HLC公鏈沙龍 ｜ 經典區塊鏈設定和HLC的Block DAG選擇_HLC:區塊鏈存證怎么弄

編者按：

今天是5月9日。這一段時間，在認識HLC公鏈DAG技術之前,很多人一直不理解為什么比特幣的打包需要10分鐘,或者為什么區塊要限定在1M。如果放開這兩個限制,不就輕松地解決了比特幣現在的吞吐量的問題了么？而且似乎安全性也不會降低,因為比如說我把出塊周期改成1分鐘,根據比特幣的難度調節機制,一段時間穩定后,難度會調節成現有難度十倍,還是能保證一個出塊周期內平均只會產生一個塊,所以似乎也沒有安全性的問題。這么簡單的方案,改幾個參數就可以解決了(事實上早期的某些競爭幣也就是這么做的),為什么中本聰這么不去做?HLC公鏈團隊的技術沙龍上，我們仔細聊了這個話題。

出塊時間和傳播時間矛盾

你細想下,又覺得哪兒不對。既然要解決擴容問題,那自然是多多益善。既然改成一分鐘就提高十倍,那我改成一秒鐘呢?豈不是就提高了600倍了,吞吐量就可以到4200TPS,已經足夠覆蓋目前大多數區塊鏈的應用場景了,這個困擾了行業這么長時間的問題居然就這么簡單地解決了?

相信你此時已經發現問題不對了,區塊的傳播是需要時間的,這其中包括節點帶寬的限制,地理位置的遠近,驗證區塊的開銷等.HLC公鏈團隊根據論文InformationpropagationintheBitcoinnetwork中的數據,2013年的時候需要40秒才能傳遍95%的網絡。根據BitcoinStats的數據,近期(2017年)也需要13秒才能傳遍90%的網絡。所以，根據最長鏈規則,出塊周期必須遠大于區塊傳播時間才能保證區塊在全網是同步的,不會分叉。

區塊鏈設定

時間到了2019年,區塊鏈的可伸縮性(scalability,本文沒有使用可擴展性以免和extensibility混淆),似乎早就不是問題.因為高吞吐量的項目其實非常多。現在最被大家熟知應該是EOS了,實際的吞吐量能夠達到3000TPS。事實上,Ripple,Stellar,Ziliqa,OmiseGo等知名項目也都有很高的吞吐量。但是似乎可伸縮性的技術探索并未終止,因為不同的網絡設定可以得到完全不同的數據,拋開具體的網絡設定單談可伸縮性意義不是太大。

美國NHL洛杉磯國王隊宣布推出首個NFT系列“Kings Playoffs 2022”:金色財經報道，為慶祝2022季后賽，美國國家冰球聯盟洛杉磯國王隊宣布推出首個NFT系列“Kings Playoffs 2022”并與Crypto.com合作啟動首次NFT拍賣活動，后者此前獲得了洛杉磯湖人隊球館的冠名權。據洛杉磯國王隊總經理奇斯曼凱利透露，這是他們在Crypto.com的支持下推出的第一個NFT收藏品，該NFT也將作為球迷的一份獨特禮物，其中包括5845枚“盾牌版”NFT、88枚“遺產版”NFT和67枚“創始版”NFT。據悉，相關拍賣活動或將于5月10日啟動。（cryptopolitan）[2022/5/4 2:50:02]

經典區塊鏈設定和HLC的BlockDAG選擇HLC關注的主流擴容方案

HLC公鏈開發團隊的視野之內，目前主流的擴容方式有如下幾種,事實上每種技術都有各自優勢以及適用場景,我們認為理想的擴容方案是綜合方案,在保證安全的情況下最大限度地擴容。

1.類Proof-of-Authority(PoA)

這里的類PoA是指只有少數權威出塊節點的協議,比如說,EOS的DelegatedProof-Of-Stake(DPoS)和Ripple的InterledgerProtocol(ILP),Stellar的StellarConsensusProtocol(SCP)等。共識成本較低,加上出塊節點彼此可知,也可以提高硬件性能,自然是可伸縮的。顯然,這是一種偏中心化的方案。所以,類PoA的設定是基于對于權威節點的信任。

2.鏈下技術

也叫二層擴容(Layer-2Scaling)比特幣的閃電網絡(LightningNetwork),還有基于以太的Plasma協議(目前OmiseGO已經使用),都是典型的鏈下技術。也就是說,只有部分交易才會最終會上鏈,其他的交易要么把中間交易丟棄,如閃電網絡；要么記錄在更下一層,比如說Plasma,交易不需要上鏈,所以理論上不存在吞吐量的上限。鏈下技術的設定是基于部分交易不需要上鏈以及網關的安全性。

Crypto.com與NHL聯盟蒙特利爾加拿大人隊簽署了贊助協議:加密貨幣交易所Crypto.com已與NHL聯盟蒙特利爾加拿大人隊簽署了贊助協議。Crypto.com的品牌將在周五晚上對陣溫哥華加人隊的下一場主場比賽開始時在中央冰場展示。（CoinDesk）[2021/3/18 18:54:31]

3.分片技術

也叫一層擴容(Layer-1Scaling),既然吞吐量的成本在于共識節點過多,那把共識節點分成若干個小組,即分片或者共識組,片內只有少數節點,共識效率自然就高,而且每個分片可以并行的共識.顯然,共識組的減小意味著每個分片聚集的資源也相應的減少,對于Proof-Of-Work(PoW)來說,就是聚集的算力減少,同時跨片的交易成本也增加。所以分片的設定是基于,分片內足夠可信,以及跨片交易不會過于頻繁。

4.多區塊技術

這個技術的思路比較多,一般來說就是會有多種類型的區塊,有難度較大,出塊周期較長的區塊以保證安全性,稱為快區塊；也有難度較低出塊周期較短以提高交易吞吐量。這類技術知名項目不多,但是協議不少,比如說BitcoinNG,FruitChain等，混合共識的設定是允許難度較小快速區塊的存在。

5.混合共識技術

這類技術的特點就是通過去中心化的方式選舉出一個規模較小人數大致確定的委員會,然后通過許可鏈的協議進行共識(一般是PBFT)。等于把非許可鏈轉換成了許可鏈,自然也會有許可鏈特有的一些優勢,比如說共識效率高,再比如說最終確認性(Finality),所以宣稱支持最終確認性的公鏈項目基本上都是這種思路。最知名的協議有Algorand,其中的VRF算法被許多項目用來去中心地隨機選取一組節點。混合共識技術的設定,相信隨機算法選出的委員會是可靠的,以及能接受許可鏈協議的1/3的網絡安全性。

6.圖形結構賬本最符合中本聰理想的區塊鏈擴容方案

以太坊2.0客戶端Lighthouse發布最新進展：內置Schlesi支持:以太坊2.0客戶端Lighthouse開發團隊Sigma Prime近期發布了項目最新進展，具體如下：

- 密鑰管理實施；

- 首次使用Trail of Bits進行外部安全審查；

- 內存占用最小化；

- 依賴項升級；

- 內置Schlesi支持；

- BLS升級。[2020/5/24]

典型的就是HLC公鏈團隊研究的DAG技術。DAG技術解決的是上述提到的出塊時間和傳播時間的矛盾,因為出塊時間過快,在傳播時間不得不考慮的情況下,必然會增加分叉,長時間的分叉會導致網絡的不一致,所以DAG歸根結底也是解決分叉的問題。目前DAG技術的知名項目有,IOTA,ByteBall以及NANO,目前這些項目都是采用偏中心化的共識方案解決分叉問題,造成許多用戶誤會DAG的共識方案只能用中心化的方案解決。事實上,DAG技術是目前最符合中本聰的理想的區塊鏈設定的擴容方案,自然DAG技術也是可以解決中心化的問題。DAG技術目前看來最大的問題跟多區塊技術和混合共識技術一樣,由于每個節點需要處理所有交易,無法解決理論上的無限擴容,所以采用DAG技術的設定是要能接受無法無限擴容以及區塊中交易重復的問題。

需要指出,這里并沒有提到Proof-of-Stake,因為區塊鏈擴容的瓶頸并不在于挖礦,PoW同樣可以做到很高的吞吐量。PoS更多地是為了解決PoW能耗的問題。

經典區塊鏈設定和HLC的BlockDAG選擇HLC構思的經典區塊鏈設定

根據比特幣的白皮書中描述,比特幣的目的是要打造成一個真正的去中心化的支付網絡,并通過算力投票的方式來保證公平。事實上,比特幣運行10年后,現實的情況已經違背了中本聰的初衷,60%的算力集中在前五大礦池,手續費已經高昂到接近1美元每筆,以至于很多人認為比特幣是價值存儲網絡,這明顯違背了中本聰的初衷。因此,HLC公鏈的同人們需要明確比特幣的理想的設定是什么,在此基礎上有哪些方案可以最大程度地保證擴容能力,我們稱這樣的設定為經典區塊鏈設定.我們認為該設定需要滿足如下方面：

Andrea Maechler：分布式賬本技術（DLT）還沒有滿足實時全額清算系統的要求:瑞士央行管理委員會成員、歐洲央行理事會成員安德烈亞?邁斯勒(Andrea Maechler)周四在蘇黎世的一次演講中表示：潛在的分布式賬本技術確實有潛力，尤其是在證券結算和跨境支付交易等復雜領域。但是分布式賬本技術（DLT）還沒有滿足實時全額清算系統在可伸縮性、數據安全和可靠性方面的要求。對于普通大眾來說，央行的數字貨幣對于無現金零售支付而言并不能確保是一個有效系統。[2018/4/6]

1.自由地加入或退出網絡

這也是非許可鏈和許可鏈最大的區別,從這個角度來講,比特幣即使算力如此集中,也是滿足的。因為礦池是衍生的服務,跟比特幣的協議無關，但是EOS的超級節點就不滿足了。

2.公平地激勵機制

公鏈不屬于任何組織,所以不是通過商業公司的盈利或者捐贈來維持鏈的運行,而是有一套激勵機制，能讓礦工通過挖礦獲利來保證。公平的意思是付出了多大的工作,得到相對相應比例的回報,也就是激勵相容。這也是目前比特幣最大的問題,主要表現在兩個方面：

機會成本

嚴格意義從概率的角度來講,礦工加不加入礦池,得到的回報都是一樣的,扣除礦池的抽成,不加入礦池似乎還高一點。但是機會成本太高了,比如說某個礦工擁有全網千分之一的算力,如果時間足夠長的話,他得到的匯報大致也相當于千分之一的獎勵。但是由于他獲得獎勵的形式只有挖到礦,所以他要做好大部分時間得不到獎勵,然后等待突然某個瞬間挖到一個區塊得到大額獎勵來填補之前的成本。因為承受巨大的心理和成本壓力。所以最終他不得不加入礦池,從而加劇了礦池的中心化。

挖礦效率

挖礦效率指投入單位成本能產生的挖礦收益,事實上由于ASIC礦機存在,礦機的成本相對挖礦效率是遠大于用同樣成本的常規計算機。這種效率不單只針對PoW,PoS也需要考慮,比如說,擁有同樣份額(Stake)的兩個礦工,如果某個礦工挖礦的效率比另一個更高,那就是不公平的。

物流巨頭DHL與埃森哲合作 利用區塊鏈跟蹤藥品供應鏈:物流巨頭DHL宣布已與埃森哲合作，并于3月12日創建了基于區塊鏈的供應鏈原型。據兩家公司發布的區塊鏈趨勢報告顯示，同時表明正在將該技術引入全球藥品供應計劃。他們創建了一個基于區塊鏈的序列化標準，在六個地區布置節點跟蹤整個供應鏈中的藥品。分類帳將會與利益相關者分享，包括制造商，倉庫，分銷商，藥店，醫院和醫生。實驗室模擬顯示，該區塊鏈可以處理超過70億個特殊序列數字，每秒處理1500次交易。[2018/3/13]

值得提出來的是,公平的激勵機制并不一定代表較低的準入門檻,根據比特幣的設想,隨著難度的增加,門檻也一定是越來越高的。也許剛開始筆記本都能挖礦,到后來只能服務器,最后來只能是礦場。但是這個過程應該是緩慢的,而且機會成本應該和擁有的算力是大體相當的,這樣才能保證即使難度相當大了,算力也不至于壟斷到幾個礦池中間。

HLC公鏈目前采用的BlockDAG的準入門檻只是相對傳統區塊鏈來說較低。比如BlockDAG來說,隨著網絡的發展,難度的增加,到達吞吐量的極限后,網絡的門檻也會逐漸增高,比如說網絡前期可能算力排名在前一萬的機器可以參與挖礦,到達極限后,可能只有算力排名前一千的機器才能挖到礦了。但是這個門檻的提高跟區塊鏈門檻提高的本質區別在,BlockDAG的機會成本并沒有顯著增加。還以上述的例子來講,該礦工擁有千分之一的算力,比如在網絡中算力排行前500,他仍然可以通過自己算力來挖礦,而不是非得加入某個礦池。這樣網絡還是能保持較高的去中心化程度。

3.強容錯性

這里的容錯性,指網絡能承受任何非正常工作的節點的比例,包括網絡卡頓,惡意攻擊等。作為一個完全去中心且由算法驅動的網絡,最理想的情況就是50%的容錯性了,也就是少數服從多數。不考慮自私挖礦等特殊攻擊行為,比特幣理論上能達到50%的容錯性,所以要推翻一筆比特幣的已經確認的交易要擁有超過50%的算力,也就是所謂的51%攻擊。50%的算力是比較嚴格的,也有許多算法不能保證50%,比如說PBFT只能保證1/3,但是對于大部分場景也是很理想了。

4.高伸縮性

這點從比特幣的設計中來看并沒有體現出來,因為比特幣的交易容量只有理論上的7筆交易每秒,所以才需要擴容。不過比特幣的定位是去中心化的支付網絡,而非去中心化的資產存儲網絡來講,比特幣應該也是希望能具有較高的伸縮性,否則這個目標是無法達到的,姑且認為中本聰當時在安全性和可伸縮性之間沒有找到更好的平衡的方案,當然只能優先安全性。

這里追求高伸縮,理想的情況下應該是首先得保證公鏈本身的伸縮能力,再去考慮和其他擴容方案結合比如說鏈下或者分片。就好像組建一個團隊,首先考慮的應該是把每個人的能力發揮到最大,而非一旦有新的任務了,就直接去擴充團隊。因為不管網絡怎么拆分,最終劃分的單元始終會遇到擴容的問題。以分片為例,每個分片可以理解為一個獨立的區塊鏈網絡,如果每個分片的可伸縮性足夠強,就可以極大地減少分片的數量,降低分片間通信的成本,此外,由于分片聚集的算力較大,安全性也較高,同時整個網絡的結構也會簡單,好維護。

簡而言之,HLC開發團隊一直以來理解的經典的區塊鏈,應該是自由、公平、安全、高效的區塊鏈,我們稱之為經典的區塊鏈設定。

經典區塊鏈設定和HLC的BlockDAG選擇HLC公鏈底層的BlockDAG(區塊圖)

什么是BlockDAG

我們HLC公鏈采用的BlockDAG首先不是一個特定的共識協議,就跟區塊鏈也不是指特定的一個項目一樣,是相對于區塊鏈而言的一類分布式加密賬本技術。狹義的BlockDAG指圖式的賬本存儲技術,就跟狹義的區塊鏈指的是鏈式賬本技術。但是更廣泛的理解指的是整套圖式賬本的協議或框架,對標區塊鏈是基于鏈式的賬本的協議或框架。

研究過HLC在西安和上海測試新聞的技術愛好者一定發現，BlockDAG和區塊鏈其實沒有本質的區別。BlockDAG就是區塊鏈在出塊率較高時,分叉較多時的區塊鏈,所以BlockDAG其實是更一般情況下的區塊鏈,而區塊鏈是BlockDAG在出塊率較低時的特殊情況。唯一的區別是,區塊鏈會把最長鏈之外的區塊全部拋棄,而BlockDAG會保留所有的區塊,這也就是為什么BlockDAG的吞吐量可以很高的原因之一。

值得注意的是,HLC技術小組特地提到BlockDAG而非DAG,其實是在強調BlockDAG節點是通過完全去中心化地加入網絡以及得到獎勵的,目前看來只有PoW可以做到這點,所以可以看到BlockDAG的協議基本上都基于PoW。這正是2018年以來行業人士突然意識到BLOCKDAG厲害的原因。強調有沒有區塊本身意義并不大,因為完全可以一個區塊只存放一筆交易,區塊鏈也可以這么做.事實上,目前知名的三大DAG項目IOTA,OByte,NANO的賬本都是DAG,只不過不需要打包區塊，因為每筆交易就是圖中的一個節點。也因此,許多人認為DAG的賬本就是沒有區塊的,這明顯是一種誤區。

為什么HLC的BlockDAG滿足經典的區塊鏈設定

BlockDAG除了是最直觀的和經典區塊鏈模型兼容性最強的擴容方案之外,最關鍵是滿足我們理解的經典區塊鏈設定：

1.自由

BlockDAG的網絡是不存在任何特殊節點的,也不對節點在線與否做要求。

2.公平

BlockDAG跟普通區塊鏈最大的區別在于,BlockDAG是合作機制,而區塊鏈是競爭機制。由于挖出單個區塊的成本相對較低,能在可以接受的預期時間內得到應有的獎勵,所以礦工沒有必要非得加入某個礦池。事實上,合作機制還可以避免自私挖礦,而自私挖礦嚴格也可以理解為公平性的問題。

3.強容錯性

容錯性嚴格意義上來講是共識的問題,即使是BlockDAG如果采用最長鏈的共識算法,同樣也無法保證50%的容錯性。BlockDAG作為一個技術類別,我們評價它的安全性應該是以它能達到的上限為準,事實上,從GHOST協議到后面的SPECTRE,以及最新的PHANTOM和CONFLUX都是基于最重鏈規則,能達到跟比特幣相當的50%容錯性。

4.高伸縮性

這點也許是最沒有爭議的,因為DAG技術在區塊鏈的運用就是為了解決高伸縮性。只是還是強調下DAG沒法做到無限擴容,因為網絡的節點還是會存儲所有的交易,也會收到網絡帶寬等限制。但是對于主流的BlockDAG協議來說,安全性已經和出塊率無關了,所以理論上只要網絡以及節點物理性能能承受,可以無限地提高出塊率。

HLC技術沙龍小結

HLC技術小組從主流區塊鏈擴容不同方案基于不同的設定開始,總結出了我們理解的經典的區塊鏈設定是什么,最后解釋為什么BlockDAG可以滿足經典的區塊鏈設定，這也是HLC公鏈的技術理想。接下來，我們的專欄還要講深入BlockDAG的最重鏈規則,解釋為什么最重鏈能解決區塊鏈的擴容問題。

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