在區(qū)塊鏈從POW機制向POS機制進化之路上，不可避免地會碰到一個核心問題：舍棄POW這種強算力型的隨機算法后，POS應該采用何種低功耗隨機算法可以保證礦工記賬權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注，它是一種低能耗，高效率的隨機數(shù)算法，并提供了非對稱密鑰可驗證機制。

VRF全稱Verifiable Random Functions（可驗證隨機函數(shù)），盡管上世紀末該算法就已提出，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秘密抽簽機制很好地解決POS機制下提案者和驗證者隨機選擇問題；而DFINITY也有深厚的學術背景，創(chuàng)新地將門限簽名技術引入?yún)^(qū)塊鏈，驗證性能更加高效。它們分別從前沿學術研究作為切入點，將適用的密碼學算法引入?yún)^(qū)塊鏈領域，從不同角度嘗試去解決POS機制現(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。

之前我們關注到業(yè)內(nèi)一篇關于VRF的分析探討：《3大熱門公鏈項目Algorand、DFINITY和Thunder共識體制的技術分析》。不可否認的是，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：

1、Algorand難以達到宣稱的高性能，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機制的不足之處及與之相對應的解決方案。

VRF共識機制缺陷及TASchain解決方案

可以很明顯從圖1-1中看出，學術性VRF在節(jié)能上有著巨大的優(yōu)勢，但相應存在三個主要問題：網(wǎng)絡通訊效率低、缺乏經(jīng)濟激勵機制、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、強安全、高效率的去中心化分布式應用平臺。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，達到了高性能和低能耗。共識內(nèi)核TPS達到3000+，并可通過分片分層和分布并行技術擴展到數(shù)萬甚至更高，足以滿足商業(yè)化應用需求。針對商業(yè)落地場景，TASchain推出即插即用的應用組件，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的TASchain的解決方案。

一、網(wǎng)絡通訊效率低

VRF共識機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)絡通訊上，Algorand和DFINITY目前都沒給出良好的方案。

要解決網(wǎng)絡通訊效率低的問題，TASchain目前的做法是：使用新型的NAT穿透技術大幅提高節(jié)點在線率；針對分組鑄塊模式，設計了雙層KAD網(wǎng)絡提高通訊效率；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)濟激勵機制

回顧比特幣的POW，可以看到用結(jié)合技術的通證經(jīng)濟設計而不是單純的安全技術保證了提案者無法作惡。在POW中，提案者得到提案權需要預先付出算力成本，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)濟設計是保障系統(tǒng)安全非常好的手段。

TASchain借鑒比特幣的思想，結(jié)合密碼學和工程技術設計了良好的獎懲機制，對合法參與鑄塊的礦工進行按勞獎勵，對作惡者（交易雙花，無利害關系，女巫攻擊等等）能進行識別并進一步經(jīng)濟懲罰。這種分組模式下按勞分配的經(jīng)濟激勵制度，很大程度上將解決現(xiàn)有VRF共識缺乏經(jīng)濟激勵機制的弊端。

三、去中心化程度低

要討論共識機制的去中心化，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術角度思考，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，導致參與節(jié)點的網(wǎng)絡帶寬門檻變得很高，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機制在去中心化要面對的問題，其實也跟比特幣一樣，盡管準入機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。

但如果可以設計良好的獎懲機制，能對明確作惡行為進行識別和懲罰，則就可以用結(jié)合技術的通證經(jīng)濟設計來保障系統(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?？赡艽嬖谘芯咳藛T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)可以達到“上行速率400KB/S，下行速率2MB/S”的目標。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還進行了一系列的增強設計：提案者多點并行方式給出提案區(qū)塊，在驗證組內(nèi)競爭簽名達成共識。而針對最嚴重的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。這些增強設計也都是TASchain業(yè)內(nèi)首創(chuàng)的技術。

POS機制中，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)塊進行驗證的同時達成共識。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)生唯一且不可預測的隨機數(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，相應的賬本存儲量將會大大增加。

對此，TASchain設計了輕節(jié)點和重節(jié)點的分工機制，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行一致性和準確性驗證，同時分享部分的鑄塊收益。

不難估計，當新型共識機制將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的共識機制，每次鑄塊通過隨機數(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，其安全性將進一步提高。

總結(jié)

每一次巨大的技術進步離不開學界的創(chuàng)新，但是工業(yè)界的落地同樣任重道遠。站在巨人的肩膀上，在看的更遠的同時，也需要走的更遠。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，推進技術變革，并不遺余力實現(xiàn)Dapp的落地與大范圍運用。