反直覺的Algorand：突破“不可能三角”，理想國還是烏托邦？
一
2017年10月，伯克利大學。
algorand的分享會剛剛結束。Micali教授站在臺上，望向人群。
有人舉手問了一個問題：
“在algorand系統裡，驗證節點如果作惡是不會受到任何懲罰的嗎？這樣的話整個系統可以輕易被收買吧，哪怕我事先並不知道這些驗證節點是誰……”
algroand核心設計理念有一個非常重要的假設：在一個系統中，絕大部分人都是誠實的。這個假設貫穿整個系統，代表了algorand最本質的核心。但顯然，現場提問的這位朋友對此仍然有所質疑。
Micali教授打斷了對方的問題：“algorand整個系統的確沒有所謂的「懲罰」機制。你後面說的其實是另一個問題。”
他把身體轉向觀眾，說了接下來這樣一段意味深長的話：
“我和你，包括在場所有人，我想我們都同意「誠實」究竟意味著什麼。
你知道密碼學誕生至今最古老的協議是什麼嗎？是「祕密分享協議」（secret sharing）。
這個協議的原理大部分人都說得出來：我們都害怕忘記密碼，而密碼其實就是一串數字而已，於是有人想出了一個方法——把這串數字拆成十個不同的數字，它們相加的和剛好等於密碼的值，然後我把這10個數字隨機發給10個不同的人保管。我請求他們做一個誠實的人，不要把自己的數字告訴別人。當有一天我自己忘記了密碼，我就去找他們每個人要回數字，相加一遍就好了。
按照你的質疑，如果人們會一邊認為自己是誠實的，一邊把手裡的數字告訴別人，那祕密分享這個協議是不成立的——不僅如此，整個密碼學領域裡所有的協議大概也都不存在了。「誠實」的基礎是不去考慮那些不誠實的做法，我認為不止是我一個人這麼想的。”
二
micali是世界級的密碼學家，任職於MIT，得過圖靈獎。
如果你對隱私幣（privacy coin）和zcash比較熟的話，你可能聽說過，這些專案很多都用到了密碼學裡的一個理論——零知識證明（zero knowledge proof）。
第一篇提出零知識證明理論的論文發表於1985年，micali正是這篇論文的聯合作者。
零知識證明，包括密碼學，原本只是一個很小眾的學科。直到2009年，一個化名中本聰的密碼朋克發表了關於比特幣構想的白皮書，密碼學裡的許多理論才得到了實際應用。同時，比特幣和區塊鏈也迅速吸引來了其他人的眼光。
比特幣的出現當然也立刻引起了 micali 的興趣。“我在想我可以做點什麼。我把自己關在房間裡，幾個月都不出門，不停地研究區塊鏈的協議、共識、治理、激勵機制，然後，我終於知道自己想要的是什麼了。”在杭州的見面會上，micali這樣告訴橙皮書，“最後我把激勵機制拿掉，單獨去思考整個協議。我把自己的想法寫成了一份白皮書，扔到網上，然後你猜發生了什麼？”
幾個同在MIT的同事找了上來，其中一位叫nickolai zeldovich，他是系統安全領域鼎鼎有名的人物。nickolai覺得白皮書裡的設想看起來過於美好，不像是真的，“too good to be true”，於是他問 micali，能不能把白皮書拿出來測試一下？micali回答，當然可以。
於是，他們著手準備了一次測試。
“我們租了1000臺亞馬遜的伺服器，每臺模擬500名使用者，然後增長到1000個使用者、2000個使用者、5000個使用者，15000個使用者，一直到500000使用者。測試的結果顯示，達到15000個使用者時，系統完全沒有變慢——在那一刻我知道，我的想法不僅在白皮書上可行，在測試上也是可行的。”後來，nickolai也成了白皮書的聯合作者之一。
有了白皮書，有了技術可行性的測試，是時候動手做點大的了。
micali 把這個專案正式取名為algorand，他想把 algorand 建設成為區塊鏈裡切實可用、值得依賴的基礎設施——換句話說，就是做成一條最好的公鏈。
algorand是一個複合詞，由algorithm（演算法）+random（隨機）組成。這個名字揭示了alogrand的設計原理，即用演算法隨機產生出塊節點與驗證節點—— 這本身就是一種很“密碼學”的思路。
三
技術型的創始人在區塊鏈行業裡不見得是一個優勢。事實上，擁有網紅型的技術創始人，才是這個行業真正通吃的殺手鐗。
micali 關於圖靈獎的頭銜，能夠為 algorand 吸引來不少好奇的目光。但其實 micali 本身也是一個特別擅長傳達理念的人。
這個瘦瘦小小的老頭子教授，看起來永遠是一副精神充沛的樣子。在上海萬向舉辦的區塊鏈大會上，micali 與 oasis lab 創始人 dawn song、cosmos 創始人 jae、以太坊創始人 vitalik 分到了同一組做 pannel 討論。當主持人一個一個詢問嘉賓觀點的時候，micali是唯一一個執意要從座位上站起來、面向觀眾大聲回答問題的人。
雖然他講的英語有很重的義大利口音，但這個口音似乎從來沒有影響過他對自己所表達的東西的自信力。杭州見面會現場的話筒臨時出了問題，micali對工作人員搖了搖頭，示意自己其實並不需要話筒。
在這些公開的分享會裡，micali喜歡用“魔法”來代替algorand涉及到的許多複雜的密碼學演算法，以此讓聽眾更好的理解algorand系統究竟是如何運作的。
對於第一次接觸algorand的人來說，這個系統在設計上有兩個非常“反直覺”的地方：
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這個系統裡沒有任何的“懲罰措施”
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這個系統不需要你押注任何的資產
在大部分公鏈系統的設計裡，為了防止節點作惡，系統往往會設定相應的懲罰機制。dpos或者bpos的共識機制要求節點抵押一部分的資產，以此作為籌碼，約束節點的行為。可以說，大部分割槽塊鏈專案的“信任”，都是通過這種基於資產抵押的懲罰機制，建立起來的。
但在micali的腦子裡，上面這些並非都是必須存在的東西。這背後反映了algorand與眾不同的設計哲學。
micali認為，當“錢”不需要拿去做任何抵押、可以隨時流動的時候，系統裡大部分的錢就會掌握在誠實的人手裡。因為大部分的人都是誠實的，錢只要足夠分散，大部分錢也會是誠實的。而對一個POS的系統來說，“錢”就是一種投票權。如果大部分投票是誠實的，那麼這時，“懲罰”也就沒有必要存在了。
“我認為我們應該做一個「不可能作弊，而非如果有人作弊就去懲罰它」的系統。我覺得這才是更好的設計。”micali在一次分享會上說，“當錢可以隨意流動的時候，大多數錢掌握在大多數人的手裡，而大多數人是誠實的，這個網路就是安全可靠的。”
四
對一個公鏈而言，最核心的問題其實是怎麼產生下一個區塊。
第一個區塊，也就是創世塊，是不需要考慮的，它是人為定義的，不需要共識。第二個區塊怎麼產生才是關鍵。
在micali的設計裡，algorand通過兩個階段的“魔法”——這個魔法背後其實是數學和密碼學——來確定下一個區塊的產生。
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第一階段：魔法隨機選出一個人來產生區塊（概率與這個人所擁有的錢的數量成正比，不需要鎖定或抵押），然後他把「簽名的區塊+自己的公鑰」廣播到網路裡；
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第二階段：魔法隨機選出一千個人來驗證這個區塊。這一千個人組成的委員會對該區塊是否有效達成共識，他們把「自己對區塊的投票意見+自己的公鑰」廣播到網路裡。
micali 喜歡把“公鏈系統”想象成一個小型的人類社會：“在一個社會裡肯定會有一小撮壞人，比例可能是1%、2%，或者20%，但是不可能大部分人都是壞人。不然所謂的「社會」就不存在了，那就是一個野蠻動物的黑暗叢林。”
因此，當第一個人被選出來的時候，他可能有10%的概率是壞人。壞人會發布錯誤的區塊，或者把不同的區塊發給不同的人，以此完成欺騙。這時，如果我們再隨機選出一千個人，這一千個人都是壞人的概率是非常非常低的。相反，這一千個人和整個系統一樣（如果足夠隨機的話），大部分人都會是好人。
如果你既沒有被選為生成區塊的人，也沒有被選為驗證區塊的一千人，當你看到一個區塊被這1000個人中的750個人驗證過，那麼你也可以知道，這個區塊是正確的。
這就是algorand的基本原理。
那麼問題來了：這一千個人的委員會到底是怎麼選舉出來的呢？
一人一票，通過純民主的方式，讓網路裡所有的使用者一起來選舉？這樣效率肯定非常低。
algorand採用了一種反直覺的做法：讓他們自己推選自己。
這部分其實也是密碼學的精華。
委員會的選舉，依賴於一個神奇的彩票程式。這個彩票程式有如下幾個特點：
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每個使用者都有一個彩票程式
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彩票程式只在使用者本地的計算機上執行
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使用者自己無法通過彩票程式作弊
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如果中獎了，使用者可以拿出證據證明自己中獎
整個彩票程式的計算量非常小，就是一些雜湊和字串的比較。中獎的概率和你手裡的錢的數量成正比，而且，一個公鑰有100萬個幣，和100萬個公鑰，每個地址有1個幣，他們被選舉上的概率是相同的，同時，二者彩票搖獎的時間和速度也是相同的。
然後，一旦你中獎了，你的計算機就會給你一張中獎證明，這個中獎證明會和你對區塊的投票意見一起廣播到網路中。所有這些事情將在幾毫秒中完成，非常快速。
聰明的讀者到這裡應該反應過來了——micali 所說的那個“魔法”，其實就是這個基於密碼學的彩票程式。
這個彩票搖獎機有兩個好處：
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委員會的選舉速度很快：時間是毫秒級，因為沒有人需要互相溝通，大家在自己本地的機器上執行就好了。
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委員會選舉的過程很安全：假設系統中的壞人可以賄賂任何節點，讓他們說謊，但在algorand系統裡，壞人到底應該去賄賂誰呢？當委員會被選舉出來的時候，壞人可以知道這 1000 個人分別是誰，但問題是，這時哪怕委員會裡的人被賄賂了，他也已經把自己的中獎證明和對區塊鏈的驗證意見給廣播出去了——換句話說，此時區塊驗證已完成，賄賂也無濟於事。
粗略的理解大概是這樣。其中 alogrand 還做了不少的技術細節，比如：
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vrfs（隨機驗證函式）和基於密碼學的自選舉
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新的速度超快的拜占庭協議（即 1000 人委員會對新區塊達成共識的過程）
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使用者可替代性（上面做拜占庭共識的過程中，如果對區塊產生分歧需要經過最多 9 輪投票，這 9 輪以內的投票，每一輪的委員會都是不同的 1000 個人。這種可替代性可以更有效地經受被賄賂的情況）
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……
五
基於上面這套設計，micali認為algorand跟比特幣相比有了很大的改進。
“我們今天一直在說的「區塊鏈」，其實從來就不是一條鏈。它（比特幣的鏈）是一棵樹，”micali 說，“只不過，這棵樹的分支隨著時間的進行逐漸凋亡，最終留下了最長的那一條。但在 alogrand 系統裡，從始至終就只有一條幹淨的主鏈，不需要 6 個區塊的確認時間，一個新區塊一旦產生就是最終的區塊。就是這麼簡單、乾淨、明瞭。”
比特幣之所以是一棵樹而不是一條鏈，原因在於比特幣需要額外的 6 個區塊時間才能確認該區塊的最終一致性。援引 maxdeath 在知乎上的答案：“在比特幣裡，因為網路延遲的原因，某個區塊的生成者天然地在下一個區塊的生成上具有優勢。於是，比特幣有了 6 個區塊這麼個延遲，因為一個區塊的生成者預測 6 個區塊以後的生成者的概率的時候，網路延遲能造成的優勢就微乎其微了”。
algorand 能快速確定一個區塊的最終一致性。根據 micali 的說法，algorand 上出現分叉的概率非常之低。大概需要經過「從宇宙誕生至今」這麼長的時間，系統才有可能出現分叉。
除此之外，micali 認為 algorand 還有其他一些更重要的改進，比如：
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真正意義上的去中心化：所有節點都一樣，不存在礦工與普通使用者的不同角色。
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藉助於計算量很小、幾乎沒有延時的隨機演算法，在可擴充套件性上可以有很大的突破；
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很好的安全性：不僅可以抵擋協議層的攻擊，還可以抵擋網路通訊層面的攻擊。
上面這三點分別代表了“去中心化”、“可擴充套件性”和“安全性”——換句話說，algorand 解決了一直以來困擾公鏈的三難問題，即「不可能三角」。
在行業整體思潮開始轉變，越來越多人開始探討「以太坊成為世界計算機的願景是否必要」時，“區塊鏈在保持去中心化與安全性的前提下，應該儘量把計算剝離開，挪到第二層來做，讓layer2來提升效能” 幾乎已經成了行業新的共識了。
人們已經習慣並預設「不可能三角」無法解決，放棄與這個問題剛正面，轉而去尋求其他解決思路，比如分片、鏈下擴容、側鏈等等。在已經接受了一個既定條件的情況下，突然告訴你這個條件不存在了，讓你重新定義問題——這時的人們很難做出正確的反應，因為大部分人的思想已經被這個既定條件牢牢困住了，很難掙脫。
algorand 的橫空出世，如果對行業有其他方面的借鑑意義的話，也許在於 它在嘗試幫助這個行業打破這個狹小的思維框架。 用 micali 的話來說，“algorand是真正使用第一性原理設計出來的”。
六
這種第一性原理的設計思路，很大程度上歸功於 micali 在密碼學領域長期的研究。micali 嘗試用純密碼學的方法來搭建新的公鏈基礎設施，一方面為整個行業打開了一片新世界，但另一方面，也帶來了更多人對 algorand 的質疑。
最大的質疑聲聚集在同一個問題上—— alogrand 沒有完善的激勵機制。
對於這個問題，micali 在早期曾經嘗試論證為什麼不需要經濟激勵機制。coindesk 2017 年 5 月發表的一篇報道里，micali 表示“激勵機制是最難的”，他的解釋是這樣： 當你為系統加入激勵機制，人們就會嘗試去利用激勵機制賺錢。他們會想出各種你預想不到的辦法專空子。中本聰肯定不會想到，pow 最終會導致比特幣出現產業規模級的挖礦活動。
“我們必須把激勵機制當作最後一種方法來使用。我相信我可以（讓 algorand 在沒有激勵機制下運作起來），但我沒有確切的論證方法證明我可以，因為這比「讓 algorand 自己證明自己」要來得更難。”
但沒有激勵機制，就像沒有懲罰機制一樣，很容易讓人懷疑因此可能產生更大的問題。比如，沒有激勵機制，怎麼吸引更多的人加入整個生態？人們為什麼要參與成為 algorand 的節點，哪怕這個節點不需要消耗太多的計算資源和資產，沒有好處的話，人們一開始為什麼要去做呢？所有的節點會不會都變成懶惰節點？
micali 對這些問題做了一個有趣的反問： 你會因為擔心電腦上的 gmail 費電，而選擇把郵箱關掉嗎？
vitalik 顯然對激勵機制有不一樣的看法。在被問及如何看待 algorand 時，v 神說過這樣一句話：“algorand 假設系統中大部分人都是誠實的。而我們（以太坊的 casper）則是嘗試用更偏經濟激勵機制的方法、而非密碼學的方法，來實現 pos。”
micali 認為 algorand 是「更純粹的 pos」。“pow 通過算力提高了節點出塊的成本，保證系統的安全性，同時也產生了廉價電力和專業挖礦裝置的競爭賽，最終一定程度上導致了「中心化」礦池的出現。而使用需要抵押資產、有懲罰機制的 pos 共識則是另一種「隱形的中心化」。讓我來問你，一個普通的使用者能把多少錢抵押在鏈上並且保證 30 天內不動這筆錢？沒多少錢。最終那些有能力鎖定大額資產的人，就會形成新的中心化。”
看起來，沒有激勵機制和沒有懲罰機制一樣，似乎都是 micali 出於對 algorand 系統保持足夠去中心化的一個考量。不過儘管如此，在前不久的杭州見面會上，當現場許多人提出激勵機制的質疑時，micali 主動站起來回答了這個問題。他表示 algorand 並非完全沒有激勵機制，只是目前激勵機制的 paper 還沒有最終確定釋出出來。
micali 透露 algorand 的激勵機制會跟其他公鏈有所不同：“algorand 不會去獎勵出塊的節點，我們也不會獎勵那 1000 個入選委員會的區塊驗證者。如果你去獎勵最終勝出的冠軍，獎勵那些第一個衝破終點的贏家，人們就會開始想盡一切辦法把自己訓練成百米賽跑的運動員。他們會買更好的裝置，用更好的演算法，來獲得出塊或者驗證區塊的權利。相反地，alogrand 會去獎勵那些一直保持線上狀態的節點和使用者。只要你持續線上，保持對網路資料的接受和監聽，就有可能獲得 algorand 代幣的獎勵。”
這是至今為止 algorand 對外公佈的關於激勵機制方面的所有信息了。看起來，激勵機制在 algorand 專案的發展中也經歷了新的變化。從原本的「不需要」，到後來出現的「新的設計理念」，這對algorand也許是一件好事。一個專案總是需要經過一些時間，不停地完善想法。
儘管如此，algorand 仍然留下了不少問題。
按照這套激勵機制的假設，以及 algorand 希望採用的「純 pos」的共識演算法，初始代幣的發放將會變得尤為關鍵。Alogrand希望通過拍賣的形式發放代幣，由市場決定Algo代幣的價格，但這一部分目前還沒有太多的資訊。
此外，如果假設系統中所有的節點都是一樣的，那麼使用者有可能通過類似“輕節點”的方式進行訪問嗎？
在杭州分享會現場，有人問到了這個問題：在沒有礦工的情況下，一個新節點加入網路需要如何開始同步歷史資料？algorand 論文的聯合作者陳婧回答稱，他們將會開發一套專門的歷史資料同步工具，並且新加入的節點也並不需要從創世塊開始同步所有區塊的資料。
algorand 留下的最後兩個問題是：目前沒有實際的程式碼和開發程序，以及，目前 algorand 僅有的測試結果仍然是跑在非常穩定可靠的亞馬遜雲伺服器上的，這跟實際的公鏈執行場景可能會有所差別。
而從另一方面來說，無論是經濟激勵機制、代幣發放，還是系統工程上的實現細節，這些疑問看起來似乎都不是一個密碼學家最擅長的事情。
七
2017 年那場伯克利大學的分享會，micali 在 ppt 的最後放了一張圖。
這是一座羅馬石拱橋，名叫朱利安橋。這座橋橫跨法國東南部的卡拉翁河，於公元前3年建立。至今這座橋仍然在使用中，古羅馬人完全想象不到的、後世新誕生的各種重型交通工具在橋上通過，但這座橋依然堅挺無比。
micali 說這座橋是一個美妙的基礎設施。
一個去中心化、不可篡改、無法遮蔽的公共賬本，同樣也是人類夢寐以求的一個美妙的基礎設施。
問題是，什麼才是實現這種理想基礎設施的最好方法？
是最早出現的比特幣嗎？
還是會有更好的？
algorand提出了一個很有趣的想法：儘可能多地依賴於密碼學演算法本身，而減少經濟激勵對人性可能產生的影響。
這種「隨機抽取樣本來達成網路共識」的辦法，在 micali 眼裡還有更大的用處。
當被問及 algorand 最大的不同點是什麼的時候，micali 說，“algorand 的拜占庭演算法能讓網路對任何的話題和決定快速達成共識。這將給予 algorand 更大的可能性。我認為 algorand 最大的不同是它的進化能力。整個社群對 algorand 未來的發展如果有新的想法，有更好的主意，都可以通過這種方式快速達成共識。因此，algorand 能擁有更快的進化迭代速度。”
algorand的「進化能力」，讓我想到了另外一些東西。
自古以來，在人類社會裡，一群人做出決定的唯一方式是選舉出一個管理機構。你不可能讓10萬人逐一舉手投票。哪怕有了區塊鏈這一種人類歷史上首次擁有的、防篡改、可以讓數百萬人同時發聲達成共識然後做出集體決定的技術，一人一票的“純民主”也不現實——因為效率實在太慢了。所以 EOS 才會使用 21 個超級節點的設計。
但 algorand 提出了另一種思路：如果我們的社會，每做一次決定，是通過隨機選取社會裡 1000 個人作為樣本進行投票的話，會怎樣？這種方式會不會更好？
老實說我不知道答案。雖然從概率上來說，這可能會是一個更貼近於社會全部成員意志的投票方式。但如果真理通常只掌握在少數人手中呢？如果選出來的這 1000 個人都是笨蛋呢？如果這 1000 個笨蛋做了最糟糕的決定？
我不敢想象這種機制，但同時我又對這種想象感到興奮。對我們來說，唯一能確定的是，這樣的社會將在極大的“不確定性”中向前走。
在回去的路上，我想起了另一個密碼學家 Bruce Schneier。Bruce Schneier 寫過一本書叫《應用密碼學》。幾年後，他又寫了另外一本書叫《Secrets & Lies》。在第二本書裡，Bruce Schneier 寫下了這樣一段前言（選自LeanCloud創始人江巨集翻譯版本）：“七年前我寫了另一本書：《應用密碼學》。我在其中描繪了一個數學的烏托邦：可以永遠保守祕密的演算法，以及能安全可靠地執行無監管的賭博、抗檢測的認證、匿名貨幣等美妙的電子化互動的協議。在我眼中，密碼學是帶來平等的偉大技術；任何有廉價計算機的人都能擁有與最強大的政府同樣的安全。在兩年後寫此書第二版時，我甚至說「僅靠法律保護自己是不夠的，我們還需要靠數學保護自己。」 然而我錯了。密碼學做不到以上的任何一點。 這並不是因為 1994 年以後密碼學變弱了；也不是因為書中的技術內容不再正確。而是因為密碼學不存在於真空中。 密碼學是數學的一個分支。和數學的其它部分一樣，它是關於數字、等式、邏輯的。而對於你我來說在生活中能感受到的安全是關於人的：人知道的事、人之間的關係、人和機器的關係。資訊保安是關於計算機的：複雜、不穩定、有缺陷的計算機。 數學是完美的；現實是主觀的。數學是確定的；計算機是易怒的。數學是有邏輯的；人是不確定、易變和難以理解的。 《應用密碼學》的錯誤在於我沒有對上下文做任何討論。我把密碼學當作答案™來講述。這是很幼稚的。 […] 一個同事曾和我說，世界上充滿了《應用密碼學》的讀者設計的糟糕的安全系統。[…] 幾年前我聽過一句話，在這裡稍微改動一下：如果你認為技術能解決安全問題，那麼你既不懂安全也不懂技術。”
algorand 最大的亮點是“密碼學”的設計，但人們也將因為“密碼學”不斷對它產生質疑。