Avalanche 架構深度解析

作者：Dan Smith

關鍵要點

• Avalanche平台：Avalanche旨在構建互操作性、靈活性和高性能的區塊鏈。

• Durango升級（3月6日完成）：為所有基於EVM的子網引入了跨鏈通信能力，標誌著Avalanche網絡互操作性新時代的到來。

• 性能優先的升級：包括HyperSDK、Vryx和Firewood等升級計劃於今年下半年實施，預期將與ACP-13共同促進子網的廣泛採用。

• Avalanche的基礎設施：提供創建通過原生互操作解決方案相連的高度優化區塊鏈的基礎設施。目前，Avalanche以其C鏈（合約鏈）聞名，這是一個泛用的EVM兼容L1，擁有37個DeFi應用，總鎖定價值超過1億美元，包括Trader Joe、Aave和GMX等熱門應用。但Avalanche的構建基於這樣一個理念：一個針對全球共享狀態優化的單一鏈條無法擴展以滿足現代世界的需求。未來，將存在許多需要無縫互動的高性能鏈。

Ava Labs創始人兼首席執行官Emin Gün Sirer最近發布了團隊的發展路線圖，明確強調了要創建一個平台以啟動具有異步組合能力的異質區塊鏈的重要性。該路線圖圍繞三個核心焦點展開：擴大子網的數量、提升網絡吞吐量、加強共識機制的穩固性。

Avalanche旨在為開發者提供一個框架，以便他們能夠根據特定的應用場景定制區塊鏈。 在Avalanche技術框架下構建的區塊鏈系統，依賴於Subnet（一組驗證器節點）來進行驗證工作。需要明確的是，Subnet本身並不是區塊鏈，而是一組負責設計、管理和調整其所負責驗證的區塊鏈運行機制和經濟模型的驗證器集群。一個Subnet有能力驗證從一個到多個不同的區塊鏈，但是每個區塊鏈只能由單一的Subnet進行驗證。這樣，通過Subnets驗證的眾多區塊鏈共同構建了Avalanche網絡這一龐大的系統架構。

主網就是第一個Subnet

在當下流行的模塊化架構思想指導下，Avalanche網絡的初創者們設計了一個創新的結構：主網絡。這個網絡通過將其關鍵功能劃分為幾個獨立的區塊鏈 --- --- C鏈、X鏈和P鏈，這三個作為Avalanche網絡中最初的區塊鏈，由首個Subnet --- --- 即主網絡共同驗證，以此來優化資源配置。

三個鏈條均採用Ava Labs團隊首創的Snowman共識機制。該機制通過重複採樣的方式，確保了系統的高度安全性、快速確認性以及伸縮性。不同於其他需要節點間全面通信的共識機制，Snowman共識能夠在無需與每個節點單獨通信的前提下完成驗證，從而構建出一個即便在大量驗證器存在的情況下也能迅速達成共識的強大引擎。

類似於市場上其他流行的L1，C鏈為開發基於以太坊虛擬機（EVM）的智能合約應用提供了一個開放的平台。在過去的一個周期中，C鏈見證了DeFi領域的積極探索，其總TVL最高達到過210億美元，這一增長主要得益於借貸平台Aave和Benqi，以及去中心化交易所Trader Joe和Curve的推動。C鏈還實現了一些關鍵的集成，以促進DeFi活動的展開，包括Tether（USDT）和Circle（USDC）在C鏈上的鑄造和贖回，當前鏈上的USDT和USDC總價值達到12億美元。另外，對於諸如借貸市場之類的DeFi應用，價格預言機供應商的支持至關重要，其中Chainlink作為市場份額占比53%的最大供應商，目前支持C鏈上的116個應用。

2023年12月，C鏈的交易速率在整個月保持平均每秒40筆交易（TPS），並在某一分鐘內達到了106 TPS的頂峰。儘管這一交易量的激增主要是由於銘記交易（通常被認為是較低質量的輕量級交易），它依舊展示了Avalanche技術棧相較於其他EVM鏈條的卓越性能。然而，與Solana這樣的高吞吐量鏈條相比，C鏈的交易處理能力相對較低，後者的平均交易速度通常是C鏈的100倍。為了提升網絡性能，平台計劃支持使用HyperSDK構建的高吞吐量鏈條。

X鏈的功能很單一，只負責創建及轉移Avalanche網絡的原生資產。相比之下，P鏈在Avalanche技術生態中的作用顯得更為關鍵，它負責作為子網註冊處，記錄活動狀態下的驗證器及其質押權重，確保了跨子網間的順暢通訊。

目前，參與任何子網驗證工作的驗證器也必須承擔主網絡中三條鏈（C鏈、X鏈、P鏈）的驗證責任。至今，主網絡共聚集了1,821個驗證器節點，這些驗證器共質押了2.59億個AVAX代幣，占到了總質押量的59%。要成為主網絡的驗證器，節點必須至少質押2,000個AVAX，而代幣持有者則可以通過最低質押25 AVAX的方式參與網絡的維護。質押總量中，約82%來自於節點本身，剩下的18%則來自於個體委託人。相較於其他的權益證明（PoS）鏈條，Avalanche的流動性質押功能尚未廣泛被接納。作為Avalanche最大的兩個流動性質押服務提供商，Benqi和GoGoPool目前僅占總質押量的3%。 Ava Labs團隊向Avalanche社區推出了ACP-13提案，目標是降低啟動子網的成本和複雜性。該提案引入了一種新的質押者身份 --- --- 僅驗證子網的驗證器（SOV），這類驗證器不需要同步和驗證整個主網，只專注於驗證P鏈。這是因為，跨子網的通信僅依賴於P鏈的驗證機制。這項變革預計將顯著降低部署子網的初始固定成本，優化驗證器硬件的資源配置，並為機構客戶降低監管風險，同時還能維護子網之間的互操作性。

在當前規則下，所有子網驗證器都必須參與主網絡的三鏈驗證，這要求至少2,000個AVAX的質押，按現今AVAX的市場價，相當於每位驗證器需要投入約88,000美元的初始資金。ACP-13提案旨在通過允許SOV僅需質押500個AVAX的押金，從而減少75%的成本，鑑於SOV不參與主網絡的驗證，這部分質押金不會產生網絡獎勵。儘管如此，即便是按照提案降低後的成本，啟動一個子網驗證器仍需約22,000美元，其對潛在驗證器的價格敏感度效應仍待評估。

通過減免了C鏈和X鏈的驗證要求，該提案使子網驗證器能夠更加高效地分配其硬件資源，專注於維護其自有鏈條，而非分散資源以支持主網絡。儘管目前主網絡的硬件需求並不高，但社區內部仍有聲音呼籲增加硬件配置以提升整體性能。這種資源上的雙重需求使得Avalanche的技術架構是否全力以赴成為高性能平台成為一個疑問。

更重要的是，ACP-13提案還解決了驗證無許可智能合約平台（如C鏈）所面臨的監管風險問題。例如，美國政府制定了對某些以太坊地址的OFAC制裁，迫使受規管的驗證者、開發者和傳遞者必須排除特定交易以保持合規。通過免除子網驗證器參與主網絡共識的要求，ACP-13有效降低了這一監管風險，為在美國的、傾向於規避風險的實體提供了建立區塊鏈的更多可能性。

子網架構

Avalanche致力於成為開發者構建定制區塊鏈的首選網絡，要實現這一目標，關鍵在於要提供一個既互操作、靈活又高效的基礎架構。

Avalanche Warp Messaging

在眾多鏈條共存的區塊鏈世界中，互操作性顯得尤為關鍵。Avalanche Warp Messaging（AWM）作為Avalanche提供的核心技術，使得不同子網間的通信變得可能。這項技術允許兩個不同鏈的驗證器集群直接交流，摒棄了利用第三方橋樑轉移數據或資產的需要，大大簡化了Avalanche網絡內各區塊鏈之間的互動。AWM的設計極具靈活性，它支持任何在P鏈上註冊的鏈之間的消息傳遞，無論是無許可的基層鏈如C鏈，還是完全許可的應用特定鏈，或者是二者之間的任何形式。

子網間的消息傳遞是通過中繼器完成的，並且這些消息通過BLS多重簽名技術進行驗證。接收消息的子網會通過查詢P鏈 --- --- 一個作為子網驗證器中心登記註冊處的系統，來確認這些簽名的有效性。以一個場景為例：子網A發送消息給子網B。一旦用戶操作激活了AWM，子網A的驗證器便共同對一條消息進行簽名，並將其通過中繼傳遞給子網B。隨後，子網B的驗證器就會驗證這條消息，判斷其是否由子網A上一定比例的質押權重所簽名。值得強調的是，這一切消息傳輸、接收及驗證的過程，都無需依賴任何外部實體。

自2022年12月啟動以來，Avalanche Warp Messaging（AWM）就已經處於活躍狀態，但為了實現與以太坊虛擬機（EVM）的兼容，需要完成一系列重要的工程優化工作。通過ACP-30的推出，為跨子網消息傳遞在C鏈及Avalanche網絡中所有基於EVM的區塊鏈上確立了一個統一的實現標準。

該社區提案在2024年3月6日Durango升級而正式生效，使得用戶現在能夠通過Teleporter工具，輕鬆地在不同鏈間轉移資產。Teleporter基於AWM構建，提供了一個簡易的界面，用於發送和接收跨鏈消息，從而支持在Avalanche網絡的區塊鏈之間進行ERC-20代幣轉移。Teleporter專為提供流暢可靠的用戶體驗而設計，包括避免交易重複、實施中繼白名單和設置可選交易費等功能。隨著ACP-30標準的推廣，其將很快應用到HyperSDK上，這將進一步擴大Teleporter連接的鏈條數量，增強Avalanche網絡的互聯互通能力。

Subnet VMs和HyperSDK

虛擬機（VM）是一種軟件，它通過規定交易格式、狀態訪問權限以及燃料（gas）機制等關鍵要素，為區塊鏈定義了具體的運作行為。不同的VM設計理念和實現方式對於基於它們開發的應用程序的性能和功能具有深遠的影響。以以太坊的虛擬機（EVM）和Solana的虛擬機（SVM）為例，二者在設計上的取捨大相徑庭：EVM因其龐大的開發者社區和成熟的開發工具而聞名，而SVM則通過其多線程運行時間和並行執行能力，以及改進的交易費機制，重點優化了性能。

Avalanche網絡允許構建在其上的區塊鏈選擇運行預先構建的虛擬機，如專為與Subnet兼容而設計的Subnet-EVM，或者是開發者自選的定制虛擬機。鑑於構建一個全新的虛擬機是一項極具挑戰性的工作，當前絕大多數在Avalanche網絡上的鏈條選擇運行Subnet-EVM。HyperSDK的開發旨在降低創建定制虛擬機的門檻，使開發者能夠在不必從零開始的情況下，實現虛擬機的個性化定制。

HyperSDK提供了一個用於構建定制虛擬機（HyperVM）的框架，這些虛擬機可以直接集成進Avalanche網絡。該框架配備了強大的默認設置，使開發者可以將精力集中在應用的核心功能開發上，而無需從基礎開始搭建虛擬機。從理論上講，HyperSDK能夠將開發虛擬機所需的時間從數月縮短到僅需數天，極大地加速了開發者的市場響應速度。

HyperSDK的開發不僅標誌著Avalanche性能提升進入新的高度，而且它引入了一種名為Vryx的先進交易處理機制。Vryx的設計理念源自多篇受到廣泛認可的研究論文，特別是由Diem（前Facebook團隊）發布的Narwhal Tusk論文，這篇論文對當今如Aptos和Sui等現代區塊鏈有著深遠的影響。Vryx的核心在於它將交易處理過程中的各個步驟分離開來，這一策略使得驗證者能夠同時進行區塊的構建和複製工作。簡而言之，它通過縮短構建、複製以及驗證區塊的總耗時，來實現吞吐量的橫向擴展。這意味著，Vryx將大幅提升Avalanche網絡的交易處理速度，推動其每秒交易數（TPS）達到新高。雖然Vryx目前還未正式推出，但Ava Labs計劃在今年年底前將其集成進HyperSDK。Ava Labs即將發布的性能基準測試將展示Vryx的高效表現，預計其TPS能夠突破100,000。

數據庫解決方案

在追求性能優化的區塊鏈設計中，性能提升往往伴隨著更高的驗證器硬件要求這一權衡。未來子網的硬件需求將受到所選擇運行的虛擬機類型的影響，而主網絡社區則需面臨一個決策：這種權衡對於C鏈來說是否恰當。通常情況下，提高硬件要求被認為會增加成為驗證器的成本，進而可能降低節點運營的普遍性，這一點在性能與去中心化的平衡中尤為關鍵。雖然理論上看起來合理，但現實操作中並非總是成立，例如，儘管硬件要求更高，但Solana網絡卻能維持1,606個質押節點，超過Avalanche主網絡的規模。除此之外，節點和伺服器的地理位置分佈等因素也是去中心化討論中不可忽視的要素。

為了在性能提升方面邁出進一步的步伐，Ava Labs正致力於開發一款名為Firewood的專屬數據庫方案。Firewood應運而生，目的是解決狀態管理這一区塊鏈擴展過程中遇到的核心障礙。所謂的區塊鏈狀態，指的是系統中存儲的相關數據的實時快照，這些數據隨著使用量的增加而膨脹，隨之而來的是，驗證器為了高效執行交易處理，需要迅速訪問當前狀態，這一需求隨著狀態的不斷增長而變得日益艱巨。

Firewood的目標是對團隊之前開發的MerkleDB數據庫進行改良。它採用了一種創新的機制，通過降低修改現有狀態所需的開銷，來高效地存儲和讀取區塊鏈狀態。這一機制的引入預期將打造出一個更為強大的數據庫系統，能夠提供迅捷的狀態訪問能力，從而解除限制交易處理能力提升的關鍵障礙。Ava Labs預計不久將發布Firewood性能的基準測試結果，以展示其優越的性能表現。

與其他技術解決方案的比較

Avalanche並不是唯一一個構建區塊鏈啟動基礎設施的技術棧。目前，最著名的構建自己的鏈的方式包括Cosmos生態中的應用鏈（appchains）和以太坊上的rollups。每種框架都有一套不同的權衡，吸引不同群體的開發者。

Cosmos 應用鏈

Avalanche網絡和Cosmos生態的最終目標幾乎相同：通過信任最小化的消息標準，連接異步的獨立鏈網。兩個平台都允許開發者構建一個管理自身安全的區塊鏈，這需要啟動一個高質量的驗證器集合。即使ACP-13被實施，500個 AVAX的押金仍可能成為成為子網驗證器的進入障礙。因此，那些確實支付押金的驗證器可能更願意驗證多個鏈，以賺取更多獎勵並抵消他們的初始押金。在今天的Cosmos生態中，沒有類似於500個AVAX押金的機制，然而我們看到appchain驗證器集合之間有很大的重疊。例如，Chorus One、Allnodes、Polkachu和Informal Systems都是Celestia、Comos Hub、Osmosis和dYdX的驗證器。

這種比較突出了不同區塊鏈技術棧在設計和策略上的差異，以及如何吸引和維持驗證器和開發者社區。Avalanche通過ACP-13提案試圖降低進入門檻，以促進更多的子網和區塊鏈的創建和維護，而Cosmos生態通過不需要顯著的前期押金就能吸引驗證器參與，展現了不同的生態動力學和開發者吸引力。這些差異反映了每個平台對安全、去中心化和易用性之間權衡的不同策略。

當前，Avalanche網絡中的P鏈充當了子網的中央登記系統，其中的驗證器信息都存儲於此。這種架構意味著，儘管子網在技術上是獨立的，但它們在某種程度上依賴於P鏈，並不能完全自主運行。舉個例子，子網內的質押獎勵分配是由P鏈決定的，限制了子網在嘗試新獎勵分配機制上的自由度。相較之下，Cosmos生態系統中的鏈條更具有主權性，它們沒有類似的中心化樞紐限制，更自由地對其技術堆棧進行調整和設計。目前Ava Labs正在討論的一個改革方案是，允許由子網控制的驗證器集合自行管理並向P鏈報告任何變動，這將賦予子網更多的自治權，同時P鏈僅作為提供跨子網通訊的橋樑。這一提案目前還處於討論階段，其實施前景尚不明朗。

Cosmos生態在近年來進行了廣泛的技術實驗，Terra和dYdX的成功案例分別展示了其技術堆棧處理通用L1流量和滿足特定應用需求的能力。與Avalanche網絡的34個子網和36個活躍鏈相比，Cosmos目前有88個活躍鏈條，其龐大的開發社區為技術堆棧帶來了更多的創新，比如外部團隊開發的可供其他鏈條利用的模塊。

雖然Avalanche的AWM和Cosmos的IBC協議在跨鏈通信方面有相似之處，但二者在消息驗證機制上存在本質差異。AWM利用P鏈作為所有子網驗證活躍驗證器簽名的通用登記處，而IBC並沒有這樣的統一驗證點，Cosmos的驗證器需要在鏈條之間同步信息，並在本地記錄其他鏈的驗證器集合。這意味著Cosmos鏈之間的通道需要定期更新，以確保有效驗證器集合的準確性，每建立一個新通道就需要進行一次連接設置。

在AWM與IBC技術中，鏈間消息傳遞均依賴於中繼器。然而，在Cosmos生態中，中繼工作並沒有直接的經濟激勵，使得往往是出於業務需求的服務提供者來擔任這一角色。儘管提議對IBC轉移增設費用的動議至今未獲廣泛支持，Cosmos生態依舊建立了龐大的中繼網絡，其中Crossnest、Informal Systems和Notional等發揮著關鍵作用。隨著子網生態的擴展，構建類似的中繼網絡需要時間，不過Teleporter通過引入可選費用為中繼者提供了激勵，從理論上講，這將提升中繼服務的質量並加速資產的轉移速度。儘管Teleporter僅上線不足一天，但我們會持續關注中繼生態的發展情況。

Avalanche的共識機制採用的子樣本技術成功地將活躍驗證器集合的規模擴大到超過1,800個，這一點明顯優於Cosmos鏈條，後者的驗證器數量通常在80到180之間。這種擴展使得無需許可的區塊鏈得以在Avalanche網絡中繁榮發展，但同時，兩個網絡都支持開發者創建帶有許可驗證器集的區塊鏈，例如Cosmos的Noble和Avalanche的Evergreen子網。隨著HyperSDK、Vryx和Firewood的推出，Avalanche有望提供更高效的技術支持。但是，具體的性能提升要等到相關的基準測試發布後才能確定。

Rollups

Rollups提供了在Avalanche網絡中推出新區塊鏈的另一種路徑。它們通過擴展另一区塊鏈的執行能力並將交易數據返回至原區塊鏈來工作。Rollup的部署選項多樣，涉及到如欺詐證明或零知識證明等狀態驗證技術，以及OP Stack或Arbitrum Orbit等框架，還有如以太坊或其他rollup等的結算選項，以及以太坊或Celestia等的數據可用性解決方案。Rollup的設計對其安全性和穩定性有著重大影響，因此我們在概括這種構建方式時，旨在將其與在Avalanche網絡上啟動一條區塊鏈的概念進行比較。

其中一個顯著的區別在於安全性的來源。Avalanche網絡內的區塊鏈依賴於自身來確保安全性，而rollup則從其基礎層繼承安全性。Rollup通過創建一種機制，擴展了底層區塊鏈的執行能力，這一底層提供了共識、結算和對rollup的數據可用性支持。與此相反，子網實際上是獨立提供自身共識、結算和數據可用性的Layer1區塊鏈，擁有自己的質押代幣。儘管大多數rollup方案都集中於與EVM兼容的rollup，這些方案的性能可能不如新型虛擬機，但構建基於新型或自定義虛擬機的rollup（如Eclipse採用的SVM分叉）是可行的。Avalanche子網從根本上對虛擬機保持中立，意味著子網可以運行基於任何虛擬機的區塊鏈。雖然目前大部分在生產環境下的子網支持EVM，但採用MoveVM、基於WASM的虛擬機以及通過HyperSDK開發的其他自定義虛擬機的引入正穩步推進。

在目前的大部分rollup架構中，交易執行依賴於單一的序列器，這個序列器負責將交易數據公開至數據可用性層，確保公眾可見。這種架構下，序列器成為了一個潛在的中心化失敗點，一旦出現系統故障，可能導致用戶無法執行二層交易。儘管這類故障通常不會直接導致用戶資產損失，但rollup的具體設計決定了其安全性的保障水平。另一方面，Avalanche網絡通過故障隔離機制確保了沒有單一失敗點，即使P鏈出現故障，也僅會影響到跨鏈通信，各子網內部的活動仍將正常進行。這一點與rollup在結算或數據可用性層面出現問題時性能受損的情況形成鮮明對比。

Avalanche的安全機制基於負責執行、數據可用性和共識的子網，其中驗證器擔負起鏈的全部功能角色。與大部分基於權益證明機制的鏈條一樣，通過通貨膨脹獎勵或交易費用，驗證器被經濟激勵以參與維護網絡安全。與之相對的是，rollup需要將交易數據發布至數據可用性層，這樣執行和結算層才能確認交易數據的可用性。如果數據不被公開，可能導致rollup狀態無法更新，從而凍結用戶資產。理論上，用戶應有能力下載區塊數據並自行驗證rollup的狀態轉換，以確保安全。

在Avalanche網絡內，由於子網自行負責安全性，運行區塊鏈的成本基本固定，僅有的成本是ACP-13計劃降低的AVAX質押費。相比之下，rollup的運營成本主要由發布數據到數據可用性層的費用構成，這是隨用量變動的變量成本，通常轉嫁給用戶作為交易費。Celestia的推出通過將這類成本降低了99%，顯著降低了運營rollup的經濟負擔。

子網相較於rollup的顯著優勢在於其採用的Avalanche Warp Messaging（AWM）技術，這一技術為Avalanche網絡提供了天然的互操作性。這種互操作性是rollup目前明顯缺失的，導致跨rollup通信依然是一個待解決的挑戰。在rollup形成的孤島網絡中，資金流動、用戶群體以及市場關注度已經開始出現分散。儘管當前存在多種第三方橋接方案，但每一種方案都基於自身的一套信任機制。

目前，通過zk證明構建更完善的橋接方案的嘗試正在進行，如果兩個rollup使用相同的zk證明器，它們可以在無需額外信任機制的前提下異步交換消息，但這種方法也存在限制。多個團隊正在開發自己的zk證明器，各自希望其方案能夠成為標準。這可能導致基於相同技術的不同rollup集群之間的流動性進一步碎片化，而非僅局限於單個rollup，且每個集群之外的通信仍需依賴第三方橋接。與此形成鮮明對比的是，Avalanche通過採用統一的消息協議，使得整個網絡能夠進行強大的異步通信，而無需依賴於任何第三方橋接服務。

結論

Avalanche網絡正穩步成為構建高性能區塊鏈的最佳平台，上面的區塊鏈可以無縫互聯互通。他們面臨的最大挑戰將是吸引構建者進入Avalanche生態，而非選擇去競爭對手的生態。對性能和可擴展性區塊鏈的強烈關注可能會成為Avalanche的競爭優勢，我們預計下半年HyperSDK、Vryx和Firewood的推出將成為Subnet大面積應用的主要催化劑。此外，關於ACP-13的討論嚴格集中在降低進入門檻和擴大子網採用率上。ACP-13的目的是為了使更多的開發者和項目能夠更容易地加入Avalanche網絡，通過降低成本和簡化流程來促進子網的創建和發展。這樣的措施有望增加Avalanche網絡的多樣性和功能性，從而吸引更多的構建者參與到其生態中。