Cardano (ADA):经验丰富的 Layer 1 区块链
Cardano 是一个于 2017 年推出的第三代权益证明 (PoS) 区块链平台。它由 Input Output Global (IOG,前身为 IOHK) 在 Charles Hoskinson (以太坊联合创始人) 的领导下创建,旨在解决早期区块链面临的关键挑战:可扩展性、互操作性和可持续性。与许多快速迭代的项目不同,Cardano 的开发强调同行评审的学术研究和高保证形式化方法。所有核心组件都是从零开始构建,而不是分叉现有协议,并且支撑 Cardano 的研究论文 (如 Ouroboros 共识协议) 已通过顶级会议发表。该区块链由 IOG (技术开发)、Cardano 基金会 (监督与推广) 和 EMURGO (商业应用) 协同维护。Cardano 的原生加密货币 ADA 为网络提供动力——它用于支付交易费用和质押奖励。总体而言,Cardano 旨在为去中心化应用 (DApps) 和关键金融基础设施提供一个安全且可扩展的平台,同时通过链上治理逐步将控制权移交给其社区。
Cardano 的发展分为五个时代——Byron、Shelley、Goguen、Basho 和 Voltaire——每个时代都专注于一组主要功能。值得注意的是,这些时代的开发是并行进行的 (研究和编码重叠),尽管它们是通过协议升级顺序交付的。本节概述了每个时代、其关键成就以及 Cardano 网络的逐步去中心化。
Byron 时代 (基础阶段)
Byron 时代建立了基础网络并启动了 Cardano 的第一个主网。开发始于 2015 年,经过严谨的研究和数千次 GitHub 提交,最终于 2017 年 9 月正式启动。Byron 向世界推出了 ADA——允许用户在联邦节点网络上交易 ADA 货币——并实施了 Cardano 共识协议的第一个版本 Ouroboros。Ouroboros 是开创性的,因为它是第一个基于同行评审研究的可证明安全的 PoS 协议,提供了与比特币的工作量证明相当的安全保证。这个时代还交付了必要的基础设施:Daedalus 桌面钱包 (IOG 的全节点钱包) 和 Yoroi 轻钱包 (来自 EMURGO),供日常使用。在 Byron 时代,所有区块生产都由 Cardano 实体运营的联邦核心节点完成,而社区则开始围绕该项目发展。到这个阶段结束时,Cardano 已经展示了一个稳定的网络并建立了 一个热情的社区,为下一个时代的去中心化奠定了基础。
Shelley 时代 (去中心化阶段)
Shelley 时代将 Cardano 从一个联邦网络转变为一个由社区运营的去中心化网络。与 Byron 的硬切换启动不同,Shelley 的激活是通过平稳、低风险的过渡完成的,以避免中断。在 Shelley 时代 (2020 年中期以后),Cardano 引入了权益池和质押委托的概念。用户可以将他们的 ADA 权益委托给权益池——社区运营的节点——并获得奖励,从而激励广泛参与网络安全。激励方案采用博弈论设计,鼓励创建大约 k=1000 个最佳池,使 Cardano 比其他大型区块链“去中心化 50-100 倍”,在那些区块链中,不到 10 个矿池可能控制共识。事实上,通过依赖 Ouroboros PoS 而不是能源密集型的挖矿,Cardano 的整个网络运行的功耗仅为工作量证明链的一小部分 (相当于一个家庭的用电量,而不是一个小国家的用电量)。这个时代标志着 Cardano 的成熟——社区接管了区块生产 (超过一半的活跃节点成为社区运营的节点),网络通过去中心化实现了更高的安全性和稳健性。
共识研究的进展 (Shelley)
Shelley 时代伴随着 Cardano 共识协议的重大进展,扩展了 Ouroboros 以在完全去中 心化的环境中增强安全性。Ouroboros Praos 作为一种改进的 PoS 算法被引入,提供了对适应性攻击者和更恶劣网络条件的弹性。Praos 使用私密领导者选择和密钥演化签名,使对手无法预测或攻击下一个区块生产者,从而减轻了有针对性的拒绝服务攻击。它还容忍节点离线和重新上线 (动态可用性),只要存在诚实的多数权益,就能保持安全。继 Praos 之后,Ouroboros Genesis 作为下一个演进方向被研究,允许新节点或返回节点仅从创世区块引导 (无需可信的检查点),从而防止远程攻击。2019 年初,一个名为 Ouroboros BFT (OBFT) 的中期升级作为 Cardano 1.5 部署,简化了从 Byron 到 Shelley 的切换。这些协议的改进——从 Ouroboros Classic 到 BFT 再到 Praos (以及 Genesis 中的思想)——为 Cardano 提供了一个形式上安全且面向未来的共识,作为其去中心化网络的支柱。其结果是,Cardano 的 PoS 可以在安全性上与 PoW 系统相媲美,同时实现了动态参与和委托的灵活性。
Goguen 时代 (智能合约阶段)
Goguen 时代为 Cardano 带来了智能合约功能,将其从一个仅支持转账的账本转变为一个去中心化应用的平台。Goguen 的一个基石是采用了扩展 UTXO (eUTXO) 模型,这是比特币 UTXO 账本的扩展,支持富有表现力的智能合约。在 Cardano 的 eUTXO 模型中,交易输出不仅可以携带价值,还可以携带附加的脚本和任意数据 (datums),从而在保留 UTXO 的并发性和确定性优势的同时,实现高级验证逻辑。与以太坊的账户模型相比,eUTXO 的一个主要优势是交易是确定性的——人们可以在提交交易之前,在链下就确切地知道交易是否会成功或失败 (及其效果)。这消除了由于并发问题或其他交易引起的状态变化而导致的意外和浪费的费用,这是基于账户的链中常见的问题。此外,eUTXO 模型天然支持交易的并行处理,因为独立的 UTXO 可以同时被消费,从而通过并行性提供可扩展性。这些设计选择反映了 Cardano 对智能合约的“质量第一”方法,旨在实现安全和可预测的执行。
Plutus 智能合约平台
随着 Goguen 时代的到来,Cardano 推出了其原生智能合约编程语言和执行平台 Plutus。Plutus 是一种基于 Haskell 构建的图灵完备的函数式语言,选择 Haskell 是因为它对正确性和安全性的高度重视。Cardano 中的智能合约通常用 Plutus (一种基于 Haskell 的 DSL) 编写,然后编译成在链上运行的 Plutus Core。这种方法允许开发者使用 Haskell 丰富的类型系统和形式化验证技术来最小化错误。Plutus 程序分为链上代码 (在交易验证期间执行) 和链下代码 (在用户机器上运行以构建交易)。通过使用 Haskell 和 Plutus,Cardano 提供了一个高保证的开发环境——同样的语言可以端到端使用,并且纯函数式编程确保在给定相同输入的情况下,合约的行为是确定性的。Plutus 的设计明确禁止合约在链上执行期间进行非确定性调用或访问外部数据,这使得它们比命令式智能合约更容易分析和验证。其代价是学习曲线更陡峭,但它产生了不易出现严重故障的智能合约。总而言之,Plutus 为 Cardano 提供了一个基于广为人知的函数式编程原则的安全且稳健的智能合约层,使其与基于 EVM 的平台区别开来。
多资产支持 (原生代币)
Goguen 时代还引入了 Cardano 的多资产支持,使得用户可以在区块链上原生创建和使用自定义代币。2021 年 3 月,Mary 协议升级将 Cardano 的账本转变为一个多资产账本。用户可以直接在 Cardano 上铸造和交易自定义代币 (同质化或非同质化),而无需编写智能合约。这种原生代币功能将新资产视为与 ADA 同等的“一等公民”。账本的会计系统得到了扩展,使得交易可以同时携带多种资产类型。由于代币逻辑由区块链本身处理,每种代币都不需要定制的合约 (如 ERC-20),从而降低了复杂性和潜在错误。代币的铸造和销毁由用户定义的货币策略脚本控制 (可以施加时间锁或签名等条件),但一旦铸造,代币就可以原生移动。这种设计带来了显著的效率提升——费用比以太坊更低且更可预测,因为你不需要为每次转账执行代币合约代码付费。Mary 时代开启了一波活动浪潮:项目可以直接在 Cardano 上发行稳定币、实用代币、NFT 等。这次升级是发展 Cardano 经济的关键一步,因为它促成了代币的繁荣 (在推出后的几 个月内创建了超过 70,000 种原生代币),并为一个多样化的 DeFi 和 NFT 生态系统奠定了基础,而不会给网络带来过重负担。
Cardano 生态系统的崛起 (DeFi、NFT 和 dApps)
随着智能合约 (通过 2021 年 9 月的 Alonzo 硬分叉) 和原生资产的就位,Cardano 的生态系统终于有了发展充满活力的 DeFi 和 dApp 社区的工具。Alonzo 之后的时期见证了 Cardano 摆脱了“幽灵链”的标签——此前批评者指出 Cardano 是一个没有智能合约的智能合约平台——因为开发者部署了第一波 DApps。去中心化交易所 (DEX) 如 Minswap 和 SundaeSwap、借贷协议如 Lenfi (Liqwid)、稳定币 (例如 DJED)、NFT 市场 (CNFT.io, jpg.store) 以及数十个其他应用在 2022-2023 年间在 Cardano 上推出。Alonzo 之后,Cardano 上的开发者活动激增;事实上,Cardano 在 2022 年经常在区块链项目的 GitHub 提交量中排名第一。到 2022 年中期,据报道 Cardano 有超过 1,000 个去中心化应用正在运行或开发中,网络使用指标也随之攀升。例如,Cardano 网络活跃钱包数量超过 350 万,在 2022 年每周新增约 3 万个钱包。Cardano 上的 NFT 活动也蓬勃发展——主要的 NFT 市场 (JPG Store) 的终身交易量超过了 2 亿美元。尽管起步较晚,Cardano 的 DeFi 总锁仓价值 (TVL) 开始积累;然而,它仍然远远落后于以太坊。截至 2023 年底,Cardano 的 DeFi TVL 约为几亿美元,仅为以太坊数百亿美元的一小部分。这反映 出 Cardano 的生态系统虽然在增长 (尤其是在借贷、NFT 和游戏 dApps 等领域),但与以太坊相比仍处于早期阶段。尽管如此,Goguen 时代证明了 Cardano 以研究为导向的方法可以交付一个功能性的智能合约平台,并为下一个重点——将这些 dApps 扩展到高吞吐量——奠定了基础。
Basho 时代 (可扩展性阶段)
Basho 时代专注于扩展和优化 Cardano,以实现高吞吐量和互操作性。随着使用量的增长,基础层需要处理更多交易而不牺牲去中心化。Basho 的一个主要组成部分是通过 Hydra 进行 Layer-2 扩展,同时努力支持侧链和与其他网络的互操作性。Basho 还包括对核心协议的持续改进 (例如,2022 年的 Vasil 硬分叉引入了流水线传播和引用输入以提高 L1 的吞吐量)。总体目标是确保 Cardano 能够扩展到数百万用户和区块链互联网。
Hydra (Layer-2 扩展解决方案)
Hydra 是 Cardano 的旗舰 Layer-2 解决方案,设计为一系列协议,通过链下处理来大幅提高吞吐量。第一个协议 Hydra Head 本质上是一个同构状态通道实现:它作为一个由一小群参与者共享的链下迷你账本运行,但使用与主链相同的交易表示 (因此称为“同构”)。Hydra Head 中的参与者可以在链下高速进行交易,Head 会定期在主链上结算。这使得大多数交易可以在链下以近乎即时的最终性和最低成本处理,而主链则提供安全和仲裁。Hydra 植根于同行评审的研究 (Hydra 论文由 IOG 发表),预计将实现高吞吐量 (每个 Hydra Head 可能达到数千 TPS) 以及低延迟。重要的是,Hydra 维持了 Cardano 的安全假设——打开或关闭 Hydra Head 由链上交易保障,如果出现争议,状态可以在 L1 上解决。因为 Hydra Heads 是可并行的,Cardano 可以通过生成许多 heads (例如,用于不同的 dApps 或用户集群) 来进行扩展——理论上可以成倍增加总吞吐量。早期的 Hydra 实现已在测试中展示了每个 head 数百 TPS 的性能。2023 年,Hydra 团队发布了主网 Beta 版,一些 Cardano 项目开始尝试将 Hydra 用于快速微交易甚至游戏等用例。总而言之,Hydra 为 Cardano 提供了一条通过 Layer-2 水平扩展的路径,确保随着需求的增长,网络可以在不出现拥堵或高费用的情况下处理它。
侧链与互操作性
Basho 的另一个支柱是侧链框架,它增强了 Cardano 的可扩展性和互操作性。侧链是一个与 Cardano 主链 (“主链”) 并行运行的独立区块链,通过双向桥连接。Cardano 的设计允许侧链使用自己的共识算法和功能,同时依赖主链来保障安全 (例如,使用主链的权益进行检查点)。2023 年,IOG 发布了一个侧链工具包,使任何人都可以更容易地构建利用 Cardano 基础设施的自定义侧链 。作为一个概念验证,IOG 构建了一个与 EVM 兼容的侧链 (有时被合作伙伴项目称为 “Milkomeda C1”),让开发者可以部署以太坊风格的智能合约,但仍然将交易结算回 Cardano。其动机是允许不同的虚拟机或专用链 (用于身份、隐私等) 与 Cardano 共存,从而拓宽网络的能力。例如,Midnight 是一个即将推出的面向隐私的 Cardano 侧链,侧链还可以将 Cardano 与 Cosmos (通过 IBC) 或其他生态系统连接起来。通过加入标准工作 (Cardano 加入了区块链传输协议并正在探索与比特币和以太坊的桥梁),互操作性得到了进一步增强。通过将实验性功能或重负载卸载到侧链,Cardano 的主链可以保持精简和安全,同时通过其生态系统提供多样化的服务。这种方法旨在解决区块链的“一刀切”问题:每个侧链都可以定制 (以获得更高的吞吐量、专用硬件或法规遵从性),而不会使 L1 协议臃肿。简而言之,侧链使 Cardano 更具可扩展性和灵活性——新的创新可以在侧链上尝试而不会危及主网,价值可以在 Cardano 和其他网络之间流动,从而促进一个更具互操作性的多链未来。
Voltaire 时代与 Plomin 硬分叉 (治理阶段)
Voltaire 时代是 Cardano 的最后一个开发阶段,专注于实现一个完全去中心化的治理系统和一个自我维持的财库。目标是将 Cardano 转变为一个真正由社区治理的协议——通常被描述为一个自我进化的区块链,其中 ADA 持有者可以提议并决定协议升级或财库资金的使用,而无需中央控制。Voltaire 的关键组成部分包括定义 Cardano 链上治理框架的 CIP-1694、创建Cardano 宪法,以及一系列将治理权移交给社区的协议升级 (特别是 Chang 和 Plomin 硬分叉)。到 Voltaire 时代结束时,Cardano 旨在作为一个由其用户治理的 DAO (去中心化自治组织) 运作,实现“民有、民治、民享”的区块链最初愿景。
CIP-1694:Cardano 治理框架的基础
CIP-1694 (以哲学家伏尔泰的出生年份命名) 是 Cardano 改进提案,为 Cardano 的链上治理奠定了基础。与典型的 CIP 不同,1694 内容广泛——约 2000 行的规范——涵盖了新的治理角色、投票程序和宪法概念。它是通过广泛的社区意见制定的:首先于 2023 年初在 IOG 的一个研讨会上起草,然后在 2023 年中期通过全球数十个社区研讨会进行完善。CIP-1694 引入了一个“三院制”治理模型,有三个主要的投票机构:(1) 宪法委员会,一个由专家任命的小组,负责检查行动是否符合宪法;(2) 权益池运营商 (SPOs);以及 (3) 委托代表 (DReps),他们代表委托其投票权的 ADA 持有者。在该模型中,任何 ADA 持有者都可以通过存入一笔押金在链上提交治理行动 (提案)。一个行动 (可能是一个协议参数变更、从财库支出、启动硬分叉等) 随后进入一个投票期,委员会、SPOs 和 DReps 会投赞成/反对/弃权票 。如果一个提案在截止日期前在每个群体中都达到了指定的赞成票阈值,则该提案被批准。默认原则是一个 ADA = 一票 (权益加权投票权),无论是直接投票还是通过 DRep 投票。CIP-1694 本质上是制定了一个最小可行治理:它不会立即去中心化所有东西,但提供了这样做的框架。它还要求创建一部宪法 (下文详述),并设立了诸如不信任投票 (以替换越权的委员会) 等机制。这个 CIP 被认为是 Cardano 的历史性事件——“可能是 Cardano 历史上最重要的”——因为它通过链上流程将最终控制权从创始实体转移给了 ADA 持有者。
Cardano 宪法的发展
作为 Voltaire 时代的一部分,Cardano 正在定义一部宪法——一套指导治理的基本原则和规则。CIP-1694 规定*“必须有一部宪法”*,最初是一份链下文件,社区稍后将在链上批准。2024 年中期,Intersect (一个专注于 Cardano 治理的实体) 发布了一部临时 Cardano 宪法,作为过渡期间的桥梁。这部临时宪法在第一次治理升级期间通过哈希值被包含在 Cardano 节点软件 (v.9.0.0) 中,将其作为参考锚定在链上。这份临时文件提供了指导价值观和临时规则,以便早期的治理行动有据可依。计划是让社区通过诸如Cardano 制宪会议 (计划于 2024 年底举行) 等活动来辩论和起草永久宪法。一旦草案达成一致,ADA 社区的第一次重大链上投票将是批准宪法。宪法可能会涵盖 Cardano 的宗旨、核心原则 (如 开放、安全、渐进演化) 以及对治理的限制 (例如,区块链不应该做的事情)。拥有一部宪法有助于协调社区的决策,并为宪法委员会提供一个基准——委员会的角色是否决任何明显违宪的治理行动。从本质上讲,宪法是 Cardano 治理的社会契约,确保随着链上民主的启动,它能与社区所持有的价值观保持一致。Cardano 在这里的做法模仿了去中心化政府:建立一部宪法,选举或任命代表 (DReps 和委员会),以及制衡机制,以负责任地引导区块链的未来。
Voltaire 时代的各个阶段
Voltaire 的推出是分阶段进行的,通过连续的硬分叉事件。过渡始于 Conway 时代 (以数学家 John Conway 命名) 和 Chang 升级,并以 Plomin 硬分叉结束。2024 年 7 月,Chang 硬分叉的第一部分启动了。这个 Chang 第一阶段升级做了两件关键的事情:(1) 它**“销毁”了创始实体从 Byron 时代持有的创世密钥** (意味着 IOG 和其他实体再也不能单方面改变链);(2) 它启动了治理的引导阶段。在 Chang HF1 (于 2024 年 9 月的 epoch 507 左右生效) 之后,Cardano 进入了 Conway 时代,在这个时代,硬分叉不再由中央权威触发,而是可以由社区投票的治理行动发起。然而,完整的治理系统尚未上线——这是一个过渡时期,设有**“临时治理机构”以支持向去中心化的过渡。例如,临时宪法和一个临时宪法委员会被设立来指导这个时期。Chang 第二阶段