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解析Cosmos、Polkadot与Avalanche：异构区块链网络差异

随着比特币、以太坊等第一代加密货币网络出现性能、可用性、能源效率方面的问题，开放去中心化网络的愿景蒙上了一层阴霾。为了解决当前的性能问题，以太坊推出了新版本和相应的L2解决方案，更为重要的是，新一代区块链项目Cosmos、Polkadot、Avalanche相继启动，建立了出色的基础设施。这些项目旨在通过异步异构的网络模型实现横向扩容，即各app的专用区块链既能共存，又能在需要时互操作。为确保链间的经济安全，这些网络在设计上各显其能，做了各自的权衡和取舍，这也带来了不同的影响，后文将详细讨论。这些网络的目标是建立区块链互联网，达到容纳数百万日活用户而非今天的几十万日活用户的规模，并实现web3“互联网由用户拥有和控制”的愿景。本文希望帮助开发者、研究者、企业家、投资者和期待去中心化世界的到来的所有人理解加密货币网络的这一范式转移。

 Cosmos、Polkadot和Avalanche的链间经济安全拓扑结构

比特币打开了潘多拉的魔盒，并逐渐拥有了“数字黄金”的地位，这是当今时代的共识。以太坊开启了可编程互联网货币的时代，成为了加密经济创新的大本营。但比特币、以太坊和它们的变体距离大规模采用还有诸多障碍。本文将首先探讨这些障碍，再根据其中的要点比较新一代的区块链平台。

能源效率：开放的去中心化计算机网络的正常运转，需要各独立参与者就共享状态达成一致。与此同时，网络需能在信息不完备或存在恶意节点（拜占庭容错）的情况下保持容错和有效共识。一方面，网络要保持开放，允许更多节点参与共识，另一方面，网络要防止同一实体操作多个身份（女巫攻击）——这些是通过一种称为工作量证明（PoW；1992年由Cynthia Dwork发明，最初用于防止垃圾邮件）的准入方法实现的。PoW需要节点使用大量算力，这会加剧全球变暖，也会带来高昂的电费单。显然，维护去中心化计算网络的安全[1]需要经济成本。新一代区块链项目用权益证明（PoS）取代PoW，作为验证节点的准入门槛，即要求网络的参与者存入并锁定代币。为了防止恶意行为和节点下线，这个经济门槛需要足够高。事实上，PoW和PoS适用于相同的规模经济原理：验证节点的运行成本由运营支出（OPEX）变为资本支出（CAPEX）。

交易透明度：比特币、以太坊及它们的变体使用的都是中本聪共识，发送的交易需等到数个区块创建之后，才能进入不可逆转的状态。因此，这类区块链可用性高但速度慢，因为它们使用概率性最终性确认，需要等到区块链足够长为止。为了加快确认速度，不少区块链项目使用经典实用拜占庭容错算法（PBFT）共识，而这带来了其他问题，例如节点的规模可能会降低网络速度，导致网络优先安全性而非上线时间和活跃性。

计算吞吐量：吞吐量即分布式计算机网络每秒可以完成的计算工作量，它决定了网络的扩容能力。但通量的常用单位“笔交易/秒”具有误导性，因为“交易”可以是简单的转账，也可以是复杂的财务计算，它们对算力的需求是不同的。吞吐量是由节点提供的，网络的实际吞吐量指网络每秒可以处理的计算工作量。提高吞吐量有两种方式，一是纵向扩容策略，它要求节点具备较高的计算性能，要求节点软件进行优化；二是横向扩容策略，即将网络分割为多个部分，平行处理交易。

交易成本：区块链必须限制执行的数量，否则运行区块链的节点很容易遭到DoS攻击。为此，比特币只支持少量脚本语言，以太坊根据智能合约执行的gas计量收取交易手续费。问题在于，无论您的交易是简单转账还是复杂计算，它们都是由同一个网络执行的。因此，网络流量增加时，简单交易的gas费也会走高，只有财大气粗的人用得起。手续费会支付给矿工，作为优先交易的激励。在比特币网络，比特币发行量达到2100万的上限后，手续费将成为唯一的激励措施，而在以太坊，手续费完全用于优先交易（技术审订注：在以太坊1559协议升级后，手续费也都回收进行了销毁，只有用户额外增加的小费“tip”才归节点所有）。新一代的区块链项目则更多地采用了销毁手续费的机制。最近，以太坊也开始销毁部分手续费了。这样一来，随着网络活动的增加，代币稀缺性会上升，这将利好所有持币人。

去中心化水平：和大部分人的想象恰恰相反，由于矿池的集中（截止2021年11月，比特币90%的算力是由11个矿池控制的，以太坊90%的算力是由16个矿池控制的），比特币和以太坊的去中心化水平其实是很低的。在中本聪共识，随着挖矿成本增加，出块难度扩大，这会进一步导致算力的集中。面对这个问题，新一代的区块链项目各显其能，下文将详细讨论。

公平分配：随着网络的发展，区块链项目要怎样分配所有权份额（代币）呢？比特币的代币分配模式建立了区块链安全、挖矿和汇率相互依存的关系。它成为了许多项目的范本：矿工加入网络，赚取代币收益，网络更加去中心化、更加安全，进而吸引更多用户。需求的增加和币价的上涨将吸引更多矿工加入网络，维护网络安全。然而，随着挖矿成本的增加，出块的难度也日益提高。这会导致代币和算力的集中，造成矿工由少数几个实体运行的情况。不同于比特币，以太坊的策略是预先挖矿代币，取消发行量上限，通过非公开销售和众筹卖出部分代币，将部分代币分配给基金会，用于开发赠款和漏洞悬赏，再像比特币那样为矿工发放激励。很快，以太坊的代币也集中在了少数几个矿池里，交易所成了最大的代币持有者。最终，随着时间的推移，公平分配将决定网络中何人拥有权力，包括出块的权力（发起、接受或审查交易）、分叉网络的权力、参与协议升级决策的权力，以及对网络上的app进行投资和质押的权力。

治理：网络协议的更改会对当前和未来的所有用户产生重大影响，无论他们是否知晓这些变化。在比特币和以太坊，核心专家社群会对提案进行讨论、决策、实施和执行，从而升级协议、调整参数。如果某组矿工的追求与多数人不同，他们可以分叉协议，启动新网络，其代价则是无法享受之前的网络效应。此外，它们通常设有中央基金会，负责管理研发基金的分配，其替代方案则是由DAO（分布式自治组织）负责资金的协调。多数代币持有者和用户在治理决策中的发言权非常有限，因为他们可能并不具备相关领域的专业知识、兴趣和意识。即便他们有这些信息，比起持有大量代币的人士，他们的发言权依然很小，因为投票通常是按代币持有量加权的。新一代区块链项目则将更为公平的链上治理（包括二次投票、时间锁投票、自适应投票偏见、投票委托、以去中心化身份认证为基础的一人一票）和链下治理（论坛签名投票）机制相结合，让代币持有者普遍参与到治理中来。

这些问题不仅会制约去中心化网络的主流采用，也会导致现有用户继续依赖中心化交易所和托管钱包。非技术背景的用户很难固定地使用真正的去中心化app。另一方面，普通用户没有离开以太坊和比特币，是因为他们并不了解这些问题；企业和投资者没有离开这些网络，是因为他们追随流动性所在；早期用户和OG们维护这些网络，则是因为利益攸关。但是，区块链网络存在其他的可能性。

以太坊日活地址。数据来源：Etherscan.io

目前，以太坊拥有50万日均活跃地址，作为参考，推特的日活用户是2亿（以太坊的400倍），Facebook的日活用户接近20亿（以太坊的4000倍）。即便是把L2平台和比特币的用户全部加起来，也比这些主流应用差很多。扩容是开放去中心化互联网的关键瓶颈。这不是我们将来要面对的问题，而是此时此地迫切需要解决的问题。

为解决扩容问题，以太坊也推出了新版本，尝试通过L2解决方案应对不断增长的需求。同时，陆续于2019年和2020年启动主网的新一代区块链平台Cosmos、Polkadot和Avalanche，让我们再次看到了真正的去中心化互联网的希望。我们先来看看以太坊的新版本是怎么做的。

以太坊新版本：EVM生态

上线以来，以太坊的新版本一直在参考新研究和新一代区块链平台的实践，采用各种新的机制。以太坊的新版本使用PoS，将网络拆分为同步的分片，以期提高总计算吞吐量。运行同一以太坊虚拟机（EVM）的验证节点将分配到不同的网络分片，它们将生成区块，累积不同的用户活动数据，再通过Beacon这条信标链互相同步。但是，对所有分片进行同步意味着完全复制，即所有节点储存相同的数据。这是会造成问题的，因为分片的目的是扩容，不是复制整个网络的所有数据。在同步模型或在异构网络拓扑模型中，如果一个分片（例如，一个非常受欢迎的DeFi分片）的用量远远高于其他分片，就会产生和今天的以太坊一样的速度、成本和扩容问题。分片间如何高效地同步数据也是一个问题。

虽然以太坊表示要过渡到新版本需要1年左右的时间，面对用户需求的增长，rollup（Optimistic、zkSync）、plasma、状态通道这些L2解决方案已经纷纷启动，以期改善效率、提高速度。问题在于，L2的信任模型需要使用中央节点作为中介，或使用多个受激励节点（Polygon使用Tendermint共识构建，在多个验证节点上运行，Matter Labs希望在zkSync建立验证节点网络），前者会破坏去中心化和抗审查性，后者则相当于创建了一条拥有自己的代币（如MATIC）的新去中心化区块链，最终要加入L1平台的竞争。因此，随着用户数量的增加，这些单链基础设施迟早会面临相同的交易成本问题。

模块化区块链设计

最近，以太坊推出了“rollup中心路线图”这一新策略，即以太坊为数据可用性层（L1），其他L2项目为计算层。也就是说，以太坊希望作为基础层，为rollup保障数据可用性、共享安全性。 因此，以太坊在积极整合EVM链作为算力，这些EVM链可能由单个rollup主导，也可能是多个rollup共存（请参阅Vitalik Buterin的Endgame一文）。事实上，这种策略和新兴的模块化区块链设计不谋而合，即区块链可将数据可用性或执行外包给其他区块链。这一策略的通用模型由Celestia和EigenLayr开发。 此外，以太坊的新策略类似于 Polkadot和Avalanche现有的共享安全模型。

另一方面，由于Cosmos、Polkadot和Avalanche都至少在一条EVM兼容链上部署了以太坊跨链桥，它们有时也会被看作L2平台。但是，这些项目通常称自己为L0平台，因为它们提供了开发互相连接的L1区块链的基础设施。

Cosmos、Polkadot和Avalanche

Cosmos、Polkadot和Avalanche都旨在通过异步异构网络模型进行横向扩容。在这三个网络，app专用区块链有不同的虚拟机，在需要时可以互操作。在这些基础设施平台，用户可以建立自己的个性化区块链，这为去中心化app和资产提供了更大的设计空间。通过自主区块链而非一组智能合约运行项目具备三大优势：

1. 性能隔离：隔离您的区块链和其他区块链，确保您的用户体验不会受到无关的网络活动的影响，从而提升区块链性能。如有需要，您也可以桥接其他区块链。
2. 手续费可预测、可自定义：在共享的免许可网络上，您是无法控制手续费的，部分app的高交互量会推高整个网络的手续费，您的app也只能接受。自定义的费率结构意味着手续费更好预测，它也将消除底层平台的存在感。用户无需持有底层平台的代币，也能使用app专用区块链。允许用户用底层平台代币以外的货币支付手续费对主流采用至关重要。
3. 验证节点可自定义：您可以根据自己的app的需求，为自己的区块链设置相应的验证节点规则和要求。您可以要求验证节点遵守特定司法辖区的法律（如欧盟的《通用数据保护条例》），具备高性能硬件，或提供特定证明。   

这些新一代区块链网络已建立或即将建立连接以太坊和比特币的跨链桥。它们也在开发连接彼此的跨链桥，以期充分实现区块链互联网的愿景。

Cosmos、Polkadot和Avalanche在协议层面（共识机制、经济安全拓扑结构等）有很大区别，因此，它们的功能（链间通信、代币经济模型、所支持的app类型等）和扩容方式（验证节点的参与、质押的归属等）也很不相同。下文将对三者进行对比，帮助开发者、企业家、投资者、研究人员和考虑在这些平台搭建项目的人士了解三者间的区别和它们各自的权衡取舍。

Cosmos、Polkadot、Avalanche对比

共识机制

共识机制能在开放的计算机网络上安全而一致地复制应用程序的状态。与此同时，在信息不完备或存在恶意节点（拜占庭容错）的情况下，网络应保持容错和共识机制的有效性。 Cosmos和Polkadot使用实用拜占庭容错算法（PBFT），它要求所有参与共识的节点彼此通信。因此，网络决策具备绝对最终确定性。PBFT具备延迟低、确认速度快的特点，但它无法扩展到全球开放网络中的大量节点，因为随着验证工作的增加，每个验证节点的负担会指数级增长。比特币引入了最长链共识机制（中本聪共识），允许概率确定性，错误率极低。随着时间的推移，它会逐步建立一个可靠而可扩展的网络，但这个过程非常慢。

• Cosmos主网于2019年3月启动，采用Tendermint PBFT共识，交易确认速度快。但是，由于所有节点必须相互通信，二次消息传递的复杂性导致每次只能确认一个块。   
• Polkadot主网于2020年3月启动，其共识机制对区块生产和交易确认进行了分离：BABE共识（Ouroboros