的安全性。

最終,「雪」系列協議能夠綜合經典共識協議和中本聰共識協議二者的優勢:既能有足夠強的性能,吞吐量達到數千的同時做到秒級確認,又足夠去中心化,允許成千上萬的節點加入網絡,這讓「雪」協議成爲了開放、無需許可環境下共識協議的最佳選擇。

成功的商業模式依靠的是演化,是自下而上的。區塊鏈項目天生就是開源的,底層改變之後,衍生出全新的事物。在原本以太坊的框架下,我們看到了以加密貓爲代表的 NFT、以 MakerDAO 爲代表的 DeFi 生態,而在全新的框架下,會涌現出全然不同的生態。

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共識機制的範式轉移,Avalanche 的野望

共識機制的範式轉移,Avalanche 的野望

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