比特幣:共識機制的范式轉移，Avalanche的野望

關于范式轉移(ParadigmShift)，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為普世的道理，當歷史的車輪滾滾向前，我們能通過許多例子了解到范式轉移的意義所在。最令人扼腕嘆息的例子，莫過于2012年1月柯達公司宣布破產。有人曾說直到柯達破產那天，他們仍生產著世界上質量最好的膠卷。巨頭倒下的原因無關于他們的產品質量，而是由于數碼相機的普及，即市場對產品形態的需求發生了轉變。一個新的范式形成了，對于舊的范式，破壞性是摧枯拉朽的。而類似的的例子還有智能手機之于諾基亞和mp3之于索尼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，范式的轉移并非是迭代或進化，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：本質并沒有改變，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采用了全新設計思路，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，分布式系統領域關鍵的里程碑論文ViewstampedReplication：AGeneralPrimaryCopy發表，給出了分布式系統復制的理論和工程實現的詳細分析和設計。隨后，該論文作者Liskov教授進一步研究分布式系統，于1999年發布了PracticalByzantineFaultTolerance，也就是我們所熟悉的PBFT共識算法。隨后，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，我們稱為”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，一項提案被發起，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。伴隨著一系列復雜的信息交換，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復雜度至少為O(n^2)條信息，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。而對于區塊鏈項目來說，為了實現去中心化、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。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為衡量投票權的標準，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為力，Tendermint也承認在節點數量增加的同時會犧牲掉性能，原因就是在于共識過程中需要所有節點互相通信，節點越多，信息越復雜，共識難度越大。2008年比特幣的誕生，對于分布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。相比于經典共識協議，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，中本聰共識作為首個實現開放網絡的共識協議，是以犧牲性能為代價的：數筆每秒的吞吐量，性能的瓶頸是在帶寬。而去中心化的愿景實現地不盡如人意：專業礦機的出現，比特幣網絡9個礦池占據了99%的哈希算力，讓比特幣算力集中化。范式轉移

Karura網絡發生首次搶先交易，Mangata正開發共識機制以預防此類攻擊:8月31日消息，波卡生態跨鏈去中心化交易平臺Mangata發文稱Karura網絡發生首次搶先交易并解釋交易細節，Mangata正在開發一種共識機制防止搶先交易和價值提取。8月25日，Mangata觀察到一筆搶先交易：攻擊者監測到一筆待處理的10萬枚kUSD兌換KSM的交易，考慮到Karura上的kUSD/KSM流動資金池僅有約600到700萬kUSD，預計這筆交易預計將推高KSM價格。其通過額外支付0.001KAR小費成功在這筆交易達成搶跑，用235kUSD兌換到0.7627KSM，并在兩個區塊后成功用0.7627KSM換回240.63kUSD（大額交易導致KSM價格上漲），以此在攻擊中獲利5.63kUSD，而攻擊成本僅為0.0066KAR（約0.05美元）。[2021/8/31 22:49:53]

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：本質并沒有改變，瓶頸和限制依然存在。性能低、確認慢、可擴展性受限制…為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，而對于傳統的經典共識機制和中本聰共識，各自都有各自的瓶頸，并且是完全沒有辦法突破。一些考慮結合VRF等技術，另一些項目考慮采用二層擴容方案，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，或者增長極為緩慢，慢到可以忽略的時候，往往是新技術突破的機會。而新技術要么是開拓了全新的、老技術所沒有的維度，要么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，我們稱為「范式轉移」。「雪」系列協議Avalanche

聲音 | PoS共識機制發明人：比特幣不會一直占據主導地位 山寨幣尚有希望:PoS共識機制發明人Sunny King在新加坡“The Capital”大會上表示：“長遠來看，比特幣可能無法一直占據主導地位。對于其他成千上萬甚至更多的加密貨幣而言仍有希望。事實上，我們需要的不僅僅是貨幣，而是一個完整的經濟體，以為各種區塊鏈提供足夠的空間。對于一個健康繁榮的經濟體來說，基礎貨幣（這里指BTC）至關重要，但它只是其中的一小部分。”King還指出，比特幣存在一些“設計上的風險因素”，需要在未來幾十年內加以解決，尤其是當區塊獎勵機制將比特幣的年發行量壓低至近0%的時候：“我們需要關注比特幣是否能夠通過收取交易費用來維持一個足夠的挖礦市場。但即使它做到了這一點，仍有人擔心51%攻擊可能最終會影響比特幣。”（EWN）[2019/11/14]

時間到了2018年，一個匿名團隊TeamRocket聯合一批研究者發布了一篇論文，介紹了稱為「雪」系列協議的全新的共識協議設計思路：不同于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為樣本詢問當前狀態。若發現樣本中多數人的選擇和自己不一樣，那么就修改自己的狀態和大多數人保持一致。之后重新抽樣不斷重復這個過程。所有節點都不斷重復取樣、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么：

現場 | 中科院白碩：基于投票的共識機制 其范圍是封閉的:金色財經12月17日現場報道，今日，由數字資產研究院主辦，零壹財經和石榴財經承辦的2018國際區塊鏈數學科學會議在京舉行。中科院計算所博士生導師白碩認為，基于投票的共識機制，其范圍是封閉的，但該技術也在改進，從源頭上看，投票者需要被以一種方式聯編，聯編后一輪一輪做，投票事項孤立，可以不跟歷史有任何關聯。歷史因素、時間因素乃至博弈因素都沒有辦法建立，只是依靠數學和算法。[2018/12/17]

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，這些節點為黃色節點；另一部分節點收到B交易，為藍色。A和B是矛盾的，為了系統正確運行，只能有一個交易被通過。隨后，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后，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次重復就能夠達到一致。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。并且，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，原本由于用戶體驗問題無法實現的支付、交易都再次成為可能；而對于生態來說，「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，成為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“的愿景。此外，在安全性上，在AVALabs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」協議成為了開放、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，底層改變之后，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為代表的NFT、以MakerDAO為代表的DeFi生態，而在全新的框架下，會涌現出全然不同的生態。

金色財經現場報道，XinShu Dong：當前區塊鏈共識機制都存在一定的問題:在2018年世界數字資產峰會（WDAS）暨FBG年會上，來自Zilliqa的XinShu Dong表示，當前的所存在的共識機制，都或多或少存在一些缺陷，如POW能源消耗大；BFT雖然消耗低，但是可擴展性存在瓶頸，并對網絡質量依賴度較高；POS\\DPOS節省能源但是依靠加密經濟支持；SHARDING平行共識計算，會有彈性上的問題。[2018/5/2]

混合共識機制公鏈初鏈TrueChain發布黃皮書:4月28日，全球首個實現混合共識機制（PBFT+POW）的公鏈——初鏈TrueChain發布技術黃皮書。初鏈CEO張劍南表示，技術黃皮書將隨著項目進展不斷更新，歡迎對黃皮書中共識及工程架構的設計進行問題發掘和建議。任何人成功發現此版黃皮書中共識設計的問題，或提出有效建議的，將得到150個TRUE作為獎勵。同時，初鏈還發布了輕錢包內測版本并開放源代碼。初鏈輕錢包支持ETH以太幣，官方TRUE代幣和其他各種符合ERC20規范的代幣。錢包代碼是開源的，與其他錢包相比，避免了安全隱患，具有很高的安全性。[2018/4/28]

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