挑戰“不可能三角”，公鏈設計、選型與開發實戰
開發一條公鏈，對於任何技術團隊都是一件極具挑戰性的事情。假如糟糕的網路通訊這種被動的惡意，還能讓人接受，那麼不擇手段的雙花、DDoS、智慧合約攻擊等等，讓我們必須謹慎的設計每一個邏輯環節。
公鏈面臨的問題
我們先來看看公鏈設計中的“不可能三角”問題：Scalability、Decentralization、Security。
Scalability，可以理解為可擴充套件性，例如分片技術；也可以理解為網路能耗低，保證網路的效能最優，總的來講就是優異的TPS。
Decentralization，去中心化是如何保障網路的去中心性，這就要求該網路需要是一個對等網路，該網路中的機器的地位都是平等的，不存在任何特殊化的中心節點，同時為了保證該網路的去中心性，該網路需要是一個開放的無准入的網路，從而可以讓人人都能夠加入該網路，且該網路不會被一個或多箇中心控制。
Security，安全性是保障該網路足夠安全，不能被壞人破壞。在一個開放並與經濟利益掛鉤的網路中，不僅會有好人購買機器加入這個網路，也會有更多的壞人企圖希望通過破壞該網路獲利。那麼，如何在網路內部存在壞人的情況下，保證網路的安全性，這已經突破了傳統意義上的安全架構，是安全設計的挑戰。
PoW的算力浪費以及單節點產塊讓它的效能低下，PoS面對眾多安全問題，例如無厲害攻擊、遠端攻擊等，DPoS的產塊節點有限，雖然有選舉制度，但是它的去中心化就是讓人耿耿於懷，而PBFT的同步通訊讓它的節點數註定會受到制約。
以上是現有共識的優缺點，而我所在的alabs ADAG公鏈團隊，選擇了Hashgraph作為基本共識演算法來設計我們的公鏈，因為我們通過嚴謹的分析該共識演算法，並在此基礎上做了重要的改進，在不破壞演算法嚴謹性的同時，讓它面對公網環境時，也能具有很強的說服力。我們在它身上，看到了畫出一個儘可能最大三角的可能，以下就談談它的效能，去中心化和安全三個維度的情況。
ADAG為什麼選擇Hashgraph共識
Hashgraph的效能與去中心化
Hashgraph演算法是swirlds團隊基於DAG（有向無環圖）設計的一種完全非同步的類BFT共識演算法。該演算法有兩大特點：
Gossip about gossip （八卦協議）
Virtual Voting（虛擬投票技術）
事實上，在選型之初，我們很快意識到Hashgraph是一個類BFT演算法，而且不像PoW，DPoS那樣，完美的避開了拜占庭將軍問題。這讓它顯得沒有那麼有魅力，而就是這兩個特性，讓我們看到了它的獨特之處。
概括的說，它們指的就是，節點間隨機的發生通訊，通訊的載體叫event，圖中的圓圈。A，B，C，D為不同的節點。例如A與B通訊，通訊的內容就是A節點知道的，而B節點不知道的交易列表。
假如B節點建立一個event來記錄這次通訊內容，該event除了要包含交易，還要有兩個非常重要的欄位，即Selfparent（B） 和 Otherparent（A），由此隨著交易的發生，每個節點本地都會存在一個這樣由通訊歷史組成的雜湊圖（Hashgraph），而每個節點根據本地的Hashgraph都能夠獨立的計算出一個塊，而且塊中包含的交易序列以及順序都是一致的。
節點間的通訊我們叫gossip，而gossip的內容簡單來說就是我知道的，而你不知道的，所以很形象的稱為八卦協議。而self parent 和 otherparent 又記錄下所有的歷史通訊記錄，這是演算法再進行witness 和 famouswitness 選舉時最重要的資訊（具體演算法可以參照swirlds白皮書），有了這些資訊，節點就可以獨立的計算並獲得塊（產塊），並保證塊的一致性（這叫做虛擬投票）。
所以你會發現，通過這種看似隨意的通訊，Hashgraph避免掉了傳統BFT類共識中常見的訊息傳遞風暴（N²），很大程度的降低了網路能耗，而且能夠很好的支援併發。用Hashgraph發明者的話來說就是：“Hashgraph具備投票演算法的一切優點，然而避開了它的最大缺陷。”
從演算法中我們也可以看到，這是一個非同步的類BFT演算法，所有的節點是對等的，不存在其他身份的節點，所以它是一個去中心化的系統。當然作為BFT類共識，它依然要面對拜占庭問題，即1/3惡意節點問題，我們需要額外的獎懲機制來約束網路環境。
Hashgraph的安全性
首先Hashgraph作為一個完全非同步的拜占庭容錯，這意味著它並不對訊息在網際網路上傳遞有多快做任何假設。該功能使得它能夠抵禦DDoS攻擊、僵屍網路。另一個經常被討論的問題就是Hashgraph能否經受Sybil攻擊，即攻擊者通過建立大量假身份來破壞對等網路的信譽系統，並利用它們獲得不成比例的巨大影響力。
我們設計了一種讓所有共識參與者共同維護“共識白名單”的機制，讓所有參與者能夠驗證彼此對同一個塊的簽名，再配合獎懲機制，讓它能夠應對假身份攻擊的危險。
該演算法能夠通過定義網路中的大多數為2/3*N~3/4*N,從而能夠抵抗1/3~1/2的惡意攻擊，當然大多數越接近N，對效能會有負面的影響。
Hashgraph存在的問題
當然Hashgraph並不是完美的，作為一個完全非同步的BFT類共識，它在公網環境下，能夠支援多少個節點？完全的非同步讓它對網路環境的要求沒有那麼苛刻，我們知道它最終能夠達成一致，但是，如果這個時間視窗過長，那麼它將無法面對很多業務場景，而且，作為BFT類共識，它必須知道全網節點數N，而這些都是公網環境下無法保證的。於是我們設計了基於Hashgraph的快速同步功能以及共識節點的動態驗證集策略。
在傳統鏈式結構中，大家對這兩個功能並不陌生。像以太坊的快速同步功能，以及casper中的動態驗證集。基於鏈式的資料結構讓我們很容易能夠想象，這兩個功能如何去實現，所以我們需要把Hashgraph鏈式化。
如何解決
鏈式賬本結構，它更適應於表示不可變的事務的有序列表。在我們的系統裡，交易順序由Hashgraph一致性演算法控制，但是最終的“塊狀”交易被對映到由塊組成的線性資料結構。每個塊包含交易的有序列表，前一個塊的雜湊，對應的應用程式狀態（statehash），以及來自動態驗證集的簽名集合。
在區塊鏈世界裡，任何一個共識系統的輸出都是一個有序的交易列表。我們最終決定使用鏈式結構來建模最終資料，是因為它是高效的，具有良好區塊鏈相容性（分片，跨年，layer2等）。由批量，有序的交易序列，hash，簽名，組成的線性資料結構讓它很容易驗證很多事務。
Hashgraph是一種基於同義資料結構的，優秀的一致性演算法。然而swirlds團隊也僅僅是給出對交易進行排序的一致性演算法，然而雜湊圖資料結構在表示線性交易序列時並不容易使用。它是一個有向無環圖（DAG），其順序必須通過一些複雜的一致性函式來提取，為了驗證給定交易的一致性索引，必須重新計算hash圖的子集上的一致性方法。而鏈式結構不需要進一步的處理來提取交易的有序序列，並且通過簡單的加密原語足以驗證塊。
如上圖所示，我們根據swirlds演算法中的round以及roundreceived概念，將Hashgraph對映為鏈式結構。在鏈式結構上，我們通過設計新的資料結構來截斷Hashgraph，以便支援快速同步，並在不同的round中支援不同的動態驗證集，這讓我們的公鏈在面對惡劣的公網環境，能夠有很好的適應能力。
同步功能，我們設計了兩種同步方式，一種是基於全圖譜的全資料同步模式，另一種是基於某一個特定的“frame”，以及對應的block，對應的賬本snapshot的快速同步模式。
快速同步功能雖然並不陌生，但是它對與一個完全非同步的BTF類共識就顯得格外重要了，因為由於網路原因，某些節點會落後於當前大多數節點，在一些特定得應用場景中，我們鼓勵節點積極的使用快速同步，這樣可以有效得控制並防止非同步過程中，全網資料狀態不一致的時間視窗越來越長。當然需要全資料的節點可以通過不斷的gossip，來同步自己的全資料，然後不斷產塊，來追趕最新的資料，方式是靈活的。
動態驗證集功能，公網環境下，我們很難控制節點的行為，當然有效的獎懲機制是個不錯的選擇，這是另外一個很大的話題，這裡暫且不說。節點的新增與刪除，我們通過設計一種特殊的交易型別來實現。
這樣的交易會像普通交易一樣被封裝在event裡，並gossip到全網中，這樣根據一致性的共識演算法，這個交易會被大多數節點放到同一個塊裡，那麼它們就可以在邏輯上一致性的去維護一個共識白名單。我們的策略是一個節點可以隨時的線上或者斷線，但是我們將它在邏輯上與對應的round週期相對應，這樣在投票演算法中，就不會破壞共識演算法的嚴謹性。
回到文章開始的地方，我們之所以選擇Hashgraph+鏈式賬本結構的方式來開發我們的公鏈，就是因為，通過嚴謹的研究與分析，以及核心創新功能的開發，我們在ADAG身上看到了很多可能。
關於layer2的一些思考
在區塊鏈的技術棧中，跨鏈和layer2的方向正被越來越多人重視，相關技術的發展也越來越成熟。我們團隊也一直很重視ADAG對相關技術的支援，如果不是很嚴謹的說，Inter-Blockchain Communication (IBC)是關於一個鏈充當另一個鏈的輕客戶端，而為一個鏈式結構構建一個清客戶端明顯要比在一個hash圖上構建要簡單的多。為了在塊鏈之間實現相互操作，幾個倡議已經被提出，如Cosmos、Polkadot 和 EOS。而ADAG的鏈式賬本可以與這些網路體系結構很好的整合。
Layer2的很多技術都可以通過智慧合約來實現，ADAG採用通用的鏈式賬本結構，能夠輕鬆的支援智慧合約，當前支援EVM，支援WASM的分支也在開發中。
分享與建議
公鏈並不是萬能的，它需要適配自己的業務場景。這對技術選型，未來的成長至關重要。
假如你使用的共識演算法並不成熟，而你又希望開發一條公鏈，那麼建議團隊在全力投入之前，先確定你的共識演算法的安全，容錯邊界，以免搭建空中樓閣。
無論中本聰類共識，還是BFT類共識的容錯邊界都是有限的，所以也不要對公鏈初期的准入與控制行為耿耿於懷。
篇幅原因，文章中沒有對經濟模型和獎懲機制做更多的介紹，而它們與共識一樣對公鏈的成敗至關重要。
作者：馮英飛，Alabs ADAG主鏈專案技術負責人。區塊鏈領域開發專家，致力於區塊鏈主鏈技術的研發及應用落地，畢業於江南大學，曾工作於futurmaster中國，長期從事分散式計算，網路通訊等領域的研發工作。
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