在區(qū)塊鏈從POW機(jī)制向POS機(jī)制進(jìn)化之路上，不可避免地會碰到一個核心問題：舍棄POW這種強(qiáng)算力型的隨機(jī)算法后，POS應(yīng)該采用何種低功耗隨機(jī)算法可以保證礦工記賬權(quán)益的公正公平性的同時，還能保障系統(tǒng)魯棒性。從以太坊遲遲未能升級Casper看出，真隨機(jī)數(shù)問題一直以來是POS的核心問題。
在此情況下，VRF算法近年來得到越來越多人關(guān)注，它是一種低能耗，高效率的隨機(jī)數(shù)算法，并提供了非對稱密鑰可驗證機(jī)制。
VRF全稱Verifiable Random Functions（可驗證隨機(jī)函數(shù)），盡管上世紀(jì)末該算法就已提出，但直到近段時間Algorand、DFINITY等公鏈項目的聲名鵲起，人們才意識到：基于VRF的共識機(jī)制，或許才是“不可能三角”的正解。
提到VRF，業(yè)內(nèi)可能會第一時間想到兩個明星公鏈項目：DFINITY和Algorand。在POS共識機(jī)制發(fā)展歷程來看，DFINITY和Algorand的確有著舉足輕重的地位：Algorand是由麻省理工（MIT）教授和圖靈獎得主Silvio Micali創(chuàng)立的，首個將VRF算法引入?yún)^(qū)塊鏈，通過VRF秘密抽簽機(jī)制很好地解決POS機(jī)制下提案者和驗證者隨機(jī)選擇問題；而DFINITY也有深厚的學(xué)術(shù)背景，創(chuàng)新地將門限簽名技術(shù)引入?yún)^(qū)塊鏈，驗證性能更加高效。它們分別從前沿學(xué)術(shù)研究作為切入點，將適用的密碼學(xué)算法引入?yún)^(qū)塊鏈領(lǐng)域，從不同角度嘗試去解決POS機(jī)制現(xiàn)有問題，同時兩者也分別在今年下半年逆市拿到上億的融資。
之前我們關(guān)注到業(yè)內(nèi)一篇關(guān)于VRF的分析探討：《3大熱門公鏈項目Algorand、DFINITY和Thunder共識體制的技術(shù)分析》。不可否認(rèn)的是，Algorand、DFINITY的確是VRF共識的先驅(qū)，兩者從不同角度考慮并設(shè)計了VRF的使用方案。
不過根據(jù)論文解讀和代碼實踐驗證，前文所述的兩者目前存在的問題也得到確認(rèn)：
1、Algorand難以達(dá)到宣稱的高性能，去中心化也存在問題；
2、DFINITY在安全性和性能上都存在較多疑點；
3、兩者在真正Dapp落地方面都存在問題。
如果將Algorand、DFINITY所代表的VRF陣營優(yōu)劣勢一一列舉，基本上可以得到目前現(xiàn)行VRF機(jī)制的不足之處及與之相對應(yīng)的解決方案。
VRF共識機(jī)制缺陷及TASchain解決方案
可以很明顯從圖1-1中看出，學(xué)術(shù)性VRF在節(jié)能上有著巨大的優(yōu)勢，但相應(yīng)存在三個主要問題：網(wǎng)絡(luò)通訊效率低、缺乏經(jīng)濟(jì)激勵機(jī)制、去中心化程度低。對于這些存在的問題，TASchain給出了現(xiàn)階段來看的最優(yōu)解。首先，在展開之前要說的是：
TASchain是什么？
TASchain是高可用、強(qiáng)安全、高效率的去中心化分布式應(yīng)用平臺。獨創(chuàng)的基于VRF+BLS的共識算法Chiron，在保證去中心化和高安全的同時，達(dá)到了高性能和低能耗。共識內(nèi)核TPS達(dá)到3000+，并可通過分片分層和分布并行技術(shù)擴(kuò)展到數(shù)萬甚至更高，足以滿足商業(yè)化應(yīng)用需求。針對商業(yè)落地場景，TASchain推出即插即用的應(yīng)用組件，降低開發(fā)成本的同時大幅提高易用性。
簡單介紹完，讓我們回到VRF的三項問題以及對應(yīng)的TASchain的解決方案。
一、網(wǎng)絡(luò)通訊效率低
VRF共識機(jī)制需要提案組和驗證組協(xié)同工作。區(qū)塊在組內(nèi)、組間節(jié)點之間的傳播以及同步速度，在很大部分決定了系統(tǒng)的性能。在基于VRF分組模型的網(wǎng)絡(luò)通訊上，Algorand和DFINITY目前都沒給出良好的方案。
要解決網(wǎng)絡(luò)通訊效率低的問題，TASchain目前的做法是：使用新型的NAT穿透技術(shù)大幅提高節(jié)點在線率；針對分組鑄塊模式，設(shè)計了雙層KAD網(wǎng)絡(luò)提高通訊效率；使用RUDP代替TCP作為通訊協(xié)議，通訊延時降低35%左右。
二、缺乏經(jīng)濟(jì)激勵機(jī)制
回顧比特幣的POW，可以看到用結(jié)合技術(shù)的通證經(jīng)濟(jì)設(shè)計而不是單純的安全技術(shù)保證了提案者無法作惡。在POW中，提案者得到提案權(quán)需要預(yù)先付出算力成本，若其提案區(qū)塊有問題（交易雙花），則該提案區(qū)塊在全網(wǎng)其他節(jié)點驗證必將失敗，從而不但沒有鑄塊收益，還付出了算力成本。
比特幣的多年運行可以證明：良好的通證經(jīng)濟(jì)設(shè)計是保障系統(tǒng)安全非常好的手段。
TASchain借鑒比特幣的思想，結(jié)合密碼學(xué)和工程技術(shù)設(shè)計了良好的獎懲機(jī)制，對合法參與鑄塊的礦工進(jìn)行按勞獎勵，對作惡者（交易雙花，無利害關(guān)系，女巫攻擊等等）能進(jìn)行識別并進(jìn)一步經(jīng)濟(jì)懲罰。這種分組模式下按勞分配的經(jīng)濟(jì)激勵制度，很大程度上將解決現(xiàn)有VRF共識缺乏經(jīng)濟(jì)激勵機(jī)制的弊端。
三、去中心化程度低
要討論共識機(jī)制的去中心化，不能僅僅看參與鑄塊的必要條件，而是要深度分析系統(tǒng)對節(jié)點算力、帶寬、存儲等綜合要求。這些要求越低，普羅大眾越能真正參與到系統(tǒng)的共建中。
從這個角度來看，即使像Algorand、DFINITY也都存在較大的問題。這兩個項目更多從學(xué)術(shù)角度思考，為了解決安全性問題把共識階段的驗證組規(guī)模設(shè)計得較大。但一到實際工程實現(xiàn)，就會發(fā)現(xiàn)驗證組內(nèi)的通訊量巨大，導(dǎo)致參與節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)帶寬門檻變得很高，實際阻礙了普通用戶參與到系統(tǒng)中。（具體詳見圖1-2）
因此，現(xiàn)有VRF機(jī)制在去中心化要面對的問題，其實也跟比特幣一樣，盡管準(zhǔn)入機(jī)制均為高度去中心化，但算力成為門檻后，普通用戶無法參與比特幣。
但如果可以設(shè)計良好的獎懲機(jī)制，能對明確作惡行為進(jìn)行識別和懲罰，則就可以用結(jié)合技術(shù)的通證經(jīng)濟(jì)設(shè)計來保障系統(tǒng)安全，那么驗證組規(guī)模就無需太大，如100人/組就可以完成。不但提高了去中心化程度，也提高了性能。達(dá)到了去中心化與高性能的平衡。
TASchain正是采用這樣的方式對VRF做迭代和升級。驗證組規(guī)模的縮小，會使驗證組內(nèi)的通訊量，以及簽名數(shù)據(jù)相應(yīng)大幅減少，從而解決一個鑄塊高度驗證節(jié)點眾多（通訊量大，簽名數(shù)據(jù)多）、存儲浪費影響性能的問題。可能存在研究人員覺得100人/組的數(shù)字太過理想化，然而實際根據(jù)TASchain實驗數(shù)據(jù)測算，目前已經(jīng)可以達(dá)到“上行速率400KB/S，下行速率2MB/S”的目標(biāo)。再根據(jù)前面的數(shù)據(jù)，可以得出以下對比：
通過圖表看出，其實普通家庭寬帶就可以滿足TASchain的節(jié)點帶寬要求，從而很好解決了VRF系統(tǒng)去中心化程度不高的問題。
TASchain如何解決Algorand、DFINITY的缺陷
眾所周知，POS機(jī)制分為提案（proposal）和驗證（agreement）兩個階段。提案的安全性和驗證的效率決定了POS能否真正成為下一代公鏈的共識。
從提案的安全性上考量，以DFINITY為代表存在的系統(tǒng)安全問題（DDOS攻擊、提案者與驗證組聯(lián)手作惡），TASchain嘗試通過“后驗方式”解決。簡單地說，是參與者使用自己的私鑰自行計算VRF，若滿足提案條件則成為本輪提案者，打包交易完成提案區(qū)塊后，將提案區(qū)塊和憑證（VRF proof）一起對外廣播，其他參與者通過憑證（VRF proof）計算才能確定其身份合法性。因此，在本環(huán)節(jié)任務(wù)結(jié)束之前，參與者的角色身份都是個秘密，這也極大程度上避免了被惡意者“腐化”或者DDOS攻擊的風(fēng)險。
另外想要徹底解決DFINITY系統(tǒng)中存在的提案者和驗證組聯(lián)手作惡的可能，TASchain還進(jìn)行了一系列的增強(qiáng)設(shè)計：提案者多點并行方式給出提案區(qū)塊，在驗證組內(nèi)競爭簽名達(dá)成共識。而針對最嚴(yán)重的51%攻擊，目前在業(yè)內(nèi)有提出“系統(tǒng)健康度概念”，即超級中心需要控制95%的節(jié)點，才能發(fā)起類似比特幣的51%攻擊。這些增強(qiáng)設(shè)計也都是TASchain業(yè)內(nèi)首創(chuàng)的技術(shù)。
POS機(jī)制中，因為提案耗時很短可以忽略，所以鑄塊時間（即系統(tǒng)的性能）主要取決于網(wǎng)絡(luò)傳播以及共識過程。Algorand在驗證階段采用的BA*算法，需要多步（期望值13步，即除了提案組，尚需12個驗證組）才能完成驗證，而DFINITY選擇門限簽名，僅需一輪無交互的驗證簽名便顯得十分高效。從這點來說，DFINITY的解法要比Algorand更優(yōu)。
高效的同時仍有相當(dāng)大的優(yōu)化空間。TASchain在共識階段采用與BLS算法相似的門限簽名算法時，通過采用不同的橢圓曲線，以及更安全高效的雙線性對算子，可以在提案區(qū)塊進(jìn)行驗證的同時達(dá)成共識。這意味著效率將極高——至少3000TPS，同時可以保持簽名數(shù)據(jù)量小、每輪產(chǎn)生唯一且不可預(yù)測的隨機(jī)數(shù)等優(yōu)點。
將上述Algorand、DFINITY的問題解決并優(yōu)化解決方案，其實只需要一句話：通過VRF秘密抽簽選擇多名提案者并行提案，通過門限簽名算法來達(dá)成驗證組內(nèi)共識。
跳出VRF
如果想要真正解決“不可能三角”，單單局限在VRF一點往往是不夠的。比特幣和以太坊，兩者都有一個同樣的安全問題，是什么？
全量賬本缺失的潛在風(fēng)險。
TPS提升到1000，對比比特幣來說，意味著單位時間內(nèi)的交易數(shù)增長125倍，相應(yīng)的賬本存儲量將會大大增加。
對此，TASchain設(shè)計了輕節(jié)點和重節(jié)點的分工機(jī)制，重節(jié)點存儲全量賬本，輕節(jié)點存儲最小賬本（全部賬戶余額和最近的若干區(qū)塊）來減輕賬本存儲量。輕節(jié)點保存的最小賬本，足夠滿足驗證礦工對提案礦工的鑄塊進(jìn)行一致性和準(zhǔn)確性驗證，同時分享部分的鑄塊收益。
不難估計，當(dāng)新型共識機(jī)制將TPS提升到1000甚至更高后，礦工迫于存儲條件，可能會采用最小賬本模式來參與鑄塊。對區(qū)塊鏈系統(tǒng)而言，全量賬本的缺失，表面上會表現(xiàn)為賬本同步和新節(jié)點加入會越來越難，深層次而言，區(qū)塊鏈賬本不可篡改，可追溯的基石就不存在了。
為了避免這種情況的發(fā)生，TASchain設(shè)計了對重節(jié)點全量賬本的核查——這一點是Algorand，還是DFINITY都沒有涉及到的（最小賬本模式同樣適用于兩者）。TASchain的共識機(jī)制，每次鑄塊通過隨機(jī)數(shù)指定全量賬本中的某些區(qū)塊，重節(jié)點必須給出這些區(qū)塊的存儲證明，方能有權(quán)提案參與鑄塊。在保證系統(tǒng)有充足的全量賬本節(jié)點后，其安全性將進(jìn)一步提高。
總結(jié)
每一次巨大的技術(shù)進(jìn)步離不開學(xué)界的創(chuàng)新，但是工業(yè)界的落地同樣任重道遠(yuǎn)。站在巨人的肩膀上，在看的更遠(yuǎn)的同時，也需要走的更遠(yuǎn)。在“不可能三角”的最優(yōu)解上，TASchain將繼續(xù)沿著正確的方向前進(jìn)，推進(jìn)技術(shù)變革，并不遺余力實現(xiàn)Dapp的落地與大范圍運用。
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