詳解彈性側鏈網絡SKALE：技術方案、跨鏈橋與代幣經濟

原文標題：《 详解彈性側鏈網絡 SKALE：技術方案、跨鏈橋與代幣經濟 》
原文來源： ZKSwap中文社區

側鏈是什麼？這裡援引 Barry Whitehat（Rollup 概念提出者）對側鏈的定義。

其基本含義是：由一組驗證者，把一條鏈的最新狀態提交給一個（主鏈上的）智能合約，如此推進的一類系統。這些（最新狀態的）檢查點可被一個橋接合約（Bridge Contract）使用，以支持用戶的存款和取款。一般來說，在該組驗證者之間也會有一個領袖選舉流程，來決定某時某刻由誰來創建側鏈區塊，例如 PoA 權威證明算法和 PoS 算法 [1]。

Barry 同時提到，隨著一些 Layer2 擴展方案的成熟，可以考慮側鏈如何與其他方案更好地結合。並且在一些特定場合下，側鏈的特點能夠大放異彩。

目前，主流側鏈方案主要有：Polygon （原 Matic Network）、xDai Stable Chain 以及 SKALE Network。本文將梳理 SKALE 的技術方案、擴展包、IMA 跨鏈橋、SKALE 通證與治理以及 SKALE 生態發展與投融資情況。

SKALE 簡介

SKALE 網絡的定位是作為以太坊的「彈性側鏈網絡」，能夠支持成千上萬個獨立區塊鏈、側鏈、存儲鏈和其他類型子鏈。這些區塊鏈都與以太坊主網相連接，並且完全兼容以太坊生態。

SKALE 網絡中的側鏈由一組從網絡節點集合中選出的虛擬子節點（Virtualized Subnodes）所運作。每一條側鏈都是高度可配置的，用戶可自由選擇側鏈的規格、共識協議、虛擬機、母鏈以及定制化的安全措施。

SKALE 網絡使用 Solidity 作為智能合約的編程語言，運行模型完全兼容 EVM，支持主流的以太坊代幣標準，同樣可以通過 web3.js 和 web3.py 連接網絡，以及使用 Truffle 和 Remix 等工具，實現了開發者友好。

SKALE 網絡構成

圖片來源：SKALE Network Whitepaper

SKALE 網絡由 SKALE 節點和 SKALE 管理員兩部分組成，其中 SKALE 管理員是部署在以太坊主網上的智能合約。SKALE 管理員合約起著「入口」的作用，承擔節點的創建與銷毀、彈性側鏈的創建與銷毀、虛擬子節點輪換和 SKALE 獎勵發放等任務。

圖片來源：SKALE Network Whitepaper

其中，虛擬子節點是彈性側鏈的參與者，負責執行 SKALE 共識、運行 SKALE EVM 以及促進鏈間通訊。

節點的創建與銷毀

潛在節點轉變為 SKALE 網絡的節點需要進行如下步驟：（1）首先運行 SKALE 後台程序，由後台程序評估潛在節點是否滿足網絡的硬件要求；（2）如果評估通過，潛在節點可以向 SKALE 管理員提交申請以加入網絡。提交申請需要質押網絡保證金，並提供其 IP 地址、端口、公鑰等節點元數據；（3）提交完畢後，潛在節點加入系統，並稱為「全節點」或「輕節點」（兩種節點的區別在於：全節點為某一彈性側鏈提供所有資源，而輕節點則參與到多條彈性側鏈中）。

當節點創建後，SKALE 網絡會為其分配一組對等節點（目前為 24 個）。對等節點將定期審查該節點的宕機時間與延遲，以此決定每個網絡周期發放給該節點的獎勵。

如果節點想要退出網絡，需要先向網絡廣播退出消息，並等待一段終止期。之後節點可以取回其質押的網絡保證金。

彈性側鏈的創建與銷毀

可定制化的「彈性側鏈」是 SKALE 的創新點之一。「彈性」意味著區塊鏈並不是固定不變的，用戶可以根據其需要，按照 1/128（小型）、1/16（中型）或 1/1（大型）的節點資源和 3、6 和 12 個月的時長選項，以及網絡的存儲容量來選擇區塊鏈的配置，並使用 SKALE 通證支付相應的租金。（目前 SKALE 網絡中消耗資源的成本取決於鏈的規格與生命周期，並將在未來按照當前網絡條件和系統負載來進行成本的動態計算。）

用戶將申請提交給 SKALE 管理員後，一條新的彈性側鏈也就隨之創建。

圖片來源：SKALE Network Whitepaper

如果用戶支付的租金已消耗完，或是用戶將其彈性側鏈刪除，此時彈性側鏈就會被銷毀。此外，用戶還可以對彈性側鏈的虛擬子節點進行輪換，來避免其互相勾結，確保彈性側鏈的去中心化。

整體來看，SKALE 的彈性側鏈的創建與銷毀類似於我們平時租賃雲伺服器的模式，即按需選擇資源和按資源付費。在租金消耗完後，用戶可以選擇續費或是刪除伺服器 (也即彈性側鏈)。就像 Docker 和 Kubernetes 允許輕鬆定制且可擴展的雲服務一樣，SKALE 的願景是提供去中心化的「鏈服務」。

SKALE 獎勵發放

在每個 SKALE 網絡周期結束之後，該時期內所釋放的 SKALE 通證會平等地分配給該周期開始前參與到網絡的所有節點。

分配給每個節點的通證數量取決於其 24 個對等節點中的 16 個 (剔除最高與最低的 4 個指標) 所提交的平均指標。由於運行時間不足 / 延遲而未分發給節點的通證將流向 N.O.D.E 基金會。

彈性側鏈與共識過程

彈性側鏈是由 SKALE 網絡中的虛擬子節點組成的，這些虛擬子節點通過一種異步、無領導和可證明安全性的協議參與到區塊的創建與確認。只要超過 2/3 的虛擬子節點驗證集合處於在線狀態，它們就會在鏈上持續創建與確認新的區塊。SKALE 的共識過程如圖所示：

圖片來源：SKALE Network Whitepaper

區塊提案

虛擬子節點需要遵照以下原則來創建一個區塊提案：（1）檢查其待辦交易隊列；（2）如果待辦隊列中的交易規格小於等於 MAXBLOCKSIZE，則虛擬子節點取出其中所有交易加入到區塊提案中；（3）如果待辦隊列中的交易規格大於 MAXBLOCKSIZE，則虛擬子節點按接收的先後順序取出其中的待辦交易，加入到 MAXBLOCKSIZE 的區塊提案中；（4）之後，根據 SHA-256 根節點從最小值到最大值排序的交易，虛擬子節點收集區塊提案。（5）如果待辦隊列為空，虛擬子節點會等待一個 BEACON_TIME。如果之後隊列仍為空，則創建一個不包含任何交易的區塊提案。

在某個虛擬子節點創建了區塊提案後，它將按照數據可用性協議通知其他的虛擬子節點。數據可用性協議保證了信息能夠傳遞至絕大多數的虛擬子節點。

共識與輪次

對區塊提案的共識採用異步二進制拜占庭協議（ABBA）。目前 SKALE 使用來源於 Mostefaoui et al 的 ABBA 協議的變體。

提案階段結束後，每個收到提案 P 的絕大多數簽名 S 的虛擬子節點 A 立即會在一個共識輪次 R 中對 ABBA 進行投票。協議如下：

（1）對於每一輪 R，虛擬子節點會執行 N 個 ABBA 實例；（2）每個 ABBA[i] 相當於虛擬子節點 I 在區塊提案中的一次投票；（3）每個 ABBA[i] 以一次「是」或「否」結束共識投票；（4）ABBA[i] 全部結束後，會有生成投票向量 v[i]，它包括每次提案的「是」或「否」。

（5）如果投「是」的僅有一票，相關的區塊提案 P 則被提交至彈性側鏈；（6）如果投「是」的有多票，則會用偽隨機的數字 R 從「是」的投票提案偽隨機性選出 P。選出的提案對 R 除以 NWIN 剩下的部分進行索引，其中 NWIN 為投「是」提案的總數；（7）隨機數 R 是 ABBA 所有 COMMON_COIN(一種隨機數源) 的總和。（8）如果所有投票全是「否」，則向該區塊鏈提交一個空的區塊。所有投票都為「否」的可能性非常小，隨著 N 的增加而降低。

一旦共識在任意虛擬子節點 A 上成功選出區塊 P，虛擬子節點將執行以下算法以確定提案，並提交至區塊鏈。（1）A 會檢查其是否收到選出的提案 P；（2）如果 A 未收到提案，它將向其對等的虛擬子節點提出申請，進行下載；（3）A 將對 P 簽署一個簽名碎片 S，並將其發送至其他全部的虛擬子節點；（4）A 等待接收來自包括其自己的絕大多數虛擬子節點的簽名碎片；（5）A 一旦接收到絕大多數的簽名碎片，就會把它們組合成一個閾值簽名；（6）最後，A 把 P 與閾值簽名 S 一同提交至區塊鏈。

此外，SKALE 的容器化結構還為 dApp 開發者提供了企業級性能與選項選擇，旨在實現中心化系統同等級別的靈活性、可配置性及模塊化特性，提供 SKALE 管理服務、節點監控服務、虛擬子節點調配服務，並整合了一系列的應急策略和故障恢復方案，以應對網絡攻擊和故障等緊急情況。

SKALE 網絡擴展

SKALE 開發了兩個擴展包：文件存儲與鏈間通訊。

文件存儲

圖片來源：SKALE Network Blog

SKALE 網絡的文件存儲依賴於其內置的數據可用性協議，它確保了數據至少存儲在每個彈性側鏈 2/3 的虛擬化子節點上。fileStorage.js 是一個 npm 包，用戶只需幾行代碼即可將 SKALE FileStorage 集成到他們的 dApp 中。並通過調用 uplodaFile、downloadFileIntoBrowser/downloadFileIntoBuffer、deleteFile 方法來對文件進行上傳、下載和刪除。

SKALE 網絡用戶可以把文件劃分成 1MB 的「組塊」，並提交至 fileStorage 智能合約，以連續的方式存儲在每個節點的文件系統裡。

鏈間通訊

圖片來源：SKALE Network Whitepaper

SKALE 網絡採用了 BLS（Boneh--Lynn--Shacham）閾值簽名。BLS 簽名算法是一種可以實現簽名聚合和密鑰聚合的算法（即可以將多個密鑰聚合成一把密鑰，將多個簽名聚合成一個簽名），能夠避免簽名者之間的多餘通信 [2]。

SKALE 網絡中的每個彈性側鏈都支持該簽名，藉此能夠實現快速安全的鏈間通訊。即 SKALE 網絡中一條獨立的彈性側鏈能夠驗證另一條彈性側鏈簽名並提交的區塊，使 SKALE 網絡可以實現智能合約的執行及彈性側鏈之間的加密資產轉換。

IMA 跨鏈橋

圖片來源：SKALE Network Blog

SKALE 於今年七月推出了 IMA（Interchain Messaging Agent）跨鏈橋，允許用戶在以太坊和任意一條 SKALE 鏈之間轉移支持主流 ERC 標準的數字資產以及通用消息數據。

如果用戶需要將資產從以太坊轉移至 SKALE 網絡，IMA 跨鏈橋會將以太坊上的資產存入到 Deposit Box 合約中，等待 10 個以太坊區塊的確認，之後發送一個傳輸請求到一個稱為 SKALE IMA Agent 的代理，該代理將輪流調用在 SKALE 網絡中運行的 SKALE TokenManager 來在各自的 SKALE 鏈中處理這筆傳輸。

如果需要將資產從 SKALE 鏈轉移到以太坊，則代幣將在 SKALE 鏈上被燃燒並在以太坊主網上解鎖。如果需要轉移的代幣是在 SKALE 鏈上鑄造的，則作為轉帳的一部分，它將在以太坊上進行鑄造，以保留該代幣所有權。

SKALE 通證與治理

SKALE Token 代表作為驗證節點參與到網絡中的權力，或者作為開發者在某一段時間內部署和租用彈性側鏈所獲得資源的一部分。

（1）用戶以彈性側鏈的形式，在一段預先確定的時間內，通過訂閱模式租用（計算、存儲、帶寬）資源。（2）驗證節點向網絡中質押 SKALE 通證，然後獲得運行節點、賺取交易費用和通貨膨脹通證的權力。

通常來說，SKALE 治理採用委託質押模型，即利益相關者既可通過質押投票直接參與治理，也可將其投票權力委託給其他的利益相關者。

SKALE 所採用的默認投票模型是一種簡單的少數服從多數投票。提案通常包括一個為期 14 天的投票階段。超過 90 天「忠誠而正式質押」的 SKALE 通證有資格就 SKALE 委員會提出的關鍵問題進行投票。

生態發展與投融資情況

SKALE 在去年 6 月上線了其主網的第一階段。今年 5 月，在完成 Denali（德納里峰）升級後，SKALE 鏈宣布其升級後的主網正式上線。此次網絡升級將多鏈引入到以太坊，並為 SKALE 網絡引入模塊化架構，允許其包含本地和第三方鏈服務，包括文件存儲、鏈間消息傳遞、Oracles、Rollups 等。

並且引入了高性能 App-specific，這意味著每個 dApp 和協議都可以在它們自己的 EVM 兼容鏈上運行，這些鏈與其他網絡流量隔離，但會繼承以太坊主網的安全性。

圖片來源：SKALE Network Blog

今年七月底，SKALE 宣布了第一批在 SKALE 主網上運行的 dApps，包括：Boot.Finance（去中心化流動性協議）、Covey（投資組合分享應用）、CurioDAO（現實資產代幣化平台）、Human Protocol（去中心化勞動力市場框架）、Ivy（NFT 和代幣交易協議）、Minds（去中心化社交網絡平台）。此外，據 SKALE 官方消息，除了已經加入 SKALE Innovator 計劃並正在平台上構建的 dApp 外，SKALE 還與 40 多個夥伴和驗證者建立了合作關係。

SKALE 網絡得到全球頂尖的 Validators 平台支持，包括 01NODE、Ankr、Anonstake、Audit One、Blockdaemon、Blockware、Chainflow、Chainode、Chorus One、Cypher Core、Dokia Capital、Figment Networks、FreshSkale、Hashed x DELIGHT、Hashquark、Staked、Stakin、StakedWithUs、WolfEdge Capital，以及 Staking Facilities。目前 SKALE 網絡共有 48 個驗證人，運行 160 個節點。

融資方面，SKALE Labs 早在 2019 年 10 月宣布籌集總共 1710 萬美元的融資額，獲得了 Arrington XRP Capital、Blockchange、ConsenSys Labs、Hashed、HashKey、Multicoin Capital、Recruit Holdings 等超過 40 個天使投資人和風投機構的支持。

小結

對比火熱的 Rollup 擴容方案和 Polygon、xDai 等側鏈項目，SKALE 似乎顯得有些無人問津。作為 2017 年開始運作的老牌項目，SKALE 在 Denalis 升級的主網上線後有了一系列的生態進展，例如上線第一批 dApp、與其他項目和驗證者平台建立合作關係等。

隨著各類擴容方案的紛紛落地，SKALE 多年的積累使其技術面上有相對穩定的優勢，但仍需要在生態建設方面迎頭趕上。