Ladder Network解析:中继链、PoS和主流跨链模型间的关系

衔梯网络

原创

05-13

作为跨链几种实现方式之一,中继链技术受到众多跨链项目的青睐,在Cosmos、Polkadot以及Ladder Network中,都使用侧链/中继链技术来完成跨链数据交换,

   本文旨在为大家详细分析包括Ladder Network在内的多个明星机跨链项目为何都钟情于中继链技术。

早在2014年6月,中继(Relay)的概念就在Chain fibers方案中被提出。


   该方案中提出了一种单个中继链(relay-chain)和多个同构链进行跨链数据交换的设想,利用DecoherenceTransaction Lantecy的特点实现,协调系统中多个部分的交易[1]。之后包括Polkadot、Cosmos、Ladder Network在内的多种跨链项目都在此基础之上进行了改进,丰富了原有跨链架构,使之能够在多种异构链中也能进行数据和资产交换。

  一般来说,基于PoA(权限证明)模式的共识算法即可达到跨链数据交换的目的,但是考虑到可公开、可扩展的公链场景,我们往往需要采用一种可管理,去信任的共识算法,因此,主流中继链架构里采用的共识算法都是去中心化或者多中心化的。


目前

Polkadot、Cosmos、Ladder Network都是基于PoS进行改进,一方面是因为相比于PoW来说性能更优,效率更高,另一方面也是因为PoS是一种确定性共识算法,而PoW则是一种概率性共识算法。



 

一个节点参与PoS网络出块的简单流程如下:

  
  1. 运行节点加入到PoS网络中;

  2. 该节点注册成为验证者;

  3. Staking Token(持币者可以委托给节点,增加节点权重);

  4. 通过PoS算法选举出本轮的验证节点或出块节点;

  5. 打包交易、广播交易;

  6. 获得出块奖励;

而在PoS算法的具体设计和理念上,Cosmos、Polkadot以及Ladder Network都各有特色。



Cosmos Tendermint PoS

  Cosmos Network是在Tendermint共识算法算法上建立的一个可操作、可扩展的区块链互联网。

   Tendermint Core由两种协议组成:一致性算法对等网络协议。它是一个拜占庭容错的共识引擎,配备了点对点的Gossip协议。在Tendermint的算法中,支持最多f个拜占庭节点,也就是意味着,只要至少2/3的验证者达成共识,网络则永远不会分叉。


如下图所示,Cosmos提出了一个模块化的体系结构,包含了两种类别的区块链:枢纽(Hubs)和分区(Zones)。分区是指一般的异构链,而枢纽则是专门连接分区的区块链。







当一个分区使用枢纽来创建一个IBC连接时,它可以自动访问与枢纽相连的所有其他分区(即发送与接收)。因此,每个分区只需要建立有限个连接,并使用有限的枢纽。枢纽还可以防止分区间的双花。

不难看出,Cosmos通过建立插件化共识网络,让更多的应用领域的开发者做自己擅长的事,接入方只要遵循Cosmos的协议,即可自由的接入到Cosmos生态,而不需要任何人的准许。

    Atom是Cosmos的主要代币其持有者即可以是验证者也可以是委托人。验证者通过设置完全节点来维护网络安全并处理交易,而委托人则可以通过自身的判断,将自己的代币委托给验证者。验证者会在收到出块奖励后按照比例反馈给委托人。为了保证验证者的诚实,Cosmos的PoS算法里设计了slashing惩罚机制。同时,验证者必须给每个提案投票,否则也会收到惩罚[2]。


Ladder Network PoS

   衔梯网络Ladder Network致力于打造全球最分布式、最安全和最大规模POS跨链网络,使用PoS为基础的BABE+Grandpa共识算法,在出块人选择上,BABE+Grandpa则是基于VRF(Verifiable Random Function)算法随机选择出块人,保证了公平性[3]。相比于其他的基于PoS的中继链,Ladder Network通过VRF算法进行随机节点,可以达到避免Leader selection过程中的DDOS攻击等问题。





 Ladder Network的中继链架构总的来说有两大优势:

1.支持Substrate框架


在Ladder Network里,使用了Substrate框架,他是一种非常在分布式或去中心化系统中应用非常广泛的框架,Polkadot也使用该框架作为其核心组件之一。

而基于Substrate框架开发的项目,包括Ladder Network都具有以下特性:

①支持确定性共识机制;

②支持节点的发现、同步;

基于SubStrate的项目之间比较容易对接,可以支持WebAssembly的智能合约。

④安全可靠,开发人员可以将更多的精力投入到应用和生态当中。


2.支持VRF算法,可用于PoS的Leader Selection和门限签名。


  事实上,在许多共识算法中,包括EOS的DPoS BFT或者是其他包括Leader选举的共识协议,都具有一个问题,即所有人可以预测下一个Leader是谁,从而了解负责协议共识的Committee是谁。而这造成了一个风险,就是攻击者有更加明确的攻击目标,无论是DDOS还是贿赂,其风险都大大提升。而VRF的应用,则能够掩盖Leader Selection的步骤,在下一轮的Leader选举中,谁也不能事先知道谁是“中奖者”,直到“中奖者”向其他节点公示了证明(这个证明是可验证的)。

   基于VRF来进行去中心化世界中随机数生产的设计被越来越多区块链公司关注,大名鼎鼎的Algorand算法也在其共识算法中使用了VRF来进行Leader Selection[4]。


 
Polkadot NPoS
 

Polkadot是一个可伸缩的异构多链系统,其本身虽然不提供任何内在的应用功能,但是可以通过中继链等技术实现多条独立链之间的跨链数据交换,其中独立链包括但不限于比特币、以太坊、以太坊经典这些区块链平台。这些独立链由于其结构完全平行化,一般也称为平行链(parachains)[5]。 

Polkadot的共识算法受TendermintHoneyBadgerBFT启发,是一种新型异步拜占庭容错算法,可以快速达成有效区块共识,其中HoneyBadgerBFT是一种确定性无主BFT共识算法,相比于传统BFT算法性能更优,节点支持的数量更多,同样能容最多f个拜占庭节点[6]。




上图是Polkadot的概括性原理图。它展示了收集人收集并且广播用户的交易,也广播候选区块给钓鱼者和验证者。


一般来说,在传统的PoS网络中,某个节点的Staking越高,其奖励也越多,这会导致代币的分配趋近于中心化,因此,Polkadot为了解决这个问题,提出了NPoS算法[7]。

在NPoS算法中,节点的奖励结果不是依据Staking量,而是依据该被选出节点在该出块上的贡献量,可以简单的理解为基本相同。该算法虽然损害了一部分超级节点的收益,但是某种程度上的公平性会更好。

下图是Polkadot分别在不符合FairRepresentation和符合FairRepresentation情况。

 



文末

     无论是Polkadot、Cosmos还是Ladder Network,都是基于中继链思想下进行同构和异构链的跨链数据交互和价值交换。虽然都是PoS算法的改进,但各个跨链模型在节点选举和Token激励模型上各不相同。

    而随着跨链系统的不断发展,区块链的互通性问题也将会慢慢解决。对于公有链、联盟链和私有链来说,跨链技术都是实现价值互联网,将区块链从分散的数据孤岛中拯救出来的一剂良药,是区块链向外拓展和连接的桥梁,让我们静等变革,拭目以待。

参考文献:
[4]Gilad Y, Hemo R, Micali S, et al. Algorand: Scaling byzantine agreements for cryptocurrencies[C]//Proceedings of the 26th Symposium on Operating Systems Principles. ACM, 2017: 51-68.
[6] Miller A, Xia Y, Croman K, et al. The honey badger of BFT protocols[C]//Proceedings of the 2016 ACM SIGSAC Conference on Computer and Communications Security. ACM, 2016: 31-42.

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