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追寻中本聪先生的脚步

雪崩协议(Avalanche)共识机制3.0探究@袁皓

引言:

在上周美国旧金山举行的 Blockchain Week 上,康奈尔教授埃米·冈·瑟勒(Emin Gun Sirer)对其领导的BloXroute及Avalanche项目进行宣讲,BloXroute是一个Layer0的底层协议,致力于开发跨链的区块支付网络。

雪崩协议(Avalanche)共识机制3.0探究

而雪崩协议(Avalanche)则是一个新型的区块链共识协议,分布式系统领域中,不是每天都有人告诉你“我有一个新的突破”。但,Avalanche可以说是一个公式共识算法的重大突破和创新,这个算法家族集成了经典的 Non-Byzanting 共识算法和 Nakamoto 共识算法(即 POW) 两者的特点,做到简单而又强大。

今年5月份,匿名团队Team Rocket同Sirer教授合作,在IPFS上发表了题为“Snowflake to Avalanche: A Novel Metastable Consensus Protocol Family for Cryptocurrencies”的论文。该论文关注于具体的细节和证明上,因此很难被非专业人士理解。而目前国内对这个共识协议还甚少了解,在此,我对它进行一个尽量简化和可视化的分析。

雪崩协议(Avalanche)共识机制3.0探究

两类共识协议

当许多分布式计算机共享相同的任务和资源时,共识是最重要目标之一。

典型的例子是:在多个服务器上维护金融系统中的帐户余额。金融机构不依靠单一数据库来存储数据,而是利用分布在全球不同地理位置的机器来处理这些交易。他们需要一种方法来让所有这些机器数据是一致的,进而它们所反映的帐户余额也是一致的。

另一个例子是:保持对亚马逊在线购物服务的一致性。为了在全球范围内扩展服务,数据必须(在地理上)分布于不同的大型数据中心上。亚马逊需要定期查看其库存产品,否则可能会发生无法意料的事情。例如,库存的最后一件商品肯能会重复出售给两个不同的人。

共识机制一直是计算机科学中的一个重要问题。 为此,学者和工程师们在过去40年中一直在努力寻找有效的解决方案。在分布式系统领域,目前只存在两组主要的共识协议族。我们接下来将会描述着两组协议族。

经典共识协议BFT

第一类协议被称为经典共识协议BFT,它是由两位伟大的计算机科学家Leslie Lamport和Barbara Liskov在1982年共同开发的。他们两人都是图灵奖获得者(相当于计算机科学家的诺贝尔奖)。我们熟知的国产公链代表小蚁NEO就是采用此共识机制。该协议采用“许可投票、少数服从多数”的记账机制,允许33%的容错,优点是可以快速结算和快速担保交易。

然而,这也是有代价的:

  • 它们无法扩展到1000个节点以上。这是因为它们通信成本正比于节点个数的二次方,即O(n?)。
  • 他们要求网络中的每个人都知道所有其他参与者。

本质上,他们的安全性取决于法定数量的节点所作出的一致判断,这些节点确认看到同样的事情并进行认定。在构建私链时,这种方法是合理的,但是,当您处于不受信任的节点的动态环境中时,这种方法并不适用。

因此,公链可能需要基于另一种不同的共识协议,当然也有针对经典共识协议作出的一些改进(诸如动态调节节点,修改底层网络拓扑等),但比较适合联盟链的应用场景。

中本聪共识协议POW

2009年,另一个类协议POW被提出来了。中本聪提出了他的新协议系列,并展示了它独特的稳健性:

  • 我们不需要知道参与网络的所有节点。任何节点都可以在任何时间点离开或加入,任何矿工都可以提出一个区块并参与系统。
  • 它可以扩展到分布在全世界的大量节点和参与者。

然而这些优点也是有代价的,特别是:

  • 比特币非常慢,平均而言,用户必须等待大约10–60分钟才能确认他们的交易被存储在链上。
  • 吞吐量也非常有限。比特币每秒可处理大约3–7笔交易,当然,这处理速度距离成为世界货币的处理量还相差甚远。
  • 最后,比特币消耗了大量的能量;大约相当于4个切尔诺贝利核电站的能量为比特币供电。这些能量都花在了运算上了。

共识家族Consensus family

Emin教授在深入研究前述两种主流共识机制后,受 Gossip 协议的启发,提出了一组BFT协议(简称“共识家族”,Consensus family)。

“共识家族”对诚实节点(Correct nodes)拜占庭节点(Byzanting nodes)的行为作了提前约定:诚实节点绝不会发出冲突交易,而拜占庭节点也不可能伪造一笔与诚实节点冲突的交易(也就是说,拜占庭节点发出的“伪造”交易,只会与自己以前发出过的交易冲突(比如双花 double spending),但是不可能与诚实节点的交易冲突),拜占庭节点可以伪造许多彼此冲突的交易,但是诚实节点只会采用其中一笔交易。

最终,“共识家族协议”可以保证在存在拜占庭交易的情况下,共识的最终结果只会是接受一组互不冲突的交易集合,“共识家族”也采用了 UTXO 模型。

“协议家族”一共是由 4 个协议构成的,先从 Non-Byzantine 协议开始:Slush,在其基础上逐渐构建?Snowflake,Snowball 和 Avalanche?这 3个 BFT 协议。

  • Slush 协议:是“协议家族”的第一个协议,它是一个非拜占庭协议(Non-byzanting protocol,后续三个协议都是 BFT 协议)。Slush协议的特点是:简单状态(simple state),小样本(small sample),反复抽样(repeated sampling),抽样轮数或时间期限(用 m 表示),Slush 协议作为 BFT 协议的原始状态,不能提供完整的 BFT 保证。
  • Snowflake 协议:也叫 “BFT Snowflake”,它是“协议家族”的第二个协议,在 Slush 的基础上扩展而来。Snowflake 为每个节点增加一个 counter, 用来记录一个节点当前 color 的可信度。Snowflake 可以保证对最小的状态做出很强的保证。
  • Snowball 协议:Snowball 是共识家族中的第三个协议,它对 Snowflake 协议做了改进,添加一个更持久的可信度标志,使得协议安全性更高,进一步增加了共识结果的可靠性(confidence)。Snowball 不仅比 Snowflake 更难攻击,而且协议更加通用化了。
  • Avalanche 协议(DAG):Avalanche 是“共识家族”中的第四个协议,也是最核心协议,它在 Snowball 的基础上添加一个动态的仅限追加(append-only)DAG 结构来记录所有的交易。DAG 结构给雪崩协议Avalanche?带来了两大优势:高效,安全。

共识家族的核心理念:Metastability

共识家族全都基于亚稳态模型(metastable mechenism)。雪崩协议的核心理念也是metastability。共识协议中最糟糕的事情是无法在两个选择之间做出决定,即你不希望它模糊地说两个事件中有一个发生了,实际你期望它能确定两个事件中到底哪个发生了哪个没发生。雪崩协议的matastable协议旨在倾向于选择于两个选项中的一个。

运行中的雪崩协议 核心思想依赖于抽样投票

运行中的雪崩协议 核心思想依赖于抽样投票。

为了直观解释该过程的核心思想,让我们看一个简化的例子,如上图所示。 考虑一个想要投票给蓝色或红色的去信任节点网络。

  • 网络的单个节点从选择少量随机对等节点(例如五个)开始,并要求他们选择颜色。
  • 然后,每个对等节点以投票进行回应,发出请求节点使用该投票来形成所有投票的加权结果。在上图中(在第一帧中),从发起请求的节点角度来看,整个网络基于第一投票倾向于红色。
  • 每个参与者都需要重复这一过程。

该协议类似于重复的二次抽样投票过程。这里发生的事情是,即使我们开始在红色和蓝色是一半一半的最糟糕的情况下,在一轮之后,很有可能结果不再是打平手了。此外,在两轮甚至在三轮之打平手的概率将会非常小,打平手的几率会以指数方式衰减。

该协议旨在于倾向某一结果而不是留在模棱两可的中间选项。随着它的倾向性越来越高,网络的感知的颜色将会转移到其中一种颜色。我们向一个结果方向移动的速度(节点对一种颜色投票比另一种颜色更多)将会不断加快,并且在某个时候我们达到不返回点,整个网络已就颜色达成一致。

Avalanche雪崩协议综述

雪崩协议(Avalanche)结合了两者的优点,特别是,

  • 快速结算和低延迟:也就是说,在全球范围内实现结算需要大约2-4秒钟。这基本上意味着在4秒后,您的付款就已经处理和验证完成了。(下图Emin教授的ppt中指出:AVA的确认延迟时间只有4秒,相比比特币、以太坊及Alogrand均有大幅提高)
  • 更高的吞吐量:每秒可处理1000–10,000个交易。(下图Emin教授的ppt中指出:AVA的TPS达到1300,相比比特币、以太坊及Alogrand均有大幅提高)
  • 稳健:网络无需就参与者是谁达成一致。
  • 静态协议:最重要的是,协议是绿色的。这意味着它是可持续的,它不会浪费任何能量,并且没有特殊的矿工生态系统,其中矿工的利益与用户的利益无关。

关于协议的一些补充说明:

  • 高效的可扩展性:协议是轻量级的,因此提供可扩展性和低延迟。
  • 拜占攻击庭容忍度:它可以容忍大量的拜占庭参与者,而不对安全性产生影响。特别地,它可以容忍多达50%的节点作为拜占庭节点(即尝试欺骗网络并保持整个网络不平衡的节点)。但是,它们无法让两个节点决定两种不同颜色。
  • 平等主义生态系统:雪崩协议产生了一个平等主义的生态系统,即网络中的所有节点都是相同的。 没有矿工,也没有特权。
  • 冲突交易不受保护:如果攻击者试图在两次不同的交易中花费相同的钱两次(双重支出),那么雪崩协议将无法在这两种交易之间做出选择,导致这笔钱丢失。经典共识和中本聪协议将会选择其中一个交易,但是雪崩协议不会。这是雪崩协议的一个非常有趣的属性,它会隐式而又自然地惩罚坏的角色,而协议本身没有增加任何额外的复杂读。

结语:

共识机制是区块链的灵魂,共识机制的算法设计直接决定了区块链的交易速度,交易吞吐量TPS。人们经常谈论比特币中使用的共识协议,就好像它是一种纯粹的去中心化的方法,可以平等地对待所有网络参与者的意见。不幸的是,在比特币中决策主要是由矿工做出的。

相比之下,雪崩协议将共识问题与管理问题分开。每个都是模块化和独立化地处理。通过gossip协议与循环采样的智能组合形成共识。同时,通过抽样和投注股份实现公平治理,从而实现用户与其决策之间的直接联系。

我们注意到一些热门项目诸如Perlin已经开始搭建在雪崩协议Avalanche之上:https://medium.com/opentoken/perlins-implementation-of-avalanche-1cf7dceadd06

雪崩协议Avalanche目前尚未得到大规模应用,但考虑到其独特创新之处,我们认为其可以比肩Algorand项目值得重点关注。

参考文献:

-Cryptoconf 2018, Emin Gün Sirer talk?—?Snowflake to Avalanche

-Snowflake to Avalanche: A Novel Metastable Consensus Protocol Family for Cryptocurrencies, Team Rocket, 2018

-SFBWofficial 2018,?Emin Gün Sirer talk: ?Ava protocol with new consensus family


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公链战局突变,为什么是Avalanche杀出重围?

原创 了了 Odaily 5天前
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剖析Avalanche爆发的四大原因。

作者:了了;编辑:郝方舟
出品 | Odaily星球日报(ID:o-daily)

公链再次吸引了整个市场的眼球。

从走进通缩纪元的以太坊,到生态体系日趋完善的 Solana,再到启动了巨额生态激励计划的雪崩协议(Avalanche)和 Fantom,公链赛道的各大项目们在过去的近一个月时间内相继发力,在推进自身发展节奏的同时,也纷纷于二级市场上实现了价格的突破。

一众公链项目之中,雪崩协议(Avalanche)的表现尤为亮眼。自 8 月 18 日官宣了总价值 1.8 亿美元的流动性挖矿激励计划「Avalanche Rush」以来,雪崩协议代币 AVAX 于 23 美元左右强势拉升,最高一度涨至 57.6 美元,最大涨幅约 150%,在市场经历了一轮大幅调整后,AVAX 也实现了快速复苏,截至 9 月 10 日 13:40,AVAX 报价 44.15 美元,较 18 日时价格涨幅仍高达 92%。

更为惊艳的数据体现在了生态锁仓总价值(TVL)上,Fomocraft 数据显示,Avalanche 生态锁仓总价值在八月实现了 1066% 的高速增长,同期增速大幅甩开了持续高光的 Solana 以及同样启动了巨额流动激励计划的 Fantom。

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细看 Avalanche 蓬勃的基本面

如果用一个词来形容 Avalanche 当前的基本面状况,「蓬勃」似乎是最好的选择。

项目质量往往是市场判断某个生态发展状况的一大重要依据。过去一段时间,Aave、Curve、SushiSwap等多个龙头项目已相继宣布了与 Avalanche 的合作协定,将于近期内集成至 Avalanche,并基于 Avalanche Rush 分别向流动性提供者分发 2000 万美元、700 万美元、1500 万美元的 AVAX 激励。

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对于 DeFi 用户而言,龙头项目的选择就是最好的风向标,受其旗帜效应影响,大量新用户纷纷开始试足 Avalanche。Ava Labs数据显示,Avalanche 八月活跃地址数量已大幅刷新历史记录,较七月数据增长四倍有余;九月趋势则更为理想,虽然仅仅过去了一周多的时间,但本月活跃地址数量已突破了 6 万个,大有续刷新高的趋势。这些新入场的用户中不乏巨鲸的身影,社区调查指出,一个疑似归属于 SBF 的地址已在 Avalanche 上配置了 1.7 亿美元的资金。

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用户及资金的持续流入为 Avalanche 带来了源源不断的活水,也滋润了生态之内的原生项目。Markr 数据显示,截至 9 月 10 日 13:35, Avalanche 生态内的总锁仓量已达26.4 亿美元。其中,8 月 19 日刚刚上线的算法流动性市场协议 BENQI 贡献了绝大部分的锁仓数据,在 Avalanche Rush 的激励加持下,该协议用了三周左右的时间就已积累了 17 亿美元的流动性,成为了本轮 Avalanche 生态数据暴涨的绝对主力。除此之外,Pangolin、Trader Joe、Penguin、Avalaunch 等多款 Avalanche 原生项目在过去一段时间内的业务数据表现均有显著提高。

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Avalanche 做对了什么?

自 BSC、Polygon(严格来说是依附于以太坊的侧链,但运行机制与公链较为接近,姑且放在一起比较)的增长速度逐渐放缓后,新兴公链的竞争便进入了一个相对静态的阶段。虽然各大项目都未曾停下基础设施搭建以及应用扩展的脚步,但在过去较长一段时间内,没有哪一家公链呈现过与其他项目截然不同的爆发级增长态势。

客观来说,虽然 Avalanche目前的生态体量尚无法在新兴公链中“傲视群雄”,但就增长态势来看,该生态近期强势的基本面表现已显现出了一些“冲出大部队,领跑赛道”的趋势。

那么,Avalanche 究竟做对了些什么?与其他竞争对手相比,该公链究竟有哪些优势?为什么单是它杀出了公链重围?结合项目基本情况及近期动态,Odaily 星球日报归纳认为,Avalanche本轮的爆发可以归结为四方面因素。

因素一:底层优势

对于公链来说,底层网络的质量是一切故事的基础。

相较于其他公链,Avalanche 最大的特色在于其共识机制。在康奈尔大学教授 Emin Gün Sirer 的带领下,Avalanche 设计了一款基于随机抽样和亚稳态决策的新型共识机制,该共识兼顾了依赖通信传输的「经典拜占庭共识协议」和依赖工作量证明创造链式结构的「中本聪共识协议」的优势,同时解决了「经典拜占庭共识协议」扩展性弱、鲁棒性弱和「中本聪共识」延迟高、吞吐量低、过度消耗资源的问题。

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这一共识机制的优势可体现在 Avalanche 独特的交易确认方式上。当一笔交易广播至 Avalanche 网络后,如果交易有效,验证者会经历一个「重复随机抽样」的过程,即在系统验证者中随机挑选出一部分节点参与区块验证。如果多数节点对事件叙述相同,那么即判断为真,如果大多数节点给出不同答案,则切换事件内容,重复采样直到结束。

基于这套共识模式,Avalanche 可支持数千个节点同时参与交易验证,既无需放弃网络性能(全网集体验证),也无需放弃去中心化程度(超级节点机制),这样就实现了对性能及去中心化的兼顾。相较于 BSC 等 PoA 类链以及 Polygon 等侧链方案,Avalanche 网络可以在提供卓越性能的同时实现更高层级的安全性。

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从构架上看,Avalanche 采用了 X 链、C 链、P 链的三链结构。X 链为交易链,主要处理个人之间点对点的资产创建及交易事务;C 链为兼容 EVM 的智能合约链,前文提到的所有 DeFi 项目均构建于 C 链之上;P 链为平台链,主要负责代币质押、协调网络验证者、创建自定义子网等事务。三链各司其职,却又相辅相成,进一步解放了 Avalanche 的网络性能。

性能优势意味着更好的使用体验。对于开发者以及普通用户来说,Avalanche 之上没有高昂的链上操作成本,也没有迟缓的交易确认时间,部署或使用 DeFi 应用的成本及时间都将大大缩减。

反观当前 DeFi 活动的主战场——以太坊。虽然在 519 之后的一段时间里,以太坊主网的 gas 价格曾有过一段时间低谷期,但在经历了近期的EIP 1559升级后,以太坊 gas 价格不降反增,一笔普通的链上交易往往需要数十甚至是数百美元的 gas 费用,糟糕的链上体验让开发者及用户不得不转头去寻找其他土壤。这也是 Avalanche 以及其他新兴公链能够崛起的一大前置条件。

因素二:生态激励

“搞生态,就要舍得砸钱。”

这是公链赛道内流传已久的一句话,话虽糙但理不糙,资金永远是逐利的,DeFi 世界自然也不会例外。

Avalanche 本轮生态爆发的主要原因当属「Avalanche Rush」激励计划的推出,从下图 Debank的图表中可以清晰看出,Avalanche 生态 TVL 的暴涨开始时间正是 8 月 18 日,也就是该计划官宣之日。且不说用户进来之后是否发生了观念变化,绝大多数近期才进入 Avalanche 生态的新用户想必都是冲着 1.8 亿美元(按当前市场价格计算可能已达到 4 亿美元了)的激励去的。

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这不禁让我想起来了此前 Polygon 爆发的走势。与 Avalanche 类似,Polygon 也是在推出了 1 亿美元的流动性激励基金后才迎来了用户及资金量的暴涨。巧合的是,Polygon 之上最早的一批激励基金合作应用正是 Aave、Cvure、Sushiswap,这与「Avalanche Rush」的情况不谋而合。稍有不同的是,Avalanche 此次给出的激励力度更大,虽然后续实际的激励数额会随着二级市场的币价波动而变化,但 1.8 亿美元的初始投资足以看出 Avalanche 官方的决心之坚定。

对于普通用户来说,分享这 1.8 亿美元的方式相当简单,只需要在官方提及的合作项目中(三大龙头暂未上线,当前只有 BENQI、Pangolin )提供流动性即可,Avalanche 会依照相应规则以 AVAX 的形式为所有流动性提供者分发代币奖励。

因素三:跨链桥升级

跨链桥的升级是 Avalanche 本轮生态爆发的另一大关键原因。

今年二月,Avalanche 曾推出了第一代跨链桥 Avalanche - Ethereum Bridge(AEB),但作为初代产品,该桥在安全性、跨链速度、费用成本上仍存在着较大的改进空间。时隔半年,在广泛听取了用户建议后,Avalanche 于 7 月 29 日发布了新一代跨链桥产品 Avalanche Bridge(AB)。

AB 依托于 Intel SGX 技术构建。与当前市面上较为主流的合约托管型跨链桥不同,但 AB 并没有使用智能合约去管理跨链资金,而是在 Intel SGX 的可信环境内生成两个普通的 Ethereum 和 Avalanche 地址,来完成跨链资金的管理和铸造。具体的跨链流程如下图所示:

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AB 这一思路与 Celer 此前推出的 cBridge 存在一定的相似之处,二者都放弃了屡屡发生安全事件的合约型跨链资金托管方案,而是选用了普通地址来直接处理跨链需求。不同点在于跨链交易的验证机制,cBridge 是通过额外一笔交易来解开特定交易对应的哈希锁,AB 则是直接在 Intel SGX 内部利用 Master Secret 生成地址私钥,外部的看守人(Warden)可通过 Intel SGX 分享出的碎片逆向重构出 Master Secret。

从安全性角度来看,AB 的这一方案在很大程度上摆脱了合约本身的安全风险,但整个跨链系统的可行性在很大程度上会取决于 Warden 的诚信度,不过就当前来看,Avalanche 已公开了四个初始 Warden 的真实身份——Fulgur Lab、BWareLabs、Halborn、Ava Labs,所以诚信度暂时并不需要太过担心。

从跨链执行速度及相关费用成本来看,AB 较之 AEB 也有着明显提升。目前,一笔跨 Ethereum - Avalanche 的完整交易大概需要 6-9 分钟的时间。至于费用,由于 AB 的跨链机制采用的是普通地址,因此交易的复杂程度会远低于合约型交易,具体的费用水平会更接近与常规的转账交易费用。

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跨链桥的升级成功打通了从以太坊生态进入 Avalanche 生态的通道。Avascan 数据显示,截至 8 月底,AB 桥接的资产总价值已突破 15 亿美元,这一数字与 Avalanche 生态近期总锁仓量的增幅基本相符。

因素四:「交易所 - C 链」路径打通

如果说跨链桥 AB 打开的是 DeFi 世界通往 Avalanche 生态的入口,那么「交易所 - C 链」路径打通的就是 CeFi 通往 Avalanche 生态的入口。

前文曾提到过,为了进一步解放网络性能,Avalanche 采用了 X 链、C 链、P 链的三链结构。这一结构虽然取得了理想的效果,但也给用户带来了更大的学习成本。

此前,由于 C 链生态体系尚未完善,从中心化交易所向 Avalanche 网络提币(AVAX)默认会去往 X 链(交易链),用户如果想要将资金在这三链之间划转,需要通过官网相关界面执行,不同链间有时还会涉及地址格式的变化,整体流程较为复杂。

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针对这一情况,Avalanche 正在逐步打通各大交易所直接提现至 C 链的通道,以满足那些习惯将资金存放于中心化交易所,但逐渐对 DeFi 感兴趣的用户。截至发文,币安、OKEx、Gate.io、抹茶等多家交易所的这一提现路径均已成功打通。

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这样的爆发式增长可持续吗?

在 Avalanche 基本面爆棚之际,关于其增长是否可持续也存在着一些质疑之声,尤其是 SBF 入场的消息传出之后,部分用户开始担心大户惯性的“挖卖提”操作是否会加速 Avalanche 生态矿产的生命周期。

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回答这个问题,需要先认清 Avalanche 的生态增长已经走到哪个阶段了。继续以 Polygon 作为对比目标,DeFinance Capital 分析师 Bailey 在推特上贴出了一组数据统计,自 Polygon 官宣了生态计划后,该生态的活跃地址总量增长了 29 倍,反观 Avalanche,近期活跃地址增长数量仅为 4 倍。

从资金角度来看,作为此前 Polygon 生态数据增长主力的 Aave、Cvure、Sushiswap 当前暂时都还没有上线。在 Aave Polygon 版本业务巅峰期,单此一项应用的总锁仓价值便高达数十美元,超过了 Avalanche 当前生态锁仓总量。

虽然两大生态启动的时间点以及相对应市场环境并不相同,但从具体的用户数据及资金总量对比来看,我们仍倾向于预测 Avalanche 还有着很大的增长空间,站在未来的某个时间点回头看,或许当前所谓的“爆发”只是其增长大势中的一小段加速期而已。


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