简单理解波卡：架构、安全与可扩展性

（麦田与柏树，梵高）

公链是万亿级美元的赛道。新的公链都会宣称自己是下一代的新技术。但最终决定公链能否走得长远的是综合因素。一是创始团队的气质。有领先可落地的技术还有理想主义，这是项目可持续的重要部分，这样的团队不会因为市场的涨跌而停止构建。二是社区。有持币人的支持，有开发者的支持，只有真正的生态才会让公链价值更高，市值更大，也更安全，从而走向正循环。

公链不仅是加密领域最吸引人的赛道，同时也是最难成功的领域。除了以太坊，还有哪些公链有机会？这是开发者和投资者们都非常关注的焦点。波卡是以太坊之外最受关注的公链之一。关于波卡的介绍也有很多。蓝狐笔记之前也提到过多次《波卡Polkadot的2019》、《波卡网络的启动路线图》《简单读懂波卡》、《波卡启动后：上线初表现》、《波卡DeFi会撼动以太坊DeFi吗？》、《Polkadot（波卡）：新互联网基石？》、《波卡（Polkadot）创始人Gavin Wood眼中加密世界》、《Cosmos 和Polkadot：区块链的互操作性》。本文主要是简单介绍波卡，为初学者理解波卡（Polkadot）服务，后续会发布更多的基础文章。

波卡是什么

波卡（Polkadot）是公链，但它是特殊的公链，它由多条链组成，是可以有多条链的公链。为什么不用一条链？它试图解决可扩展性、速度以及费用的问题，允许更多个性化区块链的存在，且允许链之间的互操作和升级，允许链的自我治理。

（Source：Polkadot.network）

波卡不仅支持代币转移，也支持数据在不同链之间的传递，其最终的目标是成为跨链的网络协议，让跨链注册和跨链计算成为可能。

波卡的架构与可扩展性

目前比特币的TPS大约为7，而以太坊大约为15，这导致其交易体验非常不好，速度慢，费用高，这在之前的挖矿高峰期尤其明显。为此，以太坊逐渐走向Layer 2的探索，尤其是Rollup系列的实践，此外以太坊的分片也在路上，尽管这需要很长时间。下图是V神对以太坊扩展性的路线展望，从15 TPS走向100,000 TPS的征途。

（Source：Vitalik Buterin）

而波卡（Polkadot）则走的是异构分片区块链的道路。所谓的异构，其实就是不同区块链的“联合”。相比之下，以太坊的分片是同构的，都是以太坊区块链的一部分。

在波卡中，有一条中心链，它连接了所有的区块链，也就是“中继链”。而连接到“中继链”的则是平行链。

（Source：Polkadot.network）

这种中继链+平行链的架构是波卡（Polkadot）可以获得可扩展性的原因，多条链可以并行处理交易，而不用在一条道路上排队等候处理。如此一来，相对于当前的以太坊，波卡（Polkadot）可以有更高吞吐量，更快的速度以及更低的费用。

（Source：Polkadot.network）

在未来的波卡规划中，甚至还可以在中继链上添加中继链，实现链中链，试图通过这种方式实现更大的扩展。此外，波卡上的平行链跟Cosmos上的链不同，它们有共享的安全性，这也是吸引开发者们在波卡上构建平行链的重要原因。因为，对于区块链来说，从零开启构建安全性是非常不容易的事情。

波卡平行链的安全

区块链的安全源于共识是否可靠。这也是共识机制一直是区块链最重要组成部分之一的原因。当链上的状态发生变化，所有节点需要达成共识，而达成共识的机制是区块链是否能实现安全的关键。

波卡是PoS的机制，它混合了BABE和GRANDPA。在传统的PoW机制中，人们通过工作量证明来获得记账权，而PoS机制中，人们需要质押代币，质押者也是验证者，利益相关者，他们需要验证平行链的状态转换证明，需要根据这些证明的有效性生产中继区块。

BABE（Blind Assignment for Blockchain Extension）是运行在验证节点之间的区块生产机制，它确定新区块的生成者。在某种程度上，BABE可以跟Ouroboros Praos对比，不过在链选择规则和插槽时间调整上存在较大差异。BABE会根据质押代币量以及波卡随机周期为验证者分配生产区块的插槽。

GRANDPA（GHOST-based Recursive ANcestor Deriving Prefix Agreement）是波卡的“最终性工具”，服务于波卡的中继链。只要2/3的节点是诚实的，且在异步设置中可以处理1/5的拜占庭节点，它在部分同步的网络中就可以正常运作。GRANDPA在链上达成共识（相对于区块上），这里有利于其更快达成最终性，即便是面临长期的网络分区或其他网络故障情况。

验证者通过质押DOT代币来维持中继链的安全，他们验证来自Collator的证明，也与其他的验证者达成共识。为了防止验证者的合谋，基于验证者质押的DOT代币数量，他们是被随机选择出来的。如果他们如实报告所分配的平行链的状态变化，他们会获得DOT奖励；如果他们不诚实（被其他节点检查发现），他们的质押代币会被消减。

在波卡中，有一类角色称为渔夫。他们也能够举报这些不诚实的验证者，同时渔夫也可以是收集者、验证者。验证者不会将所有交易都发布到波卡的中继链上，发布的只是状态变化证明。因此，中继链对平行链上的实际交易并不知情，不过他们可以验证当前状态是否有效。此外，验证者会随机变化，不会固定在某个平行链上，它不是平行链的一部分，而是中继链的一部分。

（Source：Polkadot.network）

波卡上还有Nominator和Collator的角色，这也是参与中继链的重要角色。Nominator不直接成为验证者，但可以通过选择验证者来参与验证，来获得DOT的奖励。当然，如果所选择的验证者被惩罚，他们也会被消减。Collator收集用户在平行链上的交易，并为验证者提供状态转换证明来维护平行链。Collator为中继链维护全节点，也为特定平行链维护完整节点。

波卡平行链的互操作

目前看，一条链一统天下的可能性不大。波卡的跨链设计有一个前提就是未来是多链共存的世界。不同的区块链都是独立的，彼此之间的设计不同，无法直接沟通。异构链之间存在互操作性的问题。比如，人们无法在比特币的链上交易ETH或ERC20代币，BTC也无法直接在以太坊上交易，无法直接参与以太坊上的DeFi。目前比特币要想参与以太坊的DeFi活动，需要首先对BTC进行包装（例如wBTC等）。

波卡上的平行链是相互连接的，它们可以实现互操作性。波卡平行链设计的出发点在于，波卡认为区块链是个性化的，不同链可以专注于特定的领域。最终每条链服务于不同的需求。比如有的专注于交易，有的专注于借贷，有的专注于资产管理，有的专注于游戏等等。当这些平行链专注于不同的领域，它们有可能会有更好的表现。

为了方便开发者构建平行链，波卡提供了构建区块链的框架Substrate，它支持开发者在短时间内可以启动并运行自定义的区块链。Substrate还支持开发者根据自己的需求，以类似于搭建乐高积木的方式来构建区块链。通过Substrate构建的区块链，不仅可以跟波卡上的其他平行链实现互操作，还可以通过代币桥实现跟其他区块链（如以太坊）的连接。

波卡的升级和治理

区块链的升级和治理一直是个大问题。这也跟区块链是去中心化的网络相关。当升级不能通过治理很好地解决时，发生硬分叉也成为区块链的常见景象。为了迭代，项目开发者和节点运营者等都需要做不少工作。

不过波卡上的平行链不用担心硬分叉的问题。波卡通过治理系统以及代码层面来解决这个问题。波卡的代码根据其投票系统来进行更新，而该代码也是区块链自身的一部分。波卡网络更新核心代码，类似于部署智能合约这样发布交易。由此，无须硬分叉即可实现迭代更新，节点也无须做更多操作。

当然，这也意味着波卡代币DOT的持有人很重要，是DOT持有人决定了波卡的未来方向。

在波卡治理中，包括了积极参与治理的DOT持币人、理事会以及技术委员会。当提案的票数通过特定的投票指标时，提案会得以通过。

提案一般由普通的持币人或理事会提议，最终会通过DOT代币持有人的投票来做决定。在普通持币人的提案中，用户只要在一定时期内存入最少数量要求的代币即可发起提议。而其他人如果同意该提议，那么，他们会存入相同数量的DOT来支持。由最多DOT代币量支持的提案被选为全体投票提案。而对于理事会提案，当所有理事会成员全体同意时，其会成为全体投票提案，它采用自适应的法定人数通过机制，质押投票的数量越少，则其通过所需数量也越小。如果是多数理事会成员同意的提案，则也可以成为全体投票提案，不过其门槛较高，它要求多数票来通过决议。