Polkadot：异构多链架构的创新实践
Polkadot：异构多链架构的创新实践
核心问题
Polkadot要解决以下两个问题：
- **伸缩性（Scalability）**难以满足现实世界的需要。
- **隔离性（Isolability）**让各区块链之间难以通信。
问题分析
这归咎于其底层的共识架构：状态转换机，或者这种让所有参与方校对和执行交易的方式，在本质上将其逻辑绑定在了共识一致性（canonicalisation）的设计上，或者需要让所有参与方都同意所有的可能性、有效性和历史。
核心架构
参与角色
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验证人（Validator），需质押 DOT，接收并验证来自收集者的平行链区块，验证和添加中继链自身的区块。
- 质押的 DOT 一部分来自于提名人，以便双方利益和风险共担。
- 验证人需要运行中继链客户端，有最高权限。
- 验证人会被随机分组，每个分组对应一个平行链，用来保证去中心化。
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提名人（Nominator），需质押 DOT，负责提名代表自己的验证人。若所选验证人被奖励或被惩罚，自己跟着一起被奖励或被惩罚。
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收集者（Collator），打包其所监视的平行链的交易，并将区块证明发送给验证人，同时，它还可以兼任钓鱼者（见下）。
- 运行特定平行链的全节点。
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钓鱼者（Fishermen），最后一道安全防线，监视网络和证明验证人的坏行为。
中继链
- 账户模型：block是账户模型，非UTXO
- 区块生产：由验证者提交区块，验证者从Collator那里收集打包的区块
- 核心功能：协调各平行链的共识和安全
核心概念
共享安全性
所有的平行链（Parachains）都是与中继链（Relay Chain）同步进行共识的。这意味着所有的平行链都会在大致相同的时间内产生新的区块，并将这些区块提交给中继链进行验证。
所有的并行链（Parachains）都共享同一个安全模型，这就是所谓的"共享安全"。这意味着，一旦一个并行链被接入Polkadot网络，它就可以享受到Polkadot的安全性，而无需自己建立和维护一个独立的安全机制。
共享安全的好处：
- 降低安全成本：大大降低并行链的安全成本
- 提高网络安全性：攻击者需要同时攻击所有的验证人，才能成功攻击网络
- 统一安全标准：所有平行链享受相同级别的安全保护
如果时间相差很大呢？
如果一个并行链不能满足同步要求，那么这个并行链的区块就会被跳过，这并不会影响其他的并行链。
共识周期
- 快速确定性：通常在波卡上不到一分钟
不需信任的跨链交互
在Polkadot中如果parachain A 需要发送一笔交易到parachain B的过程如下：
- A链将跨链交易放到自己的engress(每个平行链有一个消息输出队列engress 和一个消息输入队列ingress);
- A链的Collator收集A链的普通交易以及跨链交易并提交给A链的验证者集合；
- A链的验证者集合验证成功，将本次A链的区块头信息以及A链的engress内信息提交到中继链上；
- 中继链运行共识算法进行区块确认以及跨链交易路由，中继链上的验证者会将A链的相应交易从A链的engress queue中移动到B链的ingress queue中。
- B链执行区块，将ingress queue中相应交易执行并修改自身账本。
跨链消息传递（XCMP）
跨链的message 的定义和 transaction 基本相同。区别在于，transaction 包含一个签名，以证明数据的出处（从而证明指令的权威性）。而对于 message，出处仅通过 Polkadot 的抗拜占庭加密经济验证基础设施来证明，在很大程度上跟以太坊合约间消息传递的方式是一样的。
XCMP协议特点：
- 基于队列的设计：保证消息的发送顺序和接收顺序一致，防止重放攻击和其他基于顺序的攻击，也可以避免MEV。
- 消息签名验证：每个消息都需要被发送链的验证者签名，以证明这个消息确实来自于发送链，防止伪造消息的攻击。
- 共享安全性：所有的并行链都共享Polkadot中继链的安全性，只要一个消息被中继链接受，就可以认为它是安全的。
插槽机制
在Polkadot的插槽拍卖中，竞拍者需要用DOT来竞标插槽。然而，这些DOT并不是作为收益给任何人，而是被锁定在网络中，直到插槽租期结束。当插槽租期结束后，这些DOT会被退还给竞拍者。
无需分叉升级
无需分叉升级（forkless upgrade）是通过其独特的链上治理和运行时模块（runtime）升级机制实现的。
升级步骤：
- 提议升级：提出一个升级提议，包含一个新的运行时模块，这个模块包含了升级后的区块链逻辑。
- 投票决定：Polkadot的持币人对这个提议进行投票，如果获得足够多的投票就会被接受。
- 升级运行时：如果提议被接受，所有的节点都会自动升级他们的运行时模块，升级过程是自动的。
最大优点：波卡可以通过无需分叉的升级进行升级，这使得协议可以轻松升级以保持与未来技术进步的步伐一致。
GRANDPA 共识算法
参与者对他们认为有效的最高区块进行投票，而不是对单个区块进行投票，并且该算法将投票传递到该区块的所有祖先。然后，该算法确定具有 >⅔ 绝对多数票数的最佳区块，并生成最终性证明。
特点：
- 快速最终性：在Ethereum中，一个区块被认为是最终的，通常需要等待一定数量的确认区块。然而，GRANDPA 可以在短时间内实现区块的最终性，即使在网络延迟或分区的情况下也是如此。
- 解耦设计：GRANDPA 是一个最终性共识算法，它可以与区块生成机制（例如 Polkadot 的 BABE）解耦。这意味着，区块可以在没有达成最终共识的情况下生成，然后由 GRANDPA 在稍后的时间确定其最终性。
DOT 代币
DOT 之于 Polkadot 等同于 ETH 之于以太坊，其作用主要在三个方面体现：
- 治理：DOT 的持有者，即中继链的参与者，拥有对协议的完全控制权（如协议升级和修复）。在其他区块链平台中，这部分权力通常属于矿工。
- 注意：平行链的治理机制由平行链自行解决。
- 运营：激励诚实、好的行为。
- 质押和支付：新增平行链需要质押 DOT，平行链的解除会返还 DOT。
与 Layer2 的比较
Collator 的作用：
Collator是波卡体系结构的关键部分，原则上类似于定序器，因为Collator使用有效性证明（PoV）功能传递数据，以确保活性并与中继链进行通信。
技术对比：
- 状态转换函数：每个分片或平行链都配备一个独特的状态转换函数（STF），该函数确保与中继链的通信保持有效。每个STF都是用Wasm编写的Runtime。
- 有效性证明：每个STF都运行一份有效性证明。与非交互的ZK Rollups不同，该证明（批准协议）是交互的。
- 图灵完备性：与ZK Rollups不同的是，创建具有图灵完备逻辑的平行链并不困难。
- 争议解决：与Optimistic Rollups类似，平行链协议也有可能发生争议和解决可能有害的Parablock的情况。
Kusama网络
Kusama是Polkadot的测试网络，也被称为预发布网络和实验田，用于测试新功能和升级。
Q&A
1. 为什么要Collator？他在干什么？
打包交易，其实就是想把打包和上传block分离。
2. 有没有MEV？
基本上没有，因为消息是按队列传输的，并且验证人和收集人分离。
3. 中继链要包含平行链的轻客户端吗？
中继链（Relay Chain）并不直接包含平行链（Parachains）的轻客户端。相反，中继链上的验证者（Validators）会周期性地对平行链的区块进行验证，以确保其正确性。
当一个平行链生成一个新的区块时，它会将这个区块的头部信息（包括状态的哈希值和其他元数据）提交给中继链。然后，中继链上的一部分验证者会被随机选中，负责验证这个区块头部信息的正确性。
技术优势
1. 可扩展性
- 通过平行链实现水平扩展
- 每个平行链可以专门优化特定用例
- 整体网络吞吐量大幅提升
2. 互操作性
- 原生跨链通信能力
- 统一的安全模型
- 无需信任的跨链交易
3. 治理创新
- 链上治理机制
- 无需分叉升级
- 社区驱动的发展
4. 开发灵活性
- 支持多种编程语言
- 模块化架构设计
- 自定义共识机制
生态发展
Polkadot生态系统包含多个重要组成部分：
- 平行链项目：各种专门化的区块链
- 开发工具：Substrate框架等
- 钱包和基础设施：支持生态发展的工具
- DeFi应用：去中心化金融项目
- NFT和游戏：数字资产和娱乐应用
挑战与机遇
挑战
- 技术复杂性较高
- 开发者学习曲线陡峭
- 插槽竞争激烈
- 生态系统仍在发展中
机遇
- 多链未来的基础设施
- 企业级应用的理想平台
- 跨链互操作性的先行者
- 治理创新的实验场
总结
Polkadot通过其创新的异构多链架构，为区块链行业提供了一个全新的解决方案。它不仅解决了单链的可扩展性问题，还实现了真正的跨链互操作性。
通过共享安全性、XCMP协议、无需分叉升级等技术创新，Polkadot为构建下一代去中心化应用提供了强大的基础设施。随着生态系统的不断发展和完善，Polkadot有望成为多链未来的重要基石。