淺析以太坊2.0、Polkadot、Cosmos 與NEAR 等Layer 1 擴容方案異同


以太坊2.0 等Layer 1 方案都能在可擴展性上指數級提升,但分片化生態系統的挑戰在於它們打破了可組成性。

原文標題:《熱點丨以太坊2.0 與其它Layer1 擴容方案有何異同? 》
撰文:Mika Honkasalo
翻譯:李翰博

摘要

  • 大多數下一代區塊鏈的layer1 以並行架構進行擴展,把交易處理分配給不同的節點
  • 根據如何處理跨分片通信的安全性,這被稱為分片互操作性。
  • 分片化生態系統的挑戰在於它們打破了可組成性–除非智能合約部署在同一個分片或區塊鏈上,否則它們無法同步地相互調用

大多數著名的下一代區塊鏈項目都計劃採用並行化的擴展架構進行擴展。 對於Ethereum 2.0 和NEAR 的情況,被稱作分片,而對於Polkadot 和Cosmos 的情況,它更經常被稱為區塊鏈之間的互操作性。

從自上而下的角度來看,這些解決方案中的每一個看起來都很相似。 交易用不同的驗證器集進行處理,不同環境之間有一些類似的通信方法。 這對於Ethereum 2.0 上的分片和Cosmos 上的特定應用鍊是一樣的。

設計中的一些權衡

共享安全vs. 主權: 其中每個節點都從全局的驗證器集中獲得安全性,或者對自己的安全性負責。

異質性vs. 同質性:其中每個連接的分片都和其他分片一樣,或者連接的鏈可以有不同的屬性(例如不同的共識機製或支持的編程語言)。

Ethereum 2.0

Ethereum 2.0 的分片基於簡單的目標,即在分片之間劃分交易處理和存儲需求。 在當前版本的Ethereum 中,每個節點都需要驗證所有交易並存儲Ethereum 的所有歷史信息。

在實踐中,這意味著從Ethereum 2.0 上作為驗證者的Proof-of-Stake 節點中,有一個子集被分配給一個分片。 一個領導者會被隨機選出,承擔類似於比特幣工作證明中獲勝礦工的角色–打包一個區塊,同時由其他驗證者組成的委員會證明該區塊的有效性

一旦委員會證明了一個區塊的有效性,它就可以被納入「主鏈」(Beacon Chain)。 這個證明就會被存儲在Beacon Chain 中,而不是存儲分片的全部交易歷史。

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委員會會創建分片區塊的時間框架,稱為「slot」。 32 個slot 形成一個「epoch」,之後委員會解散,並以新的參與者重新組建分片。 每個epoch 的第一個slot 是一個檢查點,之前的區塊可以在這裡實現最終確定。 epoch 每6.4 分鐘循環一次。

拆分驗證器似乎會產生一個明顯的安全問題。 例如,如果有64 個分片,全局驗證器集就會被分割成至少64 個委員會–可能會使每個分片的驗證器相對較少。 此外,單個分片上的交易數據的損壞可能會產生巨大的後果。 如果其他分片建立在虛假的交易基礎上,整個系統就會被破壞。

解決方案是隨機抽樣和定期輪換驗證者

每個分片委員會至少要有128 個成員,如果你從全球隨機選擇驗證者,被挑選者的分佈遵循二項式分佈。 例如,如果您假設從全球貢獻者(ETH 2.0 token 持有者)池中選出150 名成員,且誠實度為75%,那麼該分片也誠實的概率為99.999999998%。

不頻繁的隨機抽樣會存在一個新的攻擊方法,即驗證者知道他們在給定的時間段內處於哪個分片上,並可以開始賄賂同一分片上的其他委員會成員。 而抽樣是有開銷的,因為每次驗證者被選入一個新的分片時,他們需要下載整個分片的數據。

Polkadot

Ethereum 2.0 通過共享安全,ETH 持有者在有著同樣分片的情況下對交易進行驗證。Polkadot 也實現了共享安全,但採用不同分片,允許每個分片有自己的token 和治理規則

通常情況下,這些分片或併行的鏈建立在Substrate (一種區塊鏈開發框架)上。 如果一條鏈決定連接到中繼鏈,DOT 持有者就會成為平行鏈的安全提供者。 如果某條鏈想成為Polkadot 共識的一部分,他們必須通過拍賣租賃一個平行鏈插槽。

Polkadot 使用了一種名為Nominated Proof-of-Stake (NPoS)的變體。 提名者是DOT 持有人,他們為驗證者投票。 目前,該網絡在啟動階段正在將驗證者的規模從20 人擴大到100 人。

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連接到中繼鏈的每個平行鏈都有collat​​ors,他們運行平行鏈的一個完整節點,並將其交易打包成區塊。 然後,這些區塊被提交給中繼鏈上的驗證者,這些驗證者已經被分配到一個給定的平行鏈。與Ethereum 2.0 類似,這些驗證者會定期隨機輪換到新的平行鏈上

如何激勵這些驗證者由平行鏈決定–例如,給定平行鏈的驗證者可以通過給予平行鏈的原生token 來激勵。 Collat​​ors 為平行鏈的驗證者提供最新狀態轉換的Merkle 樹–區塊鏈中給定區塊的種類摘要和唯一指紋。 然後,中繼鏈驗證者會檢查該區塊是否遵循了平行鏈的狀態轉換規則。

需要注意的是,Polkadot 並不保證狀態有效,只是檢查狀態轉換。 在實踐中,這意味著當一個平行鏈加入Polkadot 的共識時,它之前的狀態被認為是有效的。

一旦分配給平行鏈的驗證者達成共識,認為狀態轉換是有效的,他們就會構建一個「候選收據」,並最終包含在中繼鏈的狀態中。 在中繼鏈上,一個最終確定的區塊的預計時間是12-60 秒。Polkadot 還在研究一種跨鏈消息傳遞協議,它可以讓平行鏈之間不通過中繼鏈進行通信

與Ethereum 相比,給予平行鏈負責自己的token 的權利帶來的一個不同之處是,平行鏈上的交易費用是可以定制的。 平行鏈可以在系統內自行選擇費用,而中繼鏈的安全和資源是通過拍賣機制來支付的。

Cosmos

與Polkadot 和Ethereum 相比,Cosmos 採取了「lightest」的跨鏈通信方式,將自身的安全性從整個系統的安全性中分割開來。Cosmos Hubs 只對連接的區塊鏈之間的消息進行驗證

Cosmos SDK 是一個用於構建特定應用區塊鏈(或區域)的框架,這些區塊鏈可與Cosmos 生態系統的其餘部分互操作。

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連接到Cosmos Hubs 的特定應用區塊鏈(通過IBC 協議)被設計為保持其完全主權。 設計目標是,主權增加了token 持有人對其協議的決定權力。 如果發現了一個bug 或者需要一個新的功能,可以不用說服另一條鏈token 持有者就可以引入。

例如,如果MakerDAO 今天被黑客攻擊,MKR 持有者將不得不說服ETH 所有者分叉區塊鏈。 與MakerDAO 是自己的區塊鏈相比,這樣做的門檻要高得多。

Cosmos 的特別之處在於增加了開發者的靈活性–他們可以完全控制自己想要的虛擬機、共識機製或治理方法。 Cosmos 所需要的只是一個輕客戶端證明。

然而,Cosmos 模式要求市場在處理失敗的風險方面承擔更大的作用。 例如,一個快速確認版本的錨定token 可能與同一token 的慢速版本有不同的價格。從本質上講,安全性可以被定價為資產,而不是區塊鏈的設計

NEAR Protocol

NEAR 協議的分片設計(Nightshade)與Ethereum 2.0 一樣,具有核心屬性。 NEAR 持有者負責所有分片的安全,這些分片是同質的。兩者的主要區別是Near 取消了beacon chain

NEAR 沒有一條主鏈,而是有一個包含區塊的單鏈,承載所有已經發生的交易。 然而,從物理上講,每個驗證者只維護他們驗證交易的一個分片(「塊」)所對應的狀態。

一個塊中的交易被分配在不同的chunk。 區塊本身只包含這些chunks。 與Polkadot 和Ethereum 2.0 中的主鍊和分片鏈有兩個獨立的共識進程運行不同,NEAR 只有一個共識進程來維護鏈

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這是由驗證者同時被分配到區塊生產和一些子集的分片中來實現的。 在這些分片中,驗證者輪流生產塊。 然後,每個區塊生產者等待區塊生產者將區塊的糾刪碼版本發送給他們–然後這些區塊被用來創建下一個區塊。

NEAR 在具有接收事務的合約之間保持快速的跨分片調用。 當一個交易影響到另一個chunk 的狀態時,會向區塊鏈發送一個收據。 每個chunk 觀察最近的區塊和指定給它們的收據,並在自己的交易中應用這些收據。

問題是,NEAR 以某種方式必須確保收據被各分塊實際應用–否則,一個分塊會執行一個交易並將其包含在一個chunk 中,但另一個chunk 不會。 這將導致該chunk 破壞鏈的其他部分。

為了打擊無效chunk 的產生,NEAR 使用了一個漁夫系統,在這個系統中,有一個挑戰期,任何人都可以對一個chunk 發布挑戰。 在這期間,任何誠實的驗證者都可以提供一個證明,證明某個chunk 是無效的。 然後,該證明會被下一個區塊的區塊生產者驗證,不誠實的區塊生產者的NEAR 會被部分罰沒。在這種情況下,整個NEAR 區塊鏈會被回變到最新的有效狀態

NEAR 的權衡是,目前的設計最多可以處理約200 個驗證者,而Ethereum 可以讓任何擁有32 個ETH 的用戶作為驗證者(數百萬個驗證者)。 這是因為Chunk 生產者和區塊生產者之間的不斷通信要求(目標是區塊時間在2-3 秒之間)。

不過,NEAR 的分片設計的主要優勢在於,相比Ethereum 2.0 和Polkadot,NEAR 的分片設計相對容易實現。

結論

對分片或類似區塊鏈生態系統的擔憂是,它們限制了可組合性。 其無法支持不同合約的交互和以及交易的升級。 經過權衡之後,Cosmos 的跨鏈事務可能是最慢的,而具有同質安全性的分片鍊是最快的。

在有限的可組合性的前提下,像Ethereum 2.0 這樣的分片設計確實提供了潛在的大規模可擴展性。 Ethereum 2.0 將分三個階段推出,其中最後一個階段將啟用智能合約。 然而,第二階段之後,使用Ethereum 作為數據層,通過Optimistic 或ZK Rollup 可以將交易處理能力提高到每秒5 萬筆。

總的來說,這些layer1 構造中的每一個都能在可擴展性上比現在有指數級的提升。 然而,值得注意的是,它們的相似程度也很高。

不同區塊鏈之間有意義的差異可能更多的是與時間有關–即項目何時能夠推出對Ethereum 有競爭力的版本。 今天,大多數項目都建立在Ethereum 上,因為它可用,而且所有的資產和其他開發者都在那裡。

如今,Ethereum 用戶為常見的智能合約交互支付10-50 美元Gas 費,而提供更多交易處理的競賽正在進行,無論是layer1 還是layer2 擴展解決方案,如Optimistic 和ZK Rollup。現有的高Gas 費或許是啟動另一個成功生態系統的最佳機會。 到目前為止,只有比特幣和Ethereum 鏈看到了有意義的推動力。

「無限智能合約能力」論點的一個有趣的例外是,有目的地限制這些能力可能有利於區塊鏈的安全性

成功的應用可以依附區塊鏈的安全性,因為它們除了驗證鏈上交易獲得利潤還能參加其他的項目–例如,通過還原區塊鏈的歷史記錄來進行有利可圖的交易,從而對DEX進行仲裁。 Cosmos 上的特定應用區塊鏈可以消除無權限代碼部署的能力,從而消除這種寄生攻擊載體。

不同區塊鏈應用的架構在最終狀態下是什麼樣的,目前還不清楚。可能是應用與其他應用分開,通過跨鏈協議進行通信,也可能是一些一起使用的應用存在於同一個分片上–而更多不頻繁的通信則留給跨鍊或分片協議。 同一個應用甚至可以將自己分裂到許多分片或區塊鏈上。

來源鏈接:mp.weixin.qq.com

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