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| | | | 万向区块链行业研究：突破公链不可能三角的努力 |
| | 2022年接近结尾，停步回看职业这一年的跌宕起伏，无论是技能的打破，运用的立异，仍是生态的兴衰，皆成为了职业发展的前史注脚。如从前一样，万向区块链于年末推出重磅年度回忆系列文章：《公链技能篇》、《运用篇》和《监管篇》，以期记载当前职业发展的缩影。
下文为年度回忆系列——《公链技能篇》。作者：万向区块链首席经济学家办公室崔晨，审核：万向区块链首席经济学家邹传伟。
公链的不可能三角问题一直是约束公链技能发展的阻止，从而影响到链上运用的功用。一直以来，公链的发展方针都会集在怎么打破不可能三角的问题上，或许在不可能三角中找到最佳平衡。公链的立异体现在以太坊更新的路线图、EVM兼容公链和模块化公链、Solana和Aptos为代表的高功用公链等。下文将针对不可能三角和买卖流程视点，解读不同不可能三角处理计划的区别。
对不可能三角的了解
不可能三角的概念
公链最基本的功用是在链上记载信息且维护信息安全，即在敞开的网络中（无信赖）避免信息被篡改（回滚），依赖的是密码学、一致机制、分布式网络等底层组件。密码学包括公私钥密码学和哈希函数等，确保验证签名的正确性和链式结构规矩。
以太坊创始人VitalikButerin在2017年的一篇博客文章中提出：在可扩展性、安全性和去中心化这3个特征中，区块链体系最多一起具有两个。在讨论不可能三角对公链影响以及公链在不可能三角上的打破时，咱们需求了解这三者的定义和对体系的影响。
可扩展性衡量公链支撑买卖速度和规划的才能，体现在买卖从提出到被承认的时刻。买卖处理速度慢的公链难以完结许多运用功用，例如即时支付，这会约束运用的规模并影响用户体验。
安全性衡量体系抵御进犯的才能，代表体系在面对毛病时的牢靠性，首要体现在容错性和修正一致的难度。体系容错性低会让体系易于进犯，修正一致会改动已承认的买卖，相当于篡改曩昔的买卖记载。
去中心化衡量公链节点的涣散程度，因为公链不是经过可信第三方建立的，只能由分布式的点对点网络维持网络体系运营，在此根底上，公链节点的涣散性供给了体系的信赖根底。结合密码学和一致机制，公链才能发挥正常的功用。去中心化一起代表了用户参与买卖验证的权力，也体现出用户在公链体系中的话语权。
去中心化体现为两个层次：榜首以节点数量衡量，节点的准入门槛越低，数量越多，涣散程度越高；第二以实践操控者衡量，假如公链中存在例如矿池类的人物，实践上一个人物操控多个节点，会给体系带来中心化的买卖检查等问题。
总的来说，公链不可能三角所衡量的指标和详细含义如下表所示。
从买卖流程视点了解不可能三角及优化
区块链上的买卖流程可以简化成以下四步：
①运用者签署买卖并播送给节点，添加到未承认买卖池；
②一致节点验证和履行买卖，并将这些买卖打包成区块；
③区块播送给网络中的其他节点；
④其他节点验证区块，并贮存添加到区块链后。
这几进程从不同视点影响公链的三种指标。
1、可扩展性
可扩展性会遭到第②③④步的影响。在第②步中，买卖的验证、履行和一致速度会影响到可扩展性。区块链的账户模型、虚拟机和一致机制等因素都会影响完结第②步的速度。以更改一致为例，假如以削减一致节点的办法缩短一致时刻，就会影响体系的去中心化程度。
在第③步中，假如节点数量多，那么在各节点中同步的速度也会变慢。以扩展区块容量的思路进步可扩展性时，很难在原计划的时刻内将区块播送给一切节点。在没有网络彻底同步的情况下，在不同的区块后一致处理买卖，会导致分叉呈现，从而影响网络的安全性。而假如经过削减节点数量加快同步速度的话，会影响体系的去中心化。
第④步意味着网络买卖的终究承认，假如在收到区块后节点可以快速验证，那么可以进步可扩展性，但面对危害安全性和中心化的问题是相似的。
2、安全性
在第②③④步中被进犯的难度，也便是被歹意节点操控的难度会影响体系的安全性。尤其是在第②步中体现为一致机制的功用，假如一致机制容错率低，或许简单被歹意者操纵，就会下降体系安全，或许导致节点趋于中心化。
3、去中心化
分布式的节点是公链底层根底，越多节点参加代表越多节点认同公链，而且避免单点毛病带来的危险，也能进步歹意者的进犯本钱，因为在相同容错率的情况下歹意者需求操控节点数量变多了。扩展区中心化程度要求节点的进入本钱更低，但像上文提到的，在相同安全条件下进步节点数量会下降体系的可扩展性。
从节点的实践操控者方面了解去中心化时，重点关注的是“检查买卖”的问题。节点担任打包买卖时，假如依照自己喜好挑选买卖和排序，会导致一些买卖在提出之后很难履行以及得到链上承认。也便是影响第①步提出的买卖难以在第②步中被挑选验证。
总的来说，公链在买卖流程的几步中都可以做出改进和优化，但碍于不可能三角的影响，在某一方面进行优化时，总会伴随着至少另一方面的负面影响。公链需求在不可能三角中找到平衡点，以满意更多运用场景。下文便是在各环节不同公链的优化尝试，包括以太坊的最新路线、以太坊同质公链和高功用公链。
以太坊：运用新技能和新结构优化不可能三角
在以太坊最近发布的路线图中，可以看出一些在不可能三角以及用户体验方面的改进。
Merge：一致机制由PoW转化为PoS
一致机制首要影响区块的产生和验证同步进程，在以太坊在转化为PoS后，选用的是LMDGHOST+CasperFFG公式机制，完结了两个方针：在每个slot（12秒）内产生一个区块，并进行相应的见证投票，在两个epoch（一个epoch包括32个slot）后被承认终究性，回滚区块需求毁掉至少三分一的链上质押的ETH数量。
在以太坊的Merge阶段规划中，以太坊还计划将终究行承认时刻缩短到单个slot，买卖承认不再需求几分钟的等候时刻，这会到达更高功率，进步用户体验。但到达单个slot承认需求改进一致算法，可能会削减下降进犯链（改动一致）的本钱，以及削减验证的节点数，影响公链的安全性和去中心化。
Surge：Rollup和Danksharding合作进步买卖处理速度
以太坊经过Layer2手法进行扩容，特指Rollup的扩容办法，二层网络将主网上的内容放在链外履行，再将可验证的成果传回到链上。目前以太坊中的Rollup仍以Optimistic和ZK两个路线为主。
在OptimisticRollup中，因为通用性的设定，在用户数量和全体确定价值占据了先发优势。Optimistic在排序器方面有许多争议，因为目前Arbitrum和Optimism的排序器都是以中心化办法的办法出块，很可能造成买卖检查问题。ZKRollup重点专心两个问题，榜首是zkEVM的构建，在兼容EVM和彻底独立构建虚拟机之间做挑选，也是在实用性和功用做挑选。第二是加速零知识证明的速度，经过硬件设备生成零知识证明也是一种挑选。为了进一步下降链上的数据可用本钱，这两类Rollup都呈现了链下数据存储的形式，适用于需求高频交互的场景，不过进步了对节点的信赖本钱。
Rollup看似处理了公链的不可能三角问题，但Rollup存在两个固有问题。榜首，Rollup的信息处理才能存在上限，尤其是Rollup依赖底层网络完结，底层网络的承载才能决议了Rollup中的工作才能；第二，链上的不同Rollup会带来互操作问题。
为了让Rollup发挥更大功用，以太坊的EIP4844（proto-danksharding）提出将区块容量扩展出blob数据块，以承接Rollup传回主链上的数据。扩展区块容量尽管进步了扩展性，但大数据的一致和同步相同会带来问题。因而在Surge阶段，还计划上线DAS（数据可用性抽样，DataAvailabilitySampling）。
DAS可以让节点无需下载和验证悉数数据，而是将数据分红几块，节点只需求随机下载其间的一部分来验证数据是否丢掉即可。DAS的检测准确度将经过纠删码进步，纠删码可以扩展额定数据用以恢复丢掉的原始数据，是一种数据冗余机制，纠删码扩展数据的有效性由密码学机制KZG许诺确保。
假定共有4个数据块等候验证，节点有25%的概率发现原始数据块丢掉了1个。运用纠删码将数据扩展一倍至8个数据块后，超越50%的数据丢掉则无法恢复原始数据，也便是节点发现数据丢掉的概率超越了50%。随着验证节点数量的添加，发现数据丢掉的概率也会添加。假定共有n个节点进行随机抽样，数据丢掉50%时，只要1/2n的可能性恰好一切节点都抽取了未丢掉的数据块。因而在很多节点存在的情况下，DAS的验证办法足以确保数据安全。
所以归纳来说，以添加区块容量的办法进步全体区块的可扩展性，就会同步功率下降影响体系安全性。而为了进步同步的速度，削减节点存储量，确保满足的去中心化，只能做出机制上密码学的改进，但全体上仍是影响了网络的安全性。
节点的人物提议者和构建者别离
以太坊运用PBS（提议者和构建者别离，Proposer/BuilderSeparation）的办法，将节点的工作任务分红两个人物，分别是提议者（Proposer）和构建者（Builder）。构建者担任构建区块主体和提交出价，提议者只需求履行出价最高的区块，而且不知道区块内的买卖内容，以削减检查买卖。
Danksharding的施行会对构建者有更高带宽资源的要求，构建者会因为专业化的要求成为中心化安排，而提议者是一个广泛的去中心化群体，用以平衡中心化危险，只要有一个诚笃的构建者存在，以太坊区块就能正常出块。为了避免构建者检查买卖，提议者会传递crList代表提议者要求打包的买卖列表，构建者需求运用crList中的买卖填满区块。这是一种削弱MEV的机制，一起在大区块形式下，让节点分红两种人物，确保满足的去中心化。
Verkle树、前史过期和多维度费用商场
巨大的前史数据会影响以太坊的去中心化，尤其是日益增长的状况数据会导致各种功率低下的问题。为了不影响去中心化，一起完结上文提到的可扩展计划，需求一些机制确保可以到达相同的安全规范，以及完结体系更有功率的工作。
Verkle树是一种更简略的数据存储形式，相关于现有的Merkle树来说所需求的证明空间更少，这是由密码学技能做出的改进，合作前史数据过期机制削减节点的存储压力，持续下降节点门槛。
前史数据过期机制可以处理数据胀大的问题，客户端无需贮存超越必定时刻后的数据。Proto-Danksharding也可以完结在一段时刻后主动删去blob数据的独立逻辑，因而大区块不再成为扩容的阻止。这不意味着区块数据永久丢掉，在数据删去之前，现已留给满足多的时刻给需求数据的用户备份。网络中也存在保存悉数前史数据的节点，这些人物包括专门的协议，以太坊PortalNetwork、区块浏览器和数据服务商、个人爱好者和数据分析的学者会保存悉数节点数据。
在多维度费用商场中，每种资源都规矩方针值和容量上限，正如EIP1559施行对gas的要求一样，资源的运用程度关系到资源的定价。以太坊将要从EVM履行、买卖calldata、见证数据和存储容量这几方面开端进行更细分的定价和收费，包括Proto-Danksharding中即将上线的blob区块。终究方针是完结每个独自操作码的定价，将进步费用统计时的用户体验。
综上所述，以太坊迫切需求功用进步，提出了Rollup和Danksharding的思路进步功用。一起又为了让更多Rollup数据能廉价、不臃肿地存储，提出了数据可用性的处理计划，并弱化它带来的安全性下降的问题。以太坊依然要修补自己的技能债，经过PBS、前史和状况过期等规划，持续维护节点的去中心化。以太坊借助新技能和新结构的引进，在确保去中心化和安全性的前提下，完结最大化的可扩展性。
以太坊同质公链：在不同层处理不同的不可能三角
EVM兼容链
在曩昔的几年中，以太坊献身了可扩展性来换取安全和去中心化，表现为以太坊是全世界具有节点数量最多的公链项目，而且在工作的这几年进程中没有经历过大规划的网络中止事情，网络不会因为单个节点的毛病和退出而中止，证明了网络具有满足的冗余备份。与此一起，节点需求很长时刻的一致同步时刻，买卖的处理速度较慢并引起了买卖手续费的上升。
简略区分，以太坊主网的结构包括履行层和一致层，履行层指的是节点在以太坊中履行用户指令的进程，包括转账和EVM。在很多节点存在的情况下，一致及同步势必会遭到影响。因而最简略的进步以太坊功用的办法便是修正其一致层，削减一致同步的速度以完结更快的功率。
这一点从以太坊同质公链（即各类EVM兼容链）的竞赛中就能看出这一点。尤其是在履行环境相一起，运用的迁移更为简单。因而可以看到选用以太坊架构的同质化公链采取了这样的办法，它们修正了以太坊的一致办法，削减了节点数量并缩短一致时刻，但保留了履行层的功用。尽管可能带来中心化的问题，但因为敏捷承接以太坊上运用的外溢需求，替代以太坊成为运用类项意图发行地。比如BSC、Polygon和Avalanche，都是EVM兼容链的代表公链，它们的共同点都是大幅削减了网络中参与一致的节点数。
模块化公链
以太坊的竞赛公链中呈现了“模块化公链”，将以太坊的功用分层，以模块化的办法运营。这其实也是一个代表性思路，不可能三角尽管存在，可是可以在其间找到了一个折中点。
不同偏重的运用会挑选不同偏重的公链，因为它们对功用、安全和去中心化的需求是不同的。例如隐私公链不允许买卖检查存在，它愿意付出额定的本钱去维护它的去中心化。承载金融运用的公链关于安全性注重更高，而游戏类公链会要求极高的功用体验，会放低对去中心化的要求。
因而模块化公链将需求的每一层抽象出来，将区块链分为：一致层、履行层、结算层、数据层，不同层都可以有多种处理计划，而又依据链的不同需求，直接整合这些处理计划，这样完结最佳的作用。一起各层计划是模块化的供公链切换，以此平衡运用需求，变相打破了不可能三角的约束。
以太坊非同质化公链：从头考虑不可能三角中的偏重方向
因为以太坊的功用瓶颈问题，新的非同质化公链几乎一切都挑选了功用优先的规划，合作PoS类一致，又引进新技能强化它的功用优势或许弥补安全性的缺点。
Solana首先进步了区块的容量，区块承载的数据量扩展了十倍。其次，为了削减每次同步的节点数，Solana会提前发布担任的节点名单，每次买卖只需求传输给担任人（Leader），其他验证者只需验证自己担任的部分，也不需求验证整个区块。
除此之外，Solana在履行买卖前会预先判别，假如满意条件会选用并行核算来进步买卖的处理速度，假如是必须串行处理的，会转为比以太坊功率更低的工作办法。可以看出，Solana为了寻求可扩展性，献身了安全和去中心化，当领导人节点毛病，或许在判别是否要并行处理失误时，就会造成网络中止的问题。
Aptos号称是新一代高功用公链的代表，它以不同办法延续了以太坊公链上的各种功用。Aptos选用AptosBFT一致机制，这是一种依据BFT的一致机制，只需两次网络往复即可验证和提交区块，无需多轮投票，而且可以快速完结终究承认性。Aptos区块只包括买卖记载的摘要，不会包括一切买卖记载信息，因而每个区块中包括的买卖数量会更多。它将买卖分组为批次，并在到达一致后合并进区块，在后续的履行和存储中都是批量处理的，这个进程中可以进步功率。
Aptos相同选用了并行处理的办法，选用了Block-STM引擎，默许对一切业务选用并行处理的办法，产生冲突时不成功的买卖会从头履行，这需求依托调度程序，避免同一业务被一起履行，以及从头履行业务后取得更多安全承认。除此之外，快速的状况同步也是Aptos考虑的问题。
状况同步指的是在买卖完结进行状况转化后，将状况后的成果同步给其他节点的进程。状况同步的低效会导致大多数节点无法同步到最新的状况信息，因而影响用户体验，而且新节点难以参加一致进程，影响网络的去中心化。Aptos供给了多种状况同步办法，包括运用RocksDB或许节点经过验证者产生的状况改动的默克尔证明，越过买卖履行阶段来同步状况。这种办法削减了节点同步时所需求的很多核算资源，但需求建立在运用很多网络资源的根底之上，Aptos主张一致节点在云服务器上工作，个人电脑很难到达其要求。
Aptos以为以太坊的虚拟机也是它的瓶颈，以太坊没有办法再大规划更新它的言语，可是Aptos没有这样的技能包袱。Aptos和SUI都选用了Move言语，Move的立异在于将资产作为资源处理。在创建、运用和毁掉资源时有必定约束，因而不会产生以太坊中常见的重入进犯问题，可以让更安全地构建智能合约，而且让虚拟机并行处理多个业务，依据存储资源收取租金也成为可能。
总结来说，新公链以为可扩展性优先于安全性和去中心化，这和以太坊是不同的。因而，它们从头挑选了不可能三角中的偏重方向，这样的改动关于用户的感触是非常显着的，Solana上产生的宕机问题也是不可避免的。
考虑与总结
一致机制和分布式的节点网络从两方面确保了公链的牢靠工作：
榜首，确保体系的容错性：一致机制有必定的容错性，也便是毛病节点占比在必定份额之下时，体系依然可以验证信息。自在参加的分布式节点可以弥补新的正常节点。
第二，进步体系的进犯本钱：一致机制代表节点对已有区块状况到达一致意见的办法，把握一致机制的操控权的一方代表作恶者具有修正一致（修正账簿记载）和检查买卖（决议买卖排序和是否打包上链）的权力。一致机制和分布式节点可以从规矩上添加进犯的难度和本钱。
在此根底上，区块链的不可能三角问题可以这样了解：
以太坊本身现已基本成型，较难重整旗鼓做出改动，因而以太坊在尽最大努力引进新的技能（密码学技能、单槽终究性算法）和新的结构（Rollup、数据可用性）来优化它的功用瓶颈，希望凭借新技能和新结构，使其在去中心化和安全性变大不大的根底上，大幅进步功用，从而优化不可能三角。
以太坊同质化公链，EVM公链和模块化公链则灵活得多。对以太坊层级的拆分，可以让它们寻找自己的“社会分工”来匹配不同的运用，例如承载金融、游戏、隐私等等。依据运用的需求，反推出不同层技能结构的需求，这协助它们在不可能三角中找到了新的平衡点。
以太坊的非同质化公链，因为没有技能包袱，则可以彻底重整旗鼓，运用全新的架构和技能手法。与以太坊在满足去中心化和安全的前提下追寻功用不同（以太坊同质化公链介于两者之间，可是也更多地倾向于功用），它们不约而同地都挑选了功用优先的路径。这样的优点是用户非常直观地感遭到了它们的进步（TPS方面），可是其间的安全和去中心化问题也是一种隐患。
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