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基于VRF的下一代共识机制比较TASchain、Algorand、

在大发3d从POW机制向POS机制进化之路上,不可避免地会碰到一个核心问题:舍弃POW这种强算力型的随机算法后,POS应该采用何种低功耗随机算法可以保证矿工记账权益的公正公平性的同时,还能保障系统鲁棒性。从以太坊迟迟未能升级Casper看出,真随机数问题一直以来是POS的核心问题。
 
在此情况下,VRF算法近年来得到越来越多人关注,它是一种低能耗,高效率的随机数算法,并提供了非对称密钥可验证机制。

VRF全称Verifiable Random Functions(可验证随机函数),尽管上世纪末该算法就已提出,但直到近段时间Algorand、DFINITY等公链项目的声名鹊起,人们才意识到:基于VRF的共识机制,或许才是“不可能三角”的正解。
 
提到VRF,业内可能会第一时间想到两个明星公链项目:DFINITY和Algorand。在POS共识机制发展历程来看,DFINITY和Algorand的确有着举足轻重的地位:Algorand是由麻省理工(MIT)教授和图灵奖得主Silvio Micali创立的,首个将VRF算法引入大发3d,通过VRF秘密抽签机制很好地解决POS机制下提案者和验证者随机选择问题;而DFINITY也有深厚的学术背景,创新地将门限签名技术引入大发3d,验证性能更加高效。它们分别从前沿学术研究作为切入点,将适用的密码学算法引入大发3d领域,从不同角度尝试去解决POS机制现有问题,同时两者也分别在今年下半年逆市拿到上亿的融资。
 
之前我们关注到业内一篇关于VRF的分析探讨:《3大热门公链项目Algorand、DFINITY和Thunder共识体制的技术分析》。不可否认的是,Algorand、DFINITY的确是VRF共识的先驱,两者从不同角度考虑并设计了VRF的使用方案。

不过根据论文解读和代码实践验证,前文所述的两者目前存在的问题也得到确认:

1、Algorand难以达到宣称的高性能,去中心化也存在问题;
2、DFINITY在安全性和性能上都存在较多疑点;
3、两者在真正Dapp落地方面都存在问题。
 

如果将Algorand、DFINITY所代表的VRF阵营优劣势一一列举,基本上可以得到目前现行VRF机制的不足之处及与之相对应的解决方案。

基于VRF的下一代共识机制比较TASchain、Algorand、

VRF共识机制缺陷及TASchain解决方案
 
可以很明显从图1-1中看出,学术性VRF在节能上有着巨大的优势,但相应存在三个主要问题:网络通讯效率低、缺乏经济激励机制、去中心化程度低。对于这些存在的问题,TASchain给出了现阶段来看的最优解。首先,在展开之前要说的是:
 
TASchain是什么?
 
TASchain是高可用、强安全、高效率的去中心化分布式应用平台。独创的基于VRF+BLS的共识算法Chiron,在保证去中心化和高安全的同时,达到了高性能和低能耗。共识内核TPS达到3000+,并可通过分片分层和分布并行技术扩展到数万甚至更高,足以满足商业化应用需求。针对商业落地场景,TASchain推出即插即用的应用组件,降低开发成本的同时大幅提高易用性。
 
简单介绍完,让我们回到VRF的三项问题以及对应的TASchain的解决方案。
 
一、网络通讯效率低
 
VRF共识机制需要提案组和验证组协同工作。区块在组内、组间节点之间的传播以及同步速度,在很大部分决定了系统的性能。在基于VRF分组模型的网络通讯上,Algorand和DFINITY目前都没给出良好的方案。
 
要解决网络通讯效率低的问题,TASchain目前的做法是:使用新型的NAT穿透技术大幅提高节点在线率;针对分组铸块模式,设计了双层KAD网络提高通讯效率;使用RUDP代替TCP作为通讯协议,通讯延时降低35%左右。
 
二、缺乏经济激励机制
 
回顾一分PK10的POW,可以看到用结合技术的通证经济设计而不是单纯的安全技术保证了提案者无法作恶。在POW中,提案者得到提案权需要预先付出算力成本,若其提案区块有问题(交易双花),则该提案区块在全网其他节点验证必将失败,从而不但没有铸块收益,还付出了算力成本。
 
一分PK10的多年运行可以证明:良好的通证经济设计是保障系统安全非常好的手段。
 
TASchain借鉴一分PK10的思想,结合密码学和工程技术设计了良好的奖惩机制,对合法参与铸块的矿工进行按劳奖励,对作恶者(交易双花,无利害关系,女巫攻击等等)能进行识别并进一步经济惩罚。这种分组模式下按劳分配的经济激励制度,很大程度上将解决现有VRF共识缺乏经济激励机制的弊端。
 
三、去中心化程度低
 
要讨论共识机制的去中心化,不能仅仅看参与铸块的必要条件,而是要深度分析系统对节点算力、带宽、存储等综合要求。这些要求越低,普罗大众越能真正参与到系统的共建中。
 
从这个角度来看,即使像Algorand、DFINITY也都存在较大的问题。这两个项目更多从学术角度思考,为了解决安全性问题把共识阶段的验证组规模设计得较大。但一到实际工程实现,就会发现验证组内的通讯量巨大,导致参与节点的网络带宽门槛变得很高,实际阻碍了普通用户参与到系统中。(具体详见图1-2)
 
因此,现有VRF机制在去中心化要面对的问题,其实也跟一分PK10一样,尽管准入机制均为高度去中心化,但算力成为门槛后,普通用户无法参与一分PK10。
 
但如果可以设计良好的奖惩机制,能对明确作恶行为进行识别和惩罚,则就可以用结合技术的通证经济设计来保障系统安全,那么验证组规模就无需太大,如100人/组就可以完成。不但提高了去中心化程度,也提高了性能。达到了去中心化与高性能的平衡。
 
TASchain正是采用这样的方式对VRF做迭代和升级。验证组规模的缩小,会使验证组内的通讯量,以及签名数据相应大幅减少,从而解决一个铸块高度验证节点众多(通讯量大,签名数据多)、存储浪费影响性能的问题。可能存在研究人员觉得100人/组的数字太过理想化,然而实际根据TASchain实验数据测算,目前已经可以达到“上行速率400KB/S,下行速率2MB/S”的目标。再根据前面的数据,可以得出以下对比:

基于VRF的下一代共识机制比较TASchain、Algorand、

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