一文读懂CasperLabs：智能合约平台的突围之路

编者按：本文来自蓝狐笔记（ID：lanhubiji），Odaily星球日报经授权转载。

经常有蓝狐笔记的读者问，当前的智能合约平台（如以太坊）虽然不错，但整体来说，智能合约平台的扩展性限制了它的大规模采用，如果是这样，新的智能合约平台是否有机会？这是个好的问题。

一方面，以太坊和EOS等先发者已经具有了一定的开发者生态，还有不错的应用场景探索。例如以太坊的DeFi和EOS的游戏和社交，尤其是以太坊DeFi锁定超过10亿美元的资产，在这方面的探索如火如茶。但另一方面，整个加密应用的用户规模还很小。基于以太坊的dApp的日活用户当前不到2万，其他用户数相对较多的平台如EOS，也没能超越这一级别。从目前看，所有智能合约平台，还没有出现突破百万活跃用户的dApp，如果那一天到来，将会是整个加密领域的真正里程碑时刻。

谁能率先实现百万活跃用户的dApp，谁就能在加密领域占据领先位置。如果说，这是加密世界的网景时刻，那么要抵达这一个时刻，需要两个方面的条件。一是dApp场景的继续挖掘，以寻求产品和市场的契合度，这方面当前的以太坊和EOS等公链一直在努力，试图找到能够引爆主流人群需求的场景和应用。二是需要真正去中心化的且是可扩展的区块链。只有满足安全和可扩展性两方面的条件，智能合约平台才能既有独特价值，也能承载主流人群规模的应用。

所以，在接下来的几年时间，加密领域最重要的命题之一依然是：如何实现安全和可扩展性兼具的智能合约平台？

虽然以太坊和EOS等公链是先行者，但不妨碍其他公链的探索和努力，这其中包括Tezos、Nervos、Solana、Polkadot、Harmony等平台从不同的技术路线和场景方向进行探索。虽然先行者已经取得了领先，不过，如果我们把视野再放大，就会发现，今天的市场规模还很小，用户数还很少。在这样的情况下，很难说已经是市场的终局。如果从技术发展和商业发展角度看，今天依然处于早期的拓荒阶段。在这一阶段，有先行者，有领先者，不过，其他后发者并非没有机会。至于什么时候格局确定？这个可能需要三年，也可能需要五年。中间什么时候杀出程咬金？谁也不知道。但可以肯定的是，今天的格局肯定不是终局。

蓝狐笔记一直关注智能合约平台，之前也介绍过一些新的平台。今天蓝狐笔记要介绍的也是新来者：智能合约平台CasperLabs。为了方便大家记忆，CasperLabs以下简称为Casper。跟其他公链一样，它也有自己的大梦想，它想成为受开发者欢迎的平台，为大规模用户提供去中心化服务的平台。那么，它又有什么不同，靠什么安身立命？

Casper如何安身立命：Highway协议

首先，Casper是一个智能合约平台，跟其他智能合约平台一样，为开发者提供运行协议和应用的基础设施。而另外一方面，它强调的不是单纯的高tps，而是要安全和可扩展性兼得。

目前已经有了这么多智能合约平台，Casper如何安身立命？有什么杀手锏？它最核心的技术选择是基于CBC Casper PoS的共识算法，并在此基础上扩展出Highway共识协议。

Casper之所以声称自己可以真正兼顾安全和可扩展性，很大程度上源于其技术路线的选择。而这个技术路线的核心之一就是CBC Casper PoS。CBC 英文为“correct-by-construction”，大意是按照构建逐步校正的意思，它是一种验证架构正确性的流程，通过构建数学模型推演，确保最终的正确交付。CBC Casper是“correct-by-construction”共识协议系列，这些共识协议共享相同的异步证明以及拜占庭容错。这一系列协议通过定义其协议状态和协议状态转移来描述。

Casper的计算模型支持检测何时可以并行合约的执行，且区块消息格式允许在链中“合并”分叉，可以避免不必要的孤块。CBC Casper PoS跟以太坊的Casper-FFG不同，以太坊需要考虑从PoW向PoS的过渡，而是CBC  Casper是纯粹的PoS机制，不包含任何PoW，只有提议区块和实现区块最终性的验证者才能获得奖励。

Casper的Highway共识协议是基于CBC Casper PoS的扩展。Highway共识协议是Daniel Kane、Vlad Zamfir以及Andreas Fackler三人的研究成果。其中，Vlad Zamfir是以太坊知名的核心研究人员。

Highway共识协议最与众不同的地方在于：兼具安全和活性。它跟PoW不同（完全同步的协议），Highway是部分同步的协议，可以实现更高频次的出块，换言之，具有更好的吞吐量和可扩展性。

什么是兼具安全和活性？安全就是说Highway共识协议的决定不会前后矛盾，活性则是说共识协议的节点会永远保持做决策，区块不断增长。

总结来说，Highway协议对CBC Casper进行了两个方面的扩展：一是，通过高效方法实现对不同阀值下安全性的检测；二是，提出在CBC Casper框架下的活性策略，也就是针对网络参与者何时创建协议消息所制定的策略规范。

简单来说，Casper的Highway协议如何运作？

1.summit结构

Highway协议为实现最终性，它提供了一种全新的summit（峰顶）结构。与此同时，为了实现活性，它使用伪随机生成的领导者序列限制消息的生成来实现，这导致产生blockdag的可预测结构。

Casper的共识协议采用的是blockdag的数据结构，如下图：

在上图中，消息被放置到相关的“泳道”上，也可以看到每个“泳道”上消息的创建者。由于创世区块是区块链初始化产生的，它位于“泳道”之外。每个普通区块都指向其主要父块，上图用红色箭头表示。这些区块形成了树结构，称为主树。任何普通区块都可以指向任意数量的区块作为次级父块，如上图中蓝色箭头所表示的。区块+红色箭头+蓝色箭头一起形成有向无环图，也就是Casper协议中的p-dag。所有的箭头和所有的顶点一起形成有向无环图，这就是Casper中所谓的j-dag。

Summit（峰顶）是指j-dag中某个共识值已经确定最终性的情况。为什么会有这个概念？因为它有很多层，不同层代表不同的共识程度，最后的Summit意味着在某个范围内所有节点都达成共识，也就是最高点，形成了峰顶。在这个最高的层面上，具有最大程度的共识。反过来理解，这也说明Highway是具有安全阀值的。每个轮次都有领导者，首先由领导者发送消息给每个人。其他验证者在收到领导者消息后立即发送消息给其他人。在经过一些轮次后，每个验证者都会再次向所有人发送消息。这样，第一条消息确认的投票成为level-0的消息，第二条确认足够数量的第一条消息，形成level-1消息，由此类推形成summit（峰顶）。一旦验证者在其本地协议状态达到峰顶水平，他们知道最终每个诚实验证者将会看到所有状态。

下图是最终性的示意图，可以帮助我们理解summit（峰顶）。

上图左侧的矩形代表验证者，圆点代表消息。它展示了验证者0的本地j-dag，对应于j-daglevel的排列（消息的X坐标对应于j-daglevel）。“泳道”上显示消息的Y坐标与创建者相同。圆点颜色则代表此消息正在投票支持的共识值。在诚实验证者的“泳道”内，0-level消息是从上一次该验证者投票赞成的共识值改变以来的所有消息。消息的第一层投票支持同一个区块，其他层会引用第一层的消息及其哈希，参与“峰顶”的验证者越多，层次越多，这些消息投票的区块就越安全。

2.有弹性的轮次时长

跟大多数的PoS机制一样，Casper也会将时间划分为轮次。每个轮次，首先有一个伪随机选择的领导者生成消息，其他人等待领头人的消息，收到该消息之后，才生成自己的消息。在这一轮次快结束时，每个人都会再发送一条消息。也就是说，验证者为该区块发送了两次验证消息。每个轮次的时长并不固定，不是所有验证者都采用相同的轮次时长。

为实现活性，Highway协议采用非固定轮次时长的机制。它用“高速公路”作为比喻，这也是协议名称Highway的来源。Highway类似于“数字高速公路”，它有很多车道，每条车道的汽车速度恒定。不同车道的汽车相互之间会发送消息。消息在不同车辆间传递的速度不同，协议达成共识的程度也不同。

在任何给定的车道n中，车在1米距离进行2n频次的跳跃，信息在不同车道的汽车间的传递是动态进行的。由于跳跃频次不同，消息传递频次也不同。例如，如果消息传到左侧的车道，频次将加倍，传到右侧车道则频次将减半。这样，每次跳跃时，都可以遇到左侧车道的汽车，而右侧则需要两次跳跃才会遇到。通过这样的方式，可以保证一定的安全性，同时也可以提高达成共识的速度。

要理解Highway的有弹性的轮次时长，需要理解时间“滴答”、生成区块的领导者以及轮次的概念。在Highway共识协议中，时间划分为“滴答”，每个“滴答”相当于一毫秒。领导者从当前验证者中选出，基于领导者的系统，需要有轮次，这也是基于安全的考虑，生成区块的领导者是无法固定的。因此，不同轮次会有不同的领导者。

在这种情况下，多数PoS链采用的是固定轮次时长的方法。而Highway协议与众不同的是其可调整的轮次时长。每个验证者选择轮次指数值。随着时间的推移，将会自动调整轮次指数值（round exponent），以实现最优性能。

举个例子，假设轮次指数值为n，验证者用于操作的轮次时长为2^n“滴答”。具有相同轮次指数n的所有验证者都有相同的轮次时间表。不过，如果轮次指数n不同，验证者在轮次时长上也不同。

假设A使用的轮次指数为n，B使用的轮次指数为m，其中n为5，m为7。这意味着，A的轮次时长是32个时间“滴答”(2^5)，而B的轮次时长为128个时间“滴答”(2^7)。这意味着，A的轮次时长只持续32毫秒，而B的轮次时长持续128毫秒。也就是说，A的速度要快于B，因此，A可以参与B了解的所有轮次，而B只能了解A知道的部分轮次。通过调整轮次指数可以增加或减少轮次时长，以实现最佳性能。

此外，Highway协议还提出一个“era”（时代）的概念，era时长也用区块链的时间“滴答”来表示，例如一周（604800000个滴答），其主要目的是在更长的一段时间内（如一周）保持验证者权重的相对恒定，由此实现所有验证者都可以同意的伪随机领导者序列，同时防止攻击者对领导者选择进行攻击。

Highway协议跟传统的BFT协议不同，一般来说，拜占庭容错协议主要在交易顺序上达成共识，而Highway协议仅就区块的有效性和区块的权重达成共识，对区块投票的验证者越多权重越大。在这种情况下，系统可以处理同时发生的事件，因为交易顺序不重要。Highway也支持区块合并，在合并过程中也可以检测是否有冲突的交易。

之所以可以实现这些，Highway协议有两个核心的设计选择：

*没有只发给特定节点的目标消息，所有消息最终会发送给所有人，且可以验证较早的消息。所有节点看到的都是相同的，这算是不断增长的消息图,有点类似于哈希图。

*决策方式简单：投票。通过在消息图中执行防止僵持状态的特定结构，可确保网络的活性。

在这里，消息被视为是对共识值的投票，且验证者遵循多个明确的验证者最新投票。

总结来说，Highway协议的如下特性值得关注：

• 无须许可性，任何人都可以安装所要求的软件并作为新验证者加入网络（在平台执行绑定交易以后，并在绑定拍卖中赢得其中的slot）。

• 有弹性：可自动调整轮次时长，以使网络的整体性能达到最佳。

• 部分同步：区块领导者无需收到已产生的所有消息即可生成区块，未收到的区块交易记录可在下游进行协调。

• 广播消息：协议假定能将任何消息广播到区块链网络中的所有其他验证者，可以处理消息的延迟，而无需直接的点对点通信。

• 可证明的最终性：协议提供“最终性检测器”的形式化计算，它可以发现由总权益大比重支持的交易。当验证者使用其“最终性检测器”，发现一些交易具有最终性，那么其他的验证者也会将其视为具有最终性的交易。

• 可证明的活性：由于恶意验证者的总权益不超过1/3，网络将持续产生具有最终性的区块，且共识的收敛不会停止下来。

总言之，Highway的特色是安全和活性兼备。它区块的创建是围绕伪随机生成的领导者序列进行的，领导者负责区块的产生。同时，它还采用可变的轮次时长机制，这让Casper具备弹性，可自我调整网络，以获得最佳性能。

Casper的开发者友好的整体策略

对任何智能合约平台来说，最终的价值来源于使用它的用户数量和频次。而要吸引用户进来，首先需要有dApp开发者构建出符合用户需求的产品和服务。

这对于Casper来说也一样，除了其技术路线的选择之外，Casper最核心的策略之一就是其对开发者友好的整体策略。策略讲究聚焦和取舍。这一点从Casper的Slogan也可以看出，它的Slogan是“筑梦者的区块链”。换句话说，Casper试图成为开发者构建各种美好产品和服务的坚实平台。从其目前的技术基础和运营方面看，Casper的开发者友好的整体策略值得关注。

1.业务开销可预测

在区块链上进行交易需要成本，用户的操作会产生费用。在Casper上，被选中的验证者需要从交易池中收集交易，并按照一定的次序执行，最后发布到新区块上。而用户提交的费用会按比例分配给所有验证者。

在Casper上，为了让dApp的体验更好，它试图要达成业务开销可预测。不受监管的费用市场会导致交易费用的高度波动。在2017年加密猫时代，以太坊的转账费用曾经高得吓人。Casper协议内置的gas价格下限设置足够高，可以减轻这种波动性。可以防止gas跌至某个特定价格下，让价格在某个值上自由浮动。

Casper的代币CLX代币可用来支付gas费用，而CLX代币价值是波动的，由此Casper设定了价格下限，虽然消耗的是CLX，但设置的值是法币值，其基准是单个CLX账户之间的转账费用花费0.05美元。为了实现这一点，Casper使用去中心化预言机来提供价格数据。

实现业务开销的可预测，有利于dApp开发者构建自己的商业模式，例如由dApp开发者负担用户的交易费用，而dApp通过其他方式向用户收取费用。由于交易费用的相对可预测，这样对于构建可持续的商业模式，并实现更好的用户体验都有直接帮助。

2.绝大多数开发者无须培训即可编写Casper区块链应用

对于智能合约平台来说，降低开发者进入的门槛非常重要。这也是Casper的重要竞争策略。首先它支持Rust作为Casper智能合约的主要编程语言，用于智能合约的Rust开发套件包括了测试环境、合约运行环境等。

此外，Casper对wasm有很好的支持。平台也支持其他编程语言进行智能合约的开发。这样对于开发者来说，无需太多的学习成本，用自己熟悉的语言即可开发dApp。

3.开发者所需的各种功能

除了开发门槛的降低，还有一些功能也可以帮助开发者更好的构建。例如它的GraphQL接口、账户结构、无限多重签名、可定制支付方式、可读性好的账户名等。

• Casper内置GraphQL接口，可用于状态查询，方便开发者随时了解合约的内部状态，降低开发和运营dApp的门槛。

• Casper的账户结构比较灵活，有多级账户结构，可以从子账户中收回丢失资金。它支持开发者所需的各类授权，其中包括针对丢失密钥恢复的账户权限模型，在账户和合约之间安全共享状态的权限模式等。

• 加权的密钥功能和阀值，可以实现无限多重签名功能。

• Casper支持开发者制定交易的支付方式。普通区块链通常采用“发送人付费”模式，而Casper的开发者可设置支持接收人付费的模式。

• Casper用户名是可读性好的账户名，方便构建应用，也有更好的用户体验。

• Casper节点内置了遥测和监视功能，可以方便节点运营者和验证者测试系统性能。

4.可升级的基础设施

Casper区块链支持将合约存储在不可变的地址中，支持合约版本控制和升级。这对于开发者来说是很有用，因为合约更新几乎是必不可免的。同时，Casper还在设计协议和虚拟机，以实现对并发执行、侧链、分片的支持。

结语

从Casper的整体来看，跟其他项目相比，以上的两点有其独特之处。虽然Casper很关心可扩展性，但它同样重视安全性和去中心化，这是它实现可扩展性的前提。Casper的Highway协议是实现这一目标的关键，通过“summit”和blockdag结构、伪随机领导者序列（pseudorandom leader sequence）、弹性的轮次时长等多种设计，实现了安全性和活性。

为了构建生态，Casper的开发者友好的整体策略也让人印象深刻。它在降低开发者门槛，丰富开发者工具方面、设施可升级等方面都下了不少功夫。

那么，在众多的智能合约平台中，Casper有没有机会脱颖而出？现在还无法下定论，但由于它在共识机制设计上的特色和对开发者友好的策略，它的探索值得持续关注。