前言：2020年行將結束，這一年，區塊鏈行業讓你印象最深的是什麼？是公鏈生態的爆發式增長？還是區塊鏈應用的蓬勃發展？亦或是政策方面的重大利好？萬向區塊鏈於2020年年末，推出四篇重磅年度回顧系列文章：《公鏈篇》、《應用篇》、《服務實體經濟篇》和《監管篇》，記錄一個乘風破浪的區塊鏈發展之年。回顧文章將於每周三發布，敬請鎖定我們的微信公眾號，第一時間獲取。下文為年度回顧系列之——公鏈篇，作者：萬向區塊鏈首席經濟學家辦公室。一起看，這一年公鏈的風起雲湧。
2020年即將結束，雖然疫情席捲全球，但沒有影響到區塊鏈行業的進步。在這一年中，公鏈和生態應用均有突破，各國對區塊鏈及加密資產的政策也逐漸完善。本文是對區塊鏈行業這一年進展的回顧，尤其是公鏈方面的進展，其中重點關注比特幣、以太坊、Polkadot和Filecoin這四個熱度比較高的公鏈。
比特幣
今年比特幣最大的技術進展在Taproot/Schnorr升級，這是由比特幣開發人員Pieter Wuille提出，作為比特幣改進提案（BIPs）發布，相關提案序號為BIP 340-342，現在已經正式合入比特幣代碼的主分支中。這是比特幣自閃電網絡上線後最大的技術拓展。
（一）Schnorr升級
比特幣目前使用的ECDSA籤名算法與即將採用的Schnorr籤名算法，都屬於橢圓曲線數字籤名算法，它們使用的橢圓曲線都是secp256k1和哈希函數SHA256，所以在這個層面它們具有同樣的安全性。
Schnorr籤名算法主要有以下優點。
第一，Schnorr籤名算法有可證明安全性。在假設橢圓曲線離散對數問題難度的隨機寓言（Random Oracle）模型，以及假設原像抗性（Preimage Resistance）和次原像抗性（Second Preimage Resistance）的通用群模型下，Schnorr籤名算法具備選擇消息攻擊下的強不可偽造性（Strong Unforgeability under Chosen Message Attack，SUF-CMA）。換言之，如果不知道Schnorr籤名的私鑰，即使有針對任意消息的有效Schnorr籤名，也沒法推導出其他有效Schnorr籤名。而ECDSA籤名算法的可證明安全性則依賴於更強的假設。
第二，Schnorr籤名算法具有不可延展性（Non-malleability）。籤名延展性的含義是，第三方在不知道私鑰的情況下，能將針對某一公鑰和消息的有效籤名，改造成針對該公鑰和信息的另一個有效籤名。ECDSA籤名算法則有內在的可延展性，這是BIP 62和BIP 146針對的問題。
第三，Schnorr籤名算法是線性的，使得多個合作方能生成對他們的公鑰之和也有效的籤名。這一特點對多重籤名、批驗證（Batch Verification）等應用非常重要，既能提高效率，也有助於保護隱私。而在ECDSA籤名算法下，如無額外的見證數據，批驗證相對逐個驗證並無效率提升。
最後，Schnorr籤名算法因為使用同樣的橢圓曲線secp256k1和哈希函數SHA256，能兼容目前的比特幣公私鑰生成機制。
（二）Taproot升級
Taproot升級可以視為默克抽象語言樹（Merkelized Abstract Syntax Tree，簡稱MAST）的一個應用，而MAST又與支付到腳本哈希（Pay-to-Script-Hash，簡稱P2SH）有關。
P2SH是2012年推出的一類新型交易，使複雜腳本的使用與直接向比特幣地址支付一樣簡單。在P2SH中，複雜的鎖定腳本被其哈希值所取代，稱為兌換腳本（Redeem Script）。當隨後出現的一筆交易試圖花費這個UTXO時，必須包含與哈希值匹配的腳本，同時解鎖腳本。
P2SH的主要優點包括：一是在交易輸出中，複雜腳本由哈希值取代，使得交易代碼變短。二是將構建腳本的負擔轉移至接收方，而非發送方。三是隱私保護性更好。理論上，除了接收方，任何其他方都可以不知道兌換腳本中包含的支出條件。比如，在多重交易中，發送方可以不知道與多重籤名地址有關的公鑰；只在接收方支出資金時，才披露公鑰。但P2SH也存在不足：一是所有可能的支出條件最終都必須被披露，包括那些實際上沒有被觸發的支出條件。二是在有多個可能的支出條件時，P2SH將變得繁複，會增加計算和驗證的工作量。
但P2SH與常見的支付到公鑰哈希（Pay-to-Public-Key-Hash，P2PKH）在表現上不一樣，仍然有隱私保護問題。Taproot解決的問題就是讓P2SH和P2PKH在鏈上看起來一樣（圖1）：1、對「非協作式支出」腳本，採取MAST形式；2、對「協作式支出」腳本，採取基於Schnorr籤名的多重籤名算法；3、將「協作式支出」 與「非協作式支出」合在一起表示成P2PKH形式；4、「協作式支出」表現得如同P2PKH交易，有一個公鑰和對應的私鑰，而不需要披露底層的MAST，而只有在「非協作式支出」時，才需要披露MAST的存在，但也只需披露被執行的那部分腳本。
以太坊
可擴展性一直是困擾以太坊發展的問題，尤其是2020年DeFi應用爆發，網絡擁堵導致了高昂的手續費。性能不足讓以太坊很難達到「世界計算機」的要求，也影響了用戶體驗。擴容是以太坊網絡的當務之急，2020年以太坊的進展主要集中在擴容方面，共分為兩部分：一個是以太坊2.0的籌備與上線，另一個是Layer 2擴容方案的發展，其中Rollup路線最為突出。
（一）以太坊2.0的進展和路線
以太坊的發展路線中，轉為PoS公鏈是「寧靜」階段的目標，也就是以太坊2.0。之後ETH的產出將由挖礦轉為Staking，成為Staking節點需要抵押32個ETH。在最初的規劃中，以太坊2.0將分為三個階段上線，分別是Phase 0、Phase 1和Phase 2。以太坊2.0為信標鏈加分片的區塊鏈多鏈結構，所有分片鏈都與信標鏈相連，信標鏈負責分片鏈間的通信，並為各分片鏈選舉驗證委員。Phase 0階段會上線信標鏈並開啟Staking，Phase 1會上線分片鏈，初步計劃共有64個分片，但是不支持智能合約和轉帳，Phase 2階段才會上線智能合約，正式完成以太坊2.0的部署。在以太坊2.0的路線圖中，整個方案將在2022年完成。
以太坊2.0網絡的啟動條件是超過16384個驗證者抵押32個ETH，也就是至少需要16384個節點參與。以太坊2.0的Phase 0階段已於12月1日開啟，目前活躍節點數為26861，未來還會增加。這些參與Staking的ETH只有在以太坊2.0的Phase 2階段完成後才可以進行轉帳。以太坊2.0是以太坊長期的戰略目標，不過以太坊創始人Vitalik多次發文支持rollup在以太坊中的應用。
在近期以太坊開發團隊和Vitalik的公開發言中，他們承認以太坊2.0的路線已經有所變化，共包括以下幾點：1、未來的路線圖將以Rollup為中心，Phase 1階段簡化為可供Rollup使用的數據分片，由於最初設想的優勢仍未實現，eWASM的路線不再強調；2、簡化以太坊1.0和2.0階段的合併，將以太坊1.0的交易直接存於信標鏈上而非作為分片存在於以太坊2.0中，這樣合併的進程將會縮短；3、工作並行化處理，輕客戶端、數據分片和1.0與2.0的合併這三者獨立進行，只要每個部分準備好就可以實現。
從以太坊2.0這幾點改變可以看出，整體都是在向更快落地使用方向發展。引入Rollup的解決方案不僅是要解決目前急迫的擴容需求，也有利於創新。以太坊2.0的原有路線沒有完全被拋棄，只是不再具有最高優先級。
（二）以Rollup為中心的路線
Layer 2解決可擴展性問題的方式是將主鏈上的行為操作轉移到鏈下進行，以節約主鏈資源，同時不影響公鏈本身。Layer 2主流方案有狀態通道、側鏈、Plasma和Rollup。但是前三者在近年來的發展中都遇到了種種瓶頸，例如中心化，用戶操作複雜，不支持智能合約，退出機制複雜等。Rollup方案的實現方式是將交易數據在鏈下打包成一筆再傳到鏈上，同時保證和Layer 1層一致的安全性。
對於如何實現Rollup，不同的團隊給出了不同的解決方案。Optimistic Rollup和ZK Rollup是目前開發團隊最多也是應用範圍最廣的兩種。Optimistic Rollup通過欺詐證明機制，保證節點不會作惡，ZK Rollup則使用了零知識證明保證了和主網相同的安全性。這兩種方案也各有利弊，Optimistic Rollup支持智能合約，但是退出期比較長，會影響資金的使用率，ZK Rollup的退出期比較短，但很難支持通用的智能合約。
目前以太坊上的很多應用都已經或將要進行不同Rollup的測試網試驗，例如Curve、Synthetix和Uniswap等，也有一些已經基於Rollup方案上線的DeFi項目。
Polkadot
（一）技術與治理進展
2020年8月份Polkadot上線了DOT轉帳功能，標誌著主網上線階段正式完成。Polkadot是一種異構的多鏈架構，採用中繼鏈加平行鏈的形式進行跨鏈，讓鏈與鏈之間進行交互並提高可擴展性，這其中Substrate框架扮演了很重要的角色。Substrate可以理解為通用的集合各種功能的模板，開發者可以選擇調用不同的模塊（pallet）以節約開發時間。目前Substrate上線了2.0版本，增加了70多個pallet和鏈下工作機功能。
Kusama測試網在Polkadot主網上線之後仍然存在，充當先行網絡的角色， Kusama的代幣KSM也保留了下來，功能和DOT類似。具有風險的功能在上線主網之前，會在Kusama網絡上運行反饋，例如即將上線的平行鏈卡槽拍賣，會先上線Kusama進行實際測試之後才會在Polkadot上啟動。Rococo則是專為測試平行鏈而推出的測試網，目前已經上線了平行鏈V1.0版本，意味著距離主網平行鏈上線又近了一步。
在治理上，Polkadot的鏈上治理已經開啟，但是大戶權力大和公眾投票率低的問題仍然存在。Polkadot的理事會由投票選出，此投票與公投和Staking不衝突，也就是大戶可以選舉出符合自己意願的理事會成員，再用自己手中的DOT參與公投。雖然這種方式可以讓治理結果表達最大利益相關者的意願，但會引起治理的中心化問題。此外，在公投投票中，DOT持有者的投票率很低。在Polkadot中，Staking與治理投票互不影響，目前Staking的質押率在70%左右，但公投的投票率卻在個位數左右。投票率低會影響治理的分布式程度，也無法真實地反映所有人的意願。這可能由於投票的重複操作太複雜，也可能由於用戶對提案內容不了解，無法做出選擇。
（二）生態進展
雖然Polkadot主網的功能還未完善，但生態中已經湧現了許多應用。根據PolkaProject統計，與Polkadot相關的項目已經達到了近300個，包括基於Substrate開發的項目、工具、論壇、錢包等。下圖2是PolkaProject總結的Polkadot生態總覽。
圖 2：Polkadot生態總覽（圖片來源：PolkaProject.com）
Polkadot的生態應用主要集中在DeFi，這也是目前全行業最熱門的領域，其他的有數據、隱私和資產橋類。相對於其他公鏈平臺，Polkadot幾乎沒有關於遊戲、預測和社交類的應用，這與Polkadot剛上線有關，也因為有些應用在其他公鏈上已經證偽或是跨鏈意義不大。在DeFi領域，流動性釋放和DEX是最熱門的板塊，Polkadot中的DOT鎖定流動性有多種方式，包括Staking、治理和卡槽拍賣（治理和其他功能的鎖定不衝突），所以存在釋放流動性的需求，DEX則是在鏈上進行價值交換必備的應用。
目前Polkadot的生態應用幾乎全部都需要基於平行鏈開展業務，沒有上線主網的應用還需要Polkadot中繼鏈上的驗證人保證安全，所以這些項目都要參與平行鏈的卡槽拍賣。
Polkadot的網絡資源是有限的，目前最多支持100條平行鏈，想要使用平行鏈則需要項目方租用平行鏈卡槽。卡槽由Polkadot官方依次放出，每隔一段時間開放一個，時間間隔不固定。租用卡槽需要鎖定DOT，等待租期結束後釋放。租賃鎖定的DOT會在租賃期結束後返還，所以租賃成本只是DOT的機會成本。Polkadot允許其他人為項目方存入DOT，幫助項目方在拍賣中勝出，這就需要項目方設置有效的激勵方式吸引DOT持有者。
一般來說，項目方會將自己的token獎勵給幫助其進行平行鏈拍賣的用戶，這也叫做平行鏈釋放發行（Parachain Lease Offering，PLO）。同樣對於用戶來說，參與PLO的成本為鎖定DOT的機會成本。目前DOT的場景有Staking、治理、交易和平行鏈租賃，未來還會有一些應用場景。對於DOT的長期持有者來說，如果項目方給與token的價值要高於參與staking（目前在10%以上）或者某些DeFi的收益，會是比較有利的。
在官方信息中，最初的平行鏈除了以拍賣的方式分發之外，Web3也會贊助一些公益鏈，包括含有基礎設施或者轉接橋的鏈。例如與智能合約相關的平行鏈，在卡槽使用上可能直接得到Web3的幫助。如果沒有成功拿到卡槽，還有幾種方案可以參與跨鏈，使用平行線程和部署到其他已經拿到卡槽的平行鏈上，如果已經擁有自己的主網，還可以通過跨鏈橋轉接到Polkadot上。
（三）Polkadot生態中的問題
平行鏈的卡槽將採用租賃的方式，意味著絕大多數Polkadot項目都要付出成本（抵押DOT）換取Polkadot上的跨鏈資源，所以藉助Polkadot中繼鏈安全性進行平行鏈發行的門檻提高了很多。對於大部分項目來說，只有能夠支付得起租賃跨鏈資源成本的項目方才可以藉助Polkadot的安全性，否則要自行部署節點，這會增加早期項目的啟動難度。目前項目方採用的PLO解決方案會存在可持續性的問題，如果Token分發完畢後，則必須採用其他方式吸引用戶協助拍賣，項目方Token在平行鏈上線後的價值捕獲能力也存在風險。在平行鏈插槽拍賣競爭激烈的情況下，項目方必須在上線前進行大面積宣傳活動，冷啟動在Polkadot生態中將很難存在。如果未來競爭激烈的話，出於對跨鏈資源的爭奪，項目在上線前就會出現「優勝劣汰」的局面。
不過在Polkadot上存在有其他的跨鏈方案，例如平行線程或者集成到其他擁有平行鏈卡槽的項目中，也可以選擇在Kusama網絡發行來降低成本。目前平行鏈和平行線程的可用程度的區別，以其他方式跨鏈對團隊的負擔還需要在上線後持續觀察。
Polkadot和測試網的Kusama功能差別不大，所以追求不同穩定性的團隊會有不同選擇，但是會造成用戶和社區分散的情況。雖然兩者在技術升級時不會產生分叉，但在最開始兩個社區就分隔開來，這在隱形中造成了社區的分裂。
Polkadot的目標為平臺的平臺，公鏈之間的跨鏈是其解決的問題之一。對於公鏈來說，默認的跨鏈問題只存在於主流公鏈之間，目前的解決方案不斷出現，Polkadot如何在眾多跨鏈解決方案中勝出是有待觀察的。Polkadot還有提高單鏈性能的優勢，現在同樣存在多種提高性能的方案，例如layer 2網絡，Polkadot發揮的作用也需要時間考驗。
Polkadot在企業平臺與公鏈、企業平臺與企業平臺之間跨鏈的想像空間比較大，但是跨鏈的成本與意義也需要進一步考察，目前聯盟鏈與公鏈之間的連通需求並不急迫。
Filecoin
Filecoin為分布式存儲IPFS提供了激勵機制，核心成員也包括了IPFS成員，兩者均由Protocol Lab創建，一經推出便引起了全世界的關注。在2017年就以10%的份額獲得了2.57億美元的融資，創下了當時的最高紀錄。上線的進程卻遠沒有融資這麼順利，本計劃2018年上線的測試網和主網一拖再拖，最終於2020年10份正式上線。雖然Filecoin項目已經推遲了兩年的時間，但相關的社區熱度依舊存在，尤其是礦工社區。
（一）目前進展
在Filecoin共識中，出塊採用預期共識（EC）的模式，指的是每一輪選舉一名或者多名礦工來創建新的區塊，礦工贏得選舉的可能性跟礦工當前的存儲能力成正比。礦工的存儲能力則是利用時空證明（PoSt）及複製證明(PoRep)來證明。時空證明可以利用證明鏈及時間戳證明礦工在一定時長內存儲數據，即使驗證者不在線，也能夠在未來去驗證礦工在該段時間內生成了證明鏈，有效防止臨時生成數據攻擊。複製證明可以證明數據已經在一個特定的扇區創建成功。並且防範三種攻擊: 一是女巫攻擊; 二是外部數據源攻擊; 三是生成攻擊。複製證明避免讓礦工可以透過不同方法讓自身存儲數據小於承諾存儲數據，以獲得額外報酬。
礦工的獎勵將線性釋放，每6年產量減半。目前Filecoin的存儲容量已經突破1 EiB（Exbibyte），現在達到了1.27EiB，活躍礦工的數量為789。雖然在Filecoin瀏覽器顯示礦工分布在在亞洲、歐洲、北美洲、大洋洲和非洲，但從標籤和披露信息上不難看出佔有多數容量的參與者為中國礦工。礦工的有效算力分布上，還沒有出現像比特幣礦池類似的中心化局面。
圖 3：礦工有效算力分布（圖片來源：filfox.info）
（二）經濟機制及現狀
在Filecoin經濟模型中存在兩方市場：存儲及檢索市場，兩個市場中分別存在客戶及礦工。除了上述兩個角色外，Filecoin經濟模型生態中有開發者及投資者。
在儲存市場中，礦工可以通過三個方式獲得獎勵: 一是交易費;二是區塊獎勵;三是網絡交易加速費（Networking Message Transaction Fees）。交易費及網絡交易加速費為客戶事前支付，區塊獎勵為系統所生成。Filecoin與比特幣網絡不同的地方主要在於提供服務性質差異：存儲是長時間的服務，Filecoin需要礦工長時間維持網絡的穩定，而非像比特幣網絡一樣，礦工可以自由進出。儲存市場中還引入了質押機制，這是一個礦工懲罰機制，目的是保障Filecoin存儲市場客戶的數據不被丟失。
每一筆用戶與礦工的存儲協議中，存儲市場礦工會將客戶提供的數據存放於網絡中，稱為扇區(Sector)。每個礦工添加的扇區會包含存儲文件內容及承諾存儲時長，確保客戶在約定存儲時長中，可以自由運用自身存儲的數據。當礦工添加一個扇區至Filecoin網絡時，礦工需要質押一筆鎖定資金。鎖定資金由兩個部分組成: 礦工自身的FIL代幣以及部分區塊獎勵。如果礦工在承諾的存儲時長中離線，他會損失一部分的鎖定資金。如果礦工完全停止存儲行為，他可能將失去所有鎖定代幣。鎖定資金會在礦工履行存儲協議後解鎖，礦工可以在短暫的鎖定期後收回所有資金。
這就意味著礦工需要質押FIL以獲得區塊獎勵，但FIL代幣為線性逐步釋放。目前有效算力的增長過快，加之上線初期FIL價格過高且波動較大，線性釋放時間周期長，許多礦工不願意在高位自掏腰包購買抵押所需要的FIL，所以在上線初期引起了礦工「罷工」的事件，許多存儲容量由於沒有足夠的FIL而無法進入Filecoin網絡，但這與礦機被超賣有很大關係。礦工沒有治理渠道所以選擇與項目方對峙，最後的結果為項目方妥協，將挖礦的獎勵由180天線性釋放改為了以及釋放25%，剩餘75%再線性釋放。除此之外，為了解決FIL的短缺問題，官方和市場中的相關服務商都在籌備或已經上線了FIL借貸服務。
（三）未來發展
由於Filecoin的複雜程度高而且是公司化集中決策引起了眾多礦工不滿，所以像其他公鏈項目一樣，目前已經上線了分叉項目，例如Filecash，FileStar等。
目前很容易看出現在Filecoin目前挖礦市場熱度較高，FIL的價格也與之相關。但在最初的設計中，FIL的供需和價格是靠市場服務調節的。礦工需要質押FIL以獲得區塊獎勵，且FIL代幣為線性逐步釋放，因此預期供給端緩慢增長而增長率指數遞減。需求端則因為服務需求逐步增長，決定了市場各參與方必須持續購買FIL。由於要維持服務價格的穩定性，無論FIL上漲或下跌，存儲及檢索交易費的價格需錨定法幣或穩定幣。當FIL價格上漲時，客戶會支付較少FIL單位的交易費及網絡加速費，礦工區塊獎勵佔收益比例上升。當FIL價格下跌時，客戶會支付較高FIL單位的交易費及網絡加速費，礦工區塊獎勵佔收益比例下降。假設只考慮服務需求因素，FIL價格上漲時，客戶在二級市場購買FIL的速率會趨緩，FIL價格下跌時，客戶在二級市場購買FIL的速率會上升，達到調節二級市場的功能。
但目前礦工數量遠遠大於使用者數量，儲存容量的供給大於需求，這一平衡就被打破。比特幣的PoW礦工的加入與否是由利潤決定的，所以隨著幣價的上升越來越多的礦工和算力加入到比特幣網絡中，是一個循序漸進的過程。然而Filecoin在上線前就已經有大量礦機生產和銷售，如果礦機無法進入網絡進行挖礦就難以維持現金流，如果挖礦收益不理想也會影響礦機廠商的利益，目前Filecoin網絡的存儲市場已經不止由客戶與礦工參與。未來Filecoin中的市場機制能夠發揮作用，是否存在真實用戶使用還需要繼續觀察。Filecoin存儲的抗審查性是否會制約其在全球市場的發展也是需要觀察的。
思考與總結
目前來看，除了Filecoin涉及到存儲，現在公鏈項目大多採用以PoS基礎的共識機制，他們的不同點在於PoS的具體實現方法、治理機制和經濟模型等，未來以太坊也將採用PoS共識。雖然公鏈沒有應用場景的限制，而鏈上應用趨同意味著他們處於競爭的關係。未來應用在以太坊2.0階段的遷移和Polkadot生態應用的發展是公鏈領域接下來的熱點。
對於公鏈本身而言，性能和安全、去中心化三者如何平衡還是其面臨的問題，例如以太坊的Rollup方案和以太坊2.0方案存在的種種難題，尋找三者的平衡點仍然是公連結下來的突破口。
《公鏈篇》完結，下一篇《應用篇》將帶大家一起回顧2020年區塊鏈應用的發展情況，看看這一年在世界範圍內激起波瀾的區塊鏈應用有哪些，對我們又有什麼借鑑意義。《應用篇》將於下周三（12月16日）發布，敬請期待！