萬向區塊鏈年度回顧之技術篇：突破公鏈不可能三角的努力_以太坊

撰文：崔晨，萬向區塊鏈首席經濟學家辦公室

審核：鄒傳偉，萬向區塊鏈首席經濟學家

2022年接近尾聲，駐足回看行業這一年的跌宕起伏，無論是技術的突破，應用的創新，還是生態的興衰，皆成為了行業發展的歷史注腳。如往年一樣，萬向區塊鏈于年末推出重磅年度回顧系列文章：《公鏈技術篇》、《應用篇》和《監管篇》，以期記錄當前行業發展的縮影。?

公鏈的不可能三角問題一直是制約公鏈技術發展的阻礙，進而影響到鏈上應用的性能。一直以來，公鏈的發展目標都集中在如何突破不可能三角的問題上，或者在不可能三角中找到最佳平衡。公鏈的創新體現在以太坊更新的路線圖、EVM兼容公鏈和模塊化公鏈、Solana和Aptos為代表的高性能公鏈等。下文將針對不可能三角和交易流程角度，解讀不同不可能三角解決方案的區別。

對不可能三角的理解

不可能三角的概念

公鏈最基本的功能是在鏈上記錄信息且維護信息安全，即在開放的網絡中防止信息被篡改，依賴的是密碼學、共識機制、分布式網絡等底層組件。密碼學包括公私鑰密碼學和哈希函數等，保證驗證簽名的正確性和鏈式結構規則。

以太坊創始人Vitalik?Buterin在2017年的一篇博客文章中提出：在可擴展性、安全性和去中心化這3個特征中，區塊鏈系統最多同時具備兩個。在討論不可能三角對公鏈影響以及公鏈在不可能三角上的突破時，我們需要理解這三者的定義和對系統的影響。

可擴展性衡量公鏈支持交易速度和規模的能力，體現在交易從提出到被確認的時間。交易處理速度慢的公鏈難以實現很多應用功能，例如即時支付，這會限制應用的范圍并影響用戶體驗。

安全性衡量系統抵御攻擊的能力，代表系統在面對故障時的可靠性，主要體現在容錯性和修改共識的難度。系統容錯性低會讓系統易于攻擊，修改共識會改變已確認的交易，相當于篡改過去的交易記錄。

去中心化衡量公鏈節點的分散程度，由于公鏈不是通過可信第三方建立的，只能由分布式的點對點網絡維持網絡系統運營，在此基礎上，公鏈節點的分散性提供了系統的信任基礎。結合密碼學和共識機制，公鏈才能發揮正常的功能。去中心化同時代表了用戶參與交易驗證的權力，也體現出用戶在公鏈系統中的話語權。

去中心化體現為兩個層次：第一以節點數量衡量，節點的準入門檻越低，數量越多，分散程度越高；第二以實際控制者衡量，如果公鏈中存在例如礦池類的角色，實際上一個角色控制多個節點，會給系統帶來中心化的交易審查等問題。

萬向區塊鏈肖風：以太坊完成合并升級意味著區塊鏈的商業應用階段即將啟動:9月20日消息，在由萬向區塊鏈實驗室舉辦的第八屆區塊鏈全球峰會上，萬向區塊鏈董事長兼總經理肖風在開幕致辭時表示：“幾天前，以太坊經歷了一個非常重要的歷史性時刻。我認為，這是繼以太坊白皮書發布、主網上線之后，第三個重要的歷史性時刻。9月15號，以太坊完成了它的一次Merge升級，其共識機制從PoW轉型為PoS。這是以太坊的重要時刻，也是區塊鏈行業的重要時刻。它意味著全球區塊鏈的基礎設施建設階段接近尾聲，而區塊鏈的商業應用階段即將啟動。”[2022/9/20 7:07:44]

總的來說，公鏈不可能三角所衡量的指標和具體含義如下表所示。

表?1?：不可能三角衡量的指標和具體含義

從交易流程角度理解不可能三角及優化

區塊鏈上的交易流程可以簡化成以下四步：

①使用者簽署交易并廣播給節點，添加到未確認交易池；

②共識節點驗證和執行交易，并將這些交易打包成區塊；

③區塊廣播給網絡中的其他節點；

④其他節點驗證區塊，并儲存添加到區塊鏈后。

這幾步驟從不同角度影響公鏈的三種指標。

1、可擴展性

可擴展性會受到第②③④步的影響。在第②步中，交易的驗證、執行和共識速度會影響到可擴展性。區塊鏈的賬戶模型、虛擬機和共識機制等因素都會影響完成第②步的速度。以更改共識為例，如果以減少共識節點的方式縮短共識時間，就會影響系統的去中心化程度。

在第③步中，如果節點數量多，那么在各節點中同步的速度也會變慢。以擴大區塊容量的思路提高可擴展性時，很難在原計劃的時間內將區塊廣播給所有節點。在沒有網絡完全同步的情況下，在不同的區塊后共識處理交易，會導致分叉出現，進而影響網絡的安全性。而如果通過減少節點數量加快同步速度的話，會影響系統的去中心化。

第④步意味著網絡交易的最終確認，如果在收到區塊后節點能夠快速驗證，那么可以提高可擴展性，但面臨損害安全性和中心化的問題是類似的。

2、安全性

現場丨萬向區塊鏈執行總裁王允臻：Web3.0智能城市需要4大技術:金色財經現場報道，由Web3基金會主辦的Web3大會10月30日在上海舉行。萬向區塊鏈執行總裁王允臻在會上發表演講表示，Web3.0智能城市需要解決隱私保護、海量數據、協同計算和孤立復雜的問題，因此需要4大技術賦能：區塊鏈、隱私計算、物聯網和知識圖譜。[2020/10/30]

在第②③④步中被攻擊的難度，也就是被惡意節點控制的難度會影響系統的安全性。尤其是在第②步中體現為共識機制的性能，如果共識機制容錯率低，或者容易被惡意者操縱，就會降低系統安全，或者導致節點趨于中心化。

3、去中心化

分布式的節點是公鏈底層基礎，越多節點加入代表越多節點認同公鏈，并且避免單點故障帶來的風險，也能提高惡意者的攻擊成本，因為在相同容錯率的情況下惡意者需要控制節點數量變多了。擴大區中心化程度要求節點的進入成本更低，但像上文提到的，在相同安全條件下提高節點數量會降低系統的可擴展性。

從節點的實際控制者方面理解去中心化時，重點關注的是「審查交易」的問題。節點負責打包交易時，如果按照自己喜好挑選交易和排序，會導致一些交易在提出之后很難執行以及得到鏈上確認。也就是影響第①步提出的交易難以在第②步中被挑選驗證。

總的來說，公鏈在交易流程的幾步中都可以做出改善和優化，但礙于不可能三角的影響，在某一方面進行優化時，總會伴隨著至少另一方面的負面影響。公鏈需要在不可能三角中找到平衡點，以滿足更多應用場景。下文就是在各環節不同公鏈的優化嘗試，包括以太坊的最新路線、以太坊同質公鏈和高性能公鏈。

以太坊：應用新技術和新框架優化不可能三角

在以太坊最近公布的路線圖中，可以看出一些在不可能三角以及用戶體驗方面的改善。

圖1?：以太坊最新路線圖

Merge：共識機制由PoW轉化為PoS

共識機制主要影響區塊的產生和驗證同步過程，在以太坊在轉化為PoS后，采用的是LMDGHOST+CasperFFG公式機制，實現了兩個目標：在每個slot內產生一個區塊，并進行相應的見證投票，在兩個epoch后被確認最終性，回滾區塊需要銷毀至少三分一的鏈上質押的ETH數量。

萬向區塊鏈聯合中化等7家企業將發布《能源石化交易行業區塊鏈應用白皮書》:5月12日消息，萬向區塊鏈宣布聯合中化集團下屬中化能源科技有限公司、中國石油國際事業有限公司、中遠海運能源運輸股份有限公司、招商局能源運輸股份有限公司、中國銀行股份有限公司、中國建設銀行股份有限公司、麥格理集團 7 家企業共同編寫《能源石化交易行業區塊鏈應用白皮書》，白皮書將于5月15日正式發布。萬向區塊鏈表示與其他編寫單位，從行業參與者的視角，結合在能源石化行業區塊鏈技術應用中的探索經驗，闡述了各方對區塊鏈技術創新與能源石化交易行業生態重塑的展望。（萬向區塊鏈）[2020/5/12]

在以太坊的Merge階段規劃中，以太坊還計劃將最終行確認時間縮短到單個slot，交易確認不再需要幾分鐘的等待時間，這會達到更高效率，提升用戶體驗。但達成單個slot確認需要改善共識算法，可能會減少降低攻擊鏈的成本，以及減少驗證的節點數，影響公鏈的安全性和去中心化。

Surge：Rollup和Danksharding配合提高交易處理速度

以太坊通過Layer2手段進行擴容，特指Rollup的擴容方式，二層網絡將主網上的內容放在鏈外執行，再將可驗證的結果傳回到鏈上。目前以太坊中的Rollup仍以Optimistic和ZK兩個路線為主。

在OptimisticRollup中，由于通用性的設定，在用戶數量和整體鎖定價值占據了先發優勢。Optimistic在排序器方面有很多爭議，因為目前Arbitrum和Optimism的排序器都是以中心化方式的方式出塊，很可能造成交易審查問題。ZKRollup重點專注兩個問題，第一是zkEVM的構建，在兼容EVM和完全獨立構建虛擬機之間做選擇，也是在實用性和性能做選擇。第二是加速零知識證明的速度，通過硬件設備生成零知識證明也是一種選擇。為了進一步降低鏈上的數據可用成本，這兩類Rollup都出現了鏈下數據存儲的模式，適用于需要高頻交互的場景，不過提高了對節點的信任成本。

Rollup看似解決了公鏈的不可能三角問題，但Rollup存在兩個固有問題。第一，Rollup的信息處理能力存在上限，尤其是Rollup依賴底層網絡實現，底層網絡的承載能力決定了Rollup中的運行能力；第二，鏈上的不同Rollup會帶來互操作問題。

為了讓Rollup發揮更大功能，以太坊的EIP4844?提出將區塊容量擴大出blob數據塊，以承接Rollup傳回主鏈上的數據。擴大區塊容量雖然提高了擴展性，但大數據的共識和同步同樣會帶來問題。因此在Surge階段，還計劃上線DAS。

聲音 | 萬向區塊鏈副總經理：2021年會迎來一波區塊鏈大規模應用的爆發:金色財經報道，萬向區塊鏈副總經理杜宇表示，區塊鏈作為開源技術其實技術壁壘并不高，首先得基于對產業、行業的理解，區塊鏈不僅是一種技術，更是新思維方式，把新理念、新商業模式和實際產業相結合是最重要的。他表示，“現在很多應用場景可能并不需要區塊鏈，很多是為了區塊鏈而區塊鏈。離區塊鏈大規模商業應用還需要一段時間，但國家層面的重視會加速這個進程，拐點會更快到來。我個人感覺可能在2021年會真正迎來一波區塊鏈大規模應用的爆發。”[2019/12/3]

DAS可以讓節點無需下載和驗證全部數據，而是將數據分成幾塊，節點只需要隨機下載其中的一部分來驗證數據是否丟失即可。DAS的檢測準確度將通過糾刪碼提高，糾刪碼能夠擴充額外數據用以恢復丟失的原始數據，是一種數據冗余機制，糾刪碼擴充數據的有效性由密碼學機制KZG承諾保證。

假設共有4個數據塊等待驗證，節點有25%的概率發現原始數據塊丟失了1個。使用糾刪碼將數據擴充一倍至8個數據塊后，超過50%的數據丟失則無法恢復原始數據，也就是節點發現數據丟失的概率超過了50%?。隨著驗證節點數量的增加，發現數據丟失的概率也會增加。假設共有n個節點進行隨機抽樣，數據丟失50%時，只有1/2?n的可能性恰好所有節點都抽取了未丟失的數據塊。因此在大量節點存在的情況下，DAS的驗證方式足以保證數據安全。

所以綜合來說，以增加區塊容量的方式提高整體區塊的可擴展性，就會同步效率降低影響系統安全性。而為了提高同步的速度，減少節點存儲量，保證足夠的去中心化，只能做出機制上密碼學的改善，但整體上還是影響了網絡的安全性。

節點的角色提議者和構建者分離

以太坊使用PBS的方式，將節點的工作任務分成兩個角色，分別是提議者和構建者。構建者負責構建區塊主體和提交出價，提議者只需要執行出價最高的區塊，并且不知道區塊內的交易內容，以減少審查交易。

Danksharding的實施會對構建者有更高帶寬資源的要求，構建者會因為專業化的要求成為中心化組織，而提議者是一個廣泛的去中心化群體，用以平衡中心化風險，只要有一個誠實的構建者存在，以太坊區塊就能正常出塊。為了防止構建者審查交易，提議者會傳遞crList代表提議者要求打包的交易列表，構建者需要使用crList中的交易填滿區塊。這是一種削弱MEV的機制，同時在大區塊模式下，讓節點分成兩種角色，保證足夠的去中心化。

金色財經現場報道 萬向區塊鏈副總經理陶曲明：區塊鏈行業的底層技術很不成熟:金色財經現場報道，在2018區塊鏈技術及應用峰會上，萬向區塊鏈股份公司副總經理陶曲明認為，區塊鏈行業的底層技術很不成熟，現在能夠成熟落地的項目非常少，區塊鏈是支撐價值互聯網的存在，但是價值互聯網是什么，我們對于價值互聯網的任職還在逐漸形成中，那我們應該怎么評價價值互聯網的價值。[2018/3/30]

Verkle樹、歷史過期和多維度費用市場

龐大的歷史數據會影響以太坊的去中心化，尤其是日益增長的狀態數據會導致各種效率低下的問題。為了不影響去中心化，同時實現上文提到的可擴展計劃，需要一些機制保證能夠達到同樣的安全標準，以及實現系統更有效率的運行。

Verkle樹是一種更簡單的數據存儲模式，相對于現有的Merkle樹來說所需要的證明空間更少，這是由密碼學技術做出的改善，配合歷史數據過期機制減少節點的存儲壓力，繼續降低節點門檻。

歷史數據過期機制可以解決數據膨脹的問題，客戶端無需儲存超過一定時間后的數據。Proto-Danksharding也可以實現在一段時間后自動刪除blob數據的獨立邏輯，因此大區塊不再成為擴容的阻礙。這不意味著區塊數據永久丟失，在數據刪除之前，已經留給足夠多的時間給需要數據的用戶備份。網絡中也存在保存全部歷史數據的節點，這些角色包括專門的協議，以太坊PortalNetwork、區塊瀏覽器和數據服務商、個人愛好者和數據分析的學者會保存全部節點數據。

在多維度費用市場中，每種資源都規定目標值和容量上限，正如EIP1559實施對gas的要求一樣，資源的使用程度關系到資源的定價。以太坊將要從EVM執行、交易calldata、見證數據和存儲容量這幾方面開始進行更細分的定價和收費，包括Proto-Danksharding中即將上線的blob區塊。最終目標是實現每個單獨操作碼的定價，將提高費用統計時的用戶體驗。

綜上所述，以太坊迫切需求性能提升，提出了Rollup和Danksharding的思路提高性能。同時又為了讓更多Rollup數據能廉價、不臃腫地存儲，提出了數據可用性的解決方案，并弱化它帶來的安全性降低的問題。以太坊仍然要修補自己的技術債，通過PBS、歷史和狀態過期等規劃，繼續保護節點的去中心化。以太坊借助新技術和新框架的引入，在保證去中心化和安全性的前提下，實現最大化的可擴展性。

以太坊同質公鏈：在不同層解決不同的不可能三角

EVM兼容鏈

在過去的幾年中，以太坊犧牲了可擴展性來換取安全和去中心化，表現為以太坊是全世界擁有節點數量最多的公鏈項目，并且在運行的這幾年過程中沒有經歷過大規模的網絡中斷事件，網絡不會因為個別節點的故障和退出而中斷，證明了網絡擁有足夠的冗余備份。與此同時，節點需要很長時間的共識同步時間，交易的處理速度較慢并引起了交易手續費的上升。

簡單區分，以太坊主網的結構包括執行層和共識層，執行層指的是節點在以太坊中執行用戶指令的過程，包括轉賬和EVM。在大量節點存在的情況下，共識及同步勢必會受到影響。因此最簡單的提升以太坊性能的方式就是修改其共識層，減少共識同步的速度以實現更快的效率。

這一點從以太坊同質公鏈的競爭中就能看出這一點。尤其是在執行環境相同時，應用的遷移更為容易。因此可以看到采用以太坊架構的同質化公鏈采取了這樣的方式，它們修改了以太坊的共識方式，減少了節點數量并縮短共識時間，但保留了執行層的功能。雖然可能帶來中心化的問題，但由于迅速承接以太坊上應用的外溢需求，替代以太坊成為應用類項目的發行地。比如BSC、Polygon和Avalanche，都是EVM兼容鏈的代表公鏈，它們的共同點都是大幅減少了網絡中參與共識的節點數。

模塊化公鏈

以太坊的競爭公鏈中出現了「模塊化公鏈」，將以太坊的功能分層，以模塊化的方式運營。這其實也是一個代表性思路，不可能三角雖然存在，但是可以在其中找到了一個折中點。

不同側重的應用會選擇不同側重的公鏈，因為它們對性能、安全和去中心化的需求是不同的。例如隱私公鏈不允許交易審查存在，它愿意付出額外的成本去保護它的去中心化。承載金融應用的公鏈對于安全性重視更高，而游戲類公鏈會要求極高的性能體驗，會放低對去中心化的要求。

因此模塊化公鏈將需求的每一層抽象出來，將區塊鏈分為：共識層、執行層、結算層、數據層，不同層都可以有多種解決方案，而又根據鏈的不同需求，直接整合這些解決方案，這樣實現最佳的效果。同時各層方案是模塊化的供公鏈切換，以此平衡應用需求，變相突破了不可能三角的限制。

以太坊非同質化公鏈：重新思考不可能三角中的側重方向

由于以太坊的性能瓶頸問題，新的非同質化公鏈幾乎所有都選擇了性能優先的規劃，配合PoS類共識，又引入新技術強化它的性能優勢或者彌補安全性的缺陷。

Solana首先提高了區塊的容量，區塊承載的數據量擴大了十倍。其次，為了減少每次同步的節點數，Solana會提前公布負責的節點名單，每次交易只需要傳輸給負責人，其他驗證者只需驗證自己負責的部分，也不需要驗證整個區塊。

除此之外，Solana在執行交易前會預先判斷，如果滿足條件會采用并行計算來提高交易的處理速度，如果是必須串行處理的，會轉為比以太坊效率更低的運行方式。可以看出，Solana為了追求可擴展性，犧牲了安全和去中心化，當領導人節點故障，或者在判斷是否要并行處理失誤時，就會造成網絡中斷的問題。

Aptos號稱是新一代高性能公鏈的代表，它以不同方法延續了以太坊公鏈上的各種功能。Aptos采用AptosBFT共識機制，這是一種基于BFT的共識機制，只需兩次網絡往返即可驗證和提交區塊，無需多輪投票，并且可以快速實現最終確認性。Aptos區塊只包括交易記錄的摘要，不會包含所有交易記錄信息，因此每個區塊中包含的交易數量會更多。它將交易分組為批次，并在達成共識后合并進區塊，在后續的執行和存儲中都是批量處理的，這個過程中可以提高效率。

Aptos同樣采用了并行處理的方式，采用了Block-STM引擎，默認對所有事務采用并行處理的方式，發生沖突時不成功的交易會重新執行，這需要依靠調度程序，防止同一事務被同時執行，以及重新執行事務后獲得更多安全確認。除此之外，快速的狀態同步也是Aptos考慮的問題。

狀態同步指的是在交易完成進行狀態轉化后，將狀態后的結果同步給其他節點的過程。狀態同步的低效會導致大多數節點無法同步到最新的狀態信息，因此影響用戶體驗，并且新節點難以加入共識過程，影響網絡的去中心化。Aptos提供了多種狀態同步方式，包括使用RocksDB或者節點通過驗證者產生的狀態變化的默克爾證明，跳過交易執行階段來同步狀態。這種方式減少了節點同步時所需要的大量計算資源，但需要建立在使用大量網絡資源的基礎之上，Aptos建議共識節點在云服務器上運行，個人電腦很難達到其要求。

Aptos認為以太坊的虛擬機也是它的瓶頸，以太坊沒有辦法再大規模更新它的語言，但是Aptos沒有這樣的技術包袱。Aptos和SUI都采用了Move語言，Move的創新在于將資產作為資源處理。在創建、使用和銷毀資源時有一定限制，因此不會發生以太坊中常見的重入攻擊問題，能夠讓更安全地構建智能合約，并且讓虛擬機并行處理多個事務，根據存儲資源收取租金也成為可能。

總結來說，新公鏈認為可擴展性優先于安全性和去中心化，這和以太坊是不同的。因此，它們重新選擇了不可能三角中的側重方向，這樣的改動對于用戶的感受是非常明顯的，Solana上發生的宕機問題也是不可避免的。

思考與總結

共識機制和分布式的節點網絡從兩方面保證了公鏈的可靠運轉：

第一，保證系統的容錯性：共識機制有一定的容錯性，也就是故障節點占比在一定比例之下時，系統依然可以驗證信息。自由加入的分布式節點能夠補充新的正常節點。

第二，提高系統的攻擊成本：共識機制代表節點對已有區塊狀態達成一致意見的方式，掌握共識機制的控制權的一方代表作惡者擁有修改共識和審查交易的權力。共識機制和分布式節點能夠從規則上增加攻擊的難度和成本。

在此基礎上，區塊鏈的不可能三角問題可以這樣理解：

以太坊本身已經基本成型，較難另起爐灶做出改變，因此以太坊在盡最大努力引入新的技術和新的框架來優化它的性能瓶頸，希望憑借新技術和新框架，使其在去中心化和安全性變大不大的基礎上，大幅提升性能，進而優化不可能三角。

以太坊同質化公鏈，EVM公鏈和模塊化公鏈則靈活得多。對以太坊層級的拆分，可以讓它們尋找自己的「社會分工」來匹配不同的應用，例如承載金融、游戲、隱私等等。根據應用的需求，反推出不同層技術框架的需求，這幫助它們在不可能三角中找到了新的平衡點。

以太坊的非同質化公鏈，因為沒有技術包袱，則可以徹底另起爐灶，使用全新的架構和技術手段。與以太坊在足夠去中心化和安全的前提下追尋性能不同，它們不約而同地都選擇了性能優先的路徑。這樣的好處是用戶非常直觀地感受到了它們的進步，但是其中的安全和去中心化問題也是一種隱患。

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