星物種 | 引入VRF、門限簽名的公鏈TASchain ，要給出“不可能三角”的最優解
編者按：本文來自36氪戰略合作區塊鏈媒體“ ofollow,noindex" target="_blank">Odaily星球日報 ”（公眾號ID：o-daily， APP下載 ）
“創意，就是舊元素的新組合”。
比特幣將橢圓加密演算法、MerkleTree、P2P對等網路等多項技術進行組合，成為劃時代的產物。目前已有的公鏈借鑑了這點，嘗試將不同的成熟技術進行組合，試圖給出“不可能三角”的最優解。比如 Algorand 將 VRF（可驗證隨機函式）引入出塊過程中的抽籤環節，Dfinity 將門限簽名引入區塊鏈中，IOTA 引入了 DAG（有向無環圖）的資料結構，Hyperledger 引入 PBFT 共識機制，還有 YEECO 引入通道編碼的編碼方法等。
Odaily星球日報近期接觸到的公鏈專案 TASchain ，引入 VRF 、門限簽名，想要給出公鏈“不可能三角”的最優解。TASchain，主要結合了Algorand 的 VRF、Dfinity 的門限簽名的優勢，並對兩者的不足進行了優化。 簡單來說，TASchain 在提案階段，採用 VRF 祕密抽籤選擇多名提案者並行提案；在驗證階段，通過門限簽名演算法來達成驗證組內共識。
Algorand、Dfinity 的不足
TASchain 的聯合創始人&CTO 呂晟珉認為， 真隨機數問題是區塊鏈的核心問題 。POW 機制中，POW 演算法就是“記賬權”隨機性的解決方案。POW 演算法的隨機數具備不可預測、不可提前知曉、不可選擇、不可隱藏等特性，但其缺陷也很明顯，即能耗高、效率低。為了追求效率，降低能耗，POW 演算法被放棄後，出現了 POS 機制，這時候，不得不面對需要解決的問題，即如何解決“記賬權”隨機性？所以很多研究又迴歸到真隨機數技術上。
TASchain 的創始人&CEO 吳軼群認為，公鏈 3.0 將朝著節能的、安全的、去中心化的、高效能的方向發展，其中，VRF 是公鏈未來的趨勢。
對於 VRF，Odaily星球日報在 《一文看懂可驗證隨機函式VRF》 中有介紹，比較火的公鏈 Algorand 和Dfinity 的共識機制都用到了它。對於將 VRF 引入 POS 機制的必要性，CTO 呂晟珉表示， VRF 可以解決 POS 機制下提案者和驗證者的隨機選擇問題。
Algorand 和 Dfinity 的共識機制均運用了 VRF 的技術，但吳軼群認為，這兩個專案仍存在一定的不足。
圖片來源：TASchain
對於 Dfinity 的不足，呂晟珉表示，Dfinity 的提案是由上一輪的組簽名作為隨機數，來選擇這輪的提案者。所以隨機數是先驗的，即提案者還沒開始提案，其他人就都知道了提案者是誰，從而使得其在安全性方面存在不足。
對於造成 Dfinity 的 DDOS 攻擊風險的“單點串型提案”，呂晟珉表示，Dfinity 先通過上一輪產生的隨機數，選擇一位提案者提出候選區塊。考慮到有時節點不線上，或者網路不佳，在一定 timeout 後，比如 2 秒沒有候選區塊被丟擲，那就會再次選一個提案者負責提案。所以它的過程是單點串型提案。每個提案者都是按規則可驗的，也就是說第 N 個提案者是誰，其他人均是知曉的。所以作惡者可能會針對提案者進行 DDOS 攻擊。
對此，TASchain 在提案階段借鑑了 Algorand 的 VRF 後驗方式解決。呂晟珉表示，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塊後，將提案區塊和憑證（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。TASchain 還有進一步的增強設計： 提案者多點並行方式給出提案區塊，在驗證組內競爭簽名達成共識。
在提案階段，相比於 Algorand ，TASchain 做了一些優化。呂晟珉表示，與 Algorand 在全部節點中選提案者不同，TASchain 設計了輕節點和重節點的分工機制，重節點才有提案的權利，TASchain 是在所有重節點中通過 VRF 來選擇提案人。另外，TASchain 重節點提案要給出自己存有全量賬本的證明，所提的候選區塊才會被驗證組認可。同時，這一輕重節點的設計也降低全量賬本缺失的潛在風險。
對於 Algorand 的不足，呂晟珉表示其在效能方面存在問題。Algorand 在驗證階段採用的是可擴充套件的拜占庭容錯演算法，即 BA*演算法，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，共識演算法效率低。BA*演算法在公鏈上並不佔優勢，比如小蟻、EOS 也使用拜占庭演算法，但是為了平衡通訊量與效能，擴充套件不了太多節點。
TASchain 在驗證階段，借鑑了 Dfinity 的門限簽名（僅需一輪無互動的驗證簽名）並進行優化。
呂晟珉表示，門限簽名（與群簽名有些類似，若門限的值等於整個組員數量，那就是群簽名）遵循少數服從多數的原則。每個節點只需要對自己所認可的進行一輪簽名即可。當某個塊達到了門限個簽名以上，就完成這一輪共識，即可進行組簽名。門限簽名本質上是多項式。
不過，門限簽名在工程實現上較複雜，需要預先建組，並且建組時需要所有組員共同參與才能完成預備工作。
呂晟珉表示，建組是在鑄塊的流程中非同步做的。比如我們假設50塊高，進行一次建組檢測。比如當前高度100，那第100塊的驗證組完成第100塊後，執行建組檢測，作為父親組，根據規則選出候選組員（其他節點均可驗名單是否符合選擇規則）。候選節點收到父親組（第100塊的驗證組）的建組通知，進行建組操作，完成組構建（形成組公鑰，各自的組簽名、私鑰）。該新組需要經過一定時間間隔（新組資訊需要全網 傳播），比如200塊高以後的鑄塊才能參與。
相比於 Dfinity 的門限簽名，TASchain 做了一些優化。呂晟珉表示，TASchain 通過採用不同的橢圓曲線，以及更安全高效的雙線性對運算元，可以在提案區塊進行驗證的同時達成共識。這意味著效率將至少 3000TPS，同時可以保持簽名資料量小、每輪產生唯一且不可預測的隨機數等優點。
圖片來源：TASchain
目前現行的 VRF 機制存在的不足
目前以 Algorand、Dfinity 為代表的 VRF 主要存在兩個問題：網路通訊效率低、去中心化程度低。TASchain 給出如下解決方案：
對於採用 P2P 全網廣播模式，傳輸效能不高，導致網路通訊效率低的問題，TASchain 的做法是：使用新型的NAT穿透技術大幅提高節點線上率；針對分組鑄塊模式，設計了雙層 KAD 網路提高通訊效率；使用RUDP 代替TCP 作為通訊協議，通訊延時降低 35% 左右。
在去中心化程度方面，Algorand、Dfinity 為了解決安全性問題把共識階段的驗證組規模設計得較大，從而通訊量增加，導致參與節點的網路頻寬門檻變高，去中心化程度較低。TASchain 的解決方案是設計上面所述的獎懲機制，用結合技術的通證經濟設計來保障系統安全，那麼驗證組規模就無需太大，從而一定程度上平衡去中心化與高效能。
據 TASchain 實驗資料測算，在 100人/組的情況下，目前已經可以達到上行速率 400KB/S，下行速率 2MB/S 的目標，普通家庭寬頻就可以滿足 TASchain 的節點頻寬要求。
圖片來源：TASchain
除此之外，在 智慧合約方面 ，TASchain 支援 Python 語言。對此，吳軼群表示，Python 語言對公鏈效能的負面影響微乎其微，但是對後續的開發環境的友好程度遠遠高於其它語言；在 落地方面 ，TASchain 的策略是激勵社群的開發者來做中介軟體。
對於目前的落地場景，TASchain 已在供應鏈金融的融資租賃方面進行內測，之後 TASchain 還將在數字版權、遊戲等進行嘗試。
TASchain 專案目前在內測階段。呂晟珉表示，TAS 的出塊時間是 3 秒，單個交易確認時間 10 秒。
據介紹，對內的測試網，在杭州、深圳、青島三地機房一共部署了 1000 個節點，分為 10 個組，每個組 100 個節點，目前 TPS 達到 1500+，穩定執行一個多月。對外的測試網預計將於今年 12 月底上線。
團隊方面，目前成員數量約 30 人，70% 以上的是阿里巴巴等網際網路公司的技術人員，同時團隊 40% 來自於 985、211高校的碩博。創始人&CEO 吳軼群，前蝦米音樂CTO&創始人，前阿里巴巴安全部大資料總架構師，阿里唯一的“三進宮”。曾帶領蝦米技術團隊研發並申請專利：基於點對點檔案交換系統的數字產品銷售和分享方法（專利號：CN1889119A），在當時被稱為“蝦幣”。呂晟珉，TASchain 聯合創始人，浙江大學應用數學系博士畢業。戴佳，TASchain 聯合創始人，東南大學碩士畢業，前阿里巴巴安全部技術專家。
我是Odaily星球日報的齊明，探索真實區塊鏈，日常喜歡和各路大神聊天。專案交流、爆料請加微信qingmoruoshui，煩請備註姓名、公司、職務。轉載/內容合作/報道聯絡[email protected]；違規轉載法律必究。