万向区块链行业研究 | 区块链2020年度回首之公链篇：比特币、以太坊、Polkadot和Filecoin

一文读懂uGAS：Gas期货代币

利用合成资产来对冲和投机以太坊Gas Token的简单方案。

前言： 2020年行将竣事，这一年，区块链行业让你印象最深的是什么？是公链生态的发作式增进？照样区块链应用的蓬勃生长？亦或是政策方面的重大利好？万向区块链于2020年年终，推出四篇重磅年度回首系列文章：《公链篇》、《应用篇》、《服务实体经济篇》和《羁系篇》，纪录一个乘风破浪的区块链生长之年。
下文为年度回首系列之——公链篇，作者：万向区块链首席经济学家办公室。一起看，这一年公链的如火如荼。

2020年即将竣事，虽然疫情席卷全球，但没有影响到区块链行业的提高。在这一年中，公链和生态应用均有突破，各国对区块链及加密资产的政策也逐渐完善。本文是对区块链行业这一年希望的回首，尤其是公链方面的希望，其中重点关注比特币、、Polkadot和Filecoin这四个热度对照高的公链。

比特币

今年比特币最大的手艺希望在Taproot/Schnorr升级，这是由比特币开发人员Pieter Wuille提出，作为比特币改善提案（BIPs）公布，相关提案序号为BIP 340-342，现在已经正式合入比特币代码的主分支中。这是比特币自闪电网络上线后最大的手艺拓展。

（一）Schnorr升级

比特币现在使用的ECDSA署名算法与即将接纳的Schnorr署名算法，都属于椭圆曲线数字署名算法，它们使用的椭圆曲线都是secp256k1和哈希函数SHA256，以是在这个层面它们具有同样的平安性。

Schnorr署名算法主要有以下优点。

第一，Schnorr署名算法有可证实平安性。在假设椭圆曲线离散对数问题难度的随机寓言（Random Oracle）模子，以及假设原像抗性（Preimage Resistance）和次原像抗性（Second Preimage Resistance）的通用群模子下，Schnorr署名算法具备选择新闻攻击下的强不能伪造性（Strong Unforgeability under Chosen Message Attack，SUF-CMA）。换言之，若是不知道Schnorr署名的私钥，纵然有针对随便新闻的有用Schnorr署名，也没法推导出其他有用Schnorr署名。而ECDSA署名算法的可证实平安性则依赖于更强的假设。

第二，Schnorr署名算法具有不能延展性（Non-malleability）。署名延展性的寄义是，第三方在不知道私钥的情形下，能将针对某一公钥和新闻的有用署名，改造成针对该公钥和信息的另一个有用署名。ECDSA署名算法则有内在的可延展性，这是BIP 62和BIP 146针对的问题。

第三，Schnorr署名算法是线性的，使得多个互助方能天生对他们的公钥之和也有用的署名。这一特点对多重署名、批验证（Batch Verification）等应用非常主要，既能提高效率，也有助于珍爱隐私。而在ECDSA署名算法下，如无分外的见证数据，批验证相对逐个验证并无效率提升。

最后，Schnorr署名算法由于使用同样的椭圆曲线secp256k1和哈希函数SHA256，能兼容现在的比特币公私钥天生机制。

（二）Taproot升级

Taproot升级可以视为默克抽象语言树（Merkelized Abstract Syntax Tree，简称MAST）的一个应用，而MAST又与支付到剧本哈希（Pay-to-Script-Hash，简称P2SH）有关。

P2SH是2012年推出的一类新型买卖，使庞大剧本的使用与直接向比特币地址支付一样简朴。在P2SH中，庞大的锁定剧本被其哈希值所取代，称为兑换剧本（Redeem Script）。当随后泛起的一笔买卖试图破费这个UTXO时，必须包罗与哈希值匹配的剧本，同时解锁剧本。

P2SH的主要优点包罗：一是在买卖输出中，庞大剧本由哈希值取代，使得买卖代码变短。二是将构建剧本的肩负转移至接收方，而非发送方。三是隐私珍爱性更好。理论上，除了接收方，任何其他方都可以不知道兑换剧本中包罗的支出条件。好比，在多重买卖中，发送方可以不知道与多重署名地址有关的公钥；只在接收方支出资金时，才披露公钥。但P2SH也存在不足：一是所有可能的支出条件最终都必须被披露，包罗那些现实上没有被触发的支出条件。二是在有多个可能的支出条件时，P2SH将变得繁复，会增添盘算和验证的事情量。

但P2SH与常见的支付到公钥哈希（Pay-to-Public-Key-Hash，P2PKH）在显示上不一样，仍然有隐私珍爱问题。Taproot解决的问题就是让P2SH和P2PKH在链上看起来一样（图1）：1、对“非协作式支出”剧本，接纳MAST形式；2、对“协作式支出”剧本，接纳基于Schnorr署名的多重署名算法；3、将“协作式支出” 与“非协作式支出”合在一起示意成P2PKH形式；4、“协作式支出”显示得犹如P2PKH买卖，有一个公钥和对应的私钥，而不需要披露底层的MAST，而只有在“非协作式支出”时，才需要披露MAST的存在，但也只需披露被执行的那部门剧本。

图1：Taproot

可扩展性一直是困扰生长的问题，尤其是2020年DeFi应用发作，网络拥堵导致了高昂的手续费。性能不足让很难到达“天下盘算机”的要求，也影响了用户体验。扩容是网络的当务之急，2020年的希望主要集中在扩容方面，共分为两部门：一个是2.0的筹备与上线，另一个是Layer 2扩容方案的生长，其中Rollup门路最为突出。

（一）2.0的希望和门路

的生长门路中，转为PoS公链是“平静”阶段的目的，也就是2.0。之后ETH的产出将由挖矿转为Staking，成为Staking节点需要抵押32个ETH。在最初的设计中，2.0将分为三个阶段上线，划分是Phase 0、Phase 1和Phase 2。2.0为信标链加分片的区块链多链结构，所有分片链都与信标链相连，信标链卖力分片链间的通讯，并为各分片链选举验证委员。Phase 0阶段会上线信标链并开启Staking，Phase 1会上线分片链，开端设计共有64个分片，然则不支持智能合约和转账，Phase 2阶段才会上线智能合约，正式完成2.0的部署。在2.0的门路图中，整个方案将在2022年完成。

2.0网络的启动条件是跨越16384个验证者抵押32个ETH，也就是至少需要16384个节点介入。2.0的Phase 0阶段已于12月1日开启，现在活跃节点数为26861，未来还会增添。这些介入Staking的ETH只有在2.0的Phase 2阶段完成后才可以举行转账。2.0是历久的战略目的，不外创始人Vitalik多次发文支持rollup在中的应用。

在近期开发团队和Vitalik的公然发言中，他们认可2.0的门路已经有所转变，共包罗以下几点：1、未来的门路图将以Rollup为中央，Phase 1阶段简化为可供Rollup使用的数据分片，由于最初设想的优势仍未实现，eWASM的门路不再强调；2、简化1.0和2.0阶段的合并，将1.0的买卖直接存于信标链上而非作为分片存在于2.0中，这样合并的历程将会缩短；3、事情并行化处置，轻客户端、数据分片和1.0与2.0的合并这三者自力举行，只要每个部门准备好就可以实现。

从2.0这几点改变可以看出，整体都是在向更快落地使用偏向生长。引入Rollup的解决方案不仅是要解决现在迫切的扩容需求，也有利于创新。2.0的原有门路没有完全被甩掉，只是不再具有最高优先级。

（二）以Rollup为中央的门路

Layer 2解决可扩展性问题的方式是将主链上的行为操作转移到链下举行，以节约主链资源，同时不影响公链自己。Layer 2主流方案有状态通道、侧链、Plasma和Rollup。然则前三者在近年来的生长中都遇到了种种瓶颈，例如中央化，用户操作庞大，不支持智能合约，退出机制庞大等。Rollup方案的实现方式是将买卖数据在链下打包成一笔再传到链上，同时保证和Layer 1层一致的平安性。

对于若何实现Rollup，差异的团队给出了差异的解决方案。Optimistic Rollup和ZK Rollup是现在开发团队最多也是应用局限最广的两种。Optimistic Rollup通过敲诈证实机制，保证节点不会作恶，ZK Rollup则使用了零知识证实保证了和主网相同的平安性。这两种方案也各有利弊，Optimistic Rollup支持智能合约，然则退出期对照长，会影响资金的使用率，ZK Rollup的退出期对照短，但很难支持通用的智能合约。

现在上的许多应用都已经或将要举行差异Rollup的测试网试验，例如Curve、Synthetix和Uniswap等，也有一些已经基于Rollup方案上线的DeFi项目。

Polkadot

（一）手艺与治理希望

2020年8月份Polkadot上线了DOT转账功效，标志着主网上线阶段正式完成。Polkadot是一种异构的多链架构，接纳中继链加平行链的形式举行跨链，让链与链之间举行交互并提高可扩展性，这其中Substrate框架扮演了很主要的角色。Substrate可以理解为通用的聚集种种功效的模板，开发者可以选择挪用差异的模块（pallet）以节约开发时间。现在Substrate上线了2.0版本，增添了70多个pallet和链下事情机功效。

Kusama测试网在Polkadot主网上线之后仍然存在，充当先行网络的角色， Kusama的代币KSM也保留了下来，功效和DOT类似。具有风险的功效在上线主网之前，会在Kusama网络上运行反馈，例如即将上线的平行链卡槽拍卖，会先上线Kusama举行现实测试之后才会在Polkadot上启动。Rococo则是专为测试平行链而推出的测试网，现在已经上线了平行链V1.0版本，意味着距离主网平行链上线又近了一步。

在治理上，Polkadot的链上治理已经开启，然则大户权力大和民众投票率低的问题仍然存在。Polkadot的理事会由投票选出，此投票与公投和Staking不冲突，也就是大户可以选举出相符自己意愿的理事会成员，再用自己手中的DOT介入公投。虽然这种方式可以让治理效果表达最大利益相关者的意愿，但会引起治理的中央化问题。此外，在公投投票中，DOT持有者的投票率很低。在Polkadot中，Staking与治理投票互不影响，现在Staking的质押率在70%左右，但公投的投票率却在个位数左右。投票率低会影响治理的漫衍式水平，也无法真实地反映所有人的意愿。这可能由于投票的重复操作太庞大，也可能由于用户对提案内容不领会，无法做出选择。

（二）生态希望

虽然Polkadot主网的功效还未完善，但生态中已经涌现了许多应用。凭据PolkaProject统计，与Polkadot相关的项目已经到达了近300个，包罗基于Substrate开发的项目、工具、论坛、钱包等。下图2是PolkaProject总结的Polkadot生态总览。

图 2：Polkadot生态总览（图片泉源：PolkaProject.com）

Polkadot的生态应用主要集中在DeFi，这也是现在全行业最热门的领域，其他的有数据、隐私和资产桥类。相对于其他公链平台，Polkadot险些没有关于游戏、展望和社交类的应用，这与Polkadot刚上线有关，也由于有些应用在其他公链上已经证伪或是跨链意义不大。在DeFi领域，流动性释放和DEX是最热门的板块，Polkadot中的DOT锁定流动性有多种方式，包罗Staking、治理和卡槽拍卖（治理和其他功效的锁定不冲突），以是存在释放流动性的需求，DEX则是在链上举行价值交流必备的应用。

现在Polkadot的生态应用险些全部都需要基于平行链开展业务，没有上线主网的应用还需要Polkadot中继链上的验证人保证平安，以是这些项目都要介入平行链的卡槽拍卖。

Polkadot的网络资源是有限的，现在最多支持100条平行链，想要使用平行链则需要项目方租用平行链卡槽。卡槽由Polkadot官方依次放出，每隔一段时间开放一个，时间距离不牢固。租用卡槽需要锁定DOT，守候租期竣事后释放。租赁锁定的DOT会在租赁期竣事后返还，以是租赁成本只是DOT的机会成本。Polkadot允许其他人为项目方存入DOT，辅助项目方在拍卖中胜出，这就需要项目方设置有用的激励方式吸引DOT持有者。

一般来说，项目方会将自己的token奖励给辅助其举行平行链拍卖的用户，这也叫做平行链释放刊行（Parachain Lease Offering，PLO）。同样对于用户来说，介入PLO的成本为锁定DOT的机会成本。现在DOT的场景有Staking、治理、买卖和平行链租赁，未来还会有一些应用场景。对于DOT的历久持有者来说，若是项目方给与token的价值要高于介入staking（现在在10%以上）或者某些DeFi的收益，会是对照有利的。

在官方信息中，最初的平行链除了以拍卖的方式分发之外，Web3也会赞助一些公益链，包罗含有基础设施或者转接桥的链。例如与智能合约相关的平行链，在卡槽使用上可能直接获得Web3的辅助。若是没有乐成拿到卡槽，另有几种方案可以介入跨链，使用平行线程和部署到其他已经拿到卡槽的平行链上，若是已经拥有自己的主网，还可以通过跨链桥转接到Polkadot上。

（三）Polkadot生态中的问题

平行链的卡槽将接纳租赁的方式，意味着绝大多数Polkadot项目都要支出成本（抵押DOT）换取Polkadot上的跨链资源，以是借助Polkadot中继链平安性举行平行链刊行的门槛提高了许多。对于大部门项目来说，只有能够支付得起租赁跨链资源成本的项目刚刚可以借助Polkadot的平安性，否则要自行部署节点，这会增添早期项目的启动难度。现在项目方接纳的PLO解决方案会存在可连续性的问题，若是Token分发完毕后，则必须接纳其他方式吸引用户协助拍卖，项目方Token在平行链上线后的价值捕捉能力也存在风险。在平行链插槽拍卖竞争猛烈的情形下，项目方必须在上线前举行大面积宣传流动，冷启动在Polkadot生态中将很难存在。若是未来竞争猛烈的话，出于对跨链资源的争取，项目在上线前就会泛起“优胜劣汰”的局势。

不外在Polkadot上存在有其他的跨链方案，例如平行线程或者集成到其他拥有平行链卡槽的项目中，也可以选择在Kusama网络刊行来降低成本。现在平行链和平行线程的可用水平的区别，以其他方式跨链对团队的肩负还需要在上线后连续考察。

Polkadot和测试网的Kusama功效差异不大，以是追求差异稳固性的团队会有差异选择，然则会造成用户和社区涣散的情形。虽然两者在手艺升级时不会发生分叉，但在最最先两个社区就分开开来，这在隐形中造成了社区的盘据。

Polkadot的目的为平台的平台，公链之间的跨链是其解决的问题之一。对于公链来说，默认的跨链问题只存在于主流公链之间，现在的解决方案不断泛起，Polkadot若何在众多跨链解决方案中胜出是有待考察的。Polkadot另有提高单链性能的优势，现在同样存在多种提高性能的方案，例如layer 2网络，Polkadot施展的作用也需要时间磨练。

Polkadot在企业平台与公链、企业平台与企业平台之间跨链的想象空间对照大，然则跨链的成本与意义也需要进一步考察，现在同盟链与公链之间的连通需求并不迫切。

Filecoin

Filecoin为漫衍式存储IPFS提供了激励机制，核心成员也包罗了IPFS成员，两者均由Protocol Lab建立，一经推出便引起了全天下的关注。在2017年就以10%的份额获得了2.57亿美元的融资，创下了那时的最高纪录。上线的历程却远没有融资这么顺遂，本设计2018年上线的测试网和主网一拖再拖，最终于2020年10份正式上线。虽然Filecoin项目已经推迟了两年的时间，但相关的社区热度依旧存在，尤其是矿工社区。

（一）现在希望

在Filecoin共识中，出块接纳预期共识（EC）的模式，指的是每一轮选举一名或者多名矿工来建立新的区块，矿工赢得选举的可能性跟矿工当前的存储能力成正比。矿工的存储能力则是行使时空证实（PoSt）及复制证实(PoRep)来证实。时空证实可以行使证实链及时间戳证实矿工在一定时长内存储数据，纵然验证者不在线，也能够在未往复验证矿工在该段时间内天生了证实链，有用防止暂且天生数据攻击。复制证实可以证实数据已经在一个特定的扇区建立乐成。而且提防三种攻击: 一是女巫攻击; 二是外部数据源攻击; 三是天生攻击。复制证实制止让矿工可以透过差异方式让自身存储数据小于答应存储数据，以获得分外待遇。

矿工的奖励将线性释放，每6年产量减半。现在Filecoin的存储容量已经突破1 EiB（Exbibyte），现在到达了1.27EiB，活跃矿工的数目为789。虽然在Filecoin浏览器显示矿工漫衍在在亚洲、欧洲、北美洲、大洋洲和非洲，但从标签和披露信息上不难看出占有多数容量的介入者为中国矿工。矿工的有用算力漫衍上，还没有泛起像比特币矿池类似的中央化局势。

图 3：矿工有用算力漫衍（图片泉源：filfox.info）


（二）经济机制及现状

在Filecoin经济模子中存在两方市场：存储及检索市场，两个市场中划分存在客户及矿工。除了上述两个角色外，Filecoin经济模子生态中有开发者及投资者。

在储存市场中，矿工可以通过三个方式获得奖励: 一是买卖费;二是区块奖励;三是网络买卖加速费（Networking Message Transaction Fees）。买卖费及网络买卖加速费为客户事前支付，区块奖励为系统所天生。Filecoin与比特币网络差异的地方主要在于提供服务性子差异：存储是长时间的服务，Filecoin需要矿工长时间维持网络的稳固，而非像比特币网络一样，矿工可以自由收支。储存市场中还引入了质押机制，这是一个矿工责罚机制，目的是保障Filecoin存储市场客户的数据不被丢失。

每一笔用户与矿工的存储协议中，存储市场矿工会将客户提供的数据存放于网络中，称为扇区(Sector)。每个矿工添加的扇区会包罗存储文件内容及答应存储时长，确保客户在约定存储时长中，可以自由运用自身存储的数据。当矿工添加一个扇区至Filecoin网络时，矿工需要质押一笔锁定资金。锁定资金由两个部门组成: 矿工自身的FIL代币以及部门区块奖励。若是矿工在答应的存储时长中离线，他会损失一部门的锁定资金。若是矿工完全住手存储行为，他可能将失去所有锁定代币。锁定资金会在矿工推行存储协议后解锁，矿工可以在短暂的锁定期后收回所有资金。

这就意味着矿工需要质押FIL以获得区块奖励，但FIL代币为线性逐步释放。现在有用算力的增进过快，加之上线初期FIL价钱过高且颠簸较大，线性释放时间周期长，许多矿工不愿意在高位自掏腰包购置抵押所需要的FIL，以是在上线初期引起了矿工“歇工”的事宜，许多存储容量由于没有足够的FIL而无法进入Filecoin网络，但这与矿机被超卖有很大关系。矿工没有治理渠道以是选择与项目方僵持，最后的效果为项目方妥协，将挖矿的奖励由180天线性释放改为了以及释放25%，剩余75%再线性释放。除此之外，为领会决FIL的欠缺问题，官方和市场中的相关服务商都在筹备或已经上线了FIL借贷服务。

（三）未来生长

由于Filecoin的庞大水平高而且是公司化集中决议引起了众多矿工不满，以是像其他公链项目一样，现在已经上线了分叉项目，例如Filecash，FileStar等。

现在很容易看泛起在Filecoin现在挖矿市场热度较高，FIL的价钱也与之相关。但在最初的设计中，FIL的供需和价钱是靠市场服务调治的。矿工需要质押FIL以获得区块奖励，且FIL代币为线性逐步释放，因此预期供应端缓慢增进而增进率指数递减。需求端则由于服务需求逐步增进，决议了市场各介入方必须连续购置FIL。由于要维持服务价钱的稳固性，无论FIL上涨或下跌，存储及检索买卖费的价钱需锚定法币或稳固币。当FIL价钱上涨时，客户会支付较少FIL单元的买卖费及网络加速费，矿工区块奖励占收益比例上升。当FIL价钱下跌时，客户会支付较高FIL单元的买卖费及网络加速费，矿工区块奖励占收益比例下降。假设只思量服务需求因素，FIL价钱上涨时，客户在二级市场购置FIL的速率会趋缓，FIL价钱下跌时，客户在二级市场购置FIL的速率会上升，到达调治二级市场的功效。

但现在矿工数目远远大于使用者数目，储存容量的供应大于需求，这一平衡就被打破。比特币的PoW矿工的加入与否是由利润决议的，以是随着币价的上升越来越多的矿工和算力加入到比特币网络中，是一个循序渐进的历程。然而Filecoin在上线前就已经有大量矿机生产和销售，若是矿机无法进入网络举行挖矿就难以维持现金流，若是挖矿收益不理想也会影响矿机厂商的利益，现在Filecoin网络的存储市场已经不止由客户与矿工介入。未来Filecoin中的市场机制能够施展作用，是否存在真实用户使用还需要继续考察。Filecoin存储的抗审查性是否会制约其在全球市场的生长也是需要考察的。

思索与总结

现在来看，除了Filecoin涉及到存储，现在公链项目大多接纳以PoS基础的共识机制，他们的差异点在于PoS的详细实现方式、治理机制和经济模子等，未来也将接纳PoS共识。虽然公链没有应用场景的限制，而链上应用趋同意味着他们处于竞争的关系。未来应用在2.0阶段的迁徙和Polkadot生态应用的生长是公链领域接下来的热门。

对于公链自己而言，性能和平安、去中央化三者若何平衡照样其面临的问题，例如的Rollup方案和2.0方案存在的种种难题，寻找三者的平衡点仍然是公链接下来的突破口。