科普 | Polkado初識，不止于跨鏈_Polkadot

此文是Polkadot系列文章開篇之作，通過介紹Polkadot的角色、架構和交易流程來讓大家對Polkadot有個初步的認識。其中涉及到的技術點、比如混合共識、有效性驗證、XCMP協議等等，再由后面Polkadot系列文章進行詳細剖析，敬請期待。

提到Polkadot，大家首先想到的可能就是這是個很火的跨鏈項目，網上也把它和Cosmos稱為跨鏈”雙雄“。但其實如果把Polkadot僅僅定位為一個跨鏈項目，那說明對Polkadot的了解還不夠。Polkadot更準確的解釋應該是個可擴展的異構多鏈區塊鏈，跨鏈只是它系統的一個功能而已。Polkadot的復雜度遠遠大于目前常見的跨鏈項目，其不僅僅考慮了跨鏈所具備的基本功能，還保證了跨鏈交易的有效性。

除此之外，還通過共享安全性技術保證了平行鏈的安全性，這點是目前大多數同類項目所沒有具備的功能。四類角色為了更好解釋Polkadot的整體架構，我們先來解釋下Polkadot中的四種角色：收集人、驗證人、提名人和釣魚人，他們的具體關系如圖1所示：

人大附中物理老師李永樂科普拜占庭將軍問題和區塊鏈:5月14日，人大附中物理老師、科普視頻網紅李永樂在其公眾號發布視頻《拜占庭將軍問題是什么？區塊鏈如何防范惡意節點？》。李永樂老師在視頻中對拜占庭將軍問題和區塊鏈進行了講解，他表示，拜占庭將軍問題本質上指的是，在分布式計算機網絡中，如果存在故障和惡意節點，是否能夠保持正常節點的網絡一致性問題。在近40年的時間里，人們提出了許多方案解決這一問題，稱為拜占庭容錯法。例如蘭波特自己提出了口頭協議、書面協議法，后來有人提出了實用拜占庭容錯PBFT算法，在2008年，中本聰發明比特幣后，人們又設想了通過區塊鏈的方法解決這一問題。區塊鏈通過算力證明來保持賬本的一致性，也就是必須計算數學題，才能得到記賬的權力，其他人對這個記賬結果進行驗證，如果是對的，就認可你的結果。與拜占庭問題比起來，就增加了叛徒的成本。[2020/5/14]

人民數字FINTECH推出區塊鏈科普動畫:人民日報數字傳播發布微博稱，人民數字FINTECH出品《趣味科普|區塊鏈動畫》。[2020/3/31]

圖1

◆收集人

平行鏈的全節點，負責進行平行鏈中交易的收集和區塊的打包，注意這里打包區塊只是候選區塊，并不代表確認后的區塊，平行鏈的區塊確認由中繼鏈負責。

◆驗證人

中繼鏈的全節點，中繼鏈會在驗證人池中通過隨機分組把驗證人指定給不同的平行鏈。驗證人會接受來自收集人打包的區塊并進行有效性驗證，然后結合共識算法對收集人提交的區塊進行確認。

◆提名人

Polkadot中數字貨幣DOT的持有人，它會選擇自己所信任的驗證人進行DOT質押，然后分享驗證人的收益。至于為什么需要提名人這樣的角色，就需要了解Polkadot的經濟模型了，這里就不做過多講解。

動態 | 幣安科普MimbleWimble算法:幣安官方推特今日發布隱私算法Mimblewimble的科普貼，在下方留言區大量網友留言猜測是否是基于 Mimblewimble算法的隱私幣Grin或者Beam即將登陸幣安交易所，其中猜測Grin的呼聲更高。[2019/9/2]

◆釣魚人

它的作用主要是對系統進行監管，通過舉報非法交易來賺取獎金。雖然驗證人通過隨機分配來服務于不同的平行鏈，從某種角度上看，提高了驗證人聯合做惡的成本，但還需要釣魚人這樣的角色來監管驗證人的行為。

整體架構

圖2

有了上面對Polkadot四類角色的定義解釋，下面我們進行整體架構的介紹：如圖2所示，Polkadot是一種樹狀網絡結構，中繼鏈可以看作是樹根，然后外接一定數量的平行鏈。由于中繼鏈能接入的平行鏈數量是有限的，那么中繼鏈還可以接入子中繼鏈以樹的形式進行規模擴展。同時，子中繼鏈還可以以同樣的方式進行擴展。

中科院自動化研究所將面向大中小學生開展區塊鏈等主題的科普講座:5月21日，新華網訊，今年，中國科學院自動化研究所將舉辦第十四屆“自動化之光”公眾科學開放日活動。屆時，自動化所將面向大中小學生分別開展《腦與智能》、《區塊鏈技術與平行智能》、《大數據時代的視覺智能》、《動畫真奇妙》等4個主題報告，用實例和生動的演示深入淺出地為大家揭示智能技術的原理和奧妙。[2018/5/21]

綠色標記的平行鏈中，收集人會進行交易的收集和廣播。對于打包出來的區塊，收集人除了廣播給其它收集人和釣魚人，還會把區塊提交給自己的驗證人。每個平行鏈還會有個出入隊列，如果區塊中有跨鏈交易，收集人會把跨鏈交易放入出隊列中，然后由收集人或者驗證人將跨鏈交易路由到目的平行鏈。

最后，除了可以接入平行鏈，中繼鏈還可以通過橋接鏈接入一些異構鏈或者說不能直連的區塊鏈，比如上圖中的以太坊。橋接鏈是具備橋接功能的平行鏈。

科普時報：區塊鏈與云計算長期發展目標不謀而合:據《科普時報》今日報道，區塊鏈與云計算兩項技術的結合，從宏觀上來說，一方面，利用云計算已有的基礎服務設施或根據實際需求做相應改變，實現開發應用流程加速，滿足未來區塊鏈生態系統中初創企業、學術機構、開源機構、聯盟和金融等機構對區塊鏈應用的需求。另一方面，對于云計算來說，“可信、可靠、可控制”被認為是云計算發展必須要翻越的“三座山”，而區塊鏈技術以去中心化、匿名性，以及數據不可篡改為主要特征，與云計算長期發展目標不謀而合。[2018/5/4]

一筆交易之旅

對于初次接觸Polkadot的人來說，僅從上面的架構圖可能還是弄不清楚它的工作流程，為了讓大家對Polkadot有更加深入的了解，下面介紹Polkadot中一筆交易的“生命之旅”，也就是平行鏈中的一個交易是如何打包的，是如何在中繼鏈中被確認的，然后跨鏈交易是什么時候被傳遞到目的平行鏈的等等。

注意，這里不涉及橋接鏈的情況。為了不混淆區塊打包和確認的概念，這里稍微解釋這兩者的區別。區塊打包只是將多筆交易收集起來然后打包成一個區塊，此時這個區塊還不具備最終性，有一定概率被丟棄。

區塊確認就是指區塊被最終確認而不會被推翻丟棄。這種將區塊的打包和確認分開來的共識算法一般稱為混合共識，Polkadot就是此類共識算法。具體的技術細節這里就不細說了，留給后面的文章進行詳細講解。

◆平行鏈階段

首先，平行鏈中的收集人收集到足夠交易后，會將交易打包成一個區塊然后提交到驗證人。收集人提交到驗證人的數據其實不僅僅是區塊，而是一個POV數據。POV包括區塊、有效性證明數據和跨鏈數據。有效性證明數據主要是提供給驗證人進行區塊有效性驗證的，因為收集人打包的區塊中可能包含無效的交易。

驗證人接受到POV數據后，會把它同步給同一組的驗證人，與此同時會根據有效性證明數據和區塊進行有效性的驗證。驗證通過后，驗證人會根據糾刪碼技術將POV分塊和簽名并廣播給其它驗證人進行備份。'

這里備份的目的主要是確保區塊被中繼鏈確認后，盡管惡意收集人丟棄區塊，平行鏈也可以從驗證人那恢復區塊。

◆中繼鏈階段

驗證人將POV塊簽名廣播后，會生成CandidateReceipt并把它廣播給其余中繼鏈的驗證人。CandidateReceipt包含了平行鏈區塊的關鍵信息，比如區塊哈希、父區塊哈希等。其余驗證人收集到足夠數量驗簽通過的POV塊后，會把CandidateReceipt放到出塊列表中。中繼鏈共識階段會選出一個Leader，Leader負責出塊，此時的區塊就包含了前面的CandidateReceipt。

在區塊確認階段，其它驗證人首先需要收集足夠的POV塊來還原POV數據，然后驗證CandidateReceipt的有效性。此時，如果驗證人收集不到足夠數量的POV塊，會要求平行鏈驗證人提供POV。如果平行鏈驗證人無法提供POV，那么該區塊將會無效，相關的平行鏈驗證人也會被懲罰。

◆跨鏈交易傳遞

平行鏈階段中，收集人打包區塊的同時，也會將跨鏈交易放到平行鏈的出隊列中。跨鏈交易通過XCMP協議進行傳輸，根據收集人和驗證人的網絡連接情況，具體的傳輸方法有三種：

來源鏈收集人直接發送給目的鏈收集人；

來源鏈驗證人發送給目的鏈收集人；

來源鏈收集人發送給來源鏈驗證人，來源鏈驗證人傳遞給目的鏈驗證人，目的鏈驗證人再傳遞給目的鏈收集人。

跨鏈交易傳遞到目的鏈后，會把跨鏈交易放到平行鏈入隊列中。通過以上步驟，就完成了跨鏈交易在鏈間的傳遞功能。

總結

雖然Polkadot架構比較復雜，各種新名詞也很多，比如POV區塊、XCMP協議、CandidateReceipt等等，連平行鏈的區塊都得由中繼鏈確認，中間還包括有效性驗證、POV數據分塊、簽名和備份等等步驟，但是這些復雜設計也讓整個系統具有更好的可擴展性和安全性。

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