YOUChain 节点的设计理念和安全性探讨

网络与节点

区块链网络,本质是一个分布式系统,系统中的节点根据某一个约定的规则,完成状态的迁移。

网络中的节点的角色、数量、在线情况、是否诚实认真工作等,定义了这个区块链网络的性质,也关系着系统的安全。

共识与考量

上文提到网络中的节点遵循的某一个约定,就是所谓的共识协议,简单的讲就是决定哪下一个区块的规则。在节点的维度考虑问题,那就是哪些节点的哪些考量标准,决定了下一个区块。

在区块链世界里面,主要考量标准有所谓的PoWPoS。分别是以「计算能力」和「持币数量」为考量标准。

大家可能会问了,为什么主要是这两种考量标准,为什么不是别的呢?

原因很简单——这是两种最容易量化的标准,且易于抵抗攻击。其他的,例如 reputation(声望度)honesty(诚实度) 这类标准,都无法简单准确的量化。那存储空间、带宽能不能成为量化标准呢?答案是可以的,但是具体实施起来,有一定的难度。

现有公链的问题

BTC 创建者中本聪期望通过 PoW 实现 one-CPU-one-vote。早期,普通的家庭电脑也可以成功抢夺到出块权,确实满足了这个愿景。后来因为算力竞争,挖矿设备进化到了专业的 ASIC 矿机和矿机联合体——矿池。ETH 一开始就考虑到了矿池垄断的问题,它设计的Etash算法,是依赖内存的,所以 ASIC 矿机的优势没有那么大,但是矿池还是形成了。

BTC/ETH 让人诟病的 POW 挖矿机制带来能源消耗,吞吐量低等问题,也使得两者使用费用高昂。

EOS 模拟了美国的选举人制度。本质是倡导大户集中,鼓动社群投票,超级节点竞争。开发者期望用超级节点竞争的方式,实现去中心化。主要开发者BM甚至声称,这类超级节点的去中心化程度,比 BTC 的矿池垄断的模式要高。一直以来,RAM (内存资源)被当做投机标的,使得开发者成本飞涨。有相关计算表明,支撑一个 DAU 1W 的 DAPP,需要近 200W 美金的年费用。

可以看出,这三大代表性公链,去中心化程度堪忧,同时使用成本也较高,无法承载商大规模商业应用。

YOUChain 的愿景

YOUChain 愿景是打造可承载大规模商业应用的去中心化公链。要承载大规模商业应用,性能和资费是关键;要实现去中心化,节点角色、职责和数量是关键。

  1. 低性能,速度慢,难以扩展,不是我们想要的
  2. 权利高度集中,不是我们想要的
  3. 使用费用高昂,不是我们想要的

要实现高性能,需要考虑制约区块链的三个基本物理条件:计算、存储、网络。共识协议和网络结构需要极度的优化。

某种程度上,我们是中本聪的信徒,相信去中心化的愿景。因此,我们认为,以某种方式实现中本聪的 one-CPU-one-vote的初衷,是实现去中心化的一种方式。

思考性能

回顾已经上线的公链,包括 BTC/ETH 和 EOS,我们可以观察到一个现象:一个共识的达成,需要涉及到的节点越多,其性能就越差。前者涉及到了全网所有节点竞争挖矿,性能较差;后者只涉及到了少数的超级节点的轮流出块,性能较好。

怎么做到去中心化和扩展性兼得呢?其中一个答案是为系统引入随机。Algorand 是我们十分推崇的项目,它为行业带来了新的思路,我们也深入研究了它的技术原理和实现。

思考 one-CPU-one-vote

考虑到设备和节点,我们很自然想到了几乎每个人都会拥有的移动设备(手机)。如果这些设备都能成为网络的节点,并参与工作。那岂不是真正的实现了去中心化?

为什么移动设备,都被已有的公链排除在了节点范畴之外呢?一个直觉印象是,他们的计算、存储、网络性能都不够,稳定性也不够。

当我们深入去研究的时候发现,最新的移动设备(骁龙845/麒麟980及以上)的计算能力,不亚于普通的云主机;主流存储能力也达到了数百 GB;网络性能随着 5G 的普及和千兆光纤入户的进展,不逊机房环境。

思考费用

考虑到能源消耗和运营节点成本,我们选用基于 PoS 的共识机制。

那么使用公链的费用,主要是与运营节点主要包含两部分成本相关:基础设施成本抵押物的机会成本

基础设施成本:机器购置与折旧、带宽、托管费用、防御攻击费用等。

抵押物的机会成本:因抵押而无法自由买卖产生的机会成本(币涨了或者跌了但是币被锁)。

我们认为,随着物理条件的演进,当条件具备的时候,不再需要专业的矿机和托管条件,海量的移动设备,都可以成为网络的节点,使用成本自然就降低了。

思考可扩展性

从 YOUChain 创始之初,我们在公链设计中,就预留了使用安全分片技术进行横向扩展的技术路径。

同时,为了满足高 TPS 下的海量存储需求,我们设计了存储压缩和根据 merkle root 证明的机制使得移动节点可以快速接入网络和持续参与共识。

YOUChain 共识「YPOS」

为了兼具高性能与去中心化。YOUChain 设计了一个基于 PoS 和 VRF 自抽签的快速 BFT 共识协议:Caravel。

共识流程,主要分为两个阶段:提议和投票。

  1. 在较大的候选集合中,通过 VRF 自抽签机制,选取少量(如数十)的区块提议节点,后者将提出候选区块及其哈希。

  2. 在较大的候选集合中,通过 VRF 自抽签机制,选取一定量(如数百到数千)的投票节点,为前一步提议的区块哈希按照某一种规则进行投票。

其中第二步,属于传统的 BFT 共识的流程,核心是消息复杂度和延迟。我们做了大量的工作,使得我们的 BFT 算法实现了线性的通讯复杂度,可以在大型区块链网络中运行,并做到秒级收敛。

在节点的去中心化问题上,我们认为移动节点是未来方向。因此,我们做了大量的的工作,实现了家庭网络和移动网络的稳定传输和有效穿透。同时我们将节点输出成 SDK,植入到生态伙伴的 APP,使得搭载 APP 的移动设备,成为网络的节点,这样我们的候选集合就有了海量的节点。

YOUChain 节点设计

安全性是区块链的基础。没有了这个,扩展性和去中心化都免谈。区块链最常见的攻击,是女巫攻击,大部分都是为了实现双花。

在对抗女巫攻击上,基于 PoWPoS 系统都有成熟的经验。前者不表,后者主要是出块概率权重或者验证投票权重与抵押占比成正比。

一个现实问题是,对于移动节点,我们既无法要求他们有足够多的抵押,但又要捍卫它们的投票权。

如果完全按照抵押占比成正比的投票权中,移动节点的愿景将因失去激励而形同虚设;如果按照一设备一票,我们又难以抵御女巫攻击(因为节点很容易伪造)。

为了实现我们的远景和目标,我们设计了如下的节点结构。

节点类型

系统中包含两大类节点。

  1. 参议节点(senate-node):部署在数据中心的服务器,拥有较强的计算、存储、网络性能,类似于网络骨干节点,前期有一定的准入。

  2. 众议节点(mass-node):部署在家庭网络或者移动网络下的各类设备,无准入。

以上两类节点,均需要参与 token 抵押。我们为抵押设置一个最低准入门槛,选取抵押排名前若干位的账户作为候选集合,依照节点抵押的 token 数量在候选集合的占比分配抽签权重。

节点选取方式

di`d_i`: 节点 i`i` 的抵押token数

Dthreshold`D_{threshold}`:最低要求的抵押token数

S={idiDthreshold}`S=\{i| d_i \geq D_{threshold}\}`:符合最低抵押要求的节点集合

S=Sort(S)`S'= Sort(S)`:对集合 S`S` 中的节点按照抵押的token数从多到少排列所得的节点列表

k`k`:参与共识的节点数的最大值

F={i iS[1,k]}`F = \{i|\ i \in S'[1, k]\}`:最终参与共识的节点集合

参议节点参数「待定」

Dthresholdc`D_{threshold_c}` = 1,000,000

Sc=100`S_c = 100`

众议节点参数「待定」

Dthresholdm`D_{threshold_m}` = 1,000

Sm=100`S_m = 100`

两类节点对比

类型 准入 竞争 职责 抽签权重 收益摊分方式 量级
参议节点 逐步放开 有竞争 存储、转发、提议、投票 股权占比 股权占比 大量
众议节点 有竞争 区块投票 股权占比 组内均分 大量

网络安全

参议节点与众议节点集合,均按照抵押占比分配抽签概率,可以抵御女巫攻击。

官方持有一定量的 token,承诺永不抛售,但在网络早期,可用于网络安全性维护。

官方可以在必要时,可使得维护网络稳定的 token 数量占据足够的份额,以确保网络的 security 和 liveness。

链上将会设计针对各类不当行为的惩罚措施,使得各类节点有经济上的动力去诚实工作。

网络演进

YOUChain 开发者承诺,当众议节点的数量和质量,达到一定程度,将会推动主网持续升级。

  • 通过安全分片技术提高可扩展性
  • 逐步调整众议节点的选取参数,实现「人人可参与」
  • 区块提议节点逐步过渡到从众议节点中选取
  • 逐步降低参议节点集合法定票数 Qs`Qs` 的要求
  • 参议节点的功能将演进为:存储、转发

总结

上文主要从区块链网络及其节点的本质出发,阐述了现有公链的去中心化和使用成本等问题,进而介绍了 YOUChain 的愿景和节点设计,最后给出了安全考量和演进策略。主旨是为了阐明设计的思考,引起讨论。

笔者阅历和学识有限,以上设计可能存在巨大漏洞或者谬误,具体的实施方案,也可能存在不确定性,请读者不吝指出。作者微信 freeface,有兴趣可添加讨论。

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