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Polkadot跨鏈技術架構解析：與IPFS分布式的結合或帶-創(chuàng)新互聯(lián)
導語：在上一篇文章中分析了Substrate框架的起源以及和ETH、IPFS的關系。本文將深度揭曉Substrate框架與跨鏈網(wǎng)絡Polkadot之間的技術架構，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對于未來應用的重要性。
區(qū)塊鏈技術已經(jīng)進入下一階段，由前以太坊CTO率領團隊開發(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”不再是夢想。基于該框架的Polkadot區(qū)塊鏈網(wǎng)絡成為最受期待的跨鏈解決方案，Polkadot又被稱為天王級項目。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，其技術架構是否真的逆天？它們?yōu)楹纬霈F(xiàn)又到底解決了哪些問題？與IPFS技術的集成又將讓區(qū)塊鏈技術如何演進？
從以太坊出走再創(chuàng)奇跡
說起以太坊，很多人都會想到V神(Vitalik Buterin)。實際上，有一位才是以太坊的靈魂人物——Gavin Wood（蓋文·伍德），是一名計算機科學博士，是現(xiàn)實世界中隱藏的大神。他和V神一起聯(lián)合創(chuàng)辦了以太坊項目，并擔任CTO技術總監(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大不同點，智能合約的引入讓太坊徹底爆發(fā)。
圖：Gavin Wood在Github上有一萬三千個關注者
離開以太坊，Gavin Wood帶著Jutta Steiner博士（擔任安全和審計總監(jiān)）等伙伴共同創(chuàng)立了Parity Tech。他們開發(fā)了Substrate項目，一個強大的區(qū)塊鏈跨鏈開發(fā)框架，目的是幫助開發(fā)者使用下一代技術打造自己的區(qū)塊鏈。
現(xiàn)有區(qū)塊鏈技術遇到的關鍵問題
包括現(xiàn)有的三個主要的區(qū)塊鏈系統(tǒng)：比特幣、以太坊、EOS等，每個區(qū)塊鏈項目、用戶、礦工、DApp等形成了獨立的生態(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)，嚴重制約了區(qū)塊鏈技術的發(fā)展。
當前區(qū)塊鏈技術堆棧中的五個關鍵的問題：首先是可擴展性不足，缺乏互操作性和可開發(fā)性，DApp去中心化應用的開發(fā)受限，難以大規(guī)模應用。其次治理犧牲了大部分人的利益，算力壟斷和超級節(jié)點的權益壟斷，大部分分散的用戶/礦工的利益實際被摒棄。最后是區(qū)塊鏈網(wǎng)絡之間的孤立，且從一開始直到現(xiàn)在長久存在。
跨鏈打通區(qū)塊鏈價值交換通道
所謂跨鏈（Cross Chain）就是在不同的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡進行價值交換的技術。為什么說區(qū)塊鏈網(wǎng)絡之間的互通如此重要？因為它能打破現(xiàn)有網(wǎng)絡的孤立，建立多個網(wǎng)絡的鏈上資產(chǎn)交換?？珂溇拖袷氰忛_巴拿馬運河讓兩個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展性的挑戰(zhàn)是相互關聯(lián)，跨鏈讓兩個區(qū)塊鏈網(wǎng)絡先后與作用，各平臺實現(xiàn)互操作性，并提升總的吞吐量來增強可擴展性。
看似美好，但跨鏈解決方案也有技術難點：
第一：如何保證跨鏈交易的原子性？
第二：如何確認另一條鏈的交易？
第三：跨鏈交易，如何保持總資產(chǎn)的不變量？
第四：如何保證兩個鏈的網(wǎng)絡安全？
第五：如何實現(xiàn)多鏈之間的跨鏈互連？
為了解決上述技術難題，區(qū)塊鏈行業(yè)出現(xiàn)了許多解決方案。
1.交易原子性
HTLC（哈希時間鎖合同）是原子交換協(xié)議的一種實現(xiàn)，它通過哈希鎖定和時間鎖定機制保證事務的原子性。
2.交易確認
區(qū)塊鏈是封閉的、獨立的，沒有直接的溝通渠道?？珂溄灰兹绾未_認發(fā)送鏈的交易確實發(fā)生并得到確認？答案是“中間人”，通過“中間人”的角色來交換信息，“中間人”可以是一個節(jié)點或一個組，可以是一個集中組織，也可以是一個分布式組。現(xiàn)有解決方案主要包括以下內容：公證模式、中繼模式、側鏈模式。
?公證模式：公證模式的“中間人”不僅收集數(shù)據(jù)，還確認和驗證交易。根據(jù)驗證事務的方式，它還可以分為以下類型：集中公證方案，多信號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”僅充當數(shù)據(jù)收集器并將收集的數(shù)據(jù)轉發(fā)到目標鏈。目標鏈基于收集的數(shù)據(jù)驗證交易。驗證方法根據(jù)系統(tǒng)結構而有所不同，例如依賴SPV認證，或依賴驗證節(jié)點的簽名數(shù)量等。中繼模式是一種相對分散且松散耦合的方式，它具有更高的可擴展性。中繼模式有許多跨鏈實現(xiàn)方案，如Cosmos Hub、Polkadot（下文將詳細講到）中的Relay鏈、BTC-Relayer中的Relayer等，它們都充當中繼作用。
??側鏈模式：側鏈模式是一種強耦合設計。這兩個鏈通過“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空間中。在跨鏈交易中，交易驗證可以直接通過存儲在其系統(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)轉移過程在兩個鏈條上得到準確計算。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）跨鏈交易在兩個鏈上都是真實有效的，交易由整個網(wǎng)絡確認，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.獨立安全
在不同的跨鏈實施方案中存在基本的安全性和獨立性考慮因素，一般每個方案都有所并一同。
5.跨鏈互連
這個問題包含兩個潛在的問題：第一，現(xiàn)有的區(qū)塊鏈系統(tǒng)如何實現(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，信任一個符合我們利益的機構，將成為一個古老的概念，就像今天用算盤計算一樣?！比绻蚱破琳?，除舊布新，建立跨鏈通信，強大的技術框架設計必不可少。
Substrate主要的技術特點如下：
●為企業(yè)創(chuàng)建完美的自定義區(qū)塊鏈
○創(chuàng)建具有嚴格隱私級別的區(qū)塊鏈
○輕客戶端（Light Client）優(yōu)先的設計，適用于移動應用和物聯(lián)網(wǎng)
○網(wǎng)絡幾乎不分叉，可升級
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)絡進行交互而無需同步完整的區(qū)塊鏈。其目的是簡化交易驗證，即不必下載每筆交易和每個塊，只需下載區(qū)塊頭等數(shù)據(jù)，如前一個區(qū)塊頭的hash值、時間戳、證明隨機數(shù)、根哈希值等。
●以下一代技術為基礎
○在行業(yè)標準的WebAssembly架構上
○高度可擴展的Libp2p網(wǎng)絡
○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
這里有一個異常重要的技術：WebAssembly（縮寫為Wasm）， 是一項由 Mozilla、谷歌、微軟及蘋果聯(lián)合開發(fā)的項目，可以使用非 JavaScript 編程語言編寫代碼并且能在瀏覽器上運行的技術方案，可以看做是對JavaScript的加強（暫未是替代），彌補JavaScript在執(zhí)行效率上的缺陷。其通過Web執(zhí)行低級二進制語法，把高級別的語言（C，C++和Rust）編譯為WebAssembly，以便有機會在瀏覽器中運行。其特點是幾何級的性能提升、快速靈活、可移植。2015年，四大瀏覽器廠商（Chrome, Firefox, Edge, Safari）全部默認支持WebAssembly，這種技術隨后在前端高性能開發(fā)領域中大放異彩。
●安全和擴展性的突破
○WebAssembly智能合
○多級權限
○交易和狀態(tài)雙重加密
○限制異步調用選項
○帳戶級鎖定
○治理工具和方法（如投票系統(tǒng)）
●技術組件概覽
網(wǎng)絡 Libp2p
共識算法 混合PBFT / Aurand
隨機信標 Collective coin flipping
驗證算法 Edwards-Curve Ed25519
哈希算法 Blake2b
地址格式 Versioned Base-58 + Blake2b校驗
其中，Substrate有一個異常強大的算法——Blake2b哈希算法。它有什么優(yōu)勢？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)來作為運行算法，但是這一算法被密碼學研究專家發(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 哈希算法速度對比
Blake2b被認為是目前安全系數(shù)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本身是一個框架和平臺，人人均可用。為了更好地支撐起區(qū)塊鏈網(wǎng)絡之間的連通，建設一個新的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡就有必要了。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，即中繼技術。Polkadot是Gavin Wood帶領團隊基于Substrate框架開發(fā)的。
在Polkadot的架構中，組建技術主要分為平行鏈、中繼鏈、轉接橋。
平行鏈：基于應用的定制鏈
平行鏈（Parachains）是平行于波卡網(wǎng)絡的區(qū)塊鏈，每個平行鏈都可以根據(jù)不同的業(yè)務需求獨立設計自己的架構。平項鏈也會用來并發(fā)交易提高擴展性，其通過連接中繼鏈保證其安全。
中繼鏈：連接并驗證平行鏈
中繼鏈（Relay chain）可以連接波卡網(wǎng)絡和平行鏈，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)。
轉接橋：連接異構的外部鏈
轉接橋（Bridges）是一種特殊的平行鏈，它允許波卡網(wǎng)絡不通過中繼鏈的安全驗證而是使用外部鏈條自身的安全機制，與外部獨立的區(qū)塊鏈交流通信，例如 BTC、?ETH。
平行鏈可以看做是 Polkadot 網(wǎng)絡中高擴展的解決方案，平行鏈沒有確認區(qū)塊的能力，需要借助中繼鏈驗證。中繼鏈作為信任代理，參與 polkadot 網(wǎng)絡和平行鏈之間的通信，確保通信安全，也能實現(xiàn)風險隔離。轉接橋是服務于其他擁有獨立安全驗證機制的外部區(qū)塊鏈網(wǎng)絡，這些鏈條擁有自己的共識和出塊機制，例如 BTC 或 ETH 網(wǎng)絡，通過轉接橋直接與 polkadot 網(wǎng)絡通信。
此外，Polkadot定義了協(xié)議運行所必須的幾種角色：
1.驗證者(Validator)：驗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，并接受代幣獎勵;
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;
3.釣魚人(Fishermen)：是充當監(jiān)察員角色，在網(wǎng)絡中釣魚各種不當行為，并且收取各種惡意操作者保證金的一部分作為獎勵;
4.提名者(nominator)：擁有投票權，提名誰成為驗證者，保證驗證者的安全性。
Polkadot是一個網(wǎng)絡協(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。這意味著它是一個真正的多鏈應用環(huán)境，使跨鏈注冊和跨鏈計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。使得構建從私有鏈獲得許可數(shù)據(jù)并在公有鏈上使用的應用程序成為可能。
在Polkadot中，其中的Parachain（平行鏈）是關鍵的組建技術，它指的是使用鏈中繼來實現(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)塊鏈技術演進的方向。
Polkadot?+ IPFS = 無限的可能
俄國著名數(shù)學家馬爾科夫有一句名言:“任何一個進步的體系,也都是開放的?！笔澜缟蠜]有孤立的技術，也沒有孤立的工程師。不然，就會喪失其發(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。其基礎的Substrate框架開源，在底層也應用到了下一代互聯(lián)網(wǎng)的協(xié)議——IPFS，星際文件系統(tǒng)是面向去中心網(wǎng)絡的、點對點的、分布式超媒體傳輸協(xié)議。Polkadot網(wǎng)絡（及Substrate框架）使用IPFS底層核心Libp2p協(xié)議。
Libp2p是一個模塊化的p2p協(xié)議堆棧，定位為未來去中心應用程序的標準，一種靈活的跨平臺網(wǎng)絡框架，用于點對點應用程序?？梢蕴幚鞵olkadot生態(tài)系統(tǒng)中的對等方的發(fā)現(xiàn)和通信?，F(xiàn)在多個網(wǎng)絡都采用了Libp2p技術。如EOS、以太坊2.0（進行中）、Substrate（Polkadot）、Agoric、Filecoin（IPFS激勵層）。
對于科技發(fā)展而言，始終不能脫離具體的應用場景孤立地談技術。在IPFS應用檢索層中，IPSE網(wǎng)絡可集成應用Polkadot的Parachain平行鏈技術。IPSE主鏈基于DPos負責價值結算，而平行鏈主要負責價值交易。在平行鏈間所有交易可以立即執(zhí)行，不用擔心產(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。IPSE是基于IPFS的搜索引擎，F(xiàn)ilecoin是存儲層也是官方激勵層。IPSE主要負責搜索，而Filecoin負責存儲。兩者的底層的存儲依賴于IPFS星際文件系統(tǒng)。平行鏈引入，可讓IPSE在和Filecoin的數(shù)據(jù)存儲和事務操作上獲取高效的方案。
Polkadot開發(fā)的愿景是為互操作性，安全性，可擴展性和創(chuàng)新提供最強大的平臺。根據(jù)官方的路線圖，該網(wǎng)絡將增加到大約100條平行鏈。IPFS作為點對點的分布式超媒體傳輸協(xié)議，其構建的Filecoin去中心化分布式存儲網(wǎng)絡，預計將由全球的分布式節(jié)點組成，其主網(wǎng)也將在Q2/Q3上線。兩者代表著跨鏈技術和點對點分布式技術的高峰，或許在將改變現(xiàn)有的區(qū)塊鏈技術和應用。
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
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本文名稱：Polkadot跨鏈技術架構解析：與IPFS分布式的結合或帶-創(chuàng)新互聯(lián)
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