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(huì)碰到一個(gè)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(shí)，還能保障系統(tǒng)魯棒性。從以太坊遲遲未能升級(jí)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(duì)稱密鑰可驗(yàn)證機(jī)制。

VRF全稱Verifiable Random Functions（可驗(yàn)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(shí)間Algorand、DFINITY等公鏈項(xiàng)目的聲名鵲起，人們才意識(shí)到：基于VRF的共識(shí)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(huì)第一時(shí)間想到兩個(gè)明星公鏈項(xiàng)目：DFINITY和Algorand。在POS共識(shí)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(jiǎng)得主Silvio Micali創(chuàng)立的，首個(gè)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(yàn)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(yàn)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(diǎn)，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(shí)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(xiàng)目Algorand、DFINITY和Thunder共識(shí)體制的技術(shù)分析》。不可否認(rèn)的是，Algorand、DFINITY的確是VRF共識(shí)的先驅(qū)，兩者從不同角度考慮并設(shè)計(jì)了VRF的使用方案。

不過根據(jù)論文解讀和代碼實(shí)踐驗(yàn)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(diǎn)；

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(shì)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(duì)應(yīng)的解決方案。

VRF共識(shí)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(shì)，但相應(yīng)存在三個(gè)主要問題：網(wǎng)絡(luò)通訊效率低、缺乏經(jīng)濟(jì)激勵(lì)機(jī)制、去中心化程度低。對(duì)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(tái)。獨(dú)創(chuàng)的基于VRF+BLS的共識(shí)算法Chiron，在保證去中心化和高安全的同時(shí)，達(dá)到了高性能和低能耗。共識(shí)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(duì)商業(yè)落地場(chǎng)景，TASchain推出即插即用的應(yīng)用組件，降低開發(fā)成本的同時(shí)大幅提高易用性。

簡(jiǎn)單介紹完，讓我們回到VRF的三項(xiàng)問題以及對(duì)應(yīng)的TASchain的解決方案。

一、網(wǎng)絡(luò)通訊效率低

VRF共識(shí)機(jī)制需要提案組和驗(yàn)證組協(xié)同工作。區(qū)塊在組內(nèi)、組間節(jié)點(diǎn)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(diǎn)在線率；針對(duì)分組鑄塊模式，設(shè)計(jì)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(shí)降低35%左右。

二、缺乏經(jīng)濟(jì)激勵(lì)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(jì)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(diǎn)驗(yàn)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(yùn)行可以證明：良好的通證經(jīng)濟(jì)設(shè)計(jì)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(jì)了良好的獎(jiǎng)懲機(jī)制，對(duì)合法參與鑄塊的礦工進(jìn)行按勞獎(jiǎng)勵(lì)，對(duì)作惡者（交易雙花，無利害關(guān)系，女巫攻擊等等）能進(jìn)行識(shí)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(lì)制度，很大程度上將解決現(xiàn)有VRF共識(shí)缺乏經(jīng)濟(jì)激勵(lì)機(jī)制的弊端。

三、去中心化程度低

要討論共識(shí)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(duì)節(jié)點(diǎn)算力、帶寬、存儲(chǔ)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(gè)角度來看，即使像Algorand、DFINITY也都存在較大的問題。這兩個(gè)項(xiàng)目更多從學(xué)術(shù)角度思考，為了解決安全性問題把共識(shí)階段的驗(yàn)證組規(guī)模設(shè)計(jì)得較大。但一到實(shí)際工程實(shí)現(xiàn)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)驗(yàn)證組內(nèi)的通訊量巨大，導(dǎo)致參與節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)帶寬門檻變得很高，實(shí)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(duì)的問題，其實(shí)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(jì)良好的獎(jiǎng)懲機(jī)制，能對(duì)明確作惡行為進(jìn)行識(shí)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(jì)來保障系統(tǒng)安全，那么驗(yàn)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(duì)VRF做迭代和升級(jí)。驗(yàn)證組規(guī)模的縮小，會(huì)使驗(yàn)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(gè)鑄塊高度驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)眾多（通訊量大，簽名數(shù)據(jù)多）、存儲(chǔ)浪費(fèi)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(shí)際根據(jù)TASchain實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)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(duì)比：

通過圖表看出，其實(shí)普通家庭寬帶就可以滿足TASchain的節(jié)點(diǎn)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(yàn)證（agreement）兩個(gè)階段。提案的安全性和驗(yàn)證的效率決定了POS能否真正成為下一代公鏈的共識(shí)。

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(yàn)證組聯(lián)手作惡），TASchain嘗試通過“后驗(yàn)方式”解決。簡(jiǎn)單地說，是參與者使用自己的私鑰自行計(jì)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(duì)外廣播，其他參與者通過憑證（VRF proof）計(jì)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(gè)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(xiǎn)。

另外想要徹底解決DFINITY系統(tǒng)中存在的提案者和驗(yàn)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(jì)：提案者多點(diǎn)并行方式給出提案區(qū)塊，在驗(yàn)證組內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)簽名達(dá)成共識(shí)。而針對(duì)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(jí)中心需要控制95%的節(jié)點(diǎn)，才能發(fā)起類似比特幣的51%攻擊。這些增強(qiáng)設(shè)計(jì)也都是TASchain業(yè)內(nèi)首創(chuàng)的技術(shù)。

POS機(jī)制中，因?yàn)樘岚负臅r(shí)很短可以忽略，所以鑄塊時(shí)間（即系統(tǒng)的性能）主要取決于網(wǎng)絡(luò)傳播以及共識(shí)過程。Algorand在驗(yàn)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(gè)驗(yàn)證組）才能完成驗(yàn)證，而DFINITY選擇門限簽名，僅需一輪無交互的驗(yàn)證簽名便顯得十分高效。從這點(diǎn)來說，DFINITY的解法要比Algorand更優(yōu)。

高效的同時(shí)仍有相當(dāng)大的優(yōu)化空間。TASchain在共識(shí)階段采用與BLS算法相似的門限簽名算法時(shí)，通過采用不同的橢圓曲線，以及更安全高效的雙線性對(duì)算子，可以在提案區(qū)塊進(jìn)行驗(yàn)證的同時(shí)達(dá)成共識(shí)。這意味著效率將極高——至少3000TPS，同時(shí)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(cè)的隨機(jī)數(shù)等優(yōu)點(diǎn)。

將上述Algorand、DFINITY的問題解決并優(yōu)化解決方案，其實(shí)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(yàn)證組內(nèi)共識(shí)。

跳出VRF

如果想要真正解決“不可能三角”，單單局限在VRF一點(diǎn)往往是不夠的。比特幣和以太坊，兩者都有一個(gè)同樣的安全問題，是什么？

全量賬本缺失的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

TPS提升到1000，對(duì)比比特幣來說，意味著單位時(shí)間內(nèi)的交易數(shù)增長125倍，相應(yīng)的賬本存儲(chǔ)量將會(huì)大大增加。

對(duì)此，TASchain設(shè)計(jì)了輕節(jié)點(diǎn)和重節(jié)點(diǎn)的分工機(jī)制，重節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)全量賬本，輕節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)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(chǔ)量。輕節(jié)點(diǎn)保存的最小賬本，足夠滿足驗(yàn)證礦工對(duì)提案礦工的鑄塊進(jìn)行一致性和準(zhǔn)確性驗(yàn)證，同時(shí)分享部分的鑄塊收益。

不難估計(jì)，當(dāng)新型共識(shí)機(jī)制將TPS提升到1000甚至更高后，礦工迫于存儲(chǔ)條件，可能會(huì)采用最小賬本模式來參與鑄塊。對(duì)區(qū)塊鏈系統(tǒng)而言，全量賬本的缺失，表面上會(huì)表現(xiàn)為賬本同步和新節(jié)點(diǎn)加入會(huì)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(jì)了對(duì)重節(jié)點(diǎn)全量賬本的核查——這一點(diǎn)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(shí)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(diǎn)必須給出這些區(qū)塊的存儲(chǔ)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(diǎn)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(shí)，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(shí)現(xiàn)Dapp的落地與大范圍運(yùn)用。