Avalanche 架构深度解析

WEEX 唯客博客， 作者：Dan Smith   关键要点 Avalanche平台：Avalanche旨在构建互操作性、灵活性和高性能的区块链。 Durango升级（3月6日完成）：为所有基于EVM的子网引入了跨链通信能力，标志着Avalanche网络互操作性新时代的到来。 性能优先的升级：包括HyperSDK、Vryx和Firewood等升级计划于今年下半年实施，预期将与ACP-13共同促进子网的广泛采用。 Avalanche的基础设施：提供创建通过原生互操作解决方案相连的高度优化区块链的基础设施。目前，Avalanche以其C链（合约链）闻名，这是一个泛用的EVM兼容L1，拥有37个DeFi应用，总锁定价值超过1亿美元，包括Trader Joe、Aave和GMX等热门应用。但Avalanche的构建基于这样一个理念：一个针对全球共享状态优化的单一链条无法扩展以满足现代世界的需求。未来，将存在许多需要无缝互动的高性能链。 Ava Labs创始人兼首席执行官Emin Gün Sirer最近发布了团队的发展路线图，明确强调了要创建一个平台以启动具有异步组合能力的异质区块链的重要性。该路线图围绕三个核心焦点展开：扩大子网的数量、提升网络吞吐量、加强共识机制的稳固性。 Avalanche旨在为开发者提供一个框架，以便他们能够根据特定的应用场景定制区块链。 在Avalanche技术框架下构建的区块链系统，依赖于Subnet（一组验证器节点）来进行验证工作。需要明确的是，Subnet本身并不是区块链，而是一组负责设计、管理和调整其所负责验证的区块链运行机制和经济模型的验证器集群。一个Subnet有能力验证从一个到多个不同的区块链，但是每个区块链只能由单一的Subnet进行验证。这样，通过Subnets验证的众多区块链共同构建了Avalanche网络这一庞大的系统架构。 主网就是第一个Subnet 在当下流行的模块化架构思想指导下，Avalanche网络的初创者们设计了一个创新的结构：主网络。这个网络通过将其关键功能划分为几个独立的区块链 — — C链、X链和P链，这三个作为Avalanche网络中最初的区块链，由首个Subnet — — 即主网络共同验证，以此来优化资源配置。 三个链条均采用Ava Labs团队首创的Snowman共识机制。该机制通过重复采样的方式，确保了系统的高度安全性、快速确认性以及伸缩性。不同于其他需要节点间全面通信的共识机制，Snowman共识能够在无需与每个节点单独通信的前提下完成验证，从而构建出一个即便在大量验证器存在的情况下也能迅速达成共识的强大引擎。 类似于市场上其他流行的L1，C链为开发基于以太坊虚拟机（EVM）的智能合约应用提供了一个开放的平台。在过去的一个周期中，C链见证了DeFi领域的积极探索，其总TVL最高达到过210亿美元，这一增长主要得益于借贷平台Aave和Benqi，以及去中心化交易所Trader Joe和Curve的推动。C链还实现了一些关键的集成，以促进DeFi活动的展开，包括Tether（USDT）和Circle（USDC）在C链上的铸造和赎回，当前链上的USDT和USDC总价值达到12亿美元。另外，对于诸如借贷市场之类的DeFi应用，价格预言机供应商的支持至关重要，其中Chainlink作为市场份额占比53%的最大供应商，目前支持C链上的116个应用。 2023年12月，C链的交易速率在整个月保持平均每秒40笔交易（TPS），并在某一分钟内达到了106 TPS的顶峰。尽管这一交易量的激增主要是由于铭记交易（通常被认为是较低质量的轻量级交易），它依旧展示了Avalanche技术栈相较于其他EVM链条的卓越性能。然而，与Solana这样的高吞吐量链条相比，C链的交易处理能力相对较低，后者的平均交易速度通常是C链的100倍。为了提升网络性能，平台计划支持使用HyperSDK构建的高吞吐量链条。 X链的功能很单一，只负责创建及转移Avalanche网络的原生资产。相比之下，P链在Avalanche技术生态中的作用显得更为关键，它负责作为子网注册处，记录活动状态下的验证器及其质押权重，确保了跨子网间的顺畅通讯。 目前，参与任何子网验证工作的验证器也必须承担主网络中三条链（C链、X链、P链）的验证责任。至今，主网络共聚集了1,821个验证器节点，这些验证器共质押了2.59亿个AVAX代币，占到了总质押量的59%。要成为主网络的验证器，节点必须至少质押2,000 个AVAX，而代币持有者则可以通过最低质押25 AVAX的方式参与网络的维护。质押总量中，约82%来自于节点本身，剩下的18%则来自于个体委托人。相较于其他的权益证明（PoS）链条，Avalanche的流动性质押功能尚未广泛被接纳。作为Avalanche最大的两个流动性质押服务提供商，Benqi和GoGoPool目前仅占总质押量的3%。 Ava Labs团队向Avalanche社区推出了ACP-13提案，目标是降低启动子网的成本和复杂性。该提案引入了一种新的质押者身份 — — 仅验证子网的验证器（SOV），这类验证器不需要同步和验证整个主网，只专注于验证P链。这是因为，跨子网的通信仅依赖于P链的验证机制。这项变革预计将显著降低部署子网的初始固定成本，优化验证器硬件的资源配置，并为机构客户降低监管风险，同时还能维护子网之间的互操作性。 在当前规则下，所有子网验证器都必须参与主网络的三链验证，这要求至少2,000 个AVAX的质押，按现今AVAX的市场价，相当于每位验证器需要投入约88,000美元的初始资金。ACP-13提案旨在通过允许SOV仅需质押500 个AVAX的押金，从而减少75%的成本，鉴于SOV不参与主网络的验证，这部分质押金不会产生网络奖励。尽管如此，即便是按照提案降低后的成本，启动一个子网验证器仍需约22,000美元，其对潜在验证器的价格敏感度效应仍待评估。 通过减免了C链和X链的验证要求，该提案使子网验证器能够更加高效地分配其硬件资源，专注于维护其自有链条，而非分散资源以支持主网络。尽管目前主网络的硬件需求并不高，但社区内部仍有声音呼吁增加硬件配置以提升整体性能。这种资源上的双重需求使得Avalanche的技术架构是否全力以赴成为高性能平台成为一个疑问。 更重要的是，ACP-13提案还解决了验证无许可智能合约平台（如C链）所面临的监管风险问题。例如，美国政府制定了对某些以太坊地址的OFAC制裁，迫使受规管的验证者、开发者和传递者必须排除特定交易以保持合规。通过免除子网验证器参与主网络共识的要求，ACP-13有效降低了这一监管风险，为在美国的、倾向于规避风险的实体提供了建立区块链的更多可能性。 子网架构 Avalanche致力于成为开发者构建定制区块链的首选网络，要实现这一目标，关键在于要提供一个既互操作、灵活又高效的基础架构。 Avalanche Warp Messaging 在众多链条共存的区块链世界中，互操作性显得尤为关键。Avalanche Warp Messaging（AWM）作为Avalanche提供的核心技术，使得不同子网间的通信变得可能。这项技术允许两个不同链的验证器集群直接交流，摒弃了利用第三方桥梁转移数据或资产的需要，大大简化了Avalanche网络内各区块链之间的互动。AWM的设计极具灵活性，它支持任何在P链上注册的链之间的消息传递，无论是无许可的基层链如C链，还是完全许可的应用特定链，或者是二者之间的任何形式。 子网间的消息传递是通过中继器完成的，并且这些消息通过BLS多重签名技术进行验证。接收消息的子网会通过查询P链 — — 一个作为子网验证器中心登记注册处的系统，来确认这些签名的有效性。以一个场景为例：子网A发送消息给子网B。一旦用户操作激活了AWM，子网A的验证器便共同对一条消息进行签名，并将其通过中继传递给子网B。随后，子网B的验证器就会验证这条消息，判断其是否由子网A上一定比例的质押权重所签名。值得强调的是，这一切消息传输、接收及验证的过程，都无需依赖任何外部实体。 自2022年12月启动以来，Avalanche Warp Messaging（AWM）就已经处于活跃状态，但为了实现与以太坊虚拟机（EVM）的兼容，需要完成一系列重要的工程优化工作。通过ACP-30的推出，为跨子网消息传递在C链及Avalanche网络中所有基于EVM的区块链上确立了一个统一的实现标准。 该社区提案在2024年3月6日Durango升级而正式生效，使得用户现在能够通过Teleporter工具，轻松地在不同链间转移资产。Teleporter基于AWM构建，提供了一个简易的界面，用于发送和接收跨链消息，从而支持在Avalanche网络的区块链之间进行ERC-20代币转移。Teleporter专为提供流畅可靠的用户体验而设计，包括避免交易重复、实施中继白名单和设置可选交易费等功能。随着ACP-30标准的推广，其将很快应用到HyperSDK上，这将进一步扩大Teleporter连接的链条数量，增强Avalanche网络的互联互通能力。 Subnet VMs和HyperSDK 虚拟机（VM）是一种软件，它通过规定交易格式、状态访问权限以及燃料（gas）机制等关键要素，为区块链定义了具体的运作行为。不同的VM设计理念和实现方式对于基于它们开发的应用程序的性能和功能具有深远的影响。以以太坊的虚拟机（EVM）和Solana的虚拟机（SVM）为例，二者在设计上的取舍大相径庭：EVM因其庞大的开发者社区和成熟的开发工具而闻名，而SVM则通过其多线程运行时间和并行执行能力，以及改进的交易费机制，重点优化了性能。 Avalanche网络允许构建在其上的区块链选择运行预先构建的虚拟机，如专为与Subnet兼容而设计的Subnet-EVM，或者是开发者自选的定制虚拟机。鉴于构建一个全新的虚拟机是一项极具挑战性的工作，当前绝大多数在Avalanche网络上的链条选择运行Subnet-EVM。HyperSDK的开发旨在降低创建定制虚拟机的门槛，使开发者能够在不必从零开始的情况下，实现虚拟机的个性化定制。 HyperSDK提供了一个用于构建定制虚拟机（HyperVM）的框架，这些虚拟机可以直接集成进Avalanche网络。该框架配备了强大的默认设置，使开发者可以将精力集中在应用的核心功能开发上，而无需从基础开始搭建虚拟机。从理论上讲，HyperSDK能够将开发虚拟机所需的时间从数月缩短到仅需数天，极大地加速了开发者的市场响应速度。 HyperSDK的开发不仅标志着Avalanche性能提升进入新的高度，而且它引入了一种名为Vryx的先进交易处理机制。Vryx的设计理念源自多篇受到广泛认可的研究论文，特别是由Diem（前Facebook团队）发布的Narwhal Tusk论文，这篇论文对当今如Aptos和Sui等现代区块链有着深远的影响。Vryx的核心在于它将交易处理过程中的各个步骤分离开来，这一策略使得验证者能够同时进行区块的构建和复制工作。简而言之，它通过缩短构建、复制以及验证区块的总耗时，来实现吞吐量的横向扩展。这意味着，Vryx将大幅提升Avalanche网络的交易处理速度，推动其每秒交易数（TPS）达到新高。虽然Vryx目前还未正式推出，但Ava Labs计划在今年年底前将其集成进HyperSDK。Ava Labs即将发布的性能基准测试将展示Vryx的高效表现，预计其TPS能够突破100,000。 数据库解决方案 在追求性能优化的区块链设计中，性能提升往往伴随着更高的验证器硬件要求这一权衡。未来子网的硬件需求将受到所选择运行的虚拟机类型的影响，而主网络社区则需面临一个决策：这种权衡对于C链来说是否恰当。通常情况下，提高硬件要求被认为会增加成为验证器的成本，进而可能降低节点运营的普遍性，这一点在性能与去中心化的平衡中尤为关键。虽然理论上看起来合理，但现实操作中并非总是成立，例如，尽管硬件要求更高，但Solana网络却能维持1,606个质押节点，超过Avalanche主网络的规模。除此之外，节点和服务器的地理位置分布等因素也是去中心化讨论中不可忽视的要素。 为了在性能提升方面迈出进一步的步伐，Ava Labs正致力于开发一款名为Firewood的专属数据库方案。Firewood应运而生，目的是解决状态管理这一区块链扩展过程中遇到的核心障碍。所谓的区块链状态，指的是系统中存储的相关数据的实时快照，这些数据随着使用量的增加而膨胀，随之而来的是，验证器为了高效执行交易处理，需要迅速访问当前状态，这一需求随着状态的不断增长而变得日益艰巨。 Firewood的目标是对团队之前开发的MerkleDB数据库进行改良。它采用了一种创新的机制，通过降低修改现有状态所需的开销，来高效地存储和读取区块链状态。这一机制的引入预期将打造出一个更为强大的数据库系统，能够提供迅捷的状态访问能力，从而解除限制交易处理能力提升的关键障碍。Ava Labs预计不久将发布Firewood性能的基准测试结果，以展示其优越的性能表现。 与其他技术解决方案的比较 Avalanche并不是唯一一个构建区块链启动基础设施的技术栈。目前，最著名的构建自己的链的方式包括Cosmos生态中的应用链（appchains）和以太坊上的rollups。每种框架都有一套不同的权衡，吸引不同群体的开发者。 Cosmos 应用链 Avalanche网络和Cosmos生态的最终目标几乎相同：通过信任最小化的消息标准，连接异步的独立链网。两个平台都允许开发者构建一个管理自身安全的区块链，这需要启动一个高质量的验证器集合。即使ACP-13被实施，500个 AVAX的押金仍可能成为成为子网验证器的进入障碍。因此，那些确实支付押金的验证器可能更愿意验证多个链，以赚取更多奖励并抵消他们的初始押金。在今天的Cosmos生态中，没有类似于500个AVAX押金的机制，然而我们看到appchain验证器集合之间有很大的重叠。例如，Chorus One、Allnodes、Polkachu和Informal Systems都是Celestia、Comos Hub、Osmosis和dYdX的验证器。 这种比较突出了不同区块链技术栈在设计和策略上的差异，以及如何吸引和维持验证器和开发者社区。Avalanche通过ACP-13提案试图降低进入门槛，以促进更多的子网和区块链的创建和维护，而Cosmos生态通过不需要显著的前期押金就能吸引验证器参与，展现了不同的生态动力学和开发者吸引力。这些差异反映了每个平台对安全、去中心化和易用性之间权衡的不同策略。 当前，Avalanche网络中的P链充当了子网的中央登记系统，其中的验证器信息都存储于此。这种架构意味着，尽管子网在技术上是独立的，但它们在某种程度上依赖于P链，并不能完全自主运行。举个例子，子网内的质押奖励分配是由P链决定的，限制了子网在尝试新奖励分配机制上的自由度。相较之下，Cosmos生态系统中的链条更具有主权性，它们没有类似的中心化枢纽限制，更自由地对其技术堆栈进行调整和设计。目前Ava Labs正在讨论的一个改革方案是，允许由子网控制的验证器集合自行管理并向P链报告任何变动，这将赋予子网更多的自治权，同时P链仅作为提供跨子网通讯的桥梁。这一提案目前还处于讨论阶段，其实施前景尚不明朗。 Cosmos生态在近年来进行了广泛的技术实验，Terra和dYdX的成功案例分别展示了其技术堆栈处理通用L1流量和满足特定应用需求的能力。与Avalanche网络的34个子网和36个活跃链相比，Cosmos目前有88个活跃链条，其庞大的开发社区为技术堆栈带来了更多的创新，比如外部团队开发的可供其他链条利用的模块。 虽然Avalanche的AWM和Cosmos的IBC协议在跨链通信方面有相似之处，但二者在消息验证机制上存在本质差异。AWM利用P链作为所有子网验证活跃验证器签名的通用注册处，而IBC并没有这样的统一验证点，Cosmos的验证器需要在链条之间同步信息，并在本地记录其他链的验证器集合。这意味着Cosmos链之间的通道需要定期更新，以确保有效验证器集合的准确性，每建立一个新通道就需要进行一次连接设置。 在AWM与IBC技术中，链间消息传递均依赖于中继器。然而，在Cosmos生态中，中继工作并没有直接的经济激励，使得往往是出于业务需求的服务提供者来担任这一角色。尽管提议对IBC转移增设费用的动议至今未获广泛支持，Cosmos生态依旧建立了庞大的中继网络，其中Crossnest、Informal Systems和Notional等发挥着关键作用。随着子网生态的扩展，构建类似的中继网络需要时间，不过Teleporter通过引入可选费用为中继者提供了激励，从理论上讲，这将提升中继服务的质量并加速资产的转移速度。尽管Teleporter仅上线不足一天，但我们会持续关注中继生态的发展情况。 Avalanche的共识机制采用的子样本技术成功地将活跃验证器集合的规模扩大到超过1,800个，这一点明显优于Cosmos链条，后者的验证器数量通常在80到180之间。这种扩展使得无需许可的区块链得以在Avalanche网络中繁荣发展，但同时，两个网络都支持开发者创建带有许可验证器集的区块链，例如Cosmos的Noble和Avalanche的Evergreen子网。随着HyperSDK、Vryx和Firewood的推出，Avalanche有望提供更高效的技术支持。但是，具体的性能提升要等到相关的基准测试发布后才能确定。 Rollups Rollups提供了在Avalanche网络中推出新区块链的另一种路径。它们通过扩展另一区块链的执行能力并将交易数据返回至原区块链来工作。Rollup的部署选项多样，涉及到如欺诈证明或零知识证明等状态验证技术，以及OP Stack或Arbitrum Orbit等框架，还有如以太坊或其他rollup等的结算选项，以及以太坊或Celestia等的数据可用性解决方案。Rollup的设计对其安全性和稳定性有着重大影响，因此我们在概括这种构建方式时，旨在将其与在Avalanche网络上启动一条区块链的概念进行比较。 其中一个显著的区别在于安全性的来源。Avalanche网络内的区块链依赖于自身来确保安全性，而rollup则从其基础层继承安全性。Rollup通过创建一种机制，扩展了底层区块链的执行能力，这一底层提供了共识、结算和对rollup的数据可用性支持。与此相反，子网实际上是独立提供自身共识、结算和数据可用性的Layer1区块链，拥有自己的质押代币。尽管大多数rollup方案都集中于与EVM兼容的rollup，这些方案的性能可能不如新型虚拟机，但构建基于新型或自定义虚拟机的rollup（如Eclipse采用的SVM分叉）是可行的。Avalanche子网从根本上对虚拟机保持中立，意味着子网可以运行基于任何虚拟机的区块链。虽然目前大部分在生产环境下的子网支持EVM，但采用MoveVM、基于WASM的虚拟机以及通过HyperSDK开发的其他自定义虚拟机的引入正稳步推进。 在目前的大部分rollup架构中，交易执行依赖于单一的序列器，这个序列器负责将交易数据公开至数…