Jump Crypto：詳解五大多鏈架構的特點與優劣勢

链捕手

特邀专栏作者

2022-06-02 11:30

本文約10495字，閱讀全文需要約15分鐘

本文研究了五個獨立的多鏈架構：Polkadot、Cosmos、Avalanche、Polygon Supernets和Binance BAS。

AI總結

展開

本文研究了五個獨立的多鏈架構：Polkadot、Cosmos、Avalanche、Polygon Supernets和Binance BAS。

原文標題：《Flavors of Standalone Multichain Architecture》

原文編譯：郭倩雯，鏈捕手

概述

原文標題：《

原文編譯：郭倩雯，鏈捕手

概述

長期以來，可擴展性一直是該領域廣泛討論的話題。圍繞單片式區塊鏈與模塊化區塊鏈、橫向與縱向擴展的討論長期以來一直是社群交流的重點。

一種流行觀點因此應運而生—— 為特定應用程序或用例建立專門的執行環境或者甚至是最終性（即finality，指區塊鏈上的交易達到了交易狀態確認的狀態）工具。這種想法具體指，基於每個產品、每個應用程序的安全和速度需求，對共識和計算進行分離與優化，這在理論上可以減輕單一底層區塊鏈的負載並提升其性能。但這種方法長期受制於一點：這種架構下確保互操作性所需的基礎設施是極其複雜的。

在過去的幾年裡，我們通過不同的方式應對這些挑戰，取得重大進展。更重要的是，在過去幾個月裡，幾個獨立多鏈環境的通信層已上線，這些通信層可以說是這塊「拼圖」中最重要的一塊。同時，在過去幾週，更多的L1/L2 區塊鏈宣布調整架構，為特定應用的區塊鏈提供開箱即用的基礎設施，再一次重新激發了相關討論。

在這篇文章中，我們詳細研究了為追求這一願景而開發的各種形式的架構，並比較了它們在共享共識、容量和互操作性方面的取捨。具體來說，我們研究了五個獨立的多鏈架構：Polkadot、Cosmos、Avalanche、Polygon Supernets 和Binance BAS。

注：該文章主要關注獨立多鏈基礎設施，在此特定應用的區塊鏈會共享驗證者組或共識算法。

比較標準

獨立多鏈生態系統的連接程度各有不同，低至共享開發者工具包，高至共享驗證者集、最終性工具和狀態。客觀來說，每種方法各有優勢，但都對共享安全的維護和速度/ 能力進行了一定程度的優化。

在這篇文章中，我們通過五個關鍵參數來比較這些生態系統。

1. 共識

所有的生態系統都滿足了關於女巫攻擊防禦、最終性實現時間等基本要求，因此本質上並沒有最優共識機制。然而，值得比較的是：1）共識模型的具體類型，2）每個鏈的共享或獨立的共識機制，3）共享或獨立的代幣激勵。鏈可能採用相同的共識機制（如Tendermint BFT），但每個鏈的驗證者受自己獨立的代幣激勵，反之亦然，這些情況取決於生態系統的參數情況。共享的共識機制和代幣激勵意味著基礎層能提供更大安全保障，而選擇獨立則意味著更大的設計靈活性。

在這些生態系統中，一些鏈保持著某種形式的獨立狀態，一些鏈則是在整體水平上達到最終性的。這提供了1) 更大的安全性和2) 更綜合的互操作性。然而，這也帶來在容量限制上的取捨，如果模塊化區塊鏈的數量超過一定數量，達到最終性的過程將大大減慢。

5. 速度和容量

3. 共享驗證者組/ 節點自主權

這篇文章所涉及的大多數項目都採用了「銷毀銷毀+ 鑄造」或「鎖定+ 鑄造」的橋接架構。這些系統的區別在於：1）路由，即消息和代幣是否通過具有某種全局狀態觀察狀態的單一驗證者組進行，或每條路由是否是獨立的；2）這些獲取鏈路的驗證者組是否由生態系統分享，還是外包給第三方機構。生態系統越接近獨立路由和第三方驗證者外包的狀態，我們就越不推薦選擇這個底層生態系統進行新鏈發布，不如直接與通用目的第三方橋連接，進行獨立發布。

概述

5. 速度和容量

速度和容量在很大程度上是上述設計選擇的表徵，可以通過到達終點態的時間和一個生態系統可支持的最大鍊數來衡量。例如，具有共享最終性和單一全局狀態的結構只能容納一定數量的鏈，因此到最終性的時間就會大大減慢，這是為了獲取更大安全保障做出的取捨。

I. Polkadot 平行鏈

Polkadot 在該領域出現較早，建立的目的是為了支持共享單一全局狀態的特定應用區塊鏈。在Polkadot 架構下，特定應用區塊鏈（平行鏈）與底層區塊鏈（稱為中繼鏈）共享計算和共識資源，其主要功能是維護一個統一的全局狀態。

驗證者：

共識、最終性和驗證者組

Polkadot 在中繼鏈層面上運行提議的權益證明共識。在這種架構下，有三種類型的節點。

提名者選擇值得信賴的驗證者，並將自己的一些DOT 抵押給他們。他們分享驗證者的獎勵，但如果驗證者從事惡意活動，他們也會被處罰(slash)。

驗證者：

中繼鏈上的驗證者參與區塊生產和共識。不同於獨立的單體區塊鏈，中繼鏈驗證者必須就多條個鏈的狀態與單獨交易達成共識。

校對者：

校對者收集在特定平行鏈上的交易，並向中繼鏈驗證者提出一個候選交易塊和一個狀態轉換證明。每個校對者在中繼鍊和其工作的平行鏈上各保持一個節點。他們在自己的平行鏈上積累交易，創建未密封的區塊，將其與狀態轉換證明一起提供給一個或多個中繼鏈驗證者。在中繼鏈驗證者達成共識之前，該區塊都不算達到最終性。

區塊生產機制：BABE（Blind Assignment for Block Extension）區塊延伸隨機分配製

互操作性

基於質押的價值大小與Polkadot 的隨機循環，驗證者被選擇來為6 秒的插槽（slot）下單和生產區塊。在這種隨機選擇下，最終每個插槽可能有一個、多個或零個區塊生產候選人。當多位驗證者被選入同一槽時，區塊生產轉為競賽。在沒有驗證者被選中的情況下，會進行二次循環選擇。一旦一個區塊被生產出來，該消息就會被傳輸給其他驗證者。

終局性工具：GRANDPA (GHOST-based Recursive ANcestor Deriving Prefix Agreement) 基於GOSHT 的遞歸ANcestor 衍生前綴協議
最終，Polkadot 採取了最高安全性的共識方式，同時為平行鏈提供了一定的靈活性。每個平行鏈可以在鏈級「共識」上做出設計，向中繼鏈提出區塊，但是最終性只在Polkadot 中繼鏈上實現，由一組驗證者保證，他們必須質押DOT 代幣進行參與。 Polkadot 有大約100 個活躍的驗證者（最多1000 個），每個驗證者最多有256 個提名者。它的共享驗證者集犧牲了一些設計靈活性，以確保平行鏈項目有更高的安全保障。中繼鏈層面上的集中共識能提供更高共享安全保障，但也會犧牲一部分性能：平行鏈數量是固定的，在這個數量之後，到最終性的時間會大幅度減緩。
互操作性

互操作性

在此架構下，這些組件，特別是中繼鏈，通過Polkadot 特有的通信標準XCM 相互通信。
在宏觀上，Polkadot 跨鏈信息傳遞系統中的所有消息都會通過中繼鏈傳輸，從而延續其安全性。有兩種類型的消息可以被傳遞：
向上傳遞的消息（UMP）：從一個平行鏈到中繼鏈的消息
下行傳遞的消息（DMP）：從中繼鏈到其中一個平行鏈的消息。

進入平行鏈的信息被稱為入口（ingress），而出去的信息被稱為出口(egress)。

下面是一條消息從平行鏈A 傳到平行鏈B 的過程：

入口信息被添加到平行鏈B 的處理隊列中，並將在下一個區塊提案中被傳遞給驗證者節點。

II. Cosmos

概述

在資產轉移的過程中，基礎資產在A 區塊鏈上被銷毀，並在B 區塊鏈上重新發行。

鑑於所有消息都要經過觀察全局狀態的單一驗證者（與Polkadot 中繼鏈共享），且所有鏈都建立在相同的標准上，這就使「銷毀+ 鑄造」模型高效進行。 Polkadot 的互操層是該領域中最有效和最安全的層級之一。因此推薦選擇在它的生態系統內建立項目，因為可以使用XCM 與現有的平行鏈無縫連接，並藉用這些網絡效應進行啟動。

擁有更高共享安全保障的代價是：在平行鏈數量達到一定值後，到最終性的時間會受到大幅減緩。在Polkadot 中，平行鏈估計約為100 個，是付租金使用的，目的就是減小這一限制的影響。項目可以在社區的支持下，通過DOT 質押競標平行鏈的使用名額，一旦名額過期，他們必須與其他參與者重新競標以保留名額。這對擁有最多活動和社區支持的項目來說是一種默認的管理機制，部分地規避了容量限制問題，但這也意味著，新項目加入這個生態系統的門檻相對較高。

概述

共識、最終性和驗證者集

互操作性

在Cosmos 生態系統中，不同於Polkadot，每個特定應用的區塊鏈都保持自己的獨立狀態，在每個區塊上達到獨立的最終性。通過Cosmos SDK，開發人員只需要定義狀態機（即應用程序），並可依靠Cosmos 的Tendermint 核心（一個共享的軟件層），以推動共識和網絡連接。 Tendermint 運行的是基於BFT 的共識算法，每個獨立區的驗證者可以利用該算法來促進狀態轉換和維護獨立的狀態。在每個區塊鏈/ 區中，每個紀元都會隨機選擇一個驗證者來提出下一個區塊；如果超過2/3 的驗證者證明其有效性，則該區塊可被認為是有效的。驗證者集合和具體的激勵設計可以在狀態機/ 應用層面上定義。

Tendermint 是共享軟件層，每個區塊鏈/ 區必須通過一個名為ABCI（應用區塊鏈接口）的專用接口與之連接。來自各個區的交易通過ABCI 作為交易字節傳遞給Tendermint 核心，驗證者對這些字節進行最終性排序，並通過ABCI 向狀態機傳回代碼，證明這些交易的有效性。

總的來說，Cosmos 選擇了一個與Polkadot 稍有不同的權衡方式，即鏈共享共識機制，但各自保持獨立狀態，不強制要求由相同的驗證者集和激勵機制來進行保障。共享共識提供了一定程度的安全性，而獨立定義激勵機制和保持獨立狀態為每個項目提供了設計的靈活性。標準化的共識也導致了更多的驗證者重迭，加上驗證者本身的龐大分佈，這也增加了共享的安全性，儘管程度不如Polkadot。 Cosmos 在2021 年底開始進行準備工作，為的是引入共享/ 鏈間安全。在這個擬議的框架下，單鏈將能夠從Cosmos 中心借用/ 共享安全保障。驗證者將能夠運行兩個節點，一個在中心上，一個在區上，並從參與兩個節點的共識中獲得費用和獎勵。在中心上抵押的代幣將作為兩地誠信共識的共享抵押品，其中任何一方的惡意活動都會導致兩方被「砍」(slash: 一般指質押品被移走)，這將增加新鏈可用的共享安全保障。

鑑於每個區都有主權並保持獨立的狀態，區與區之間的交流變得越來越重要。 Cosmost 通過中心（作為路由連接各區）對與中心相連的區的狀態進行觀察。 Cosmos Hub 是Cosmos 生態系統中的第一個中心，大多數早期的高價值區都與之相連。通過Cosmos Hub，被連接的區可以相互交流信。進行信息交流的具體架構稱為區塊鏈間通信（Inter-Blockchain Communication），或簡稱IBC。 IBC 客戶端是輕型客戶端，它跟踪各個鏈的共識狀態和必要證明，以此根據客戶端的共識狀態正確驗證證明。

III. Avalanche subnets

概述

在IBC 架構下，從代幣傳輸開始時，每個鏈就會收到來自對方的頭部信息，以此追踪對方的驗證者集。然後，源鏈上的發送地址發送一個硬幣數據包，由中心記錄。中心驗證者必須對交易的有效性達成共識，並將這些代幣鎖定在源鏈上的合約中。之後中心在目的地發布證明，提議在目的地鏈上鑄造這些鎖定資產的包裝代幣。目的地鏈上的驗證者之後將證明與源鏈頭部進行匹配，隨後在下一區塊中批准這一功能，以便在目的地鏈上鑄造被包裝的資產。如果上述動作沒有發生，源鏈上的鎖定資產就會被退回到發送者地址。被包裹的資產代表隨後通過中心在目的鏈上被銷毀銷毀，使源鏈上的基礎資產能被解鎖。

在Cosmos 中，路由是由一個單一且充分分佈的驗證者集來管理的，該驗證者觀察所有區塊鏈的狀態，且這些驗證者大部分是與區塊鏈共享的，因此它能夠圍繞跨區消息傳遞提供足夠的安全保障。這也為在Cosmos 生態系統內進行建設提供了充分理由，因為故障點集中且充分去中心化。

由於最終性沒有集中到一個單一的鏈上，Cosmos 在理論上能擁有無限多的區和中心。因此，不同於Polkadot，它用新項目建立新鍊是毫無困難的。這裡的取捨是將一些安全保障卸載給區（讓區自行設計激勵機制和吸引驗證者），以換取更大的設計靈活性和更高的容量，來容納更多的個人區塊鏈。

概述

Avalanche 是一個由多組節點（稱為子網）驗證的區塊鏈生態系統。子網可以自由選擇自己的共識機制，包括Avalanche 新穎的基於重複隨機子採樣的共識變體。子網內的每個區塊鏈共享計算和共識資源，但最終保持自己的狀態，不存在全局共享狀態。

共識、最終性和驗證者集

為了更好了解它的架構，我們必須了解3 個關鍵部分：

Avalanche 式共識

指的是重複的隨機子抽樣。 Avalanche 共識是建立在雪球算法上的，該算法利用重複的隨機子抽樣來實現共識。在這個系統下，每個節點隨機詢問k 數量的相鄰節點，以確定一項交易是否正確。這個過程不斷重複，直到達到一定的預設法定人數x，並且節點在很高的置信度範圍內（至少是比特幣的哈希碰撞概率），最終網絡對交易的有效性達成一致。

Snowman 和Avalanche 是Avalanche 生態系統中兩個主要的基於PoS 的共識模型，使用重複的隨機子抽樣。兩者之間的區別是，Avalanche 採用DAG（有向無環圖）架構，而Snowman 是為線性區塊鏈建立的。基於DAG 的系統與線性區塊鏈的關鍵區別在於，線性區塊鏈的最終性是有序的，而在基於DAG 的系統中，它的狀態更接近於具有無序最終性的交易網。 Avalanche 生態系統內的區塊鏈可以選擇使用兩者中的一種共識模型，也可以採用他們自己的模型。

子網（Subnet）
子網是驗證者的集合，可以在Avalanche 框架內的一些區塊鏈上提供共識。每個區塊鏈都有一個子網，但每個子網可以驗證多個區塊鏈。因為每個區塊鏈都是獨立驗證的，全局狀態在區塊鏈之間是非線性的，所以區塊鏈間沒有共享安全。
虛擬機（VM）

虛擬機決定了區塊鏈的應用級邏輯。 Avalanche 希望給每條區塊鏈提供一系列操作代碼，供其選擇，來處理和轉換狀態等，而不是只提供一套操作碼。目前的選項包括子網EVM（為子網構建的EthereumVM）、AvalancheVM（DAG 鏈）、SpacesVM（一個鑰：值存儲虛擬機）和BlobVM（二進制數據存儲虛擬機）。除此之外，項目可以自由實施自己的自定義虛擬機。

Avalanche 架構能實現的前提是這三個組件適合於一個模塊化的框架，可以隨著子網/ 驗證者的增長而超線性地擴展。

X 鏈：基於雪崩共識的DAG 型區塊鏈，用於交換資產。

互操作性

C 鏈：基於雪人共識的線性區塊鏈，運行EVM，用於通用智能合約。

這些驗證者的各種排列組合隨後可以形成子網，驗證增量參與的區塊鏈。

上述情況對於如今擁有約1450 個驗證者的默認子網來說是成立的，當然向新子網的轉換還有待觀察。簡而言之，Avalanche 所做的取捨就是把安全保障更大程度地裝載到每個子網上去，以換取更大的靈活性。

互操作性

不同子網間的跨鏈轉移：不同的子網之間的跨鏈傳輸比較具有挑戰性，因為驗證者集不再相同。在這種情況下，與第三方中繼器的外部橋接變得很重要。目前的Avalanche 架構中有一個模塊可以在多個子網之間部署橋接。每個實例都可以自定義為1）銷毀和鑄幣或2）鎖定和鑄幣。與單子網傳輸不同，這依賴於第三方中繼器來觀察發送鏈上的銷毀或鎖定情況，並將此消息轉發到接收者鏈上以啟動鑄幣。下面是橋接WAGMI 和富士子網的實施實例概述：

IV. Polygon Supernets

概述

在目前的設置下，每一對子網都需要一個獨立橋架，中繼器的閾值可以低至一個，中繼器的執行被外包給Chainsafe。這是一個可以接受的短期解決方案，但從長遠來看，帶有分佈式中繼器網絡的單橋可能更能提升安全。

Avalanche 的子網內信息傳遞與Cosmos 和Polkadot 等相類似，都有一個單一驗證者組，觀察每個鏈上的狀態並促進傳輸。只要這個驗證者集是充分分佈的，就能提供合理的共享安全保障，所以這個架構也是值得推薦的。然而，子網之間的信息傳遞仍待完善，目前還依賴於第三方中繼器，那麼只要第三方橋接器有自己的安全保障，結果就會相對合理。因此，在現有子網內部署是要比直接部署新子網更合適的。

與Cosmos 類似，Avalanche 採取分佈式狀態是為了支持多個獨立的區塊鏈。由於共識機制和驗證者集的靈活性，Avalanche 生態系統中的一些區塊鏈也可根據每個子網中的參與者數量擁有更短的區塊時間；例如，C 鏈到達最終性的時間為2秒，除此之外的所有其他鏈目前都有亞秒級的最終性時間。
概述

共識、最終性和驗證者組

互操作性

有兩種類型的共識可以在超級網中使用：
IBFT PoA（Istanbul BFT Proof of Authority）：Polygon Edge 的默認共識。是固定驗證者集，驗證者可以通過多數（51%）投票增加和/ 或刪除驗證者。共識是由超級多數（2/3）投票達成的。驗證者輪流提出新區塊。更適合於超級網框架下的主權區塊鏈。
超級網架構用MATIC 代幣激勵，有大約200 個驗證者參與共享安全PoS 模塊，提供了強大的共享安全保障。作為交換，項目必須犧牲自行設計激勵機制的靈活性，並使用原生代幣與共識相連。對於專注於建立高性能應用程序的項目來說，他們需要在自行搭建應用和自行搭建計算層之間做出取捨，後者的計算層可被其他應用使用。
互操作性

互操作性

Polygon Edge 框架利用一個名為ChainBridge 的橋接解決方案來促進超級網之間的通信，包括但不限於代幣轉移。與我們在本篇文章前面看到的解決方案類似，以下是代幣轉移過程：

代幣在源鏈上被鎖定或銷毀

如果源鏈代幣被鎖定（或銷毀），用戶可以在目的鏈上返回包裝好的代幣，以解鎖源鏈上的基礎資產。

V. Binance BAS

概述

在Edge 和ChainBridge 的案例中，不同於本文前面的一些解決方案，超級網和橋樑的驗證者不一定相同。

這與獨立多鏈架構中強有力的觀點相反，這種觀點認為鏈級和通信級共識的共享驗證者集導致更少的故障點。也就是說，考慮到Polygon 提供的其他共享安全功能，如果橋接驗證者集充分分佈、擁有恰當激勵，那麼這可能不是一個關鍵因素。

Polygon 做出了一個與速度和安全有關的有趣設計。通過共享驗證者集和共識機制，Polygon 提供了足夠的共享安全保障。同時，通過讓每個超級網維護自己的狀態，它避免了Polkadot 和其他公司所面臨的開銷，理論上可以建立無限數量的超級網。

Binance Application Sidechains（BAS）是BSC 用於特定應用區塊鏈的模塊化框架。 BAS 的初始版本據估計是一系列PoS 側鏈，有3-7 個驗證人，具體數量取決於每個鏈所需的安全級別。 BAS 鍊是這篇文章中所涉及的唯一特定應用區塊鏈，應該既不共享共識，也不共享狀態，每個BAS 都有自己獨立的驗證者集。若想與BSC 進行關聯，可能只能通過供開發者建立側鏈的共享工具包和連接BAS 鏈與BSC 的外部橋樑。