一文對比三大異構區塊鍊網絡：Cosmos、Polkadot、Avalanche
原文編譯：DeFi之道
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Cosmos、Polkadot、Avalanche 中的鏈間經濟安全拓撲
比特幣打開了潘多拉魔盒，隨著時間的推移正在成為“數字黃金”，這種看法已經是一種常識。以太坊引入了可編程的互聯網貨幣，並成為加密經濟創新的平台。然而，比特幣、以太坊及其變體存在阻止大眾採用加密網絡的關鍵問題。我們將首先看這些問題，然後用這些點來比較新一代區塊鏈平台。
1. 能源效率：要使開放的去中心化計算機網絡正常運行，其獨立參與者需要就共享狀態達成一致。在這樣做的同時，儘管信息不完善或存在惡意行為者，網絡仍應保持有效共識容錯（拜占庭容錯）。允許參與開放網絡的共識，同時防止同一實體對多個身份進行操作（女巫攻擊）是通過一種稱為工作量證明（PoW）的接納方法來處理的（由Cynthia Dwork 於1992 年首次引入，用於打擊垃圾郵件）。這種方法要求參與者使用巨大的計算能力，這會使地球變暖，並且一些價值還被轉移給電力公司。顯然，保護分佈式計算網絡需要經濟成本，新項目使用替代的權益證明（PoS）機制實施驗證者准入，即通過鎖定代幣存款以成為參與者。這筆存款必須足夠昂貴，以便充分抑制惡意行為或離線。事實上，類似的規模經濟適用於權益證明（PoS）和工作量證明（PoW）：運行驗證節點的成本從OPEX（礦場的運營費用）轉移到CAPEX（資本機會成本）。
2. 交易延遲：比特幣、以太坊及其變體採用了中本聰共識，這需要等待創建多個新區塊之後以確保交易無法恢復。因此，中本聰共識鏈具有高可用性，但由於其概率交易最終性保證，交易速度較低，這需要等待鏈足夠長。為了實現更快的交易最終性，許多區塊鏈項目使用經典的實用拜占庭容錯(PBFT) 共識，該共識有其自身的弱點，包括驗證者集可能有多大才不會減慢網絡速度，以及在正常運行時間或活動性方面才能有利於安全性。
5. 去中心化程度：與普遍看法相反，由於礦池中心化，比特幣和以太坊實際實現的去中心化程度很低（截至2021 年11 月，比特幣的90% 算力由11 個礦池控制，以太坊的90% 算力由16 個礦池控制）。隨著中本聰共識中挖礦成本的增加，成功出塊變得更加困難，並且運行網絡的權力被匯集起來，從而集中在少數聚合礦工身上。新一代區塊鏈通過我們將在下面探討的各種解決方案來解決這個問題。
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6. 公平分配：隨著網絡的發展，區塊鏈項目如何分配所有權份額（代幣）？比特幣的代幣分發在區塊鏈的安全性、挖礦生態系統和交易所創造了一種環環相扣的相互依存關係。這成為許多項目的模式：隨著礦工加入網絡以獲得代幣獎勵，網絡變得更加去中心化和更加安全，從而吸引了更多人使用它。隨著需求的增加，價格上漲，吸引了更多的礦工來保護封閉循環的網絡。然而，隨著挖礦成本的增加，成功挖出一個區塊變得越來越難；因此，運行網絡的代幣或權力的分配被集中起來，從而集中在幾個聚合實體上運行礦機。以太坊採用了不同的策略：他們預先開採代幣，取消總供應上限，將部分代幣出售給早期投資者和公開銷售參與者，將一部分分配給其基金會用於運行贈款和賞金計劃，並開始隨著時間的推移就像比特幣模型一樣獎勵礦工。很快，以太坊的代幣發行集中在少數幾個礦池，最大的代幣持有者變成了交易所。最終，隨著時間的推移，公平分配定義了誰在網絡中擁有權力：生產區塊的權力（訂單、接受或審查交易）、分叉網絡的權力、決定協議升級的權力，以及投資和質押應用的權力。
7. 治理：網絡協議的更改會對所有現有和未來的用戶產生重大影響，無論他們是否意識到。在比特幣和以太坊中，改進提案會導致協議升級和參數更改，這些更改由核心專家社區討論、決定、實施和應用。如果一群礦工有興趣追求與大多數人不同的方向，他們可以分叉協議並啟動一個新網絡，痛苦地將大多數網絡效應拋在腦後。此外，研發資金分配通常由中央基金會管理，而隨著社區圍繞資金協調DAO（去中心化自治組織）聚集，替代方案正在出現。較大的代幣持有者或用戶群體在治理決策中並沒有真正的發言權，因為他們可能對決策主題沒有專業知識、興趣或意識。即使他們這樣做了，與大型代幣持有者相比，它們也可能會產生一點影響，因為投票通常是代幣加權的。隨著新項目採用更公平的、更多代幣持有者能夠參與的鏈上治理（即二次投票、時間鎖定投票、自適應法定人數偏差、投票委託、去中心化身份方案以實現一人一票）和鏈下信號機制，這種情況正在發生變化。
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每日活躍ETH地址丨來源：Etherscan
今天，以太坊平均每天有50 萬活躍用戶，而像Twitter 這樣的流行Web 應用程序有2 億日活躍用戶（以太坊的400 倍），Facebook 有近20 億日活躍用戶（以太坊的4000 倍） 。即使加上Layer 2 和比特幣用戶，這距離網絡規模還有很長的路要走。對於一個開放的去中心化互聯網來說，擴展是一個非常關鍵的挑戰，它不是明天的問題，而是此時此地優先解決的問題。
自誕生以來，以太坊的新版本一直在通過採用新的科學研究以及新的區塊鏈平台發明的機製而發生變化。以太坊的新版本將使用權益證明，將網絡拆分為同步分片，旨在提高總計算吞吐量。運行相同以太坊虛擬機(EVM) 的驗證者將被分配到不同的網絡分片、生成塊、累積不同的用戶活動數據，並通過名為Beacon 的中繼鏈相互同步。但是，嘗試同步所有分片部分意味著嘗試實現完全複製，即在所有節點中擁有一致的數據庫副本。這是有問題的，因為分佈式計算中的分片點是通過不復制整個網絡中的所有數據來實現擴展。在同步模型或同構網絡拓撲中，當一個分片（例如流行的DeFi 分片）獲得比其他分片更多的使用量時，它將開始出現相同的速度、成本和擴展問題。此外，還有一個新問題是在分片之間有效地同步數據。
終局遊戲終局遊戲雖然據說以太坊向新版本的過渡將在一年左右的時間裡完全完成，但所謂的Layer2解決方案——Rollup（Optimistic、zkSync）、Plasma和狀態通道——已經推出，為不斷增長的以太坊使用需求提供效率和速度。困境在於，Layer 2 信任模型要么有中間中央運營商破壞去中心化和抗審查的目的，要么有多個激勵運營商（即Polygon 是用Tendermint 構建並在多個驗證器上運行，Matter Labs 的目標是使用zkSync 的驗證器網絡)，這類似於另一個具有自己的代幣（例如MATIC）的去中心化區塊鏈，並最終與其第1 層競爭。因此，隨著更多用戶的加入，這些單鏈架構將遇到相同的交易成本問題。
模塊化區塊鏈設計
Cosmos、Polkadot、Avalanche
終局遊戲
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》）。事實上，這種策略適合新興的模塊化區塊鏈設計，其中區塊鏈可以將數據可用性或執行外包給其他區塊鏈。該策略的通用模型由Celestia 和EigenLayr 開發。此外，以太坊的新策略類似於Polkadot 和Avalanche 中已經使用的共享安全模型。
另一方面，由於Cosmos、Polkadot、Avalanche 在其至少一個與EVM 兼容的鏈上都有與以太坊的橋接，它們有時被放在同一個“Layer2”存儲桶中，而這些項目通常稱自己為Layer0 ，因為它們提供用於構建互連的Layer1區塊鏈的基礎設施。
可預測和可定制的費用：共享無許可網絡上的費用不受您的控制。某些應用程序在網絡上的高活動可能會增加您的應用程序的任意費用。擁有自定義費用結構可以讓您獲得可預測的費用，並消除應用程序與其用戶之間的基礎設施。您不需要ATOM、DOT 或AVAX，即可使用特定於應用程序的鏈。不強迫用戶使用基礎設施代幣收取費用對於主流採用至關重要。
共識機制
共識機制
可定制的驗證器：自定義驗證器規則和要求將您的鏈集中在其特定領域的需求上。您的鏈的驗證器可以符合某些司法管轄區（例如，歐盟的GDPR），可以具有高性能的硬件要求，或者俱有成為驗證器的某些證明。
這些新一代網絡還與以太坊以及很快與比特幣建立了橋樑，並且正在開發彼此之間的橋樑，以充分實現區塊鏈互聯網的願景。
共識機制
共識機制
在開放的機器網絡上安全和一致地複制應用程序狀態是通過共識機制實現的。在這樣做的同時，儘管信息不完善或存在惡意行為者（拜占庭容錯），網絡仍應保持容錯和有效共識。 Cosmos 和Polkadot 中使用的實用拜占庭容錯（PBFT）要求所有參與節點相互通信，因此網絡絕對確定地同意一個決定。它具有低延遲和快速最終性，但它無法擴展到全球開放網絡中的許多參與者，因為每個驗證器節點上的負載隨著驗證工作的增加呈指數增長。比特幣引入了最長鏈共識機制（中本聰共識），允許概率確定性和極低的錯誤率。隨著時間的推移，它允許建立一個健壯且可擴展的網絡，但速度非常慢。
Cosmos，主網於2019 年3 月上線，使用Tendermint PBFT 共識，提供快速的最終確定性。但是，由於每個節點都必須相互通信，因此它具有二次消息傳遞複雜性並且可以一次完成一個區塊。
Polkadot 是2020 年5月上線的主網，以共識方式將區塊生產和最終確定分開：BABE（Ouroboros Praos 的變體）編寫候選區塊，GRANDPA（PBFT 的變體）分批完成它們。這種混合共識在一定程度上優化了二次消息傳遞的複雜性。
Avalanche 主網於2020 年9 月上線，使用Avalanche 共識，這是一種獨特的機制，它結合了驗證者節點（雪球）之間的重複投票子採樣和有向無環圖（DAG）中的傳遞投票，而不是線性鏈。由於Avalanche 共識具有恆定的消息傳遞複雜性，因此它允許低延遲和大量參與網絡。它像中本聰共識一樣具有概率最終性，但它是可配置的，並且故障率極低。
驗證者進入標準
允許參與開放網絡的共識，同時防止同一實體對多個身份進行操作（女巫攻擊）是由工作量證明（PoW）或權益證明（PoS）機制處理的。與所有新項目一樣，Cosmos、Polkadot、Avalanche 都使用權益證明，因為它的能源效率和提供更大設計空間的能力。這些網絡上還有一些項目為公平的代幣分配機制實施了更輕的工作量證明（PoW）機制。
Polkadot 整體上可以在12-60 秒內實現最終性，區塊創建和最終性是分開的。
交易成本
交易成本
Avalanche可以在一秒鐘內實現了交易最終性。它像比特幣一樣是概率性最終性，並且故障率極低。
計算吞吐量
隨著整個網絡上活動的增長，交易費用也會增加。 Cosmos、Polkadot、Avalanche 構建了專門的網絡，每個鏈都有自己的基於自身狀態增長的自定義費用機制。
去中心化程度
去中心化程度
Cosmos 每條鏈都有一個可定制的費用機制。
Polkadot 每條鏈都有一個可定制的費用機制。費用是使用權重系統預先計算的。每個鏈的費用燃燒是可選的。
去中心化程度
去中心化程度
以下數字來自2022 年3 月17 日。
Cosmos 在節點之間具有二次方消息傳遞，因此參與者數量有限。 Cosmos 中的活躍驗證者數量為150，IRIS 中為115，Osmosis 中為100。目前，您至少需要147,231 個ATOM（約130 萬美元）才能加入Cosmos Hub 的活動驗證人集，並且至少需要1 個ATOM 用於委託。總質押價值約為$50億美金。
Polkadot 優化了節點之間的二次方消息傳遞，以及有限數量的參與者。活躍驗證者的數量在Polkadot 中為297，在Kusama 中為1000。目前，您需要至少175 萬個DOT（約3300 萬美元）才能加入Polkadot 中繼鏈的活躍驗證者集，並且至少需要120 個DOT 才能進行提名。總質押價值約為$120億美金。
Avalanche 在節點之間有恆定數量的消息傳遞，因此參與者的數量是無限的。主網絡中的活躍驗證者數量為1311。目前，您需要至少2000 AVAX（約16 萬美元）才能加入主網絡的活動驗證器集，並且至少需要25 AVAX 用於委託。總質押價值約為$160億美金。
去中心化也是驗證者質押和獎勵集中度（基於權益加權的獎勵）的函數，通常遵循長尾分佈——很少有驗證者擁有最多的質押，而許多驗證者的質押很少。對於區塊鏈平台來說，公平的質押分配仍然是一個懸而未決的問題，每個項目都試圖以不同的方式實現公平。例如，由於Polkadot 的核心是基於PBFT 的共識，因此可以有一個有限的活躍驗證者集，但這些活躍的驗證者通過Phragmén 選舉方法獲得平等的獎勵。由於其新穎的共識機制，Avalanche 可以擁有無限數量的活躍驗證者，並且平均驗證者權重正在逐漸下降，從而提高了其去中心化水平。
Cosmos 允許使用自己的驗證器集的分佈式鍊網絡。這些鏈之間的互操作性是通過區塊鏈間通信（IBC）橋接協議實現的。每個鏈都必須實現IBC 才能與其他鏈橋接。目前，有28 個啟用IBC 的鏈，涵蓋DeFi、EVM 智能合約、社交媒體、隱私、再生收益耕種和遊戲等領域。與以太坊、比特幣等的橋樑正在開發中。
治理
治理
Polkadot 允許從中央中繼鏈到連接的鏈（平行鏈）分層繼承安全性。平行鏈沒有自己的驗證器，它們有收集交易並為中繼鏈驗證器生成狀態轉換證明的收集器節點。平行鏈之間的互操作性是通過跨鏈消息（XCM）格式實現的，並且由於繼承的安全性，任意數據傳遞是可能的。目前，10 條平行鏈具有不同的專注方向，例如DeFi、EVM 智能合約、社交媒體、隱私和遊戲。與以太坊、比特幣等的橋樑正在開發中。
Avalanche 允許將驗證器的重疊網絡組織為運行多個鏈的子網，同時還可以驗證主網絡。同一子網中的不同鏈幾乎可以立即將資產相互轉移（導出-導入）。而子網到子網的通信，即其子網中的一條鏈與自己子網中的另一條鏈通信，目前是通過網橋處理的（使用EVM 鏈的ChainBridge-Solidity 合約）。事實上，與其他子網有重疊驗證器的子網越多，它們相互通信的安全保證就越高。這是因為那些相交的驗證者將在兩個子網中擁有共同的利益。如果一組驗證者在一個子網中惡意行為，他們還將冒著在主網絡和其他子網中驗證權益的風險。儘管尚未宣布子網到子網直接互操作方法，但看到Avalanche Primary Network 本身充當所有子網之間的中介也就不足為奇了。目前有3 條主網鏈上線：X-Chain 用於轉賬，P-Chain 用於Staking，C-Chain 用於EVM 智能合約。生態系統中正在構建其他鍊和子網。此外，與其他平台一樣，還有Avalanche-以太坊橋，它通過受信任的聯盟工作，並且是當今60 個以太坊橋中最常用的橋之一。
治理
治理
Cosmos 有一個用於更改共識參數和協調資金的鏈上機制。
Polkadot 的整個運行時邏輯作為Web Assembly（WASM）二進製文件存儲在鏈上，允許無分叉運行時升級，這意味著決策是根據公投結果自主制定的，而不依賴於開發人員或驗證者。治理模塊包括代幣加權投票、輪換委員會、時間鎖定代幣投票、自適應法定人數偏差機制。
Avalanche 的某些參數可通過鏈上投票進行升級。基於其獨特共識的擴展治理機制正在開發中。
可開發性
所有區塊鏈的核心都具有以下組件：數據庫、p2p 網絡、共識機制、事務處理機制和狀態轉換功能（運行時或虛擬機）。 Cosmos、Polkadot、Avalanche 提供了這些核心組件，並讓開發人員構建他們自定義的狀態轉換函數。
Cosmos 提供Cosmos SDK 和Tendermint 中間件，允許使用任何語言對交易進行編程。您可以構建自己的虛擬機並發展自己的驗證者社區。為了讓您的鏈上線，您需要從頭開始建立一個驗證者社區，並吸引現有鏈中的驗證者社區。您還可以在EVM 兼容鏈（Ethermint 或CosmWasm）上部署智能合約。
Polkadot 提供了一個基於Wasm 的元協議和Substrate 開發工具包。您可以使用提供的模塊（例如帳戶、資產、治理、EVM 和構建自定義模塊）開發自己的虛擬機。您還可以從Substrate 的鏈上調度、鏈下工作人員和無費交易的自由執行模型中受益。您在平行鏈拍賣中贏得一個插槽後，您的鏈就會上線，這提供了中繼鏈的繼承安全性。或者，您可以發展自己的驗證者社區。您還可以在EVM 兼容鏈（Moonbeam、Acala）上部署智能合約或使用Ink 智能合約。
Avalanche 提供Avalanche 虛擬機(AVM)，您可以在其中克隆和自定義實例或構建一個全新的實例作為您自己的虛擬機（用於VM 開發的模塊化SDK 尚未發布）。為了讓你的鏈上線，你需要啟動一個子網並吸引驗證者——他們已經驗證了主網絡——來運行你的鏈。有一個子網evm 代碼可用於啟動自定義EVM 鏈。您可以在兼容EVM 的C-chain上部署智能合約。
Cosmos 生態系統
Cosmos 生態系統具有分佈式網絡拓撲結構，不同用途的不同區塊鏈有自己的驗證者集，這些鏈在需要時通過橋接器相互通信。這種拓撲被批評為最不安全的鏈決定了其安全性（當最安全的鏈從最不安全的鏈接受資產時，它變得不那麼安全）。然而，它也使整個網絡具有彈性，因為沒有一條單獨的鏈的安全性對整個生態系統的生存至關重要。但是，Cosmos 生態系統與幾乎任何連接其他鏈的區塊鏈有何不同？ Cosmos 有“無附加條件”政策，允許Binance DEX、Oasis、Terra、Nym 等項目使用Tendermint 開發和啟動他們自己的特定應用區塊鏈。
鏈間通信(IBC) 協議連接Cosmos 生態系統中的區塊鏈（參見Zones地圖上的28 條互連鏈）。隨著鏈實施IBC 協議，它們相互連接，整個Cosmos 生態系統的流動性增加。 IBC 幾乎遵循區塊鏈橋的工作方式。當您將資產從一條鏈發送到另一條鏈時，i）您將它們鎖定在源鏈中，ii）然後監控鏈的第三方（可能是聯合中繼器）拿起收據並交付到目標鏈， iii ) 接收鏈驗證收據並為您提供源鏈中資產的表示。在Cosmos 生態系統中，實施IBC 的鏈具有Tendermint 輕客戶端驗證器，以便它們可以在通信中使用和驗證這些收據。此外，IBC 是一種通用協議，可以在不同的區塊鏈架構中實現（Substrate 有IBC 實現）。此外，新的IBC 版本將具有共享的安全方案（有關更多信息，請參閱Billy Rennekamps 的
演講
Polkadot 繼承的安全拓撲
隨著平行鏈社區的發展，它們可能還希望擁有自己的驗證器集，以便它們可以成為向其他鏈出租安全保障的中繼鏈。儘管嵌套的安全共享機制可能會變得複雜，但所有子平行鏈將共享共同的最終性保證，並且每秒狀態轉換的總數會增加，從而擴大整個Polkadot 網絡的總計算吞吐量。
應用
應用
Avalanche 的重疊網絡拓撲
Avalanche 具有重疊的網絡拓撲。每個Avalanche 驗證器節點都必須保護主網絡，同時保護其他子網。一組驗證器形成一個子網。一個子網可以驗證多個區塊鏈，而每個區塊鏈僅由一個子網驗證。換句話說，驗證者節點可能是許多子網的成員。當您啟動一條新鏈時，您必須提供激勵措施來吸引驗證者子網，這些驗證者已經在運行主網絡並且可能正在運行其他鏈。如果您的鏈正在吸引新的驗證者，那麼他們必須能夠運行主網絡以及運行您的鏈的子網。總體而言，子網架構支持驗證器的重疊網絡（見上圖），這源於新穎的Avalanche 共識機制。由於Avalanche 共識在其驗證節點之間進行重複子採樣，因此它不需要所有節點而是需要一小部分節點相互通信，這導致網絡中的消息傳遞複雜性較低。因此，即使網絡增長到數千個驗證者，每個節點的帶寬和處理能力要求也保持不變。因此，在驗證者參與方面，基於Avalanche 構建的鏈比Polkadot 和Cosmos 更具包容性，因為每條鏈的參與是無限的。驗證器可以運行多少條鏈取決於鏈運行時/虛擬機設計的複雜性，目前仍然是一個懸而未決的問題。
異構區塊鍊網絡Cosmos、Polkadot、Avalanche 為其核心基礎設施創新提供了廣闊的設計空間。時至今日，以太坊一直是加密經濟創新的發源地。事實上，建立在這些新網絡上的團隊最初創建了以太坊上存在的東西的美化版本（去中心化交易所、自動做市商（AMM）、借貸、穩定幣、聚合器、保險、NFT 平台等），但也有一些項目發現了新的通過利用這些新的基礎設施的用例。
結論
結論
在Cosmos 網絡上，Osmosis 將交易隱私（使用閾值解密交易以防止搶先交易）與跨鏈AMM 功能相結合，並實施了IBC 以與其他鏈橋接。 Celestia 對區塊數據進行編碼以提高輕客戶端的安全性，這是在分佈式鏈生態系統中實現自治鍊及其不同安全級別之間鏈互操作性的關鍵組成部分。 Regen 使加密經濟平台能夠激勵再生農業，並利用來自傳感器和衛星的數據以及審計生態系統。 Nym 啟用了mixnet，它可以防止能夠監視整個網絡的對手進行網絡流量分析。 Nym 使用Tendermint 和Cosmwasm 智能合約來控制目錄服務、節點綁定和委託mixnet 質押。 Penumbra 支持保護隱私的跨鍊網絡交易。 Tendermint 也被Binance DEX 和Terra 等大型項目使用。當這些獨立的區塊鍊網絡開始通過IBC 進行互操作時，將釋放更大的價值。
在Polkadot 網絡上，Acala 平行鍊是一個DeFi 中心，提供從AMM 到向穩定幣借貸的功能。 Moonbeam 是一個兼容EVM 的智能合約鏈。 Subsocial 正在構建一個去中心化的社交網絡平台。 Robonomics 正在構建自主機器人服務。 Bit Country 是一個為您的社區啟動虛擬世界/元宇宙的平台。 Integritee 和Phala 使用可信執行環境(TEE) 來實現去中心化機密計算和加密數據存儲。 Polkadot 的開發框架Substrate 也被獨立使用（不是作為平行鏈）來運行諸如Compound Gateway 之類的區塊鏈。雖然所有平行鏈在設計上都與Polkadot 的跨鏈生態系統兼容，但它們確實應該利用Substrate 框架令人難以置信的可組合性、內存效率和自動升級元協議治理功能來實現新的用例。
結論
