從“Diem”系看下一代公鏈范式_區塊鏈

摘要

公鏈基礎設施一直是加密行業的敘事中心。尤其在技術方面，公鏈一直在共識機制、可編程性、可擴展性上有所突破。即使如此，公鏈如今仍然存在發展瓶頸，比如性能還無法與Web2基礎設施匹敵，生態應用需求不足等。今年的新公鏈對以上問題都提出了自己的解決方案。2022年上半年，以Cosmos網絡為主體，帶領了一批“模塊化”和“跨鏈”為話題點的新公鏈。下半年，熱議的新公鏈就是“Diem”系衍生出的三條公鏈：Aptos,Sui,Linera。本篇文章以這三條公鏈為出發點，探討了“Diem”系新公鏈在技術和生態層面的創新及優勢，主要從5個方面分析：新Move語言的三大特性及優勢；并行化的解決方案；共識機制的創新及難度；代幣經濟模型的探索式發展；專用型公鏈的可能發展趨勢。通過分析我們可以得出結論：智能合約編程語言對安全性、并行化和開發者具有極其重要的作用；并行化是未來公鏈的確定性的正確之路；共識機制大部分基于BFT進行改造，但進步空間可能已到天花板級別；代幣經濟模型一直是公鏈發展的助推劑，如何平衡網絡、用戶、驗證者、開發者的關系是新公鏈需要重視的問題；專用型公鏈需要基于應用場景開發技術和提高用戶體驗。從以上結論可以窺見下一代公鏈范式，尤其是并行化和虛擬機上，而對于“Diem”系尚未解決的問題，我們可以持續關注它們在技術、代幣經濟、生態上的新進展。1.公鏈技術發展概述

公鏈作為加密行業核心的基礎設施，其一舉一動對整個行業具有極大的影響力。公鏈的技術發展都是前3輪牛市的主要敘事，也是在資本和需求推動下的必然結果。公鏈的突破性技術主要表現在三個方面：1.共識機制；2.可編程性；3.可擴展性。共識機制方面，我們見證了以比特幣網絡為首的PoW鏈的輝煌時期，到以太坊merge之后PoS鏈的新時代。對于比特幣和以太坊來說，PoW機制能夠保證一定的去中心化，但也帶來了資源浪費和低處理效率等問題。2012年誕生的PoS機制，其通過權益記賬的方式解決了PoW能源過度消耗的問題。PoS機制也是大部分新公鏈所采用的共識機制。除了PoS之外，為了提高出塊效率和維護網絡的安全性，也誕生了其它創新的共識機制，比如Solana的PoH以及Avalanche的雪崩共識。可編程性是指以智能合約打造區塊鏈的應用層。由于比特幣網絡的腳本語言是非圖靈完備的，導致其無法構建復雜應用。以太坊使用虛擬機和Solidity編程語言實現了智能合約。這也是上一個牛市的根本原因之一。但由于Solidity不支持并發，安全性低等缺陷，也有很多區塊鏈開始使用Rust或者構建新的編程語言，例如Move，提供更為安全、友好、擴展性強的開發語言。在可擴展性方面，區塊鏈一直受到不可能三角問題的掣肘。解決這個問題的關鍵在于模塊化。模塊化是將系統分解為多個單獨子模塊的工具，這些子模塊可以隨意剝離和重新組裝。這里的模塊化包含了兩個概念：公鏈的模塊化框架和工具，以及模塊化公鏈。區塊鏈的三層框架模型有結算層、執行層和數據可用性層。基于模塊化框架，已經有團隊完成了這些模塊化工具和組件的研發并廣泛用于現有的公鏈建設開發中，包括Cosmos和Polkadot生態。而模塊化分離的實現路徑主要有三種形式：共享安全；Layer2執行層；數據可用性層的分離。這些也是目前公鏈在擴容技術的主流方向。2.公鏈發展瓶頸

雖然公鏈技術一直在不斷發展，但當下公鏈的主要問題還是性能不足，與web2的基礎設施還有一定的差距。公鏈性能不足會帶來兩個嚴重問題：限制了生態應用發展上限；2.帶來很差的用戶體驗，這主要體現在部分公鏈短時期的擁堵和手續費高昂。性能不足在執行層的體現是EVM只能串行，無法實現多筆交易的并發執行，直接限制了鏈上數據吞吐量，解決方法就是并行計算。并行計算在web2中已經是非常成熟的技術，而在區塊鏈領域才剛剛起步。除了并行計算之外，以太坊把部分執行層的功能交給了Layer2。性能在共識層的體現是共識達成的效率、經濟性及安全性，這主要是算法決定的。目前，大部分公鏈選擇PoS共識，所以效率主要指節點之間的通訊次數和達成最終確定性的時間。在分布式系統中達成共識是一個經典課題，遠遠早于區塊鏈的誕生，所以其發展已經有很多成果，比如PBFT、HotStuff、DUMBO、Algorand，這些在理論上都能實現比較高的TPS。創新的共識機制和最終確定性算法對建設公鏈來說是非常具有挑戰性的工作，超越前人已是很難，而在其上進行的改進是否能夠實現指數級別的性能提升猶未可知。數據層包含數據存儲、賬戶和交易的實現及安全的功能。比特幣網絡的每個節點都為全節點，存儲了所有的區塊數據，是目前最安全和最去中心化的區塊鏈網絡。這種帶來的妥協就是每秒只能處理7筆交易，區塊大小為1M。而以太坊具有合約層和應用層，其區塊需要的空間更大。這是以太坊目前所面臨的棘手問題。雖然Layer2的Rollup方案能夠實現對數據的壓縮，但隨著應用規模的增大，需要上傳的數據量也加大。目前討論較多的解決方案有兩種：1.把數據層的部分功能剝離到其它公鏈，例如數據可用性放在celestia解決；2.實現鏈上擴容，即分片，分片技術的實現難度很大。除此之外，受區塊鏈不可能三角的約束，在發展性能的同時，安全性會受到威脅。公鏈的安全性問題主要有兩個方面：1.節點；2.智能合約。節點數量不足、去中心化程度不夠，網絡就很容易受到攻擊。而智能合約方面的安全性，更涉及到區塊鏈的底層，需要考慮編程語言和虛擬機等方面。生態應用方面，大部分公鏈并沒有形成自己獨有的應用或者壟斷。用戶也是基于獎勵多少在不同鏈上來回切換，實際靠應用本身留存的用戶只有以太坊。這種現象在牛熊轉換中格外明顯，熊市階段資金更偏向于待在以太坊網絡上。剩余其它公鏈的優勢在于有完整的生態應用和較低的鏈上手續費。3.Diem新公鏈模式

重慶市市場監管局：從“互聯網思維”轉變到“區塊鏈思維”:9月30日消息，重慶市市場監管局近日推出“E企辦”服務，以重慶政務區塊鏈為基礎，推動開辦企業各相關部門上鏈，企業申請信息實時上鏈，相關部門及時下鏈辦結，辦理結果再上鏈反饋，形成全流程閉環。重慶市市場監管局負責人表示，‘六個轉變’催生了‘E企辦’改革亮點，其中從‘互聯網思維’到‘區塊鏈思維’思路、方式轉變是重點。[2021/9/30 17:16:50]

新公鏈為了提高性能采用的創新技術幾乎都是從共識機制、可編程性和可擴展性三個方面出發。最受關注的新公鏈項目無疑是從折戟項目Diem中孕育出的新項目：Aptos、Sui以及Linera。它們在編程語言、共識算法、模塊化架構以及交易并行化思路均做出相應創新，試圖在性能和安全方面更上一層樓。研究這三條新公鏈，我們也能從中窺見未來新一代公鏈范式。3.1智能合約的安全革命

區塊鏈世界中，編程語言作為定義計算機程序的形式語言，是實現系統一切功能和目標的基礎載體。繼Solidity、Rust語言后，從Diem中孕育的新一代編程語言Move因超新公鏈項目Aptos、Sui的強勢亮相又重回聚光燈下，一度被譽為最適合區塊鏈的語言。Move的再度出場似乎正暗示著，新語言的敘事正在成為公鏈競爭的新戰場。下圖簡要地對比了三種編程語言的特點。我們也詳細闡述了Move語言在安全、并行化、開發友好性的創新之處。

安全性Move在資產安全性上的表現優于以往的編程語言，很大程度上是因為它站在前人的肩膀上作出了針對性的改進。在火幣研究院過去的報告《Move：innovationsandopportunities》中，我們曾對這些安全特性有過專門的探討，這里我們只對關鍵要點進行概括。Move從語言設計、虛擬機、合約調用方式和合約具體執行幾個層面為智能合約提供了全方位的安全保障，Move專門為數字資產定義了新的resource類型來和其它數據區分開，并結合了Module的強數據抽象特性保證資產不會憑空產生、任意復制或隱式丟棄，極大提高了安全性；同時，Move語言被設計為只支持靜態調用，所有的合約執行路徑都能在編譯的時候確定，并進行充分分析和驗證，從而提前揭露一些安全漏洞，降低系統運行時出現宕機的概率；最后，它還引入形式化驗證工具，極大降低人工審計代碼安全的成本。并行處理眾所周知，solidity語言是不支持并發處理的，Move則力求從底層對該特性做出改變。由于它為數字資產做出了專門定義，從數據類型上將它與普通數值區分開來，通過對各種resource定義不同的屬性又能夠有效地幫助識別“獨立”的交易，再結合多線程執行引擎，使得交易數據能夠被同時運行和處理，極大的提升了系統運行效率。開發友好性從目前的市場反饋上看，Move對開發者非常友好，其宗旨就是降低開發者的安全門檻，使合約開發者可以專注于業務邏輯；與此同時，Move由Rust和Solidity演進而來，舍棄了兩者設計中不必要的“糟粕”，復雜度相對較低，因此整體開發者遷移成本并不算高。據Move實踐者透露，對有Rust、Solidity編程經驗的開發者而言，上手Move的時間大概只需花費1–2天；對無智能合約編程基礎的開發者而言，從零學習Move也大致只需要1–2周。Aptos和Sui都繼承了Move的核心特性。但基于各自的特點有一些改進，但均保留了Move的安全性和靈活性，但優化了存儲和地址機制，從而提高了網絡性能并減少了交易確認時間。具體如下：3.1.1錦上添花：引入適配器層，全面奠基并行化

我們以數據所有權為例進行說明，Aptos的數據是存儲在所有者賬戶中的，即所有者擁有完全控制權，賬戶是基本存儲空間。這無疑是Move原生ownership系統的直接應用，很好地體現了用戶交易的本質就是資產所有權的轉移。除此之外，Aptos也根據自身項目特點做出了一些特殊設計。它引入了適配器層的概念來擴展了核心MoveVM的附加功能，其中包括通過Block-STM實現的并行性，無需用戶輸入即可并發執行事務，用于在帳戶中大規模存儲、存儲密鑰的表，以及解耦的細粒度存儲在帳戶中的數據量會影響與帳戶相關的交易的GasFee。3.1.2別具一格：移除全局存儲，降低交易延遲

Move公鏈雙子星的另一位即是Sui。相比于Aptos對Move的繼承性，Sui對Move的核心功能進行了一些修改，尤其是在全局存儲運算符和索引屬性方面。具體不同點體現在以下幾點：移除全局存儲操作符在原生Move語言中，用戶可以通過move_to，move_from等全局存儲操作符來直接訪問和調用module和resource。當新對象被創建時，數據通常會直接存儲到相應的鏈上地址中。但是，考慮到鏈上的存儲空間資源十分有限，Sui移除了全局存儲操作符，將新創建的資產或模塊存儲到特定的Suistorage中。因此，當用戶需要訪問系統中的某個對象時，不能依靠Move原本的全局存儲操作來直接獲取，必須先通過Sui將對象傳遞出來，再進行訪問。為對象設置IDMove中的對象可以被添加索引屬性，以鍵值形式存儲在數據結構中。不過，由于Sui移除了全局存儲功能，它為帶有key屬性的對象做出了細微調整。當對象可以被索引時，它必須擁有關鍵字段——ID。ID包括兩個方面，objectID和sequencenumber，通過創建ID給當前交易的內容和記錄交易創建了多少對象的計數器應用抗沖突哈希函數創建從而保證資產的唯一性。構建不同對象類型Sui有三種對象類型為并行化和共識機制提供了準備：可以讀取、寫入、傳輸、銷毀；這種對象涉及智能合約只能讀取/寫入，類似于單純的轉賬。只能讀取3.2并行化的必然之路

201枚比特幣從“Kucoin Hack 2020”地址轉出:據Whale Alert追蹤，剛剛有兩筆共計201枚比特幣（約合263萬美元）從標記為“Kucoin Hack 2020”地址轉出，其中196枚比特幣轉入黑客錢包，其他5枚比特幣轉到未知錢包。[2020/10/26]

目前主流的區塊鏈大多采用EVM作為執行引擎。在處理交易時，EVM一次執行一個交易，將所有其他交易處于暫停狀態，直到這個交易執行完成，并更新區塊鏈狀態，再按順序執行下一個交易。這種按順序執行是網絡吞吐量的主要瓶頸之一。如何破解這個難題呢?除了使用更先進的硬件來加快執行速度以外，主要的方法就是并行計算。現代計算機的發展過程中也曾出現過類似的現象。在20年前，計算機的CPU大多只有1個核心，而現在4核、8核甚至更多核心的CPU隨處可見。通過更多核心進行并行計算，計算機的處理能力才獲得了持續的提升。并行化計算是指，在并行機上，將一個應用分解成多個子任務，分配給不同的處理器，各個處理器之間相互協同，并行地執行子任務，從而達到加快求解速度，或者解決更大規模的問題的目的。在區塊鏈中，并行執行交易是要打破交易順序執行的范式，通過簡化交易的操作、排序、依賴性等聯系來同時執行不相關的交易從而提升系統的吞吐量。并行機就是區塊鏈的驗證者/節點。并行計算除了可以提升性能以外，還可以降低節點的成本，從而提升系統的去中心化程度。因為如果要達到同樣的性能，卻不采取并行化計算的話，就需要用到性能更強的單核CPU，這條路線的成本更高，而且不符合計算機科學發展的規律。Aptos和Sui都借鑒了并行化計算的思想。3.2.1并行化第一槍：交易分類，多線程同步執行

Aptos的設計思路是把不相關的交易區分開并依靠先進的執行引擎和硬件同時執行。這種思路更接近目前的區塊鏈的運行方式，具體做法主要有以下3條：最簡單的情況：同時在不同的線程中執行在數據和賬戶上沒有重疊沖突的交易。比如同時執行Alice向Bob轉賬100個XYZtoken，Charles向Edward轉賬50個UVWtoken這兩個交易。稍復雜的情況：如果有同時對同一個數據或賬戶的操作，先并行執行交易，然后以正確的順序結算可能沖突的能讓狀態產生變化的行為deltawrites，以確保確定性的結果。比如Alice連續向Bob和Charles轉賬同一種token，先并行執行2筆轉賬，再檢查Alice賬戶的總體變化情況是否合理。如果余額不足，則重新執行在前面的一條交易。高階的操作：交易可以跨一個或多個區塊重新排序，以優化執行的并發性。比如某個地址連續獲得收款或者是轉賬，這些轉賬可以被分配在多個區塊中。這樣可能會造成某些用戶的交易延遲確認，但是從整體上來看，它讓其他交易更大限度地實現了并發，提升了網絡整體的性能。Aptos采用了Block-STM并行執行引擎來執行交易。它在同一個CPU上的不同核心上同時執行不相關的交易，通過對交易實現多指令流和多數據流，最大程度上提高并行度。Aptos白皮書展示了Block-STM并發控制的性能測試，可以看到在10k個賬戶競爭的情況下，32線程情況下可以達到16萬的TPS，并行執行的優勢在大量賬戶的競爭交易空間時得到體現。

此外，我們對比一下Aptos，以太坊，Solana在并行執行上的異同。主要觀點引用自TheAnti-Ape的文章《Ethereum->Solana->Aptos:thehigh-performancecompetitionison》。本文會用更通俗的語言表達。以太坊虛擬機是單線程的，沒有并行化處理，它只能利用一個CPU核心來按順序處理交易。注意不要把EVM的CPU核心與以太坊顯卡礦機混淆了，EVM的CPU處理的是用戶的交易，如轉賬、智能合約調用；礦機的GPU處理的是ETHASH這個加密運算，爭奪POW挖礦的記賬權。Solana為了追求更快的性能，用4096個GPU核心來處理交易。在交易的相關性很弱時，這個設計可以讓Solana獲得非常高的吞吐量。不過它有一個隱患，對于在邏輯上本來就有順序的交易，它會喪失并行執行的能力。比如鑄造NFT的交易就無法在4096個核心上同時進行。因為NFT有總數量限制，每個NFT還有自己的編號，同時鑄造會導致重復，所以必須按順序處理。這讓Solana的4000多個GPU形同虛設，無法發揮并行執行的優勢；而GPU的性能又弱于CPU，這讓網絡性能嚴重下降，甚至會導致Solana網絡中斷。Aptos融合了二者的思路，用8核16線程CPU實現并行計算，既通過多線程提升了交易的并發性，又能用性能更高的CPU應對順序執行的交易。

那以太坊能不能通過提升CPU的配置，比如也用16線程的CPU來實現并行化處理呢？很可惜，不行。因為EVM的設計中CPU就只有1個線程，只有對EVM做出改進，才能發揮出CPU更多線程的計算能力。以太坊的夢想是分片+layer2，同樣能夠達到高性能。Aptos也有在未來引入分片的想法，如果能夠順利實現，實現支付寶在雙11高峰時期每秒50萬筆的的超高吞吐量也不是不可能。3.2.2火力全開：交易進一步細分，依托DAG提升并發性

Sui在并行計算的思路上與Aptos類似，但Sui有更多的細節改進支持數據的并行化處理。首先，它放棄了區塊鏈傳統的鏈式結構，采用了DAG的數據結構。而DAG先天就具有的高并發性特點。其次，Sui在Move語言的資源屬性上，再把資源細分為不同的對象，以對象為中心進行并行化處理。這兩點配合起來，讓Sui實現了高并發和高性能。在Sui改進的Move語言里，可以把對象理解為像鈔票一樣的資產。每個對象都有一個屬性列表，包括其所有者的地址、讀/寫屬性、可轉移性屬性、dapp/游戲內的功能等。大多數簡單的轉賬只需要更改特定對象的所有者屬性，比如Alice給Bob轉賬100個USDT，只需要把這100個USDT的所有者從Alice改成Bob。這些不相關的交易都可以同時處理。它們的順序在DAG的數據結構上會自然呈現，全局有一個總排序。DAG數據結構可以允許在同一時間內，網絡中出現很多個分支鏈條，而不只是一條單一的鏈條。只要每個分支都能對應的對象的來龍去脈說清楚，節點只需要驗證交易，無需多輪通訊對某交易進行投票。這樣就可以在單位時間內實現更多交易的并發，也能減輕驗證者在共識過程的負擔。Sui在測試階段的性能同樣優秀。今年3月，在MacbookPro上運行的未優化單核運行的SuiAuthority節點的TPS達到了12萬。若增加CPU的核心數量，TPS還能線性提升。3.2.3兩種并行化方案的對比

動態 | 蘇寧體育旗下PP體育從“引入區塊鏈存證等新技術方式”等四個方面維權:據界面報道，第三方機構研究報告顯示，英超的每場盜播比賽至少帶來100萬鎊的損失，西甲官方認為盜播一年造成損失超過4億美元。2019-20賽季是蘇寧體育旗下PP體育拿下三年英超獨播版權的第一年，但8月底僅僅三輪比賽過后，盜播情況已經相當嚴重。目前，PP體育已經從四個方面出擊，打響版權保護戰。其中包括，應對盜播平臺層出不窮的新技術，也從技術層面出擊，擴大監測取證平臺的數量和手段，引入區塊鏈存證等新技術方式，進行全面維權工作。[2019/9/1]

Aptos和Sui的并行化處理的設計有什么區別呢？下面我們舉例對比Ethereum、Aptos和Sui在并行化上的異同。假設每個網絡是一個城市，這個城市有8個旅游景點。用戶提交交易就像是坐飛機來到了這個城市，交易得到了確認就是乘客從飛機場到達了目的地。Ethereum的做法是用一輛大巴車裝載乘客，車子坐滿為止。大巴車會圍著這8個景點繞一圈，逐次放下所有乘客。

Aptos的做法是設置8輛大巴車，去不同地點的乘客分別乘坐不同的大巴，這樣就不用先去別的地方了。而且由于硬件的進步，Aptos大巴的速度比Ethereum大巴更快，就更節省時間。

Sui的做法是設置很多個出租車載客口，乘客上了出租車就直接發車，連等大巴車坐滿再發車的時間都省掉了。很多出租車一起跑當然更快，但是也有負面作用。Sui中的所有交易仍然需要足夠多數量的驗證者的簽名才能寫入賬本。與Aptos相比，Sui的領導驗證者需要收集其他驗證者對每個交易的簽名，這帶來了額外的工作量；而Aptos的領導驗證者只收集提議的區塊的簽名。Sui的額外的工作負載可能會抵消一部分的吞吐量和延遲優勢。

Aptos和Sui的兩種思路都是可行的，下面簡單比較它們的優缺點。

至于這兩種方式更好，在未來更有前途，目前不需要判斷。第一是因為它們還都在測試網階段，還需要讓網絡運行更長時間，取得更多的實際數據再做評價。第二是因為現在鏈上活動整體非常冷清，它們宣稱的處理能力完全足以應付。如果能夠不出現經常性的宕機事故，它們都比現在的高性能公鏈更加優秀。最后我們還要關注到一點：并行化計算并不是有了多個核心，將交易分門別類處理就能解決所有問題了。Aptos、Sui和未來的其他公鏈絕不只是一個支付網絡，它們也要運行很多dApp和智能合約。現有的智能合約只適合于串行執行，比如AMM、NFT鑄造。而未來要發揮出并行計算的威力，就需要智能合約在算法上更符合并行計算的特點。開發者們需要對現有的智能合約進行改造，或者重新編寫一批新的。其中包含巨大的工作量，更關鍵的是思維的轉換。我們需要等待一段時間才能看到并行化計算公鏈的完全崛起，這件事一旦發生，可能極大推動行業的發展，并帶來徹底的范式轉變。3.3共識算法的天花板

在共識算法上的創新實際上是非常困難的。最早的是BFT共識，BFT適用于分布式系統中如何達成共識的問題，尤其是在節點可能故障和作惡情況下。關于BFT最早的討論是在1982年。BFT的問題在于需要進行多輪通訊，通訊開銷與節點個數的平方成正比。比特幣網絡采用中本聰共識，它有兩個特點：通過工作量證明限制網絡中的提案數量；最長鏈原則保證概率上的最終確定性和安全性。中本聰共識需要極高的成本、礦機性能、節點保持在線才能維持網絡運轉。在共識機制上，有三個創新項目值得一說。第一個是Solana的PoH共識。這種共識建立了一個全網一致的時鐘，交易事件可以按自身的時鐘進行排序，保證賬本的一致性。PoH共識確實給Solana的性能帶來了突破，其TPS能達到2000–3000。但由于黑客可以預測并因此攻擊下一個區塊生產者，因此PoH在安全性上稍顯不足。第二個是Avalanche的雪崩共識，測試網能夠達到4500TPS的性能。雪崩共識是BFT的一種，但它沒有Leader節點，節點之間地位平等，每個節點隨機抽樣周圍的節點形成自己的結果，最后整個系統會在極短的時間內達成共識。第三個是Tendermint共識，它也是屬于BFT的改進版，適用于部分同步網絡，具有兩階段投票，每輪投票都會有超時時間，Tendermint共識的創新之處在于簡化了Leader的切換過程，但犧牲了時間。可以看出，目前流行的共識算法大部分是在BFT的基礎上進行演化，比如HotStaff、Polkadot的GRANDPA。評判一個共識協議的好壞，可以用三個指標：安全性、活性(liveness)、響應性(responsiveness)。這里對這三個指標進行解釋：●安全性：所有誠實的驗證者會確認提案和執行。例如比特幣網絡利用算法來確保網絡不易被攻擊。●活性：網絡中一直會有提案產生。這部分包括Leader節點如何切換、超時時間如何定義等。●響應性：區塊的確認時間只與網絡延遲有關，節點始終會響應共識。比如Tendermint共識，需要等待固定時間出塊，即使網絡狀態好的情況下，所以其響應性并不是很好。Diem的共識是基于HotStuff共識創建的，這是一個三階段投票的BFT共識，每輪投票節點之間無需通訊，只需要向主節點提交自己的投票結果即可。DiemBFT共識做了多個細節改進，其中之一是增加了內存池，相當于增加了一個實際的存儲層，這與Solana類似。這一改動極大的提高了系統的性能。這也在Aptos和Sui中得到了繼承。而Sui是在DiemBFT的基礎上創造了Narwhal和Tusk兩種機制，讓系統能夠在異步的網絡環境下快速達成共識。下面是這兩個共識的分析。3.3.1區塊結構的根本性改變

分析 | 應對Libra可從“有條件地嘗試發行錨定人民幣的穩定幣”等三方面入手:《中國金融》2019年第15期，北京大學數字金融研究中心王靖一和黃益平聯合發文《Libra的艱難征程與中國應對》，文章表示，應對當前的Libra，可以先從以下三個方面入手。第一，盡快打破國內外數字金融行業分割的局面，真正構建全面開放的新格局。第二，在監管“沙盒”的框架下有條件地嘗試發行錨定人民幣的穩定幣，助力人民幣國際化進程。第三，未雨綢繆，主動考慮一些應對數字貨幣沖擊的策略。[2019/8/7]

Aptos共識機制直接延續了DiemBFT。DiemBFT對共識節點的投票權力進行了重配置機制，每個驗證者的投票權并不相等，需要根據權益加權，這與它的質押代幣數量成正比。同時，DiemBFT通過共享的內存池協議彼此共享交易信息，然后按回合輪次進行投票，這與HotStuff類似。Aptos的共識過程和內容與一般的區塊鏈有些區別。它的交易傳播與共識階段是分離的，驗證者只需要對交易的元數據達成共識。這也就意味著，Aptos的區塊里只有交易元數據，沒有實際的交易數據。這與傳統的區塊結構有很大不同，如下圖所示。

下面具體看看如何達成共識。驗證者收集交易并自行驗證后，將一定數量或一段時間內的交易打包成一個批次，在驗證者網絡中不斷地相互傳輸這樣的批次。驗證者分發交易批次后不能篡改，其他驗證者接受并存儲這個批次，同時在批次的摘要上簽名并將簽名反饋給它。當有2f+1個驗證者在批次摘要上簽名后，系統生成一個可用性證明。PoAv保證了至少有f+1份權重的誠實驗證者已經存儲了這一批交易，因此所有誠實的驗證者都能在執行前檢索到它，于是區塊中可以不用包含實際的交易。提議區塊的節點只需要排序和打包幾個批次的元數據，再加上它們的PoAv即可形成一個區塊。其他驗證者驗證了PoAv和區塊元數據標準后，可以投票決定這個區塊是否合法。

Aptos把在共識階段對帶寬的需求均勻分配到了更長的時段，可以在非常低的帶寬下進行共識，從而實現交易高吞吐量和最小化延遲。DiemBFTV4的共識速度很快，一般的共識只需要兩次網絡往返，全網往返時間通常小于300毫秒。自2019年以來，DiemBFTv4已經在多次迭代中經過了數十個運營商節點和多錢包生態系統的廣泛測試，又經過Aptos共3期測試網的測試，其穩定性應該也有保證。3.3.2DAG結構與BFT共識的組合Sui的共識機制作為其最大的亮點，無論是在創新性和解決性能問題上都有所突破。Aptos和Sui雖都是在HotStuffBFT上做的變體，但Sui改造了DiemBFT中的交易內存池，讓交易廣播直接在內存池中進行。同時，采用了一個名為Tusk的全局隨機硬幣，實現了異步共識。共識使得Sui具有更快的交易速度、低延遲、更好的可擴展性。共識的創新使Sui在性能上比Aptos表現更優。DAG結構的并發優勢Sui沒有區塊的概念，而是一個個事務，節點對事務的“頂點”進行投票，“頂點”類似于Merkletree的根，包含之前相關聯事務的引用。Sui結合了對象類型分類和DAG的優勢，創造了更快的交易確認。節點在DAG中無需達成共識，但為了防止雙花，網絡也需要節點參與交易的驗證和簽名，這里需要結合一些簡單的共識機制完成。DAG在這里有兩個優勢：為并行化創造條件：DAG作為一類數據結構，其與區塊鏈結合，可以解決效率問題。因為鏈式結構使整個網絡只能存在一條鏈，導致出塊無法并發執行，引入DAG結構后，網絡中可以并行打包多個區塊。因果順序加快共識過程：在Sui中，事務的因果順序是很重要的一個特點，它類似于區塊中的MerkleRoot，是DAG結構的主干，也是共識投票的參考證明。當DAG遇到BFTSui采用PoS機制，Sui的共識機制圍繞以上三種對象展開，是混合協議，即DAG+BFT。關于這種共識已經有多家公司開始實施，包括Aptos、Celo、Somelier，但具體實現方案不同。Sui針對單所有者對象采用DAG+BFT一致性廣播，把交易確認的環節直接下放給交易本身，這無需驗證者進行區塊排序和打包。普通的DAG需要一個totalorder總排序，節點在本地內存池找到對象的依賴路徑就可以驗證，即找到與該對象相關的之前發生的所有事件，包括簽名、時間戳、哈希值進行驗證即可。對共享對象，Sui采用BFT的變體為Narwhal+Tusk，Narwhal構建了內存池，Tusk是一個選取領導節點的隨機硬幣算法，這類似于Alogrand的可驗證隨機數，為了使Sui在異步網絡下進行，這里不對這個算法做過多描述。Sui利用DAG結構在內存池中進行因果排序，并進行可靠傳播，節點把最高級別的“頂點”提交到領導節點，并進行BFT共識。共識過程Sui的共識機制中有兩類角色：Client和Authorities。Client相當于不參與共識的全節點，它們搜集交易反饋給主節點，根據共識形成交易證書和最終的效果證書。Authorities的作用是參與共識的節點，需要對交易進行驗證并進行簽名。簽名的交易將會返還給client，client搜集簽名事務并形成交易證書。Client相當于全節點客戶端，其完成的交易證書會被發送回Authorities，如果交易涉及到共享對象，則需要進行BFT共識。Authorities即為驗證者節點，需要對交易達成共識。對于不需要達成共識的單所有者對象交易，Authorities也需對交易簽名。共享對象的事務處理會稍顯復雜。節點需要對該對象和與其相關的對象進行排序，然后執行事務并匯總簽名，形成執行證書。一旦共識節點的簽名數達到了法定人數，即達到最終性，client可以搜集執行證書并創建效果證書。Narwhal構建的內存池DiemBFT對Hotstuff進行了很多變動，其中一個就是添加了內存池，Hotstuff沒有存儲。Narwhal的內存池與DiemBFT有所不同，Diem的內存池僅僅用來做交易池共享以及周期性的發送。而Narwhal把交易的廣播放在了內存池進行，相當于將網絡通信層與共識邏輯分離。節點僅對提案哈希值進行排序和投票。這帶來了兩個好處：l能夠讓共識層更快的去完成共識的工作，廣播的工作不占用共識的通訊通道，內存池直接完成了區塊的廣播；l實現了線性擴展，節點可以增加硬件提高性能，而Narwhal能夠讓性能呈線性提升。每個驗證者都可以水平擴展自身并通過增加更多的算力，增加其交易吞吐量。從Aptos和Sui這兩個Diem系新公鏈看出，目前對共識機制的研究已經可以獲得很好的效果，其創新還是在經典的共識基礎之上完成，主要有分為兩個方向：1.更換區塊結構和內容格式，使其更加輕量化地參與共識過程；2.利用各種方式推進并行化，尤其是在交易排序和廣播上。而在未來，共識機制的演化大概率也是基于HotStuff的，畢竟其機制的成熟性。還有一個就是內存池，作為一個保存等待執行的交易緩沖區，其功能會被進一步完善。3.4盡顯博弈論的經濟模型

V神：政府利用區塊鏈技術進行“ID+投票”應先從“請愿”開始:V神剛剛發推表示：若政府想利用區塊鏈技術進行“ID+投票”，應該先從請愿這一用例開始，因其不具有約束力，所以安全風險要小得多；但仍可以利用區塊鏈進行驗證和ZKP以保證隱私。[2018/6/12]

代幣經濟模型在區塊鏈項目中的地位越來越重要，好的代幣經濟能夠給本身有極大技術優勢的項目帶來加成。代幣經濟每一個參數的設置和修改都會給項目和社區帶來極大的影響力。對一個公鏈來說，衡量代幣經濟模型的好壞主要從兩個方面看：是否能夠捕獲更多的經濟價值；是否能夠平衡網絡、用戶、開發者和驗證者四者之間的關系。做好這兩方面是很難的，很多成熟的項目要么遲遲不發代幣或者一直在改進自己的代幣經濟。Diem系的新公鏈中，也只有Sui給出了自己的代幣經濟，其實更多的是對經濟模型的探討。Sui的代幣經濟中，gasfee包含了交易費用和存儲費用，其特點有兩個方面：沿襲了以太坊經濟模型的優勢；提出了一種新的存儲費用解決方案。gasfee與以太坊類似，用戶在支付前需要設置gaslimit，即最大gas的預算。執行時會直到達到預算，如果預算用盡，將中止。此外，Sui也采取EIP1559的方案，協議會制定基本的費用，該費用會在每個epoch臨界時期進行算法調整，交易發送者還可以包括一個可選的小費Gasfee=(GasUsed*BaseFee)+TipGasfee包含了算力費用和存儲費用，Gasprice在Sui網絡中應該是比較低的。驗證者在提交gasprice時，兩個關鍵力量影響他們的報價：計算規則激勵驗證者遵守在gas調查期間提交的報價，而分配規則激勵驗證者提交低gas價格。存儲費用用戶也需要預先計算和支付存儲費用。這種方式與gasfee類似，也是為了防止一些無效存儲事務帶來的網絡擁堵和潛在的攻擊行為。用戶必須為當前執行和未來存儲支付費用。但費用模型難以計算，存儲的需求不可估計，成本就變得不穩定。為解決這個問題，Sui引入了存儲基金的概念，用于重新分配過去的交易費用給未來的驗證者。當鏈上需求高時，可以使用存儲基金作為補貼給驗證者。存儲基金的三個特征：1.基金由過去的交易支付；2.存儲基金是會放入財庫，產生收益，收益用來獎勵驗證者。基金的收益方式是，驗證者可以借用存儲基金，基金獲得委托人收益；3.存儲基金的機制激勵用戶可以選擇刪除以前存儲的數據，以獲得存儲費折扣；4.存儲基金不歸委托人所有。存儲費用的經濟模型是繼filecoin后的一次新嘗試，filecoin需要用戶自己找到合適的礦工來存儲數據。Sui雖然還存在一些問題，比如，可能在利益驅動下，運營節點會試圖刪除老數據，也無法確定節點是否真的會按照協議存儲數據。但后續官方應該會根據網絡情況進行調整。Sui的代幣經濟主要是放在gasfee模型的構建上，還有驗證者的質押獎勵、如何進行鏈上治理，如何激勵協議和開發者都是很重要的方面，我們可以期待Aptos和Sui對這些機制的完善。作為一個通用型公鏈，鏈上存儲功能有一定的存在價值，建立一個合理的存儲費用機制能夠解決兩個難題：1.提高代幣經濟捕獲能力；2.緩解鏈上存儲壓力。未來公鏈的代幣經濟發展方向也是類似：1.為驗證者/礦工提供可持續性的商業模式；2.治理方面能夠靈活的參與鏈上活動，捕獲協議的價值；3.更為嚴謹的gasfee模型；4.賦予代幣更多的應用場景，包括與鏈上算法穩定幣的掛鉤。3.5Linera的專用型公鏈之路

隨著Cosmos和Avalanche多鏈生態網絡的發展，越來越多的公鏈選擇專用型道路，或者一個擁有足夠多用戶的應用直接創建公鏈。例如dydx，WAX等。雖然專用型公鏈在性能上要求不高，但更注重其應用場景和用戶增長。在Diem系公鏈中，Linera更偏向于專用型公鏈發展。Linera主要的應用場景是支付，聯通現實世界與web3世界，其可能真正繼承了FacebookDiem的支付夢想和技術精髓。基于這類場景，Linera在技術上需要滿足：低延遲Linera創始人Mathieu認為市場對于低延遲區塊鏈是有很強的需求性的，越來越多的Dapp需要低延遲來即時響應用戶的操作，比如：零售支付、游戲應用程序的小額支付、自營交易以及區塊鏈之間的連接等。由于內存池的消耗和驗證者之間的復雜協調，目前區塊鏈中的確認時間通常仍然需要幾秒鐘。不同于Aptos和Sui，為了滿足低延遲的硬需求，Linera完全移除內存池并最大限度地減少驗證者之間的交互，這樣可以大大加快支付等簡單操作的速度。Linera區塊鏈希望大多數基于帳戶的操作能夠在幾分之一秒內得到確認。LinearScaleLinearScale是來自于Web2的技術思想，2000年左右互聯網行業出現了“線性擴展”的水平擴展，根據實時吞吐量來動態提供數據庫資源，動態增加更多的處理節點，來使企業不必擔心網站在遭遇高并發時宕機，或在平時閑置資源。目前的區塊鏈優先考慮“順序”執行模型，允許用戶賬戶和智能合約在一系列交易中進行任意交互，但順序執行阻礙了線性擴展。Linera項目將開發和推廣適用于線性擴展的新執行模型，對不同用戶帳戶的操作將在不同的執行線程中同時運行。通過這種方式，始終可以通過向每個驗證器添加新的處理單元來擴展執行。Linera繼承自FastPay和Zef協議，很大可能將成為一條低延遲、高交易確認的可以比肩Web2互聯網支付的支付鏈，而且很有可能還會繼承Zef協議的匿名支付特性。而FastPay可以部署在多種環境中，可以以獨立的方式用作原生代幣和加密貨幣的結算層；或者成為另一種加密貨幣的側鏈，或作為已建立的實時總結算系統一側的高性能結算層來結算法定零售支付。未來Linera不僅可以作為支付鏈，很可能還可以作為其他公鏈的支付側鏈，或嵌入其他Web2互聯網產品內提供去中心化即時支付服務。專用型公鏈往往可以比通用型公鏈獲得更好的交互體驗和更高的安全性，比如：dYdX宣布脫離Starkware，而去選擇基于CosmosSDK開發一條新鏈，或許不久的未來Rollup就可以滿足dYdX作為期貨交易DEX對交易流暢度的高要求，但即便Rollup性能提高到了夠用的水平，相比于和上百個dAPP爭奪一個區塊空間，獨自享用一條專屬區塊鏈可以使交易體驗更好，也可以有很多辦法提高區塊的安全性。未來Linera作為專用型公鏈，鏈上的應用項目少、區塊中的交易以支付訂單為主，在這樣簡單、專注的環境中Linera很可能將會獲得比Aptos和Sui具有更低的交易延遲、更高的交易確認和更高級別的安全性。4.下一代新公鏈范式探討

從以上對Diem系新公鏈的分析中可以看到，公鏈技術的創新是主要的敘事主體。而在生態方面，經過調研，Diem系新公鏈的生態發展主要從兩個方面入手：1.降低用戶使用門檻，這可以從錢包應用看出，用戶直接用郵箱即可注冊；2.吸引開發者，基于Move語言，方便開發人員為應用創建各種工具和框架。Diem系公鏈給區塊鏈的基礎設施帶來了新的氣象：更大的公鏈競爭壓力，這體現在技術和性能上，公鏈開始不僅僅靠大機構、大人物的背書，而是靠技術團隊和背景；技術和運營并行，這一點可以從Aptos看出，從資本的青睞，到生態應用的迅速支持。但還是有一些問題沒有解決，比如公鏈護城河問題，如何真正給去中心化用戶提供需求。從Diem系公鏈出發，我們可以看到下一代公鏈的發展形態：并行化是未來公鏈的新范式并行計算只是小幅度提升了硬件的要求，礦工/驗證者完全可以接受這個成本的提升，不會嚴重影響去中心化程度。但是并行化計算會大幅度提升區塊鏈的整體性能和系統的穩定性，增大了不可能三角的面積。同時，基于共識的創新會很難。4年內的新公鏈在性能上應該會以Aptos和Sui為標桿，超過它們幾乎很難。在生態應用上，AMM和NFT鑄造的并行化升級可能是下一輪牛市的必備條件。AMM是DeFi的基礎，NFT可能會在更多使用場景中發揮作用，牛市的來臨必然會伴隨著交易和其他各類應用的繁榮，它們的性能不能成為卡點。虛擬機的演進EVM是鏈節點為智能合約創造的一個隔離的、可確定的沙盒環境，多個合約程序是運行在同一個進程內的不同的虛擬機沙箱中。這意味著以太坊合約之間的調用是同一個進程內不同的智能合約虛擬機之間的調用，安全依賴于智能合約虛擬機之間的隔離。而Move虛擬機支持并行執行。合約之間的調用被集中放置在一個沙盒中，在這種架構下，合約的狀態的安全性主要要通過編程語言內部的安全性進行隔離，即基于Move的每一筆資產都具有原生稀缺性，是獨一無二的，并且擁有對應的訪問控制屬性，而非依賴虛擬機進行隔離。專用型公鏈的嘗試目前一些有足夠用戶的應用還是會有成立新鏈的想法。比如金融類dydx。一些專用型公鏈可能也會解決一些技術問題，比如celestia提供了Layer2的數據可用性層。這些新范式大部分從技術角度出發，但技術離不開整個基礎設施的發展，都有一定的周期性。除此之外，宏觀經濟是否支持資本持續為區塊鏈行業底層技術的發展，也是限制公鏈的一大因素。而各個國家對加密行業監管嚴格，是否也是對開發者、節點、隱私類公鏈的一種威脅，也是成為影響未來公鏈形式的一個原因。參考資料

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火幣區塊鏈應用研究院成立于2016年4月，于2018年3月起致力于全面拓展區塊鏈各領域的研究與探索，以泛區塊鏈領域為研究對象，以加速區塊鏈技術研究開發、推動區塊鏈行業應用落地、促進區塊鏈行業生態優化為研究目標，主要研究內容包括區塊鏈領域的行業趨勢、技術路徑、應用創新、模式探索等。本著公益、嚴謹、創新的原則，火幣研究院將通過多種形式與政府、企業、高校等機構開展廣泛而深入的合作，搭建涵蓋區塊鏈完整產業鏈的研究平臺，為區塊鏈產業人士提供堅實的理論基礎與趨勢判斷，推動整個區塊鏈行業的健康、可持續發展。聯系我們：咨詢郵箱：research@huobi.com官方網站：https://research.huobi.com/Twitter：Huobi_Researchhttps://twitter.com/Huobi_ResearchMedium：HuobiResearchhttps://medium.com/huobi-researchTelegram：HuobiResearchhttps://t.me/HuobiResearchOfficial免責聲明

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