Polkadot跨鏈技術(shù)架構(gòu)解析：與IPFS分布式的結(jié)合或帶

導(dǎo)語：在上一篇文章中分析了Substrate框架的起源以及和ETH、IPFS的關(guān)系。本文將深度揭曉Substrate框架與跨鏈網(wǎng)絡(luò)Polkadot之間的技術(shù)架構(gòu)，探尋為何Polkadot被稱為“跨鏈之王”的原因，并解析跨鏈通信和分布式技術(shù)對(duì)于未來應(yīng)用的重要性。

區(qū)塊鏈技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入下一階段，由前以太坊CTO率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開發(fā)的Substrate框架，允許開發(fā)者打造自己的區(qū)塊鏈，“一鍵發(fā)鏈”不再是夢(mèng)想?；谠摽蚣艿腜olkadot區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)成為最受期待的跨鏈解決方案，Polkadot又被稱為天王級(jí)項(xiàng)目。在互聯(lián)網(wǎng)科技的新一輪變革悄然開始的背景下，Substrate和Polkadot到底是什么，其技術(shù)架構(gòu)是否真的逆天？它們?yōu)楹纬霈F(xiàn)又到底解決了哪些問題？與IPFS技術(shù)的集成又將讓區(qū)塊鏈技術(shù)如何演進(jìn)？

從以太坊出走再創(chuàng)奇跡

說起以太坊，很多人都會(huì)想到V神(Vitalik Buterin)。實(shí)際上，有一位才是以太坊的靈魂人物——Gavin Wood（蓋文·伍德），是一名計(jì)算機(jī)科學(xué)博士，是現(xiàn)實(shí)世界中隱藏的大神。他和V神一起聯(lián)合創(chuàng)辦了以太坊項(xiàng)目，并擔(dān)任CTO技術(shù)總監(jiān)。Gavin Wood發(fā)明了Solidity語言，用于編寫智能合約，這也是以太坊和比特幣的最大不同點(diǎn)，智能合約的引入讓太坊徹底爆發(fā)。

圖：Gavin Wood在Github上有一萬三千個(gè)關(guān)注者

離開以太坊，Gavin Wood帶著Jutta Steiner博士（擔(dān)任安全和審計(jì)總監(jiān)）等伙伴共同創(chuàng)立了Parity Tech。他們開發(fā)了Substrate項(xiàng)目，一個(gè)強(qiáng)大的區(qū)塊鏈跨鏈開發(fā)框架，目的是幫助開發(fā)者使用下一代技術(shù)打造自己的區(qū)塊鏈。

現(xiàn)有區(qū)塊鏈技術(shù)遇到的關(guān)鍵問題

包括現(xiàn)有的三個(gè)主要的區(qū)塊鏈系統(tǒng)：比特幣、以太坊、EOS等，每個(gè)區(qū)塊鏈項(xiàng)目、用戶、礦工、DApp等形成了獨(dú)立的生態(tài)王國，彼此是割裂的。從某種意義上，它們違背了區(qū)塊鏈去中心化的承諾，將互聯(lián)網(wǎng)變得更加地封閉且孤立的形態(tài)，嚴(yán)重制約了區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展。

當(dāng)前區(qū)塊鏈技術(shù)堆棧中的五個(gè)關(guān)鍵的問題：首先是可擴(kuò)展性不足，缺乏互操作性和可開發(fā)性，DApp去中心化應(yīng)用的開發(fā)受限，難以大規(guī)模應(yīng)用。其次治理犧牲了大部分人的利益，算力壟斷和超級(jí)節(jié)點(diǎn)的權(quán)益壟斷，大部分分散的用戶/礦工的利益實(shí)際被摒棄。最后是區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)之間的孤立，且從一開始直到現(xiàn)在長久存在。

跨鏈打通區(qū)塊鏈價(jià)值交換通道

所謂跨鏈（Cross Chain）就是在不同的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行價(jià)值交換的技術(shù)。為什么說區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)之間的互通如此重要？因?yàn)樗艽蚱片F(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的孤立，建立多個(gè)網(wǎng)絡(luò)的鏈上資產(chǎn)交換?？珂溇拖袷氰忛_巴拿馬運(yùn)河讓兩個(gè)陌生的海域迅速連通融合。

在許多方面，區(qū)塊鏈的互操作性和可擴(kuò)展性的挑戰(zhàn)是相互關(guān)聯(lián)，跨鏈讓兩個(gè)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)先后與作用，各平臺(tái)實(shí)現(xiàn)互操作性，并提升總的吞吐量來增強(qiáng)可擴(kuò)展性。

?

看似美好，但跨鏈解決方案也有技術(shù)難點(diǎn)：

第一：如何保證跨鏈交易的原子性？

第二：如何確認(rèn)另一條鏈的交易？

第三：跨鏈交易，如何保持總資產(chǎn)的不變量？

第四：如何保證兩個(gè)鏈的網(wǎng)絡(luò)安全？

第五：如何實(shí)現(xiàn)多鏈之間的跨鏈互連？

為了解決上述技術(shù)難題，區(qū)塊鏈行業(yè)出現(xiàn)了許多解決方案。

1.交易原子性

HTLC（哈希時(shí)間鎖合同）是原子交換協(xié)議的一種實(shí)現(xiàn)，它通過哈希鎖定和時(shí)間鎖定機(jī)制保證事務(wù)的原子性。

2.交易確認(rèn)

區(qū)塊鏈?zhǔn)欠忾]的、獨(dú)立的，沒有直接的溝通渠道。跨鏈交易如何確認(rèn)發(fā)送鏈的交易確實(shí)發(fā)生并得到確認(rèn)？答案是“中間人”，通過“中間人”的角色來交換信息，“中間人”可以是一個(gè)節(jié)點(diǎn)或一個(gè)組，可以是一個(gè)集中組織，也可以是一個(gè)分布式組。現(xiàn)有解決方案主要包括以下內(nèi)容：公證模式、中繼模式、側(cè)鏈模式。

?公證模式：公證模式的“中間人”不僅收集數(shù)據(jù)，還確認(rèn)和驗(yàn)證交易。根據(jù)驗(yàn)證事務(wù)的方式，它還可以分為以下類型：集中公證方案，多信號(hào)公證方案和分布式簽名公證方案。

?中繼模式：中繼模式的“中間人”僅充當(dāng)數(shù)據(jù)收集器并將收集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到目標(biāo)鏈。目標(biāo)鏈基于收集的數(shù)據(jù)驗(yàn)證交易。驗(yàn)證方法根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)而有所不同，例如依賴SPV認(rèn)證，或依賴驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)的簽名數(shù)量等。中繼模式是一種相對(duì)分散且松散耦合的方式，它具有更高的可擴(kuò)展性。中繼模式有許多跨鏈實(shí)現(xiàn)方案，如Cosmos Hub、Polkadot（下文將詳細(xì)講到）中的Relay鏈、BTC-Relayer中的Relayer等，它們都充當(dāng)中繼作用。

??側(cè)鏈模式：側(cè)鏈模式是一種強(qiáng)耦合設(shè)計(jì)。這兩個(gè)鏈通過“中間人”收集彼此的數(shù)據(jù)，并以某種方式直接將數(shù)據(jù)嵌入到他們自己的塊或存儲(chǔ)空間中。在跨鏈交易中，交易驗(yàn)證可以直接通過存儲(chǔ)在其系統(tǒng)中的原始鏈數(shù)據(jù)來完成。

3.總資產(chǎn)保持不變

為確保資產(chǎn)總額保持不變，有必要確保資產(chǎn)轉(zhuǎn)移過程在兩個(gè)鏈條上得到準(zhǔn)確計(jì)算。也就是說，有必要保證：1）跨鏈交易的原子性，無論是否發(fā)生。2）跨鏈交易在兩個(gè)鏈上都是真實(shí)有效的，交易由整個(gè)網(wǎng)絡(luò)確認(rèn)，并且fork的可能性很小。因此，在正常情況下，只要解決難度1和難度2，就解決了難度3。

4.獨(dú)立安全

在不同的跨鏈實(shí)施方案中存在基本的安全性和獨(dú)立性考慮因素，一般每個(gè)方案都有所并一同。

5.跨鏈互連

這個(gè)問題包含兩個(gè)潛在的問題：第一，現(xiàn)有的區(qū)塊鏈系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)互連和互操作性。第二，如何為將來開發(fā)的區(qū)塊鏈的互連做好準(zhǔn)備和鋪平道路。

一鍵發(fā)鏈的區(qū)塊鏈框架Substrate

Substrate是下一代區(qū)塊鏈技術(shù)框架。Gavin Wood曾說，“In the future, trusting an institution with our interests will be as archaic a concept as reckoning on an abacus is today.”其意義是“在未來，信任一個(gè)符合我們利益的機(jī)構(gòu)，將成為一個(gè)古老的概念，就像今天用算盤計(jì)算一樣。”如果要打破屏障，除舊布新，建立跨鏈通信，強(qiáng)大的技術(shù)框架設(shè)計(jì)必不可少。

Substrate主要的技術(shù)特點(diǎn)如下：

●為企業(yè)創(chuàng)建完美的自定義區(qū)塊鏈

○創(chuàng)建具有嚴(yán)格隱私級(jí)別的區(qū)塊鏈

○輕客戶端（Light Client）優(yōu)先的設(shè)計(jì)，適用于移動(dòng)應(yīng)用和物聯(lián)網(wǎng)

○網(wǎng)絡(luò)幾乎不分叉，可升級(jí)

其中，Light Client（輕客戶端）允許以分散的方式訪問區(qū)塊鏈，并與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交互而無需同步完整的區(qū)塊鏈。其目的是簡化交易驗(yàn)證，即不必下載每筆交易和每個(gè)塊，只需下載區(qū)塊頭等數(shù)據(jù)，如前一個(gè)區(qū)塊頭的hash值、時(shí)間戳、證明隨機(jī)數(shù)、根哈希值等。

●以下一代技術(shù)為基礎(chǔ)

○在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的WebAssembly架構(gòu)上

○高度可擴(kuò)展的Libp2p網(wǎng)絡(luò)

○基于Rust集成快速可靠特性

○支持Javascript二次開發(fā)

○用Rust編寫的Wasm WebAssembly解釋器

這里有一個(gè)異常重要的技術(shù)：WebAssembly（縮寫為Wasm）， 是一項(xiàng)由 Mozilla、谷歌、微軟及蘋果聯(lián)合開發(fā)的項(xiàng)目，可以使用非 JavaScript 編程語言編寫代碼并且能在瀏覽器上運(yùn)行的技術(shù)方案，可以看做是對(duì)JavaScript的加強(qiáng)（暫未是替代），彌補(bǔ)JavaScript在執(zhí)行效率上的缺陷。其通過Web執(zhí)行低級(jí)二進(jìn)制語法，把高級(jí)別的語言（C，C++和Rust）編譯為WebAssembly，以便有機(jī)會(huì)在瀏覽器中運(yùn)行。其特點(diǎn)是幾何級(jí)的性能提升、快速靈活、可移植。2015年，四大瀏覽器廠商（Chrome, Firefox, Edge, Safari）全部默認(rèn)支持WebAssembly，這種技術(shù)隨后在前端高性能開發(fā)領(lǐng)域中大放異彩。

●安全和擴(kuò)展性的突破

○WebAssembly智能合

○多級(jí)權(quán)限

○交易和狀態(tài)雙重加密

○限制異步調(diào)用選項(xiàng)

○帳戶級(jí)鎖定

○治理工具和方法（如投票系統(tǒng)）

●技術(shù)組件概覽

網(wǎng)絡(luò) Libp2p

共識(shí)算法 混合PBFT / Aurand

隨機(jī)信標(biāo) Collective coin flipping

驗(yàn)證算法 Edwards-Curve Ed25519

哈希算法 Blake2b

地址格式 Versioned Base-58 + Blake2b校驗(yàn)

其中，Substrate有一個(gè)異常強(qiáng)大的算法——Blake2b哈希算法。它有什么優(yōu)勢(shì)？以前如比特幣等加密數(shù)字貨幣大多采用SHA-1哈希函數(shù)來作為運(yùn)行算法，但是這一算法被密碼學(xué)研究專家發(fā)現(xiàn)存在安全問題，所以之后加密貨幣逐漸開始使用blake2b算法來代替SHA-1算法。

BLAKE2 哈希算法速度對(duì)比

Blake2b被認(rèn)為是目前安全系數(shù)最高的哈希函數(shù)。該算法從2012年發(fā)布，之后OpenSSL、WhatsApp 和 FreeBSD 的包管理器均在使用 BLAKE2哈希算法。

Polkadot：跨鏈之王

開源的Substrate本身是一個(gè)框架和平臺(tái)，人人均可用。為了更好地支撐起區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)之間的連通，建設(shè)一個(gè)新的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)就有必要了。Polkadot是一種旨在解決上述問題的跨鏈解決方案。它使用上文提到過的典型的跨鏈技術(shù)，即中繼技術(shù)。Polkadot是Gavin Wood帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)基于Substrate框架開發(fā)的。

在Polkadot的架構(gòu)中，組建技術(shù)主要分為平行鏈、中繼鏈、轉(zhuǎn)接橋。

平行鏈：基于應(yīng)用的定制鏈

平行鏈（Parachains）是平行于波卡網(wǎng)絡(luò)的區(qū)塊鏈，每個(gè)平行鏈都可以根據(jù)不同的業(yè)務(wù)需求獨(dú)立設(shè)計(jì)自己的架構(gòu)。平項(xiàng)鏈也會(huì)用來并發(fā)交易提高擴(kuò)展性，其通過連接中繼鏈保證其安全。

中繼鏈：連接并驗(yàn)證平行鏈

中繼鏈（Relay chain）可以連接波卡網(wǎng)絡(luò)和平行鏈，并確保兩者之前的通信安全， 通信可以是交易或者任意形式的數(shù)據(jù)。

轉(zhuǎn)接橋：連接異構(gòu)的外部鏈

轉(zhuǎn)接橋（Bridges）是一種特殊的平行鏈，它允許波卡網(wǎng)絡(luò)不通過中繼鏈的安全驗(yàn)證而是使用外部鏈條自身的安全機(jī)制，與外部獨(dú)立的區(qū)塊鏈交流通信，例如 BTC、?ETH。

平行鏈可以看做是 Polkadot 網(wǎng)絡(luò)中高擴(kuò)展的解決方案，平行鏈沒有確認(rèn)區(qū)塊的能力，需要借助中繼鏈驗(yàn)證。中繼鏈作為信任代理，參與 polkadot 網(wǎng)絡(luò)和平行鏈之間的通信，確保通信安全，也能實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)隔離。轉(zhuǎn)接橋是服務(wù)于其他擁有獨(dú)立安全驗(yàn)證機(jī)制的外部區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，這些鏈條擁有自己的共識(shí)和出塊機(jī)制，例如 BTC 或 ETH 網(wǎng)絡(luò)，通過轉(zhuǎn)接橋直接與 polkadot 網(wǎng)絡(luò)通信。

此外，Polkadot定義了協(xié)議運(yùn)行所必須的幾種角色：

1.驗(yàn)證者(Validator)：驗(yàn)證以及最終化平行鏈候選區(qū)塊，將其加入中繼鏈的區(qū)塊中，并接受代幣獎(jiǎng)勵(lì);

2.收集者(Collators)：收集平行鏈交易，放入有效性證明的候選區(qū)塊中，并收取交易手續(xù)費(fèi);

3.釣魚人(Fishermen)：是充當(dāng)監(jiān)察員角色，在網(wǎng)絡(luò)中釣魚各種不當(dāng)行為，并且收取各種惡意操作者保證金的一部分作為獎(jiǎng)勵(lì);

4.提名者(nominator)：擁有投票權(quán)，提名誰成為驗(yàn)證者，保證驗(yàn)證者的安全性。

Polkadot是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，能夠傳遞任何 數(shù)據(jù)(不只限于代幣)到所有區(qū)塊鏈。這意味著它是一個(gè)真正的多鏈應(yīng)用環(huán)境，使跨鏈注冊(cè)和跨鏈計(jì)算等類似操作成為可能。Polkadot能傳遞數(shù)據(jù)到公共、開放、公開的區(qū)塊鏈和私有或聯(lián)盟鏈。使得構(gòu)建從私有鏈獲得許可數(shù)據(jù)并在公有鏈上使用的應(yīng)用程序成為可能。

在Polkadot中，其中的Parachain（平行鏈）是關(guān)鍵的組建技術(shù)，它指的是使用鏈中繼來實(shí)現(xiàn)區(qū)塊鏈間的交互。Polkadot具有共享安全性，避免其它跨鏈中的雙花交易。平行鏈還具有通用性，它沒有不必要限制和約束。在這里，由于平行鏈的作用，區(qū)塊鏈之間的就好比有了一個(gè)互聯(lián)網(wǎng)。

平行鏈Parachain的出現(xiàn)，被視為下一代區(qū)塊鏈技術(shù)演進(jìn)的方向。

Polkadot?+ IPFS = 無限的可能

俄國著名數(shù)學(xué)家馬爾科夫有一句名言:“任何一個(gè)進(jìn)步的體系,也都是開放的。”世界上沒有孤立的技術(shù)，也沒有孤立的工程師。不然，就會(huì)喪失其發(fā)展的可能性。

Polkadot之所以在眾多解決方案中，成為跨鏈之王，很大程度上和它的開放性分不開。其基礎(chǔ)的Substrate框架開源，在底層也應(yīng)用到了下一代互聯(lián)網(wǎng)的協(xié)議——IPFS，星際文件系統(tǒng)是面向去中心網(wǎng)絡(luò)的、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的、分布式超媒體傳輸協(xié)議。Polkadot網(wǎng)絡(luò)（及Substrate框架）使用IPFS底層核心Libp2p協(xié)議。

Libp2p是一個(gè)模塊化的p2p協(xié)議堆棧，定位為未來去中心應(yīng)用程序的標(biāo)準(zhǔn)，一種靈活的跨平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)框架，用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)應(yīng)用程序。可以處理Polkadot生態(tài)系統(tǒng)中的對(duì)等方的發(fā)現(xiàn)和通信?，F(xiàn)在多個(gè)網(wǎng)絡(luò)都采用了Libp2p技術(shù)。如EOS、以太坊2.0（進(jìn)行中）、Substrate（Polkadot）、Agoric、Filecoin（IPFS激勵(lì)層）。

對(duì)于科技發(fā)展而言，始終不能脫離具體的應(yīng)用場景孤立地談技術(shù)。在IPFS應(yīng)用檢索層中，IPSE網(wǎng)絡(luò)可集成應(yīng)用Polkadot的Parachain平行鏈技術(shù)。IPSE主鏈基于DPos負(fù)責(zé)價(jià)值結(jié)算，而平行鏈主要負(fù)責(zé)價(jià)值交易。在平行鏈間所有交易可以立即執(zhí)行，不用擔(dān)心產(chǎn)生沖突。

好比現(xiàn)在有10條平行鏈，可以獲得相同的安全，并能執(zhí)行10倍的工作任務(wù)。IPSE是基于IPFS的搜索引擎，F(xiàn)ilecoin是存儲(chǔ)層也是官方激勵(lì)層。IPSE主要負(fù)責(zé)搜索，而Filecoin負(fù)責(zé)存儲(chǔ)。兩者的底層的存儲(chǔ)依賴于IPFS星際文件系統(tǒng)。平行鏈引入，可讓IPSE在和Filecoin的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和事務(wù)操作上獲取最高效的方案。

Polkadot開發(fā)的愿景是為互操作性，安全性，可擴(kuò)展性和創(chuàng)新提供最強(qiáng)大的平臺(tái)。根據(jù)官方的路線圖，該網(wǎng)絡(luò)將增加到大約100條平行鏈。IPFS作為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的分布式超媒體傳輸協(xié)議，其構(gòu)建的Filecoin去中心化分布式存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，預(yù)計(jì)將由全球的分布式節(jié)點(diǎn)組成，其主網(wǎng)也將在Q2/Q3上線。兩者代表著跨鏈技術(shù)和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)分布式技術(shù)的最高峰，或許在將改變現(xiàn)有的區(qū)塊鏈技術(shù)和應(yīng)用。

參考資料：

[1]Github: Substrate

[2]Polkadot：A scalable, interoperable & secure network protocol for the next web

[3]Medium：Cross-chain Technology and Polkadot，by LongHash-Dot

[4]Polkadot?Lightpaper：A scalable, interoperable & secure network protocol for the next web

[5]IPSE：A Distributed Search Engine Based on IPFS

[6]Filecoin：A Decentralized Storage Network

[7]Polkaworld：Polkadot里的中繼鏈、平行鏈、橋是什么？

[8]WebAssembly技術(shù)