異構區塊鏈網路對比:關於新一代公鏈 Cosmos、Polkadot、 Avalanche 深度技術分析和對比(下) 

Cosmos、Polkadot 和 Avalanche 都旨在通過異步異構網路模型進行橫向擴容。在這三個網路,App 專用區塊鏈有不同的虛擬機,在需要時可以互操作。在這些基礎設施平台,用戶可以建立自己的個性化區塊鏈,這為去中心化 App 和資產提供了更大的設計空間。通過自主區塊鏈而非一組智能合約運行項目具備三大優勢:

性能隔離:隔離您的區塊鏈和其他區塊鏈,確保您的用戶體驗不會受到無關的網路活動的影響,從而提升區塊鏈性能。如有需要,您也可以橋接其他區塊鏈。

手續費可預測、可自定義:在共享的免許可網路上,您是無法控制手續費的,部分 App 的高交互量會推高整個網絡的手續費,您的 App 也只能接受。自定義的費率結構意味著手續費更好預測,它也將消除底層平台的存在感。用戶無需持有底層平台的代幣,也能使用 App 專用區塊鏈。允許用戶用底層平台代幣以外的貨幣支付手續費對主流採用至關重要。

驗證節點可自定義:您可以根據自己的 App 的需求,為自己的區塊鏈設置相應的驗證節點規則和要求。您可以要求驗證節點遵守特定司法轄區的法律(如歐盟的《通用數據保護條例》),具備高性能硬件,或提供特定證明。

這些新一代區塊鏈網路已建立或即將建立連接以太坊和比特幣的跨鏈橋。它們也在開發連接彼此的跨鏈橋,以期充分實現區塊鏈互聯網的願景。

Cosmos、Polkadot 和 Avalanche 在協議層面(共識機制、經濟安全拓撲結構等)有很大區別,因此,它們的功能(鏈間通信、代幣經濟模型、所支持的 App 類型等)和擴容方式(驗證節點的參與、質押的歸屬等)也很不相同。下文將對三者進行對比,幫助開發者、企業家、投資者、研究人員和考慮在這些平台搭建項目的人士瞭解三者間的區別和它們各自的權衡取捨。


Cosmos、Polkadot、Avalanche 對比

共識機制

共識機制能在開放的計算機網路上安全而一致地複製應用程序的狀態。與此同時,在資訊不完備或存在惡意節點(拜佔庭容錯)的情況下,網絡應保持容錯和共識機制的有效性。 Cosmos 和 Polkadot 使用實用拜佔庭容錯算法(PBFT),它要求所有參與共識的節點彼此通信。因此,網路決策具備絕對最終確定性。PBFT具備延遲低、確認速度快的特點,但它無法擴展到全球開放網路中的大量節點,因為隨著驗證工作的增加,每個驗證節點的負擔會指數級增長。比特幣引入了最長鏈共識機制(中本聰共識),允許概率確定性,錯誤率極低。隨著時間的推移,它會逐步建立一個可靠而可擴展的網路,但這個過程非常慢。

  • Cosmos 主網於 2019 年 3 月啓動,採用 Tendermint PBFT 共識,交易確認速度快。但是,由於所有節點必須相互通信,二次消息傳遞的複雜性導致每次只能確認一個塊。
  • Polkadot 主網於 2020 年 3 月啓動,其共識機制對區塊生產和交易確認進行了分離:BABE 共識(Ouroboros Praos 的變體)發起候選塊,GRANDPA(PBFT 的變體)對它們進行分批確認。這種混合式的共識機制對二次消息傳遞的複雜性進行了一定程度上的優化。
  • Avalanche 主網於 2020 年 3 月啓動,採用雪崩共識協議。這是一種結合了驗證節點重復採樣(Snowball)和傳遞性投票的獨特共識機制,採用有向無環圖(DAG)而非線性區塊鏈。雪崩共識的消息傳遞複雜性是恆定的,因此它具備低延遲、大規模參與的特點。和中本聰共識一樣,雪崩共識提供概率最終確定性,但具體參數可以調整,錯誤率極低。

驗證節點准入

區塊鏈使用 PoW 或 PoS 機制,在開放節點參與的同時,防止同一實體操作多個身份(女巫攻擊)。和其他新項目一樣,Cosmos、Polkadot、Avalanche 均使用 PoS 機制,因為它能效更高,設計空間也更大。這些網路上也有部分項目使用輕量化的 PoW 機制或公平硬幣分配機制。

交易延遲

  • Cosmos 確認交易需要 6-7 秒。
  • Polkadot 確認交易共需要 12-60 秒(技術審訂注:大多數在5秒左右),區塊生成和交易確認是分離的。
  • Avalanche 確認交易只需不到 1 秒。Avalanche 和比特幣一樣採用概率最終性確認,錯誤率極低

計算吞吐量

網路每秒處理的計算總量取決於網絡使用的虛擬機和實際運行環境功能的複雜性。Cosmos、 Polkadot 和 Avalanche 都支持專用的異步區塊鏈網路,最終它們的網路吞吐量都是無限的。重點在於這些網路能實現怎樣的增長,它們的鏈間經濟安全結構是怎樣的。

交易成本

交易手續費隨網路活動的增加而上漲。Cosmos、Polkadot 和 Avalanche 都支持專用網路,即每條鏈都能根據其狀態增長確定自己的費率機制。

  • 在 Cosmos,每條鏈都能定義自己的費率機制。
  • 在 Polkadot,每條鏈都能定義自己的費率機制。手續費通過一個權重系統預先計算。是否銷毀手續費由各鏈自行決定。
  • 在 Avalanche,每條鏈都能定義自己的費率機制。在主網,部分功能手續費固定,其他功能手續費為 0。所有手續費都將銷毀,維護代幣持有者的長期利益。

去中心化水平

下列數據截至 2022 年 3 月 17 日。

  • Cosmos 節點需進行二次消息傳遞,因此節點數量有限。Cosmos 有 150 個活躍驗證節點,IRIS 有 100 個活躍驗證節點,Osmosis 有 100 個活躍驗證節點。目前,用戶需質押至少147,231 ATOM(約 130 萬美元)方可成為 Cosmos Hub 的活躍節點,委託門檻則為 1 ATOM。質押總額約為 50 億美元。
  • Polkadot 優化了節點間的二次消息傳遞,節點數量較為有限。Polkadot 有 297 個活躍驗證節點,Kusama 有 1,000 個活躍驗證節點。目前,用戶需質押至少 175 萬 DOT(約 3300 萬美元)方可成為 Polkadot 中繼鏈的活躍節點,提名門檻則為 120 DOT。質押總額約為 120 億美元。
  • Avalanche 節點的消息傳遞量是恆定的,因此節點數量可以無限擴張。Avalanche 主網有 1,311 個活躍驗證節點。目前,用戶需質押至少 2,000 AVAX(約 16 萬美元)方可成為 Avalanche 主網的活躍節點,委託門檻則為 25 AVAX。質押總額約為 160 億美元。

去中心化水平也取決於節點的權益和收益集中度(收益根據權益加權),它們通常呈現長尾分布——少數節點擁有大部分權益,多數節點擁有小部分權益。對於區塊鏈平台來說,如何實現公平的權益分配是一個有待解決的問題,每個項目都在以自己的方式作出嘗試。例如,由於Polkadot 的核心是基於 PBFT 的共識,它的活躍節點數量有限,但這些節點能通過 Phragmén 算法獲得相同的收益。Avalanche 憑借新穎的共識機制,可以實現節點的無限擴張,同時,節點的平均權重正在逐步下降,從而提高去中心化水平。

鏈間網路拓撲結構

下列數據截至 2022 年 3 月 17 日。

  • Cosmos 是一個分布式的區塊鏈網路,各區塊鏈可以擁有自己的驗證節點。鏈間互操作通過鏈間通信(IBC)橋接協議實現。每條鏈都要實現 IBC 才能連接其他鏈。目前,IBC 已在 28 條區塊鏈上部署,它們專注於 DeFi、EVM 智能合約、社交媒體、隱私、再生農業和遊戲等領域。Cosmos 正在開發以太坊、比特幣跨鏈橋。
  • Polkadot 允許平行鏈從中央中繼鏈繼承安全性。平行鏈沒有自己的驗證節點,但它們有收集交易並為中繼鏈驗證節點生成狀態轉換證明的核對節點(collator)。平行鏈通過跨鏈消息(XCM)格式實現互操作,安全性的繼承機制則為任意數據傳遞提供了可能。目前,Polkadot 擁有 10 條平行鏈,分別專注於 DeFi、EVM 智能合約、社交媒體、隱私、遊戲等。Polkadot 正在開發以太坊、比特幣跨鏈橋。
  • Avalanche 允許驗證節點重合:子網在運行多條區塊鏈的同時也為主網提供驗證。同一子網中的不同區塊鏈可以實現近即時資產轉移(導出/導入)。子網間通信指某一子網中的一條鏈與另一子網中的另一條鏈進行通信,目前是通過跨鏈橋實現的(使用 EVM 鏈的 ChainBridge-Solidity 合約)。事實上,兩個子網的驗證節點重合越多,子網間通信的安全保證就越高,因為重合的節點在兩個子網中都擁有利益。如果一組節點在某一子網出現惡意行為,它們在主網和其他子網的權益也將面臨風險。雖然 Avalanche 尚未推出子網間的直接互操作方法,Avalanche 主網完全可以作為子網間的中介。目前,Avalanche 主網擁有 3 條區塊鏈:X 鏈用於轉帳,P 鏈用於質押,C 鏈用於 EVM 智能合約。其他區塊鏈和子網也正在蓬勃發展。另外,與其他平台一樣, Avalanche 擁有 Avalanche – 以太坊跨鏈橋(AB 橋),它通過受信任聯邦運行,是今天的 60 個以太坊跨鏈橋中最常用的跨鏈橋之一。

在今天的 Cosmos,在缺乏安全共享機制的情況下橋接安全級別不同的區塊鏈,和普通的跨鏈操作並沒有什麼不同。因此,如果沒有共同的確定性保證,鏈間通信的風險級別是不固定的。 Polkadot 的繼承安全模型允許統一的確定性保證,在此基礎上,平行鏈可以安全地互相傳遞任意數據。Avalanche的驗證節點重合模型支持各鏈與主網共享安全性,不同子網內的區塊鏈也將很快能直接共享安全性,無需使用跨鏈橋。因此,子網間重合的節點(在兩個子網同時擁有利益的節點)越多,子網間通信的安全保證就越高。總體來看,不同區塊鏈間重合的節點(類似於 PoW 機制中的合併挖礦)越多,鏈間通信的安全性就越強。

治理

  • Cosmos 通過鏈上機制調整共識參數、協調資金分配。
  • Polkadot 的運行環境邏輯全部以 WASM 二進制文件的形式存儲在鏈上,允許無分叉 runtime 升級,也就是說決策將根據公投結果自動執行,不需要開發人員或驗證節點進行任何操作。其治理模塊包括代幣加權投票、輪值委員會、時間鎖代幣投票和自適應投票偏見機制。
  • Avalanche 可通過鏈上投票升級部分參數。其團隊正在根據雪崩共識的特性,開發範圍更大的治理機制。

開發空間

所有區塊鏈都具備以下核心組件:數據庫、p2p 網路、共識機制、交易處理機制和狀態轉換功能(運行環境或虛擬機)。 Cosmos、Polkadot、Avalanche 提供上述核心組件,支持開發人員構建自定義狀態轉換函數。

  • Cosmos 提供 Cosmos SDK 和 Tendermint 中間件,支持用任意編程語言執行交易。您可以開發自己的虛擬機,建立自己的節點集。如果要啓動自己的區塊鏈,您需要從頭建立驗證節點集,並吸引現有區塊鏈的節點。您還能在EVM兼容鏈(Ethermint或CosmWasm)上部署智能合約。
  • Polkadot提供了基於Wasm的元協議和Substrate開發工具包,其語言為 Rust。您可以使用Polkadot 提供的模塊(如帳戶、資產、治理、EVM等)和自定義模塊開發自己的虛擬機。您還可以使用 Substrate 的鏈上調度、鏈下工作機和免手續費交易的免執行模型。 在平行鏈拍賣中競拍到插槽後,便能啓動自己的區塊鏈,新區塊鏈將繼承中繼鏈的安全性。或者,您也可以擴大自己的驗證節點的規模。您還能在 EVM 兼容鏈(Moonbeam、Acala)上部署智能合約或使用 Ink 智能合約。
  • Avalanche 提供 Avalanch e虛擬機(AVM),供開發者克隆並自定義自己的實例,或建立全新的實例作為自己的虛擬機(開發虛擬機的模塊 SDK 尚未發佈)。啓動一條區塊鏈,需要啓動子網並吸引驗證節點,子網節點必須是 Avalanche 主網的節點。(技術審訂注:子網節點現階段是由子網創建者自己搭建或者招募,並非必須是 Avalanche 主網的節點)目前已有啓動自定義 EVM 鏈的子網 EVM 代碼,您可以在兼容 EVM 的 C 鏈上部署智能合約。

異構區塊鏈網絡的拓撲結構

比起每條區塊鏈都是同個虛擬機的實例的網路,由專用區塊鏈組成的異步網絡更具備應對大規模用戶活動的潛力。本節將更加詳細地探討 Cosmos、Polkadot、Avalanche 各自的區塊鏈網路和鏈間通信機制。

Cosmos 生態

Cosmos 生態採用分布式網絡的拓撲結構,不同區塊鏈用途各異,各自擁有自己的驗證節點集。需要通信時,這些鏈將借助跨鏈橋進行通信。分析認為,這種拓撲結構「和最不安全的鏈一樣安全」(最安全的鏈接受來自最不安全的資產後,其安全性會下降)。 但是,這種拓撲結構也賦予Cosmos 網路以韌性,因為沒有哪條區塊鏈的安全問題會左右整個生態的存亡。但是,這樣的 Cosmos 生態和其他依賴跨鏈橋的區塊鏈有什麼區別呢?Cosmos 具有「無附加條件」的政策,Binance DEX、Oasis、Terra、Nym 等項目都能使用 Tendermint 開發並啓動自己的 App 專用區塊鏈。

Cosmos 生態中的區塊鏈通過跨鏈通信(IBC)協議彼此連接(參見數據平台 Map of Zones 上的 28 條互聯區塊鏈)。實施 IBC 協議的區塊鏈將彼此連接,提高整個 Cosmos 生態的流動性。IBC的運行方式和跨鏈橋非常類似。將資產從一條區塊鏈轉移到另一條區塊鏈時,用戶需要

1) 在轉出鏈鎖定資產;
2) 監測各區塊鏈的第三方(可能是聯邦中繼節點)發現該收據,將其送達目的鏈;
3) 目的鏈驗證收據,將資產表示反饋給轉出鏈。

在 Cosmos 生態,實施 IBC 的鏈擁有 Tendermint 輕型客戶端驗證工具,可以在通信中使用並驗證這些收據。此外,IBC 是一個通用協議,可以在不同的區塊鏈架構中實現(參 見Substrate 的 IBC 實現)。另外,新版本的 IBC 將提供共享安全性方案(詳見 Billy Rennekamps 的演講)。

波卡的繼承安全拓撲結構

Polkadot 採用分層級的繼承安全拓撲結構,平行鏈間的任意數據通信非常高效,但這些平行鏈依賴於從中央中繼鏈租賃的安全性。在P olkadot,平行鏈不需要自己的驗證節點,而是從中繼鏈租賃安全性。具體而言,平行鏈需要在拍賣中拍得插槽(總計約 100 個插槽)並鎖定 DOT 代幣(通過眾籌籌集 DOT)。平行鏈專注於各自的領域,當它們通過核對節點連接到中繼鏈並與之同步後,它們的功能將立即可用。批評人士認為,不同區塊鏈鏈可能並不需要相同的安全級別,另外,單條區塊鏈的安全不應具備左右整個生態的存亡的能力。雖然目前 Polkadot 倡導的是沒有驗證節點的平行鏈,用戶完全可以用 Substrate 啓動區塊鏈,建立自己的驗證節點,而不是依賴中央中繼鏈(參見 Compound Gateway)。此外,平行鏈可以積累自己的驗證節點,在租期結束時解鎖 DOT 代幣,並在需要跨鏈通信時使用跨鏈橋。此外,Polkadot 可以設立多個中繼鏈,這將利好整個 Polkadot 生態。不過,網路的分層級拓撲結構很可能會保留下來,因為以繼承安全為基礎的跨鏈通信比跨鏈橋效率高。

Polkadot 開發了跨共識信息交換格式(XCM),作為平行鏈、智能合約、跨鏈橋和 Substrate pallet 間通信的通用格式。此外還有垂直信息傳遞(VMP),用於中繼鏈和平性鏈間的信息交換,以及跨鏈信息傳遞(XCMP),用於同一中繼鏈下平性鏈間的信息交換。XCM 中的資訊是跨共識虛擬機(XCVM)上運行的程序(參見 Gavin Wood 的系列文章)。其他異構區塊鏈網絡也適用這種編寫網絡、構建可組合鏈間 App 的抽象方法。

隨著平行鏈社群的擴大,平行鏈也許會希望擁有自己的驗證節點(參見 Acala 的 ppt),這樣一來,它們便會成為向其他鏈租借安全性的中繼鏈。雖然嵌套的安全分享機制可能會變得很複雜,所有子平性鏈可以共享確定性保證,每秒處理的狀態轉換量也會增加,擴大 Polkadot 網路的總計算通量。

Avalanche 的網路重疊拓撲結構

Avalanche 具有網路互相重疊的拓撲結構。每個驗證子網的節點都需要同時驗證 Avalanche 主網。(技術審訂注:現階段沒有這樣的設定,並非強制節點是主網和子網的驗證節點)子網由一組驗證節點組成。一個子網可以驗證多條區塊鏈,但一條區塊鏈只能由一個子網驗證。也就是說,一個節點可以參與多個子網。啓動新區塊鏈時,您必須提供激勵措施來吸引驗證節點,且這些節點需同時驗證主網或其他區塊鏈。(技術審訂注:參考上文備注,並非如此)如果您的鏈吸引到了新的驗證節點,那麼這些節點必須驗證主網和運行您的區塊鏈的子網。總體而言,子網架構決定了驗證節點互相重合的網絡結構(如上圖所示),而這是由創新的雪崩共識決定的。雪崩共識對驗證節點進行重復二次採樣,不需要所有節點互相通信,只需要少部分節點互相通信,這大大降低了網絡的信息傳遞複雜性。因此,即使驗證節點增加到上萬個,節點的帶寬和處理能力要求都是恆定的。因此,從節點參與的角度看,Avalanche 平台的區塊鏈比 Polkadot 和 Cosmos 的區塊鏈更具包容性,因為 Avalanche 每條鏈的驗證節點都可以無限擴張。一個節點能運行多少條區塊鏈,取決於區塊鏈的 runtime / 虛擬機設計複雜度,目前還沒有確定的答案。

在 Avalanche,跨鏈互操作十分高效,這不僅是因為 Avalanche 交易確認速度快,也是因為主網確保了共享確定性保證(目前 X 鏈、P 鏈、C 鏈間可以實現近即時資產轉移)。Avalanche 的安全共享模型不同於 Polkadot 或以太坊最新的 rollup 系統。Avalanche 新穎的子網架構支持密度更高的網路。這是因為安全共享不僅發生在主網的三條鏈之間,也發生在所有互相重疊的子網區塊鏈之間。這賦予了 Avalanche 網路可組合性和可編程性,開闢了嶄新的設計空間,並將支持可以指數級擴展到數百萬日活用戶的形成群體網路(GFN;參見里德定律),助力 Web3 願景的實現。

應用程式

異構區塊鏈網路 Cosmos、Polkadot 和 Avalanche 憑借核心基礎設施的革新,提供了廣闊的設計空間。截至目前,以太坊一直是加密經濟創新的大本營。實際上,在這些異構網絡上啓動項目的團隊,最初都是對以太坊上已有的項目(DEX、AMM、借貸、穩定幣、聚合工具、保險、NFT 平台等)進行優化。不過,也有團隊在利用這些異構網絡的獨特優勢,探索全新的應用場景。

在 Cosmos,Osmosis 將交易隱私(使用門限解密交易防止搶跑)與跨鏈 AMM 相結合,並通過 IBC 實現跨鏈。Celestia 對區塊數據進行編碼,提高輕型客戶端的安全性,這對自主身份區塊鏈的互操作性及其在分布式區塊鏈生態中的安全等級差異具有關鍵意義。Regen 通過加密經濟平台激勵再生農業,並利用附帶審計生態的傳感器和衛星數據。Nym 啓動 mixnet 來阻止攻擊者分析網路流量,即使攻擊者具備監視整個網路的能力。Nym 使用 Tendermint 和 Cosmwasm 智能合約控制目錄服務、節點綁定和mixnet委託質押。Penumbra 保護跨鏈網路交易的隱私。Binance DEX 和 Terra 這樣的大型項目也使用了 Tendermint。通過 IBC 實現互操作後,這些區塊鏈將釋放更大的價值。

在 Polkadot 網路,Acala 平行鏈是一個一站式的 DeFi 中心,提供從 AMM 到穩定幣借貸的豐富功能。 Moonbeam 是一個兼容EVM的智能合約鏈。Subsocial 正在開發去中心化的社交網絡平台。Robonomics 則在開發自主機器人服務。Bit Country 是啓動特定社群的虛擬世界/元宇宙的平台。Integritee和Phala使用可信執行環境(TEE)實現去中心化機密計算和加密數據存儲。 Polkadot 的開發框架 Substrate 也可以獨立使用(並非作為平行鏈),用於運行 Compound Gateway 這樣的區塊鏈。雖然所有平行鏈在設計上都兼容 Polkadot 的跨鏈生態,它們應該更好地利用 Substrate 框架出色的可組合性、內存效率和自動升級的元協議治理能力,賦能全新的使用場景。

Avalanche 的 EVM 兼容鏈 C 鏈最初吸引到的是希望開發「高能效版」以太坊項目的團隊。穿山甲是一個效仿 Uniswap 的高速 AMM。Sherpa Cash 效仿 Tornado,負責提供隱私交易。Trader Joe最初是AMM,後來增加了借貸功能,現在正在邁向 DeFi 中心。Benqi 是一個類似於 Compound 的借貸應用,最近推出了 AVAX 流動性質押。Platypus 是 Curve 穩定幣兌換的優化版本,增加了資產負債管理功能。Aave、Curve、Sushiswap 這些採用多鏈策略的以太坊領軍項目也紛紛在 Avalanche C 鏈啓動,吸引大量流動性沿 AEB 橋跨鏈而來。Avalanche 生態也有一些新的資產類型,例如訴訟融資,通過與 DAO 結合,該項目或能將法律體系接入加密貨幣網絡。事實上,Avalanche 的創新共識和子網互相重疊的拓撲結構為未來的創新項目打開了巨大的可能性。

結論

異構區塊鏈網路 Cosmos、Polkadot、Avalanche 為區塊鏈互聯網提供了出色的基礎設施,證明瞭異步異構網路模型的高效性,也對當前的比特幣和以太坊網路進行了改進。這些網路最終將容納數百萬日活用戶,實現 Web3「互聯網由用戶擁有和控制」的願景。

異構網路各顯其能有助於實現真正的去中心化互聯網,因為它們在設計上各具特色,做了各自的權衡和取捨。瞭解這些網絡的異同點有利於開發面向未來的新系統。使用這些基礎設施的項目將超越智能合約應用,成為擁有專用區塊鏈和自己的社群的可擴展生產質量系統,應用於此前無法想象的場景。但現在說這些不免為時過早,還有一些問題沒有解決,例如如何確保流動性在各鏈間高效流動,而不是孤立地存在於特定鏈中?跨鏈運行的開放組織將如何預防多鏈巨鯨的出現,確保財富和權力的公平分配?

[1] 比特幣網絡建立在數十年的密碼學研究上,詳見Arvind Narayanan和Jeremy Clark的論文《比特幣的學術起源》。特別感謝Sam Hart、İstem D. Akalp、Engin Erdogan、Joe Petrowski的反饋和審稿建議。披露:本文作者可能持有文中所述項目的資產。

本文不構成投資建議,虛擬貨幣波動大請謹慎小心

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