Kaspa:从一维区块链到多维区块图的技术革命
名词解释:
Blockchain:国家互联网信息办公室的定义:区块链是一种将数据区块有序连接,并以密码学方式保证其不可篡改、不可伪造的分布式账本(数据库)技术。通俗的说,区块链技术可以在无需第三方背书情况下实现系统中所有数据信息的公开透明、不可篡改、不可伪造、可追溯。区块链作为一种底层协议或技术方案可以有效地解决信任问题,实现价值的自由传递,在数字货币、金融资产的交易结算、数字政务、存证防伪数据服务等领域具有广阔前景。
DAG:directed acyclic graph有向无环图。离散数学图论中的定义:如果一个有向图从任意顶点出发都无法经过若干条边回到该点,则这个图是一个有向无环图。DAG本身并不是一个新概念,但把DAG应用到区块网络,用于提高性能并保持安全性和去中心化,破解一维区块链技术的三角悖论难题,是由Kaspa创始人Yonatan Sompolinsky 博士最早在2013年创新性提出的。
BlockDAG:区块图,完整的说是基于有向无环图结构的区块网络系统。它是区块链系统的升级和扩展,从一维链状结构变成多维的有向无环图结构,从而实现网络并发数据传输,大大提高了传输性能。
Blockchain Dilemma:一维区块链技术的“三角悖论”,即:去中心化(分散)、安全、可扩展性(网络数据传输性能),这三者都是区块网络的重要特性,但在一维区块链网络中,在现有硬件和互联网速度不变的情况下,不可兼得,最多得其二。
Consensus:共识机制,区块网络中争夺记账权的规则制度(即打包/生产新区块,并获得区块奖励的权利)。目前主流是PoW和PoS(DPoS)。其中PoW是Proof of Work,工作量证明,一般是通过算力进行特定的加密算法解题。PoS是Proof of Stake,股权证明,一般是通过股权(一般为代币)持有数量和持有时间来竞争(DPoS是Delegated Proof of Stake,基于投票选举的股权证明)。这几种共识机制的区别详见正文。
Mining:挖掘,是指在PoW机制的区块网络中,投入算力来争夺区块奖励的行为。
Miner:挖掘工,即挖掘行为的参与者。
Mining Pool:挖掘池,一群挖掘工的组合,他们将各自算力合并起来组成一个大的算力,从而有更大概率争夺到区块奖励,然后再根据各自的算力值分享区块奖励。挖掘池产生的原因是:PoW机制的一维区块链网络中,产生区块的速度太慢,单位时间例如每天产生的区块数量太少,例如比特币网络每10分钟产生1个区块并附带区块奖励,每天只有144个区块奖励,理论上1个挖掘工的算力需要达到全球比特币网络总算力的1/144,才能1天挖掘到1次区块奖励。大量的中小型挖掘工根本达不到这样的算力,这将导致他们即使投入算力很长时间也什么都挖掘不到,所以他们只好加入到大挖掘池。目前挖掘池发展的现状是,少量的大型挖掘池垄断了大部分算力,而这在很大程度上降低了PoW区块网络的去中心化特性。
BPS:Blocks per second,区块网络中1秒内能生成的区块数量。
TPB:Transactions per block,1个区块中能包含的交易数量。
TPS:Transactions per second,区块网络中1秒内能处理的交易数量,TPS = BPS X TBP,这是区块网络性能的重要指标。
TX: Transaction 区块网络中的交易
Node:区块网络中的节点,负责存储区块数据,可保持区块数据同步并始终处于最新状态。它的实体一般是联网的、具有存储和计算功能的电脑主机。
DAG KNIGHT PROTOCOL:DAG骑士协议,在2022年10月31日(比特币白皮书发布14周年)由Yonatan Sompolinsky发布的Kaspa PoW多维区块图最新版的共识协议,该协议革命性的解决了一维区块链的三角悖论,让区块网络进入新世界,为安全可靠的去中心化金融、物联网、WEB3.0等一系列创新应用提供了坚实的基础设施网络。
简要回顾一维区块链的发展历程:
区块链的史前阶段:
1976-2008,这个阶段主要是密码学等基础理论的发展。
区块链的创始阶段:
2008年:一位名叫Satoshi Nakamoto(中本聪)的网友在2008年10月31日发表了论文《比特币:一种点对点的电子现金系统》,在论文中提出了点对点交易系统。这个系统想实现的愿景是:资产是去中心化、不可增发的,能够轻松且安全地解决第三方平台的不透明、不可控、花费高的缺点。
2009年1月:中本聪用他发布的软件挖掘出了创始区块,标志着区块链网络的诞生。
比特币区块网络产出区块的速度为10分钟1个区块,即BPS=1/600,区块大小为1000000B,每笔交易占250B,其TPS=1000000B/250B/600s=6.6≈7,即平均每秒最多处理7笔交易。
比特币的1个区块奖励最初为50个BTC代币,每过4年区块奖励减半,总量上限约为2100万个BTC代币。
2013年,比特币0.8版本软件发布,这是比特币历史上一个很重要的版本,它整个完善了比特币节点本身的内部管理、网络通讯的优化。从此以后,比特币才真正支持全网的大规模交易,初步实现了中本聪设想的电子现金的雏形,真正产生了全球影响力。但随着使用的增加,比特币区块网络的问题也很快暴露出来:BPS=1/600,TPS=7,这样的速度面向全球使用者,显然太低了,某些情况下,比特币区块链上最高时有上万笔交易积压,比特币转账交易费高达几十美元,网络拥堵时,比特币交易甚至需要花费好几天才能被打包发送。比特币区块网络的技术特性决定了它无法解决这个问题。
区块链的改进阶段:
于是,一些人开始了提高性能(即交易传输速度)的尝试。例如,比特币现金、莱特币等,他们的做法是直接修改比特币区块网络的参数,提高区块产出速度,减少确认时间,这种简单粗暴的做法提高了一些交易速度,但降低了安全性可靠性,大多数参与者选择回到了比特币区块网络。
又有很多人进行了很多改进的尝试,其中最成功的是以太坊。以太坊的概念首次在2013至2014年间由程序员Vitalik Buterin受比特币启发后提出,大意为“下一代加密货币与去中心化应用平台”,在2014年通过ICO众筹得以开始发展,并在2015年7月30日启动了以太坊区块网络,开始的时候它是PoW机制,值得一提的是以太坊区块网络部分技术特性参考了Yonatan Sompolinsky 博士2013年发表的GHOST技术协议,但并未完全实现。在2022年9月15日以太坊转为PoS机制。
以太坊最重要的贡献是,在区块网络中引入了智能合约,它是一种旨在以信息化方式传播、验证或执行合同的计算机程序协议。智能合约允许在没有第三方的情况下进行可信交易,这些交易可追踪且不可逆转。智能合约概念于1995年由Nick Szabo首次提出。相比于比特币区块网络只有很简单的交易等功能,智能合约可以支撑更丰富的应用。这一重要贡献也使以太坊成为目前使用最多的区块链网络,以太坊代币目前的市值为仅次于比特币的第二名。
PoW机制下,以太坊区块网络的BPS≈1/12,TPS≈15,相对比特币有了一些提升,但对于全球用户的广泛应用,这样的速度性能显然完全不够用。值得一提的是,相对于比特币代币的固定上限数量,以太坊代币没有上限,随着时间推移代币总量会不断增加,这会引起代币数量的通胀预期,从而引起单位代币的贬值预期,鲸鱼们(大户)例如以太坊创始人Vitalik Buterin本人显然不喜欢这种贬值预期,因此2019年4月13日他提出了以太坊eip1559提案,该提案核心就是把每笔交易中原本挖掘工获利的gas转账费用拿出一定比例销毁,引起代币数量通缩预期,从而引起单位代币升值预期,虽然这损害了作为区块网络安全性重要支撑的挖掘工的利益,但胳膊拧不过大腿,该提案还是执行了。
鉴于PoW机制下以太坊网络传输速度的低性能,随着应用不断增加,以太坊网络出现频繁拥堵、排队、gas转账费用高企等问题,人们又开始想别的办法提高速度性能。例如:
SegWit隔离见证技术:(例如比特币隔离见证)
是由比特币开发者Pieter Wuille和其他比特币核心贡献者于2015年提出的,旨在解决交易处理速度问题的解决方案。 2017年,隔离见证被正式用于比特币网络上的软分叉中,比特币单个区块的信息处理能力提高至以前的1.7倍。
Lightning Network闪电网络:(例如比特币闪电网络)
闪电网络是基于新的微支付通道演进而来(可以类比支付宝,即引入了中介网络),设计了两种类型的交易合约:序列到期可撤销合约RSMC(Revocable Sequence Maturity Contract,哈希时间锁定合约HTLC(Hashed Timelock Contract)。RSMC解决了通道中单向流动问题,HTLC解决了跨节点传递的问题。这两个类型的交易组合构成了闪电网络。
Sharding分片技术:(例如以太坊Polygon分片)
区块链分片是受传统数据库分片概念的启发,数据库分割为多个部分并放置在不同的服务器上。在分片网络中,节点被分到不同的分片中,网络中的交易也会被分到不同的分片中。因此,每个节点只处理一小部分传入交易,并且它将与网络上的其他节点并行执行。这样将网络分成碎片将导致更多事务被同时处理和验证,原本只能验证一个区块的时间内,可以同时验证多个区块,从而完成对吞吐量的扩展。
全网验证变成了一个个小的分片网络验证,每个分片网络的服务器变成了一个个小中心。
从PoW机制更改为PoS(DPoS)机制:例如(以太坊从PoW转为PoS,以及大量原生PoS/DpoS区块链项目)
在PoW机制下,节点之间通过算力运行复杂加密算法竞争记账权打包生成新区块并获得区块奖励,而在PoS机制下,竞争的方式变为股权/权益证明,即持有的代币数量/时间,而无需运行复杂的加密算法,这必然导致记账权/生成新区块的权力向少数鲸鱼(大户)集中,从而导致去中心化的弱化、丧失,变成一种中心化的状态。但PoS的“好处”是显而易见的,无需进行大量复杂的加密算法验证,变成中心化,就可以大幅提高TPS。
为了让PoS机制看起来不那么虚,一些人又推出了DPoS+小范围PoW的机制,例如TRON波场区块网络,以权益证明为权重,从节点中投票选出几十个“代表”作为 “超级节点”,这几十个“超级节点”再装模作样的运行PoW机制,以表示“我做过加密算法验证了”。
加密算法、加密网络、加密代币,之所以反复提到加密,是因为要建立一个去中心化的区块网络系统,大量陌生节点之间难以信任,只能通过复杂的加密算法来验证,PoW过程必然要消耗算力,而且算力本身也是重要的价值锚定。失去了PoW加密算法验证的区块网络,必然走向中心化,只能依靠一个或一些中心来建立信任背书,绕了一圈又回到了中心化,试问这样的中心化区块网络何德何能,与原本就存在的中心化网络巨头(银联、VISA、微信/支付宝等)所提供的信用背书相提并论?
在如此高度中心化的区块网络中生成的代币,其性质与Tencent欢乐豆有多大区别呢?或许最大的区别在于后者是由市值几万亿人民币的Tencent公司背书,而前者由哪位英雄背书呢?
抛弃了PoW加密算法验证,节约能源可能是这些PoS/DPoS类中心化区块网络仅存的理由(遮羞布),他们不会承认是因为技术能力限制,无法在保持PoW机制的同时,大幅提高一维区块链网络的速度性能。既然如此,关掉这些重复建设的类中心化区块网络,回到传统已存在的中心化网络巨头(银联、VISA、微信/支付宝等),会更节约能源,并降低安全风险。
仔细观察这些试图改进速度性能的方法,不难发现,它们都是在对一维区块链技术打补丁,或者牺牲三角悖论的其他两个角(去中心化、安全性)做妥协。这都是无奈的、没办法的办法,因为一维区块链的技术底层没有得到突破,三角悖论难题无法得到解决。
从一维区块链到多维区块图的技术革命 — 突破三角悖论:
有没有办法能从根本上突破三角悖论难题,提高区块网络速度性能的同时,又能做到真正的去中心化和优秀的安全性呢?幸运的是,有优秀的人才8年磨一剑,终于解决了困扰区块网络发展多年的根本问题,把一维区块链底层技术进行了技术革命,推进到多维区块图(有向无环图)技术。当然,他不是一个人,而是一个团队。
Yonatan Sompolinsky 博士(Y博士),哈佛大学计算机科学博士后,以色列希伯来大学学者,区块网络加密算法专家,师从以色列希伯来大学计算机科学家Aviv Zohar教授。Kaspa多维区块图网络创始人,2013年最早发表DAG用于区块网络的论文,后续多次发表相关升级改进的技术论文。
为什么Kaspa多维区块图架构的性能大幅优于blockchain一维区块链架构?概括的说,首先Kaspa实现了PoW机制下的多节点区块并发,而在一维区块链架构中大量节点生成的侧链直接被抛弃浪费掉;其次Kaspa相关配套算法技术有效降低了无用的孤块率;另外Kaspa创造性的解决了在PoW机制下的并发数据异步确认问题,大大降低了一维区块链架构中等待网络延迟、同步的时间。
下列论文链接见附录,有兴趣请点击链接详细阅读:
2013年发布GHOST技术协议论文
该论文在世界上率先提出了DAG用于区块网络的思想和技术架构雏形。2016年发布SPECTRE技术协议论文
该论文进一步丰富了blockDAG技术架构的细节,并提出了网络延迟无参数化(或称延迟参数自适应)的宏伟构思。2018年发布PHANTOM技术协议论文
该论文作为一个范例,规划了一个现实中不可能存在的blockDAG理想化版本,创造了 PHANTOM GHOSTDAG 的理论先驱。2021年发布PHANTOM GHOSTDAG 技术协议论文
该技术协议的重要贡献是解决了PoW机制下大量并发区块的数据确认问题,并进行了严格的数学证明。实现了PoW机制下blockDAG多维区块图网络的实用化。
基于此技术协议,2021年11月首次启动Kaspa多维区块图网络,PoW机制,HeavyHash加密算法,软件使用go语言开发,BPS稳定达到1,TPS能力达到300,秒级确认,成为世界上最快的PoW区块网络。区块奖励代币为Kaspa(古代阿拉米语:银或钱),值得一提的是:与比特币类似,Kaspa代币总量有上限,区块奖励随时间逐渐缩减,没有提前挖掘/ICO/预售。2022年10月31日(比特币白皮书发布14周年)发布DAGKNIGHT 技术协议论文
后期Kaspa多维区块图网络将更新为此技术协议,软件使用Rust语言开发,从而使BPS提高到32甚至100,TPB为100到300,则TPS = BPS X TPB将最高将达30000,堪比中心化的支付网络(VISA支付网络TPS约24000)。DAGKNIGHT技术协议相比PHANTOM GHOSTDAG技术协议最显著的改进是:后者需要提前定义网络延迟的边界,而前者不再需要,这种无需提前定义网络延迟参数(或称延迟参数自适应)的算法,在后者的基础上进一步大幅提高了BPS,同时DAGKNIGHT提供了一系列的技术保证了安全性,并对其进行了严格的数学证明。
有人可能注意到,前几年陆续出现过其它项目,也声称使用了blockDAG技术。的确如此,Y博士2013年、2016年、2018年的技术协议论文发布后,一些人受到启发,纷纷开始了使用blockDAG技术构建区块网络的尝试,例如IOTA, NANO, Conflux, FTM等。
遗憾的是,Y博士当时的技术协议论文并未给出一套实用化的实例,特别是在PoW机制中如何实现高速的blockDAG架构。
纵观这些尝试基于blockDAG架构的项目,无一例外都是基于PoS/DPoS机制,即走上了中心化的歪路,这就完全失去了应用blockDAG架构的意义,因为在PoS/DPoS机制下,传统的blockchain一维区块链架构也一样能实现高速的TPS,既然都中心化了,又何必多此一举,用blockDAG架构再搞一摊呢?
Kaspa从Go语言转向Rust语言
2021年11月发布的Kaspa区块图网络软件,是用Go语言开发的。Go语言一种便于发开的计算机语言,但它开发的软件在速度性能方面,不如另外一种计算机语言Rust。因此,为了追求更高速的性能,2022年7月,Kaspa软件开发团队决定采用Rust语言重新开发Kaspa区块图网络软件,经过将近半年的努力,新版软件已经开发并测试完成,将在近期发布。
该图是来自Kaspa Rust语言开发团队测试新版Kaspa软件的结果(2022年11月18日),显示了节点实际处理区块的速度(纵轴)与网络每秒产生的区块数 (横轴) 的关系。测试在普通家用电脑作为节点上进行,CPU是AMD Ryzen 9 3900X 12核。TPB为100到200。红线的含义是纵轴数值等于横轴数值,所以红线上方区域表示纵轴大于横轴,这是需要达到的目标。绿线显示的是经过实际测试,在横轴BPS不同数值下,纵轴实际能够处理的BPS数值。因此,我们希望选择一个在红线之上、并且具有一定安全余量的绿线位置的横轴BPS数值(以解决节点硬件差异、网络问题等),作为Kaspa区块图网络提速后的BPS=32。注:蓝色区域标记的参数区域表示3倍以上的安全余量(绿线的纵坐标除以横坐标>3),粉色区域的安全余量较小(绿线的纵坐标除以横坐标在1到3之间)。
Kaspa高速BPS的区块图网络将使PoW挖掘真正实现去中心化:
众所周知,在传统一维区块链网络PoW机制下,少量的大型挖掘池垄断大部分算力,这种现象非常不利于去中心化这个重要愿景,同时这也对区块网络的整体安全性构成了威胁(此外,对于挖掘工来说,还面临挖掘池抽水、偷算力、耍赖、跑路等风险),这是比特币、以太坊等一维区块链网络BPS速度太低导致的遗毒。在Kaspa PoW多维区块图网络中实现了高速的BPS,这种遗毒现象将彻底被颠覆,中小型挖掘工无再需接入大型挖掘池,SOLO也能稳定的获得区块奖励,从而使PoW挖掘真正实现去中心化。
这里可以简单计算一下:
目前Kaspa区块图网络的BPS=1,整个Kaspa区块图网络1天产出的区块数量为1X60X60X24=86400,那么理论上只要某挖掘工的算力达到全网算力的1/86400,在1天内就能获得1个区块奖励(在比特币PoW区块链中,需要达到全网算力的1/144);
近期Kaspa的BPS提高到32时,全网1天区块总量为32X60X60X24= 2764800,理论上只要某挖掘工的算力达到全网算力的1/ 2764800,在1天内就能获得1个区块奖励。
以后Kaspa的BPS达到100时,全网1天区块总量为100X60X60X24=8640000,理论上只要某挖掘工的算力达到全网算力的1/ 8640000,在1天内就能获得1个区块奖励。
总之,BPS越高,挖掘工稳定获得区块奖励所需的算力就越低,也就是门槛越低。
当然,在初期借助大型挖掘池的名气吸引更多挖掘工参与,也是一个很好的策略。但最终绝大多数挖掘工将无需再接入任何挖掘池,就能稳定获得区块奖励,从而使Kaspa 高速区块图网络PoW挖掘真正实现去中心化。
Kaspa下一步展望
在Y博士的创新精神、技术贡献的感召下,Kaspa软件开发和Kaspa社区吸引了一大批有愿景、有能力的人共同参与进来贡献自己的力量。为了去中心化、安全可靠、即时快速的电子支付、WEB3.0等美好愿景的早日实现,有能力有抱负的小伙伴们不妨也去贡献智慧和力量。
Layer1继续优化BPS, TPS。
在Layer1的BPS, TPS提速稳定后,Kaspa将引入更多应用,例如:Layer2智能合约。智能合约已经是很成熟的技术,引入到Kaspa区块图网络只是一个时间问题。
等等,期待更多可能
免责声明:本文仅作技术交流用途,不构成任何投资建议。
附录:参考资料来源
国家互联网信息办公室 区块链技术的五大应用场景
Kaspa网站 www.kaspa.org
Kaspa论坛 https://discord.gg/kaspa
Yonatan Sompolinsky博士的个人学术博客https://hashdag.medium.com
Yonatan Sompolinsky, Aviv Zohar: Accelerating Bitcoin’s Transaction Processing. Fast Money Grows on Trees, Not Chains. IACR Cryptol. ePrint Arch. 2013: 881 (2013)
Yonatan Sompolinsky, Yoad Lewenberg, Aviv Zohar: SPECTRE: A Fast and Scalable Cryptocurrency Protocol. IACR Cryptol. ePrint Arch. 2016: 1159 (2016)
Yonatan Sompolinsky, Aviv Zohar: PHANTOM: A Scalable BlockDAG Protocol. IACR Cryptol. ePrint Arch. 2018: 104 (2018)
Yonatan Sompolinsky, Shai Wyborski, Aviv Zohar: PHANTOM GHOSTDAG: a scalable generalization of Nakamoto consensus: September 2, 2021. AFT 2021: 57-70
Yonatan Sompolinsky and Michael Sutton: The DAG KNIGHT Protocol: A Parameterless Generalization of Nakamoto Consensus: October 31, 2022.
mickey-maler: The Power of Kaspa BlockDAGs: Go Beyond the Blockchain
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